义教信息科技 基于行空板 K10 的奶牛产奶监测系统实践
本帖最后由 豆爸 于 2025-2-21 00:20 编辑## 义教信息科技课程 物联网实践与探索 第24课 农业生产新模式——基于行空板 K10 的奶牛产奶监测系统实践
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## 项目来源
随着物联网技术在农业领域的广泛应用，智能化养殖成为提升农业生产效率和质量的重要手段。在奶牛养殖产业中，准确监测奶牛产奶量对于优化养殖管理、提高经济效益意义重大。本项目基于此背景，结合教育实践与技术应用需求，旨在利用行空板 K10 打造一套实用的奶牛产奶监测系统，探索物联网技术在农业生产中的具体应用。
## 项目目标
### 学习目标
1. 深入理解物联网在农业生产中的应用原理和价值。
2. 掌握利用物联网技术解决实际问题的方法，如奶牛产奶监测。
3. 学会分析系统功能需求，设计并优化物联网应用系统。
### 实操目标
1. 成功搭建基于行空板 K10 的奶牛产奶监测系统硬件环境。
2. 实现奶牛身份识别、产奶量采集、数据传输与存储以及结果反馈控制等功能。
3. 能够根据实际需求对系统进行拓展和优化。
## 项目简介
本项目旨在运用行空板 K10 开发一套奶牛产奶监测系统，通过电子标签、RFID 读卡器、超声波传感器等设备，实现对奶牛身份的自动识别和产奶量的精准测量。采集到的数据经行空板 K10 处理后，传输至物联网服务平台进行存储，同时在本地显示屏实时显示奶牛编号和产奶量，并可通过按键控制数据上传。
| **需求环节** | **功能描述** |
| -------------- | -------------------------------- |
| 采集数据 | 采集奶牛的身份、产奶量数据 |
| 传输与存储数据 | 将采集的数据发送到物联网服务平台 |
| 分析处理数据 | 本项目不涉及分析数据的环节 |
| 反馈与控制 | 显示奶牛编号和产奶量 |
### 项目知识点
1. **物联网技术基础**：包括传感器应用、数据传输与存储、物联网服务平台配置等。
2. **电子标签与 RFID 技术**：利用电子标签作为奶牛 “身份证”，通过 RFID 读卡器识别奶牛身份。
3. **超声波测距原理**：运用超声波传感器测量产奶桶液面变化，计算产奶量。
4. **编程与算法设计**：使用编程实现系统功能，如数据采集、处理、传输及控制逻辑。
## 项目原理
奶牛耳朵佩戴电子标签，产奶处安装 RFID 读卡器，当奶牛产奶时，读卡器自动识别电子标签获取奶牛身份信息。产奶桶顶部的超声波传感器测量产奶前后液面高度差，根据体积计算公式得出产奶量。行空板 K10 读取传感器数据，通过无线网络将数据传输至物联网服务平台，并在本地显示屏显示相关信息，按键控制数据上传操作。
## 硬件简介
1. **行空板 K10**：作为主控板，负责数据处理、与传感器通信、网络连接以及控制显示等功能。
2. **NFC标签**：存储奶牛基本信息，用于身份识别。
3. **NFC近场通讯模块**：读取电子标签信息，获取奶牛身份。
4. **超声波传感器**：测量产奶桶内液面高度变化，以计算产奶量。
将电子标签固定在奶牛耳朵上，确保信息准确识别。RFID 读卡器安装在奶牛产奶处合适位置，保证能稳定读取电子标签信息。超声波传感器安装在产奶桶顶部，确保测量的准确性，其触发端（Trig）和回波端（Echo）按说明书连接至行空板 K10 对应引脚 。行空板 K10 连接无线网络，与物联网服务平台建立通信。
## 接线原理图
### 接线实物图
## 流程图
## 重点程序及说明
### 1. 头文件包含
```cpp
#include <DFRobot_Iot.h>
#include "unihiker_k10.h"
#include <DFRobot_URM10.h>
#include <DFRobot_NFC0231.h>
```
- `DFRobot_Iot.h`：引入了 DFRobot 物联网相关的功能库，用于实现 WiFi 连接、MQTT 通信等功能。
- `unihiker_k10.h`：可能是 UniHiker K10 开发板相关的头文件，用于控制开发板的屏幕、按键等硬件资源。
- `DFRobot_URM10.h`：引入超声波测距传感器 URM10 的驱动库，用于测量距离。
- `DFRobot_NFC0231.h`：引入 NFC 模块的驱动库，用于进行近场通信，实现奶牛 ID 的识别。
### 2. 动态变量定义
```cpp
String mind_s_cowID, mind_s_milkVolume, mind_s_message;
volatile float mind_n_startTime, mind_n_distance, mind_n_MAX_DISTANCE, mind_n_CALIBRATION_FACTOR,
mind_n_volume;
```
- `mind_s_cowID`：存储识别到的奶牛 ID，类型为字符串。
- `mind_s_milkVolume`：存储测量得到的牛奶产量，类型为字符串。
- `mind_s_message`：存储要通过 MQTT 发布的消息，类型为字符串。
- `mind_n_startTime`：记录开始时间，用于计时，类型为浮点型。
- `mind_n_distance`：存储超声波传感器测量的距离，类型为浮点型。
- `mind_n_MAX_DISTANCE`：奶桶的最大测量距离，单位为厘米，类型为浮点型。
- `mind_n_CALIBRATION_FACTOR`：用于将距离转换为牛奶体积的校准系数，类型为浮点型。
- `mind_n_volume`：存储计算得到的牛奶体积，类型为浮点型。
### 3. 函数声明
```cpp
void DF_ChuShiHua();
void DF_ShiBieNaiNiu();
void DF_ChanNaiKaiShi();
void DF_JieShuChanNai();
```
- `DF_ChuShiHua()`：用于初始化系统，包括 WiFi 连接、MQTT 连接和 NFC 模块初始化。
- `DF_ShiBieNaiNiu()`：用于识别奶牛 ID。
- `DF_ChanNaiKaiShi()`：开始产奶监测，测量并计算牛奶产量。
- `DF_JieShuChanNai()`：结束产奶过程，将数据通过 MQTT 发布。
### 4. 静态常量定义
```cpp
const String topics = {"siot/CowMilkRecords","","","",""};
```
定义了一个包含 5 个字符串的数组`topics`，其中第一个元素为 MQTT 发布消息的主题`siot/CowMilkRecords`，其余元素为空。
### 5. 对象创建
```cpp
DFRobot_Iot myIot;
UNIHIKER_K10 k10;
uint8_t screen_dir=2;
DFRobot_PN532_IIC pn532;
DFRobot_URM10 urm10;
bool isMilking = false;
```
- `myIot`：创建一个`DFRobot_Iot`对象，用于处理物联网相关的操作，如 WiFi 连接和 MQTT 通信。
- `k10`：创建一个`UNIHIKER_K10`对象，用于控制 UniHiker K10 开发板的硬件资源。
- `screen_dir`：定义屏幕的方向，初始值为 2。
- `pn532`：创建一个`DFRobot_PN532_IIC`对象，用于控制 NFC 模块。
- `urm10`：创建一个`DFRobot_URM10`对象，用于控制超声波测距传感器。
- `isMilking`：布尔型变量，用于标记是否正在产奶，初始值为`false`。
### 6. `setup()`函数
```cpp
void setup() {
k10.begin();
Serial.begin(9600);
k10.initScreen(screen_dir);
k10.creatCanvas();
mind_n_MAX_DISTANCE = 465;
mind_n_CALIBRATION_FACTOR = 720;
DF_ChuShiHua();
}
```
- `k10.begin()`：初始化 UniHiker K10 开发板。
- `Serial.begin(9600)`：初始化串口通信，波特率为 9600。
- `k10.initScreen(screen_dir)`：初始化屏幕，设置屏幕方向。
- `k10.creatCanvas()`：创建画布，用于在屏幕上绘制文本和图形。
- `mind_n_MAX_DISTANCE = 465`：设置奶桶的最大测量距离为 465 厘米。
- `mind_n_CALIBRATION_FACTOR = 720`：设置校准系数为 720，即每厘米对应 720 毫升牛奶。
- `DF_ChuShiHua()`：调用初始化函数，完成系统的初始化工作。
### 7. `loop()`函数
```cpp
void loop() {
DF_ShiBieNaiNiu();
if (isMilking) {
k10.canvas->canvasText("产奶开始", 0, 150, 0x0000FF, k10.canvas->eCNAndENFont24, 50, true);
k10.canvas->updateCanvas();
Serial.println("产奶开始！");
while (!!isMilking) {
DF_ChanNaiKaiShi();
if ((k10.buttonA->isPressed())) {
delay(200);
if ((k10.buttonA->isPressed())) {
DF_JieShuChanNai();
isMilking = false;
}
while (!(!k10.buttonA->isPressed())) {
delay(10);
}
}
delay(200);
}
}
delay(100);
}
```
- `DF_ShiBieNaiNiu()`：调用奶牛识别函数，尝试识别奶牛 ID。
- - 如果 isMilking 为 true ，表示识别到奶牛并开始产奶：
- 在屏幕上显示 “产奶开始”，并更新画布。
- 在串口输出 “产奶开始！”。
- 进入一个循环，不断调用`DF_ChanNaiKaiShi()`函数进行产奶监测。
- 检测按钮 A 是否被按下，如果按下，延迟 200 毫秒后再次检测，如果仍然按下，则调用`DF_JieShuChanNai()`函数结束产奶过程，并将`isMilking`设置为`false`。
- 等待按钮 A 释放。
- 延迟 200 毫秒。
- 延迟 100 毫秒后，再次进入循环。
### 8. 自定义函数
#### `DF_ChuShiHua()`
```cpp
void DF_ChuShiHua() {
myIot.wifiConnect("YMHKZZX", "4145631238520");
while (!myIot.wifiStatus()) {}
k10.canvas->canvasText(myIot.getWiFiLocalIP(), 0, 0, 0x0000FF, k10.canvas->eCNAndENFont24, 50, true);
k10.canvas->updateCanvas();
Serial.println(myIot.getWiFiLocalIP());
myIot.init("192.168.137.1","siot","22106076079390347","dfrobot", topics, 1883);
myIot.connect();
while (!myIot.connected()) {}
k10.canvas->canvasText("MQTT已连接", 0, 50, 0x0000FF, k10.canvas->eCNAndENFont24, 50, true);
k10.canvas->updateCanvas();
Serial.println("\"MQTT已连接\"");
pn532.begin();
Serial.println("\"初始化完成\"");
}
```
- 连接到指定的 WiFi 网络`YMHKZZX`，密码为`4145631238520`。
- 等待 WiFi 连接成功。
- 在屏幕上显示设备的本地 IP 地址，并更新画布。
- 在串口输出设备的本地 IP 地址。
- 初始化 MQTT 客户端，连接到 MQTT 服务器`192.168.137.1`，使用指定的用户名和密码。
- 等待 MQTT 连接成功。
- 在屏幕上显示 “MQTT 已连接”，并更新画布。
- 在串口输出 “MQTT 已连接”。
- 初始化 NFC 模块。
- 在串口输出 “初始化完成”。
#### `DF_ShiBieNaiNiu()`
```cpp
void DF_ShiBieNaiNiu() {
k10.canvas->canvasText("奶牛识别中...", 0, 100, 0x0000FF, k10.canvas->eCNAndENFont24, 50, true);
k10.canvas->updateCanvas();
Serial.println("奶牛识别中...");
mind_n_startTime = millis();
while (!(!((millis() - mind_n_startTime)<5000))) {
if (pn532.scan()) {
mind_s_cowID = pn532.readUid();
break;
}
delay(100);
}
if (((!(mind_s_cowID==String("no card!"))) && (!mind_s_cowID.isEmpty()))) {
isMilking = true;
k10.canvas->canvasText((String("识别到奶牛：") + String(mind_s_cowID)), 0, 100, 0x0000FF, k10.canvas->eCNAndENFont24, 50, true);
k10.canvas->updateCanvas();
Serial.println((String("奶牛ID：") + String(mind_s_cowID)));
}
else {
isMilking = false;
mind_s_cowID = "";
Serial.println("未识别到奶牛！");
}
}
```
- 在屏幕上显示 “奶牛识别中...”，并更新画布。
- 在串口输出 “奶牛识别中...”。
- 记录当前时间作为开始时间。
- 在 5 秒内不断尝试扫描 NFC 卡：
- 如果扫描到卡，读取卡的 UID 并存储到`mind_s_cowID`中，跳出循环。
- 每次扫描间隔 100 毫秒。
- 如果识别到有效的奶牛 ID：
- 将`isMilking`设置为`true`，表示开始产奶。
- 在屏幕上显示识别到的奶牛 ID，并更新画布。
- 在串口输出识别到的奶牛 ID。
- 如果未识别到有效的奶牛 ID：
- 将`isMilking`设置为`false`。
- 清空`mind_s_cowID`。
- 在串口输出 “未识别到奶牛！”。
#### `DF_ChanNaiKaiShi()`
```cpp
void DF_ChanNaiKaiShi() {
mind_n_distance = (urm10.getDistanceCM(P1, P0));
if (((mind_n_distance>=0) && (mind_n_distance<=mind_n_MAX_DISTANCE))) {
mind_n_volume = ((mind_n_MAX_DISTANCE - mind_n_distance) * mind_n_CALIBRATION_FACTOR);
mind_s_milkVolume = (String(mind_n_volume));
k10.canvas->canvasText("当前产量：", 0, 150, 0x0000FF, k10.canvas->eCNAndENFont24, 50, true);
k10.canvas->canvasText((String(mind_s_milkVolume) + String("mL")), 0, 200, 0x0000FF, k10.canvas->eCNAndENFont24, 50, true);
k10.canvas->updateCanvas();
Serial.println((String("产奶量:") + String(mind_s_milkVolume)));
}
}
```
- 使用超声波传感器测量距离，并存储到`mind_n_distance`中。
- 如果测量的距离在有效范围内（0 到mind_n_MAX_DISTANCE ）：
- 根据测量的距离计算牛奶体积：`mind_n_volume = (mind_n_MAX_DISTANCE - mind_n_distance) * mind_n_CALIBRATION_FACTOR`。
- 将牛奶体积转换为字符串，并存储到`mind_s_milkVolume`中。
- 在屏幕上显示 “当前产量：” 和牛奶体积（单位为毫升），并更新画布。
- 在串口输出当前产奶量。
#### `DF_JieShuChanNai()`
```cpp
void DF_JieShuChanNai() {
k10.canvas->canvasText("发送数据中...", 0, 250, 0x0000FF, k10.canvas->eCNAndENFont24, 50, true);
k10.canvas->updateCanvas();
mind_s_message = (String(mind_s_cowID) + String((String(":") + String(mind_s_milkVolume))));
myIot.publish(topic_0, mind_s_message, 1);
k10.canvas->canvasText("发送成功！", 0, 250, 0x0000FF, k10.canvas->eCNAndENFont24, 50, true);
k10.canvas->updateCanvas();
Serial.println("产奶结束！");
Serial.println((String("发布") + String((String(mind_s_message) + String("到 siot/CowMilkRecords 完成！")))));
mind_s_cowID = "";
mind_s_milkVolume = "";
delay(2000);
}
```
- 在屏幕上显示 “发送数据中...”，并更新画布。
- 构造要发布的消息，格式为`奶牛ID:牛奶体积`。
- 通过 MQTT 客户端将消息发布到主题`siot/CowMilkRecords`。
- 在屏幕上显示 “发送成功！”，并更新画布。
- 在串口输出 “产奶结束！” 和发布消息的信息。
- 清空`mind_s_cowID`和`mind_s_milkVolume`。
- 延迟 2000 毫秒。
## 使用Mind+编程
### 1.选择主控板
### 2.添加库
依次添加下面库。
### 3.编写程序
### 4.上传程序
## 测试及活动记录
### 1.连接wifi
### 2.wifi成功
### 3.连接MQTT
### 4.识别奶牛芯片
### 5.开始产奶
### 6.产奶量显示
### 7.按下A键发送产奶记录到MQTT
### 8.数据发送完毕
1. **测试过程**：在模拟环境中，使用水桶模拟产奶桶，倒入不同量的水模拟产奶过程，测试系统对产奶量的测量准确性；多次扫描电子标签，测试身份识别功能；频繁按下按键，测试数据上传功能。
2. **活动记录**：记录每次测试的时间、测试结果、出现的问题及解决方法。如在测试初期，超声波传感器测量数据不稳定，经检查发现是安装位置晃动导致，重新固定后测量数据稳定。
## 附件
1. **程序代码**
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