蚕房的环境保障系统设计

第1章绪论1.1研究目的及意义本次课题研究的目的及意义是：提高蚕丝生产效率和经济效益。通过环境监测技术的应用，能够实现对蚕房内部环境温度、湿度、CO2浓度等参数的智能调节，从而避免因环境变化导致的生产损失，降低疾病发生率，减少蚕丝生产成本。蚕房内的环境参数对蚕的生存和发育影响很大，通过精细化环境监测技术的应用，可以及时发现蚕健康状况的变化并采取有效的救治措施，推动蚕丝产业的可持续发展。蚕房环境监测技术的应用，不仅能够提高蚕丝生产的效率和质量，还能够保护环境资源，减少对自然环境的污染和破坏。课题研究不仅能够深入挖掘学科研究问题，探索学科的前沿和热点，还可以推动学科的发展和创新，引领学科研究方向的变化和发展趋势。1.2国内外研究现状目前国内主要对蚕房环境保障系统的传感器、控制设备、监测系统等方面进行研究。基于物联网智能化等技术的研究相对较少，系统智能化、高效化程度与国外还存在差距。2019年刘程哲在《农民致富之友》杂志上发表了一篇题为《基于物联网的蚕室环境监测与精准控制》的文章，利用物联网技术实现蚕室的自动化监测和精准控制，极大地提高了蚕丝的生产效率和品质[1]。对于养殖产业的智慧管理也需要传感器及时采集数据才能做到实时反馈，对于这一点2022年王谦和李秀华在《电子技术与软件工程》[5]一书中提过，主要开发了一种基于物联网的蚕房环境保障系统，利用传感器和智能控制终端，实现了对蚕房内温度、湿度、光照等环境参数的实时监控、自动调节、远程监控管理。目前，国外在已经有许多学者和研究团队在蚕房环境保障系统的领域取得了很大的进展和成果。在智能化管理方面，国外研究人员注重通过信息化技术实现对蚕房内生产管理的智能化。利用智能控制模型对蚕室环境进行动态管理；利用人工智能技术优化蚕室环境。2019年NingthoujamTikenSingh等人曾在《\t"/en/Detail/index/GARJ2019/_blank"IndianJournalofEntomology》[16]上说过海拔变化与桑蚕饲养的关系通过监控温湿度控制蚕的生存条件。在农业领域的应用前景他们认为，利用现代技术设计和开发智能化的蚕房环境保障系统，可以实现蚕丝产业的数字化、智能化和绿色可持续发展。2019年\t"/en/Detail/index/GARJ2021_1/_blank"R.Ranjithkumar也在《AutomaticFeederforSericulture》[17]讲过关于蚕的养殖自动投喂，提高蚕存活率和利用率，减少成本和人工工作量。本文介绍了一种智能蚕室自动喂食器的设计，该喂食器可以实现精确的喂食控制和自动化管理，提高了饲料的利用率，降低了养蚕成本，同时也减轻了农民的劳动强度，具有很高的实用价值和推广前景。2022年\t"/en/Detail/index/GARJ2021_3/_blank"AlOkbyMohammedFaeikRuzaij; \t"/en/Detail/index/GARJ2021_3/_blank"RoddelkopfThomas; \t"/en/Detail/index/GARJ2021_3/_blank"FleischerHeidi; \t"/en/Detail/index/GARJ2021_3/_blank"ThurowKerstin等人在《EvaluatingaNovelGasSensorforAmbientMonitoringinAutomatedLifeScienceLaboratories》上也说过关于环境监测气体传感器的问题[19]。可以利用数字化技术集合实际来调节适合蚕生活的环境。该研究提出一种用于生命科学实验室的气体传感器，可用于自动化实验室的环境监测和控制。该系统能够实时监测生产过程中产生的气体，为实验者提供及时性的环境监控数据，有助实验室的生产流程的自动化和半自动化控制。总体而言，国外的智能蚕房系统研究取得了不少成果，尤其在传感器技术、自动控制系统和节能环保方面。与国内相比，国外的研究更加注重智能化和自动化的实现，同时也更注重科技创新和环保可持续发展。由于不同国家和地区的蚕丝生产环境和需求存在差异，因此，国外的研究成果在我国的应用和推广还需要结合实际情况进行定制和优化。1.3主要研究内容本设计的研究内容将采用K210开发板作为主控模块，使用Python语言编程。本设计分四个模块：传感器数据采集模块、通信模块、图像识别AI模块、上位机手机APP模块。对模块进行细化：传感器模块采集蚕房的环境数据，即蚕房的温度、湿度、空气质量、光照强度并上传云平台，使用定时器提醒人工喂食时间。通过设置阈值控制蚕房的环境变化，蜂鸣器和传感器模块联动，当采集的数据异常，蜂鸣器响应，提醒工作人员还可以通过终端控制自动调节蚕房环境，使得蚕处于一个合适的生长环境。使用图像识别采用AI视觉检测通过查看蚕的颜色形态来观察蚕的生长。使用WIFI作为通信模块将数据云平台。本次设计的特色功能是使用AI视觉检测技术观察蚕的生长变化，减少人工工作量和节约成本，可以通过远程监控蚕房环境变化。第2章系统的总体结构2.1设计方案1.环境监测：检测蚕房内温度、湿度、CO2浓度等数据，实时监控，将数据上传云端处理分析，根据数据反馈智能调节蚕房内的环境参数。2.智能控制：基于监测数据，对蚕房内部进行智能调节，比如温度、湿度等，同时还可以自动开启或者关闭通风、灯光等设备。3.数据分析与预测：通过大数据技术分析，对蚕房内部环境参数进行深入分析，预测蚕虫的生长发育情况，提高蚕丝的生产效率和质量。4.远程监控：实现对蚕房内部环境和生产状况的实时监测和远程控制，让工作人员随时了解蚕房的情况，并及时处理生产问题。2.2功能需求分析2.2.1技术路线（1）硬件部分使用单片机K210、摄像头模块、温湿度传感器、LCD显示屏、继电器模块、WIFI通信模块、光敏电阻传感器。（2）硬件部分使用MaixPyIDE；编程语言用Python。（3）软件平台用Androidstudios；编程语言用JAVA。2.2.2预期结果1.WIFI通信2.上位机：（1）接受数据并显示，周期存储数据。（2）设定阈值：温湿度上下限、空气质量阈值、光照阈值。（3）设定喂食时间。（4）切换下位机模式。3.下位机：（1）实时监测：显示温湿度、光照、空气质量，并发送上位机。（2）温度高于温度阈值上或下限，开启降或升温设备。（3）湿度高于湿度阈值上或下限，开启通风或加湿设备。（4）空气质量大于空气质量阈值，开启通风设备。（5）光照低于光照阈值，开启照明设备。（6）定时提醒人工喂食。（7）实时显示摄像头采集到的画面；学习蚕的生长时期；识别蚕的生长，并发送上位机。2.3总体方案设计本设计采用传感器模块采集温度、湿度、空气质量、光照强度等数据，上传至云平台。定时器提醒人工喂食时间，通过设置阈值判断蚕房环境变化，当采集的数据异常时，蜂鸣器响应并提醒工作人员。同时，通过终端控制自动调节控制蚕房环境，以保持蚕处于合适的生长环境。采用图像识别AI视觉检测技术来观察蚕的生长变化，减少人工工作量和节约成本。本方案还采用WIFI作为通信模块上传蚕房的各种数据，可以实现远程监控蚕房环境变化。本设计方案的特色功能在于采用AI视觉检测技术来观察蚕的生长变化，从而实现自动化监测和调节蚕房环境。图2.1整体方案设计流程图2.4单片机型号选择K210单片机基于RISC-V指令集架构的高性能嵌入式处理器。该单片机在处理速度、功耗控制、安全性、可编程性等方面均表现出色，应用于人工智能、机器视觉、语音识别等领域。采用28nm工艺制造，内置双核64位RISC-VCPU，主频高达400MHz，支持高速运算和复杂算法处理。同时，它还内置了FFT、卷积、向量运算等硬件加速模块，能提升数字信号处理和计算机视觉应用的处理速度和效率。最突出特点是可以达到1TOPS算力，支持多种编程语言和多种操作系统，支持多种接口协议，可与外部传感器，器件等设备进行通信，OpenMV提供了机器视觉功能最核心和最复杂的部分包括硬件和核心算法，实物图如下。图2.2K10单片机实物图2.5传感器模块介绍2.5.1温湿度传感器模块设计DHT11是一种数字温湿度传感器，可以在不使用其他外部元件的情况下精确测量周围环境的温湿度。调试步骤：查看DHT11与电路板的连接。DHT11的三个引脚：VCC接电，GND接地，DATA连接单片机的GPIO管脚。根据DHT11传感器的特性，选择合适电源电压，一般为3.3V或5V，可以直接使用单片机的电源作为供电电源。需要编写相应的程序，读取传感器输出的数据。使用单片机的GPIO口进行读取，并进行解码处理。在编写程序时，需要注意DHT11传感器的读取周期，一般情况下为2秒钟左右。实物图如下。图2.3DHT11温湿度传感器实物图2.5.2空气质量传感器模块设计MQ135的引脚从上到下依次是：VCC、GND、DO、AO。DO输出数字信号，当监测到空气污染达到阀值时，DO口输出高电平，相当于一个开关，适用于做一个气体上限报警器。AO输出模拟信号，这个传感器使用的电压是5V，所以在接VCC的时候需要接到开发板的5V输出口上。实物图演示。图2.4MQ135空气质量传感器实物图2.5.3光敏电阻模块设计光敏电阻有两个端口，可通过两个端口来读取电阻值大小，通过两个端口中间接一个电位器作为一个可调电压分压器加在外围电路上。一个端口通过电阻接地，一个端口连接电源，并且沿着中心接入一个电位器调整其电流值。当入射光照射到光敏电阻时，其电阻值会发生变化，导致电位器电压值发生变化，电路电流和电压也会发生相应的变化。实物图如下。图2.5光敏电阻模块实物图2.6LCD显示屏模块设计LCD显示屏是一款4/8位并行，2/3线的接口方式，显示分辨率为240*360，2.4寸的液晶屏，内置由8198个16×16点汉字与128个16×8点ASCII字符，该型号显示屏具有接口简单，指令操作便捷等特点，分为带中文字库和不带中文字库，有并行传输和串行传输两种方式。该模块通过引脚连接到电源。使用ST7789V，控制电路包括控制芯片、驱动电路、时钟电路，通过IIC接口控制驱动芯片，实现对液晶屏的显示，实物图如下。图2.6LCD显示屏模块实物图2.7TF内存卡模块设计TF内存卡称为microSD卡，是小型存储卡的不标准之一。采用最新封装技术，大小是11mm×15mm×1mm约等于半张SIM卡，附有SD转换器，可兼容所有SD读卡器，TF卡可经SD卡转换器。适用于多项多媒体应用。TF模块软件设计是指在嵌入式系统中设计和实现对TF内存卡模块进行读写操作的程序。本次TF卡控制使用的是TFCARD32GDS卡，它是9针排针接口，读写数据的传输使用的是SPI接口。其中VCC接电源正极，GND接电源负极，控制信号包括数据信号、时钟信号、片选信号等，符合SPI总线的传输协议接口。实物图如下。图2.7TF内存卡模块实物图2.8GC0328摄像头模块设计摄像头的基本原理是利用光学透镜将光线反射或折射到传感器上，传感器会将其转化为电信号，再将电信号传输到处理器上进行图像处理和编码压缩。设计中使用的摄像头模块是GC0328摄像头模块，根据应用场景选择分辨率、接口等参数。GC0328摄像头输出的数据是数字信号，需要进行AD转换，将其转化为模拟信号。然后通过视频接口进行图像传输。还可以使用视频编码芯片将数字信号转换为压缩视频格式。提供的接口有：电源接口、控制接口、视频输出接口等。实物‎‏图如下。图2.8GC0328摄像头模块实物图2.916bitADC数字信号转换模块简介16位ADC模块具备特点和功能如下：高精度转换：将模拟输入信号转为数字信号，提供更细致的测量结果。快速采样率：以较高的采样率进行模拟信号的转换，确保实时性和准确性。多通道输入：可以同时连接多个传感器，监测不同位置的环境参数。数字接口：通过数字接口与上位机进行通信，将数字信号传输给上位机进行处理和分析。可编程功能：具备可编程的功能和参数设置，可使得模块适应不同的环境需求和应用场景，提供更灵活的配置选项。16bitADC数字信号转换模块一般有多个管脚，VCC接电，一般接5V电源。GND接地。CS片选信号，用于选择模块。SCLK时钟信号，用于模块与系统的同步。SDI数据输入信号，将模拟量输入到指定的的数据通道。SDO数据输出信号，数字信号输出到系统的数据总线。实物图如下。图2.9ADC转换模块实物图2.10继电器模块介绍继电器是一种控制装置设备，是常用的开关元件，原理是利用电磁原理和机械运动原理将信号电流转换成控制电路的开关信号。继电器模块可以将信号从控制器电路切换到被控电路，可以用在自动化系统、机器人、遥控开关、家用电器和电动工具等领域。继电器模块的应用领域非常广，适应性强，简化电路的设计和安装，方便、快捷。继电器模块常用的管脚如下：VCC接5V的电源正极，GND接地；IN控制输入信号，连接微控制器的数字输出口；COM/NC常开、常闭和公共端口，用于控制外部电路。COM是公共端口，NO是常开端口，NC是常闭端口，当继电器没有被触发时，COM和NC相连，当继电器被触发时，COM和NO相连。实物图如图所示。图2.10继电器实物图2.11蜂鸣器模块介绍蜂鸣器工作原理：微控制器或其他控制电路通过接口向蜂鸣器模块发送一个脉冲信号，接收这个信号会后，蜂鸣器内部振荡器被激活产生声音。根据外部信号的参数和发送频率，以及蜂鸣器模块自身的特性，可以产生不同的声音效果。本系统采用5V有源蜂鸣器，当检测蚕到喂食时间时会触发蜂鸣器，提醒工作人员喂食时间到需要给蚕添加或者更换桑叶。实物如图所示。图2.11蜂鸣器实物图2.12AI模块的介绍本设计图像识别AI模块采用卷积神经网络模型算法（CNN），CNN可以将大数据量的图片降为成小数据量并且能够保留图片的特征信息。采用ESP32芯片设计的视频处理模组，有多种外设资源和强大的神经网络运算能力，采用PCB板载天线。AI模组集成了丰富的外设：SPI收发控制器、LCD、mipi摄像头接口、两路UART、ADC、和45个外设引脚。常规的图像处理一般会使用高性能的SOC去移植openCV，借助openCV的库去完成图像的处理，进而使用本地AI算法去识别。有高性能的STM32是可以完成一些简单的图像识别的。但其他的功能性业务就可能受到很大程度的影响，甚至不能完成相应的业务。而且成本不符合本设计预期。所以本设计采用AI模块的主控芯片为ESP32-S3-WROOM芯片双核32位地址线，240MHz的运行频率。本款芯片支持神经网络计算加速和向量指令等。AI模块中的摄像头采集的数据流中的数据帧是由多个像素构成的，每个像素是有不同的颜色构成的，每个像素点有RGB三个参数来表示颜色信息，如果一张大小为1000×1000像素的图片帧，就需要AI模块每帧处理3百万个数据参数，这数据量处理起来是非常消耗资源的，在AI模块上无法直接实现。用卷积神经网络CNN解决就是将复杂问题简化，把大量参数降维成少量参数，在进行模型的判断与推测。2.13卷积运算卷积神经网络构建模型（CNN），卷积运算的第一个参数通常叫做数据输入，第二个参数叫做内核函数，输出为特征映射，可以通俗理解为一个数据经过过滤器之后产生输出。卷积神经网络CNN的基本原理卷积层:负责提取数据帧中的局部特征，使用一个过滤器来过滤图像的各个小的区域部分，得到小区域的特征数字值。本设计中有多个卷积过滤器，每个过滤器代表一种图像模式，每个过滤器代表图像的底层纹理模式。池化层/下采样：大幅度降低参数集、数据维度，避免过度拟合，有些卷积计算后，图像仍然很大，为了再次降低数据维度，就进行下采样。减小运算量，节约AI模块的运算资源。全连接层：用来输出想要的数据结果，经过卷积层和池化层降低数据维度的数据，全连接层才能正常的去运行，不然数据量太大，计算量大。如图所示2.12CNN全连接层第3章系统的硬件设计3.1下位机整体描述传感器模块将采集蚕房的环境参数：温度、湿度、空气质量、光照强度等上传云平台，使用定时器提醒人工喂食时间。通过设置阈值判断蚕房的环境变化，蜂鸣器和传感器模块联动，当采集的数据异常，蜂鸣器响应，提醒工作人员并通过终端控制自动调节控制蚕房环境，使得蚕处于合适的生长环境。使用图像识别通过查看蚕的颜色体型变化来观察蚕的生长。使用WIFI作为通信模块上传数据到手机端。下位机流程图如图所示。图3.1下位机流程图3.2LCD显示屏模块设计定义和初始化LCD显示屏的控制口，包括数据口、控制口、时钟输入接口等。让LCD显示屏开始工作。此时摄像头开始拍摄蚕虫的各个形态，将数据传输到LCD显示屏，LCD显示屏接收到来自单片机的摄像头实时画面，以进行远程监控，查看蚕虫此时的状态。1.功能描述：LED显示屏用来显示传感器采集的数据和其他信息，还有显示蚕虫的各个时期的不同形态。2.代码流程：第一步是先初始化LCD屏幕所用的管脚LCDD0-D7、IO36-IO39，使用的函数是def__init__()，第二步是使LCD进行显示，使用的函数defRUN()。流程图如下。图3.2LCD显示屏模块工作流程图3.3TF内存卡模块设计启动系统，摄像头开始对画面进行采集随后发送给单片机，单片机经训练后可识别分辨不同情况，单片机将命令摄像头进行拍照，随后TF内存卡开始对录像和照片进行储存，以便日后查看，方便管理。1.功能描述：TF内存卡的主要功能是存储数据，对蚕虫的不同形态的图片进行存储。2.代码流程：初始化管脚IO26-IO29，存储图片的主要函数是classifier.add_sample_img()。流程如下所示。图3.3TF内存卡模块设计3.4GC0328摄像头模块设计GC03028摄像头模块软件设计是指在嵌入式系统中设计和实现对GC03028摄像头模块进行图像识别采集和处理的程序。GC03028摄像头模块是一种小型化摄像头模块，可用于嵌入式系统中的图像采集和识别应用。1.功能描述：摄像头主要用于拍摄不同时期的蚕虫的不同形态，在LCD屏幕上进行显示，同时也是图像识别分类的关键。2.代码流程：第一步初始化管脚IO40-IO47和DVPD0-D7，其余的只需要对摄像头进行设置就可以设置函数为sensor.snapshot()。流程如下所示。图3.4GC0328摄像头模块设计3.5温湿度传感器模块设计DHT11传感器采用单线通信协议，并且在采集温度和湿度数据时只需要发出一个读取指令即可。由于DHT11传感器采用数字信号输出，需要特定的库函数或者编程语言来读取和解析传感器的输出数据。1.功能描述：DHT11传感器用于采集蚕房室内温湿度，通过串口连接将数据转换之后传输到显示屏进行显示。2.代码流程：初始化传感器连接芯片的管脚IO9，再设置采集数据的self.__collect_input()函数，采集数据进行转化使用传输函数self.__parse_data_pull_up_lengths传输到显示屏。工作流程如下。图3.5温湿度模块设计3.6空气质量传感器模块设计空气质量传感器开始检测环境空气质量的时候可以设置调用相关的函数，当测量完成后可以通过读取传感器输出寄存器或者调用相关函数进行数据的读取。同时，需要对读取到数据进行处理，需要将采集的空气质量值转换为具体的物理或者数字量等。在使用空气质量传感器的时候需要注意质量控制和测试验证，确保实验的质量和性能。1.功能描述：空气质量传感器用来采集室内空气质量数据，通过串口连接将采集的数据通过AD转换之后传输到显示屏进行显示。2.代码流程：初始化传感器连接芯片的管脚IO10、IO11，再设置采集数据的函数ADS_1115_01.ADS_1115_Read_Data()，通过AD转化传输到显示屏。流程如图所示。图3.6空气质量传感器模块设计3.7光敏电阻模块设计光敏电阻传感器需要进行初始化，包括启动传感器、设置传感器的工作模式和采样频率等。模块通过管脚连接进行通信，完成数据传输。将获取得到的数据传输到主控板，对数据进一步处理，可以根据需求将数据存储到内部存储器或者外部存储器之中，以备后续使用。1.功能描述：使用光敏电阻判断目前光照强度，实时监测光照强度数据并发送给单片机，单片机经过对阈值的判断，进行相应处理。2.代码流程：第一步初始化所用的管脚ADS_A0，所用的函数是ADS_1115_01.ADS_1115_Read_Data()，工作流程如下图所示。·图3.7光敏电阻传感器模块设计3.8继电器模块设计继电器模块管脚一般有两种连接方式：1.单模块控制；2.多模块并联控制。1.功能描述：继电器分别模拟了温湿度过高进行通风、温湿度过低需要打开加温器、加湿器或者灯光不够的时候打开灯光。2.代码流程：第一步需要注册继电器fm.register()，第二步是先对继电器管脚IO12-IO15进行初始化，使用的函数是Relay_01.Init()，第三步是控制继电器开关，使用的函数是Relay_01.ON()，Relay_01.OFF()。流程如下所示。图3.8继电器流程图3.9蜂鸣器模块介绍蜂鸣器是一种常见的电子元件，通过发出声音向用户提供警示或提示信息。该模块通常由蜂鸣器、振荡器和接口组成，可以通过信号线连接到其他电子设备（如微控制器），以实现声音信号的控制。1.功能描述：当计时到喂食时间时，开启蜂鸣器提醒工作人员给蚕投喂食物。2.代码流程：第一步需要注册蜂鸣器使用函数fm.register()，第二步是构建蜂鸣器对象，加了三极管，高电平控制响，使用函数BEEP_3V3_Drive.BEEP_3V3(Ctr_BEEP,1)，第三步对管脚IO7进行初始化，使用的函数是BEEP.Init()，第四步是控制继电器开关，使用的函数是BEEP.ON()，BEEP.OFF()。

第4章系统的软件部分设计4.1软件的主要流程上位机实现：接受数据并显示，周期存储数据库；设定阈值：温湿度上下限、空气质量阈值、光照阈值；设定喂食时间；切换下位机模式。下位机实现：实时监测：温湿度，显示，并发送上位机；实时监测：光照，显示，并发送上位机；实时监测：空气质量，显示，并发送上位机；温度高于温度阈值上或下限，开启降或升温设备；湿度高于阈值上或下限，开启通风或加湿设备；空气质量大于空气质量阈值，开启通风设备；光照低于光照阈值，开启照明设备；定时提醒人工喂食；实时显示摄像头采集到的画面；学习蚕的生长时期；识别蚕的生长，并发送上位机。总体流程图如下。图4.1系统总体流程图4.2上位机介绍该系统通过上位机控制和监测，实现对蚕房内各项关键参数的自动调节和实时监控，从而提高蚕的生产效益和生长质量。上位机主要具备以下功能：参数监测和实时反馈：上位机通过与下位机连接，实时监测蚕房内的温度、湿度、光照强度等参数。操作人员可以随时了解蚕房的环境状态，及时作出调整。自动调节与控制：上位机根据预设的参数范围和养蚕要求，通过控制系统中的执行器，自动调节蚕房内的温湿度、通风设备、灯光等。数据记录和分析：上位机将数据进行记录和分析，形成报表，操作人员根据数据了解蚕的生长情况，并做出相应的调整和措施。报警和远程控制：上位机设置预警参数，当参数超阈值发出警报提醒工作人员。支持远程控制功能。图4.2上位机总体设计图4.3WIFI模块使用IEEE802.11标准的高功耗高速率的通信协议。常见的工作频率有2.4GHZ和5GHZ。WIFI主要用于需要带宽较高的数据传输，比如视频流转。在物联网组网应用中，WIFI最常部署到终端设备。但它通常无法满足本项目中的低功耗需求。设计中使用的WIFI模块的型号是ESP8266，它是直接集成在K210单片机上的，这样方便我们的使用，不需要再单独提供接口给WIFI模块，也方便了我们对WIFI模块的使用。1.功能描述：WIFI模块主要是用于连接单片机和上位机端的，我们采用的方式是以单片机上的WIFI作为热点，给上位机提供数据的传输。2.代码流程：第一步是先进行初始化IO6-IO8，使用的函数是fm.register(8,fm.fpioa.GPIOHS3,force=True)，第二步是设置波特率，第三步是使用AT指令对他进行设置，设置为AP模式可以是WIFI作为热点使用。图4.3WIFI流程图4.4数据库介绍SQLite是一款嵌入式SQL数据库引擎，特点是体积小、速度快、免费开源。可以使用C语言编写，不需要独立的服务器进程，数据保存在本地文件中。SQLite支持ANSISQL92标准，具有关系型数据库的基本功能，支持事务、联合查询、多表连接、触发器等。SQLite支持跨多种操作系统平台，包括Windows、Linux、MacOSX、Android、iOS等。SQLite轻量级、易用、有很好的性能，适合用于嵌入式系统、移动应用等低资源消耗和有限存储空间的应用中。本设计使用手机APP使查看历史记录的数据库描述会包含以下信息：1.数据库名称：用于标示该数据库的名称，方便开发者和用户进行查找和识别。2.进入历史记录页面：进入APP界面，点击历史记录按钮图标，进入历史记录页面查看历史数据。3.选择日期和时间：在历史记录界面上，可以选择想要查询数据的日期和时间范围。4.查看历史数据：根据选择的日期和时间，APP会显示相应日期和时间范围内所上传的所有传感器数据。可以查看各种数据并进行分析和处理。4.5AI模块设计本次开发使用乐鑫公司的AI框架，乐鑫公司提供一整套开源AIoT智能物联网解决方案，完整集成视频处理到开发板、ESP-WHO人工智能框架、ESP-IDF软件SDK，使用神经网络模型完成AI模块功能的实现与应用。ESPEYE是一款人工智能开发板。它集成了一个200万像素的摄像头、一个LCD显示屏，适用于图像识别调试。ESP32-S3芯片还为开发板提供了USB端口调试等功能。1.功能描述：系统开始上电之后，摄像头模块会拍照记录环境情况、蚕的各个时期的不同状态，拍照之后会将数据传输到TF存储卡里面进行存储，AI模块会对TF存储卡里面的数据内容进行学习。2.代码流程：第一步：摄像头开始工作，调用classifier.add_class_img函数，将摄像头的获取的图片一帧一帧的传输到作为帧的输出流的队列缓冲区。第二步使用sensor.snapshot()函数完成摄像头帧数据的采集，并且将帧数据放入到内存空间中并且送入AI模型中进行识别与判断，使用函数为Identify_Results['Identify_Index']==class_names;将识别的对象使用img=draw_string(img,2,2,class_names[res_index],color=lcd.RED,scale=1,bg=lcd.WHITE)函数流转到LCD屏幕上显示图像数据。到此，一帧识别的过程完成。重复训练学习，直到学习完环境、蚕卵期、幼虫期、熟蚕期、蚕蛹期、成虫期六个类别的不同形状的五个样本数为止。4.6图库对比分析摄像头模块将会拍摄以下五张图片传输到AI模块，AI模块会对其进行学习训练。图4.4蚕卵期、幼虫期、熟蚕期、蚕蛹期、成虫期蚕生长发育的温度范围为20-30℃，饲育适温通常以第1龄27-28℃、第2龄26-27℃、第3龄25-26℃、第4龄24-25℃、第5龄23-24℃为宜，上蔟初期保持24.5-25℃，结茧后期保持在24℃为宜。湿度：第1龄相对湿度为95%，以后逐龄降低5-6%。蚕适合在黑暗的环境，蚕对光线和温度比较敏感，初期的幼蚕一般要避免光线的照射，在有光的情况下孵化较慢，温度控制在25-30℃左右。孵化后初期保持在30-33℃左右，此时对光线的把控可以稍微松一点，但是还是要尽量避免持续的明亮光线。中后期的话温度控制在25℃左右就差不多，这时可以偶尔保持明亮的环境，但是还是以昏暗为主。第5章系统测试5.1系统实物图在系统设计完成之后，需要对实物进行测试以验证系统的性能和可靠性。实物测试分为硬件和软件部分。硬件测试包括硬件设备的安装和连接的测试，包括各个传感器和单片机设备的接线和调试，确保设备能够正常运行。软件测试主要包括上位机系统的功能测试和性能测试，包括数据采集、数据传输、数据处理、控制指令下发等。图5.1系统整体实物图：下位机和上位机5.2测试原理首先对系统的传感器进行了测试。将传感器安装到蚕房内部，测试系统是否可以准确测量各个环境参数，包括温度、湿度、空气质量等数据。测试通过摄像头是否可以清晰学习到蚕不同时期的各个形态，经过测试，传感器测量的数据与实际环境参数数据基本一致，表明传感器可以准确测量蚕房的环境参数数据，通过学习可以判断蚕虫的不同时期，并根据不同时期给出不同的反应。比如蚕虫处于幼虫期或者熟蚕期时，经过一定的时间提醒工作人员对蚕进行喂食。软件方面测试系统数据采集和传输等功能。采用WIFI技术进行数据传输。测试是否可以稳定准确传输数据。通过上位机向下位机发送指令，测试是否可以控制下位机，下位机是否可以准确及时响应。经过测试，系统可以准确控制执行器，可以确保蚕房的环境参数得到有效控制。通过修改阈值之后，再将指令从上位机发送到下位机查看是否有变化。图5.2对几种蚕蛹形态进行学习（每张照片学习五次）图5.3上位机对阈值的设定，随后可观察到系统的反应5.3测试数据分析当系统上电之后经过AI模块学习蚕的不同时期启动系统。首先测试蚕房内部的环境参数，当处于昏暗环境时：温度：29.9℃，湿度：36.7%，光照强度：01，空气质量：07。改变环境参数情况下：打开灯光光照强度增加58，放在室外阳光下照射光照强度37；对温湿度传感器哈一口气，温度增加为36.6℃，湿度65%，冷却之后温湿度会慢慢下降；将打火机靠近空气质量传感器，此时空气质量为28。当光照强度低于10时会控制继电器打开灯光；当空气质量高于阈值20时会控制继电器打开通风设备；当温度低于阈值25℃时会控制继电器打开加温器，当湿度低于30%时会控制继电器打开加湿器；当温湿度高于阈值30℃和90%时会控制继电器打开通风设备。硬件测试无误，传感器可以准确地检测数据并将数据传输到显示屏上进行显示，接下来对五个蚕的不同时期进行监测：蚕卵期：当摄像头检测蚕处于蚕卵期时，只控制温度为26-28℃，湿度为90-95%，光照强度为5以下，空气质量为10以下。幼虫期：当摄像头检测蚕处于幼虫期时，蚕需要进食，控制温度为26-30℃，湿度为85-90%，光照强度为5以下，空气质量为10以下。超过一定时间后开启蜂鸣器，提醒工作人员喂食，打扫卫生，检查蚕虫生存情况。熟蚕期：当摄像头检测蚕处于熟蚕期时，蚕需要进食，控制温度为25-27℃，湿度为80-85%，光照强度为15以下，空气质量为15以下。超过一定时间后开启蜂鸣器，提醒工作人员喂食，打扫卫生，检查蚕虫生存情况。蚕蛹期：当摄像头检测蚕处于蚕蛹期时，只控制温度为23-25℃，湿度为75-80%，光照强度为10以下，空气质量为20以下。成虫期：当摄像头检测蚕处于成虫期时，蚕需要进食，控制温度为23-24℃，湿度为70-75%，光照强度为15以下，空气质量为15以下。超过一定时间后开启蜂鸣器，提醒工作人员喂食，打扫卫生，检查蚕虫生存情况。5.4测试总结通过测试得到数据，对数据进行分析之后得出结论表明，蚕房的环境保障系统设计可以准确地测量出蚕房内部环境的各个参数，并对各个参数做出相应的反应。可以通过上位机实现远程监测和控制，以保证蚕的良好生长状态和稳定的产量效益。但是还存在缺点，由于是连接的ESP8266模块，会有距离限制，超过一定的距离会使得信号变差，修改阈值的时候一定得切换模式，阈值修改之后会存在未检测到修改后的阈值或者需要重新连接一次下位机。

第6章总结与展望6.1总结在整个设计过程中，硬件方面主要设计了K210单片机的最小系统、继电器接口电路、LCD屏幕及显示、摄像机拍摄电路、传感器电路。软件方面借助各个渠道的资料，主要设计训练学习程序、显示程序阈值判断程序、拍摄识别程序。分部调试时偶尔会出现一些问题但解决方案都有迹可循。此管理系统能够实现检测后不需要人为干预，自动进行操作。节省了大量人力资源，方便人们生活。6.2展望在本次设计过程中，每一步都是自己亲自做过的，遇到的问题也非常多，在经过遇到问题，思索问题到解决问题的过程中，收获是最多的。以往没有注意到的问题，都在这一次的毕业设计中得以体现，这培养了我的细心，耐心和专心。指导老师给予的指导、同学的帮助让我受益良多，无论是理论工作上的计算，还是实际的操作，老师都给我们做了详细的分析，让我在设计各个量时更能理论结合实际，更合理的进行安排设计。但此次设计的蚕房的环境保障系统也存在不足的地方，以后有待改进。

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附录电路图源代码importKPUaskpuimportsensorimportlcdfromMaiximportGPIOfromfpioa_managerimportfmimporttimeimportgcfrommicropythonimportconst#导入constfromboardimportboard_infofrommachineimportUARTfrommachineimportTimerfromdht11importDHT11importADS1115_16bits_Purple_DriveimportRELAY_DriveimportBEEP_3V3_DriveimportLED_Driveclass_num=6#类数量sample_num=30#样本数量THRESHOLD=11#阈值class_names=['0Surroundings','1Eggstage','2Larvalstage','3Ripeningstage','4Chrysalisstage','5Adultstage']#类名称：0-环境、1-蚕卵期、2-幼虫期、3-熟蚕期、4-蚕蛹期、5-成虫期Identify_Results={'Identify_Situation':"",'Identify_Index':''}#识别结果cap_num=0#抓取训练数量train_status=0#训练状态last_cap_time=0#上次训练抓取时间last_btn_status=1#上次按键状态SYS_Status='END'#系统状态：状态可设置Sys_Time={'H':0,'M':0,'S':0}#系统时间可设置Rec_Time={'H':0,'M':0,'S':0}#时间拍照Per_Time={'H':0,'M':0,'S':10}#自动喂食周期可设置Con_Time={'H':0,'M':0,'S':2}#持续喂食时间可设置Temperature=0.0#温度Humidity=0.0#湿度Air=0#空气质量Light=0#光线强度THR_T={'L':26,'H':27}#温度阈值