基于智能物联网的肉鸡舍控制器：设计、实施、性能评估与优化

英文标题： Smart IoT-Based Broiler Room Controller: Design, Implementation, Performance Evaluation, and Optimization

作者信息

Shamsu Sabo
Department of Computer Science, National Open University of Nigeria, Fagge Study Center, Nigeria
Email: 1440msusabo@gmail.com
Abubakar Muhammad Umaru
Department of Computer Science, Yusuf Maitama Sule University Kano, Nigeria
Email: Amumaru@yumsuk.edu.ng
Lawan Abdullahi Yusuf
Directorate of Information and Communication Technology, National Open University of Nigeria, Fagge Study Center, Nigeria
Email: lyusuf@noun.edu.ng

论文出处

Volume 30, Issue (2), 2025
Journal of Science and Technology
© 2025 University of Science and Technology, Aden, Yemen. This article can be distributed under the terms of the Creative Commons Attribution License, which permits unrestricted use, distribution, and reproduction in any medium, provided the original author and source are credited.

摘要

本研究介绍了一种基于物联网（IoT）的智能肉鸡舍控制器的创建和性能评估。该系统结合了ESP32微控制器与Arduino平台，通过实时数据动态调整风扇、加热器和灯光设置，以监测和调节关键环境参数如温度和湿度，确保肉鸡生长的理想条件。研究进行了为期七周的全面性能研究，比较了DHT11和温度计的温度值，以及DHT11和湿度计的湿度值与参考标准。结果显示，平均温度为29.99°C，湿度约为39.95%，温度调节稳定，湿度控制一致但略显不足。研究发现系统湿度管理机制存在问题，依赖风扇和加热器且缺乏足够的准确性。此外，缺少实时时钟（RTC）模块影响了调度的一致性，远程接口缺乏安全特性增加了未授权访问的风险。为优化系统，建议增加RTC模块以改善调度，加入加湿器以更准确地控制湿度，并实施安全登录机制以提高远程接口的安全性。此外，建议使用PlatformIO和MicroPython等平台代替Arduino IDE，以简化代码管理和提升系统性能。报告还推荐了优化功耗的技术，如使用MQTT通信协议和集成太阳能供电。

关键词

智能肉鸡舍控制器、物联网集成、ESP32微控制器、DHT11传感器、LDR传感器

1. 引言

基于物联网的肉鸡舍控制在快速变化的家禽业中是一个重大突破，它有助于克服传统自动化系统和方法的缺点。这些创新解决方案利用先进技术，对温度、湿度和照明等关键环境因素进行智能控制，这些因素对肉鸡生产过程至关重要。物联网系统提高了可持续性、效率和精确度，而传统方法难以适应现代肉鸡养殖的不断变化的需求。

2. 文献综述

文献综述探讨了不同行业中使用的当前温度控制系统，重点是性能评估和优化技术。例如，一个系统使用LM35传感器、ATmega8535微控制器和GSM调制解调器来监测服务器房间的温度，尽管它有效，但需要人工干预，突出了优化对于支持自主功能和提高系统效率的重要性。另一个系统使用Arduino、LM35传感器和灯泡，有效地保持食物在60°C的恒温。还有研究设计了婴儿培养箱的温度分布控制系统，以防止因温度管理不善导致的细菌死亡。这些系统展示了在效率、可扩展性、连接性或功能限制方面的潜力，但在能源效率、响应性、可扩展性和环境适应性方面有许多优化机会。

3. 系统设计

本系统旨在监测和调节肉鸡舍的环境参数，由硬件和软件组件构成。系统架构如图1所示，详细描述了关键组件之间的关系。

3.1 硬件实现

硬件部分包括开发考虑和组件、硬件设计和实现两个子部分。

3.1.1 开发考虑和组件

ESP32开发板：作为中央处理单元，管理外围通信、传感器数据收集和控制逻辑。其双核处理器、内置Wi-Fi和蓝牙功能是选择的重要考虑因素。
传感器：包括DHT11温度湿度传感器和LDR光敏电阻，用于测量控制室的温度、湿度和光照水平。
显示单元：16x2液晶显示屏（LCD）显示实时数据，包括温度、湿度和系统状态。
执行器：风扇和加热器（使用红灯泡）用于控制肉鸡舍的温度和湿度。
LED照明：提供额外照明，根据LDR读数通过继电器控制。
电源单元：12V电池配置为系统供电，LM7805稳压IC将12V电源降至5V，为ESP32和传感器供电。
电子元件：包括电阻、LM7805稳压IC、继电器和晶体管等，用于系统的特定功能。

3.1.2 硬件组件和集成

ESP32微控制器是肉鸡舍控制系统的中央处理单元，运行在12V电池上，同步多个传感器和执行器的活动。系统通过ESP32的模拟输入接口与光敏电阻（LDR）传感器连接，实时测量环境光照水平。DHT11传感器通过数字协议与ESP32通信，提供当前环境数据。LM7805稳压IC确保即使电池输入电压波动，也能稳定运行。控制单元的ESP32根据预设阈值调节环境条件，包括电阻、BC547晶体管调节电机速度和继电器控制各种电器。电位器通过调整LDR的灵敏度提供精确控制。最后，16x2 LCD作为用户界面，显示温度、湿度和系统状态等重要信息。

3.2 软件实现

使用C++在Arduino IDE中开发肉鸡环境控制系统的软件，包括传感器接口、Wi-Fi连接和环境调节的控制逻辑。

3.2.1 Wi-Fi连接

该组件的目标是通过网络实现远程控制和监控。系统建立Wi-Fi连接后，配置AsyncWebServer处理HTTP请求，使用户能够通过Web界面与系统交互并获取实时数据。

3.2.2 传感器接口

系统定期使用DHT传感器（DHT11）读取温度和湿度，这些数据通过Web界面接收并在LCD上本地显示，确保环境条件保持在理想范围内。

3.2.3 自动和手动控制逻辑

控制逻辑通过预设的时间表和人工输入来管理环境条件。手动模式下，用户可以通过Web界面更改风扇、加热器和灯光，覆盖自动设置。自动模式下，系统根据预设时间表和传感器数据调整环境。

3.2.4 基于Web的界面

Web界面提供了一个用户友好的平台，用于远程控制和监控。用户可以使用Web浏览器访问状态更新并通过AsyncWeb服务器管理环境参数。

3.2.5 决策制定和控制逻辑

控制逻辑包括根据预设时间表和传感器读数自动调整的算法，通过调整温度和湿度水平，为肉鸡生长阶段创造合适的气候。用户也可以通过手动覆盖选项控制系统设置。

4. 系统功能和显示

系统通过在温度低于阈值时激活加热器，在温度高于阈值时激活风扇，展示了其独立控制能力。它还根据环境光照水平调整照明，并每周调整温度和湿度。湿度水平分别调整为65%、60%、55%、50%、45%、40%和35%，而温度则精确固定在32°C、30°C、28°C、26°C、24°C、22°C和20°C，以确保肉鸡生长的最佳条件。

5. 结果与讨论

5.1 传感器测量和性能评估

通过比较系统温度（DHT、温度计）和湿度（DHT、湿度计）传感器的两周读数与参考标准，计算每个环境元素的每周平均值，如表2所示。这些测量用于评估系统性能。

5.1.1 温度读数（DHT(°C)和温度计(°C)）

DHT传感器和温度计传感器的平均温度读数在29.25°C到30.58°C之间，总体平均值分别为29.99°C和29.75°C，表明系统内温度调节相对稳定。

5.1.2 湿度读数（DHT(%)和湿度计(%)）

DHT传感器和湿度计的湿度读数在37.67%到45.38%之间，总体平均值分别为39.95%和38.51%，表明湿度控制一致但略低于理想条件。

5.2 挑战

研究有效地识别了需要考虑的系统优化挑战：

湿度控制机制：系统依赖加热器和风扇控制湿度，这种方法缺乏精确湿度控制所需的灵活性，导致不规则波动和不理想的肉鸡生长条件。
缺少实时时钟（RTC）：系统缺少RTC模块，使得时间保持和调度变得困难。系统重启时，调度过程重置为第一周，而不是从前一次记录的周无缝延续。
远程接口安全和管理：由于安全措施不足，远程接口只能通过IP地址访问，无需登录信息，存在未授权访问的风险。此外，缺乏集中管理功能，使得多个设备的监控和控制更加困难。
对Arduino IDE库的依赖：由于Arduino IDE广泛依赖库，编码变得更加困难，导致代码复杂且管理困难。

5.3 提高准确性、可持续性、可靠性和效率

研究指出了开发系统中的准确性、可持续性和效率改进，并探讨了如何进一步改进。

提高准确性：研究开发了一种使用DHT11传感器的准确温度和湿度测量系统，通过将这些读数与参考标准进行比较，确保了一致的环境，紧密模拟肉鸡健康的理想条件。这种精确控制减少了温度和湿度的波动，这对于维持舒适和无压力的肉鸡栖息地至关重要。系统最初由于加热器和风扇配置的限制而难以正确控制湿度，可能对温度管理产生意外影响。性能评估发现，增加加湿器可以显著提高湿度水平控制，而不影响温度稳定性。这一改进将减少波动，建立一个稳定的环境，促进肉鸡生长。
增强可持续性：为了最小化对环境的影响并提高系统的可持续性，研究建议整合太阳能、使用微控制器的低功耗模式，并实施如MQTT等通信协议。还建议整合RTC模块以保持准确的调度和时间保持，确保系统即使在重启后也能一致运行，从而增强系统的整体可持续性。
提高效率：研究发现，由于系统大量依赖Arduino IDE，代码变得更加复杂和低效。切换到PlatformIO和MicroPython等平台，这些平台提供更高效的开发环境，可以简化系统的维护和扩展。这些变化提高了系统性能，减少了库依赖，并编写了更高效的代码。这些平台，如Arduino Core for ESP32、Zephyr和ChibiOS，提供跨平台互操作性、实时操作系统（RTOS）功能和低功耗等特性。这些平台提供了更多性能改进和适应性的可能性，使得创建更可靠和高效的肉鸡养殖系统成为可能。
功耗优化：尽管系统比早期版本使用了更少的功耗，但仍有进一步优化的空间。整合太阳能、使用微控制器的低功耗模式和实施MQTT等有效通信协议可以大大减少功耗。这些改进鼓励可持续性并增加系统的自主性，确保低功耗下的持续运行。
增强可靠性：整合RTC以实现一致的调度、通过安全登录凭证和集中管理增强安全性、升级湿度控制以使用精确的加湿器、实施有效的开发平台如PlatformIO以简化代码，并通过低功耗微控制器模式、太阳能整合和有效的通信协议如MQTT优化功耗，都是提高系统可靠性的方法。

6. 结论

开发的基于物联网的肉鸡舍控制器系统成功解决了肉鸡养殖中的重要环境管理差距。它展示了可靠的温度调节和稳定的湿度控制，评估结果突出了其优点和缺点。通过实施安装加湿器、整合RTC模块、加强安全措施和使用更高效的开发平台等建议，系统可以实现更高的准确性、可持续性、可靠性和操作效率。凭借这些进步，系统有望利用物联网技术显著现代化肉鸡生产。通过解决评估中识别的问题并提供实际解决方案，本研究为开发更可靠和适应性强的农业技术系统提供了路线图，鼓励肉鸡养殖操作中更高的生产和可持续性。