义教信息科技 基于行空板 K10 的奶牛产奶监测系统实践

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

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

#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

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

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

const String topics[5] = {"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

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

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

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()

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()

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()

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()

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. 程序代码程序代码.zip