摘要：本研究针对规模化牛舍养殖过程中环境参数监测与调控的实际需求，设计并实现了一套基于 ESP32 的牛舍小气候智能监控系统。系统以温湿度传感器、空气质量传感器为感知单元，结合 ESP32 微控制器实现环境数据采集与本地控制，通过MQTT 协议与华为云IoT 平台完成数据上传与远程指令下发，同时开发移动端应用实现数据可视化与设备远程控制。测试结果表明，系统可实时监测牛舍温度、湿度及空气质量参数，自动调控风扇与雾化器设备，具备本地告警与远程管理能力，为牛舍养殖环境精细化管理提供了技术支撑。

关键词：牛舍小气候；ESP32；环境监控

引言

随着我国畜牧业规模化集约化发展，牛舍养殖环境对牛只的健康、生产和养殖效益产生影响。牛舍小气候主要包括温度、湿度、空气质量等环境参数，其适宜范围直接影响着牛只的生长发育、繁殖与疫病防控。传统牛舍环境管理的管理方式主要依靠人工巡视和经验判断，存在监测滞后、调控不准确、人力成本高等问题。物联网发展迅速，为农业环境监控提供了新的方式，采用传感器网络、嵌入式控制单元、云平台，可实现环境参数的采集、分析和远程调控，提高养殖环境的管理水平。因此，开发一套成本低、易部署、可靠性高的牛舍小气候智能监控系统，对于推动畜牧业智能化转型有着重要意义。

一、系统相关技术基础

（一）1ESP32 微控制器

ESP32 是乐鑫信息科技推出的低功耗、高集成度的 32 位微控制器，集成了Wi-Fi 与蓝牙双模通信功能，具备丰富的GPIO 接口与外设资源。其 Wi-Fi 通信功能可直接接入局域网，通过 MQTT 协议与云平台通信，无需额外通信模块，有效降低系统成本。

（二）传感器技术

本系统选用 DHT11 温湿度传感器，可同时采集温度与湿度数据，通过单根数据线与 ESP32 的 GPIO 引脚连接。本系统选用 MQ-135 空气质量传感器，可检测氨气、硫化物等有害气体浓度，传感器采用模拟量输出，通过 ESP32 的 ADC 引脚采集电压信号，转换为对应的气体浓度值。当浓度超过设定阈值时，系统触发告警与调控指令。

（三）MQTT 通信协议

MQTT 是一种基于发布 / 订阅模式的轻量级物联网通信协议，具有开销小、功耗低、可靠性高等特点。本系统中，ESP32 作为 MQTT客户端，连接至 EMQXCloudbroker，实现与云平台、移动端应用的双向通信。

（四）云平台技术

本研究选用华为云 IOT 平台作为数据存储与管理平台，该平台支持设备接入、数据分析、规则引擎、设备管理等功能。设备根据MQTT 协议将采集到的环境数据传入平台，平台存储和分析数据，提供API 接口供移动端使用，实现可视化和远程控制数据。

（五）移动端开发技术

移动端应用基于跨平台开发框架开发。应用利用华为云IOT 平台API 将设备上传的环境数据与状态数据，以图表、数值等方式进行可视化展示，并发送MQTT 信息用于远程控制风扇、雾化器等设备。

二、系统总体设计

（一）系统功能需求分析

系统需要具有以下功能：（1）环境数据采集功能：采集牛舍温湿度、空气质量，采集频率可设置。（2）自动控制功能：根据环境参数自动控制风扇、雾化器，保持环境参数合理。（3）远程监控功能：将环境数据和设备状态上传云平台，在屏幕上的数据、设备状态及历史记录能够远程远程检测。（4）远程控制功能：在屏幕上的指令能够远程指挥风扇、雾化器开启、关闭等操作，自动/ 手动操作。

（二）系统架构设计

本系统采用分层架构设计，分为感知层、网络层、平台层与应用层，如图1 所示：

图1 牛舍小气候监控系统硬件连接实物图

1. 感知层

感知层由传感器和执行器模块组成，感知层为系统数据来源和控制终端。传感器模块包含 DhT11 温湿度传感器和 MQ-135 空气质量传感器；执行器模块包含风扇、雾化器和蜂鸣器，执行环境调控、告警指令。通过GPIO 接口与ESP32 核心控制单元连接。

2. 网络层

网络层以 ESP32 微控制器为核心，负责将感知层采集的数据通过Wi-Fi 网络传输至云平台，同时接收云平台下发的控制指令，传递至执行器模块。ESP32 通过 MQTT 协议与 EMQXCloudbroker 通信，实现数据的可靠传输与指令的实时接收。

3. 平台层

平台层由华为云 IoT 平台与 EMQXCloudMQTTbroker 组成，负责设备管理、数据存储、指令转发与规则引擎处理。EMQXCloudbroker负责 MQTT 消息的转发与订阅管理；华为云 IoT 平台负责设备接入认证、数据解析、存储与分析，提供API 接口供应用层调用。

4. 应用层

应用层包括本地 OLED 显示和移动端应用，为养殖人员提供人机交互界面。本地显示显示环境数据、设备状态，移动端应用则可以实现数据可视化、历史查询、远程控制、告警推送，随时随地监控牛舍环境。

（三）系统工作流程

系统工作流程分为数据采集、数据传输、智能决策与指令执行四个阶段：

数据采集阶段：ESP32 定时读取 DHT11 与 MQ-135 传感器数据，进行滤波与格式转换，同时通过OLED 显示屏实时显示。

（1）数据传输阶段：ESP32 将采集到的环境数据与设备状态封装为 JSON 格式，通过 MQTT 协议上传至 EMQXCloudbroker，再由平台转发至华为云IoT 平台存储。

（2）智能决策阶段：ESP32 本地根据预设阈值判断环境参数是否异常，若超出阈值则触发自动调控指令；同时，云平台接收移动端下发的控制指令，通过MQTT 转发至ESP32。

（3）指令执行阶段：ESP32解析本地决策或远程指令，控制风扇、雾化器与蜂鸣器执行相应动作，同时更新设备状态并上传至云平台。

三、硬件系统设计

（一）核心控制模块设计

本系统核心控制模块为 Esp32 开发板，如图 1 所示，该开发板包括 USB 接口，电源管理电路，WI-Fi/ 蓝牙模块，GP 扩展引脚，可通过 USB 接口供电，或者通过电池供电。ESP32 作为系统的核心，负责采集数据、数据处理、指令解析和通信。该开发板主要引脚如下：

MQ-135 空气质量传感器：连接至 ADC0 引脚，采集模拟电压信号。

风扇控制模块：通过继电器连接至GPIO4 引脚，实现开关控制。

雾化器控制模块：通过继电器连接至 GPIO5 引脚，实现开关控制。

蜂鸣器：连接至GPIO16 引脚，实现告警控制。

OLED 显示屏：通过 I2C 接口连接至 GPIO21（SDA）与 GPIO22（SCL）引脚，实现数据显示。

（二）传感器模块设计

1. 温湿度传感器模块

DHT11 温湿度传感器模块采用 3 引脚封装，VCC+GND+DATA，VCC 接 3.3V 电源，GND 接系统地，DATA 引脚连接 Esp32 的 GPIO2引脚。传感器采用单总线通信协议，esp32 通过发送起始信号触发传感器采集数据，然后读取40 位数据，校验通过后解析温湿度值。

2. 空气质量传感器模块

MQ-135 空气质量传感器模块采用 4 引脚封装（VCC、GND、

AO、DO），本系统选用模拟量输出（AO）模式，AO 引脚连接至ESP32 的ADC0 引脚。传感器上电后需预热 2～3 分钟，待输出稳定后，ESP32 通过 ADC 采集 AO 引脚电压，转换为对应的气体浓度值。传感器对氨气、硫化物等有害气体敏感，可有效反映牛舍空气质量状况。

（三）执行器模块设计

1. 继电器控制模块

风扇和雾化器均采用 5V 继电器模块控制，继电器模块输入端接Esp32 的 GPIO 引脚，输出端接设备供电回路，当 ESP32 输入高电平时，吸合，设备通电，当ESP32 输入低电平时，断开，设备停止工作。继电器模块实现低电压控制高电压设备。

2. 蜂鸣器模块

蜂鸣器模块采用有源蜂鸣器，连接至 ESP32 的 GPIO16 引脚。当环境参数超出阈值时，ESP32 输出高电平，蜂鸣器发出告警声，提醒养殖人员注意环境异常。

3.OLED 显示模块

本系统选用 0.96 寸 I2C 接口 OLED 显示屏，分辨率为 128×64 ，用于本地显示环境数据与设备状态，如图 2 所示。显示屏通过 I2C 总线与 ESP32 连接，可显示温度、湿度、空气质量、风扇状态、雾化器状态等信息，便于现场查看。

Mode： MANUALHmiQ1：0FFFOg：OFF范围 20%～60%RH ，空气质量浓度范围 700～900。系统硬件连接如图 1所示，ESP32 通过 USB 接口连接至电脑供电，风扇与雾化器通过外接电池盒供电，移动端连接至同一Wi-Fi 网络。

2. 测试方案

系统测试分为功能测试、性能测试与稳定性测试三部分：（1）功能测试：验证传感器数据采集、本地显示、自动调控、远程控制与告警功能是否正常。（2）性能测试：测试数据采集频率、数据传输延迟、指令响应时间等性能指标。（3）稳定性测试：连续运行72 小时，观察系统是否出现死机、数据丢失、通信中断等问题。

（一）ESP32 端程序开发

1. 数据采集与显示测试

ESP32 端程序采用 Arduino 框架开发，主要包括传感器数据采集、数据处理与显示、MQTT 通信、指令解析与设备控制模块。系统每隔2 秒读取 DHT11 与 MQ-135 数据，通过 I2C 接口发送至 OLED 显示屏显示。MQTT 通信模块负责连接Wi-Fi、订阅控制指令主题、定时发布数据主题，并处理连接异常与重连。指令解析模块根据接收到的指令控制风扇、雾化器及自动 / 手动模式切换。自动模式下，温度 >30^∘C 时开启风扇与雾化器，湿度 <40%RH 时开启雾化器，空气质量 >800 时开启风扇并触发蜂鸣器告警。

在自动模式下，模拟高温环境（温度 >30^∘C ），系统自动开启风扇与雾化器，OLED 显示屏显示“Fan：ONFog：ON”，蜂鸣器未触发；模拟低湿度环境（湿度 <40%RH ），系统自动开启雾化器；模拟空气质量超标（ >800 ），系统开启风扇并触发蜂鸣器告警。系统自动调控逻辑正确，可根据环境参数及时调整设备状态。

OLED 显示屏实时显示采集到的温湿度、空气质量与设备状态，如图 2 所示。传感器数据采集稳定，温度采集误差 ≤±0.5^∘C ，湿度采集误差 ≤±3%RH ，空气质量读数稳定，显示更新频率为 2 秒 / 次，满足实时监测需求。

2. 自动调控功能测试

系统采用双电源供电：esp32 开发板和传感器模块通过 USB 接口到 5V 电源适配器供电，风扇和雾化器等大功率执行器采用外接电池盒（4 节 AA 电池，6V）供电，继电器模块与控制端分离，防止大功率设备干扰控制电路，电源模块保证系统各组件的供电。

图 2 OLED 显示屏环境数据显示实物图

（四）电源模块设计

四、软件系统开发

通过移动端应用下发“风扇开”“雾化器关”等指令，ESP32 端接收指令后立即执行相应动作，OLED 显示屏与移动端界面同步更新设备状态。远程指令响应时间 ≤1 秒，控制成功率 100% ，满足远程管理需求。

（二）云平台对接开发

（二）功能测试结果

在华为云 IoT 平台中创建产品与设备，定义物模型属性（温度、湿度、空气质量、风扇状态、雾化器状态）与服务（DataReport、Control）。配置 MQTT 接入信息，获取设备证书与密钥，用于 ESP32端身份认证。

2. 数据转发与规则引擎

3. 远程控制功能测试

通过规则引擎配置数据转发规则，将 ESP32 上传的 MQTT 数据转发至华为云 IoT 平台，实现数据存储与管理。同时，配置指令下发规则，将移动端下发的控制指令通过 MQTT 转发至 ESP32，实现远程控制。

（三）移动端应用开发

移动端应用采用跨平台框架开发，主要功能包括设备连接与状态展示、数据可视化、设备控制、历史记录查询与告警推送，支持远程下发控制指令及自动/ 手动模式切换。

1. 华为云 IoT 平台配置

五、系统测试与结果分析

（一）测试环境与方案

1. 测试环境

测试环境为实验室模拟牛舍场景，环境温度范围 25～32^∘C ，湿度

（三）性能测试结果

表1 性能测试结果表

测试结果表明，系统数据采集与传输效率较高，指令响应及时，功耗较低，适合长期稳定运行。

六、结论

本研究设计的基于 ESP32 的牛舍小气候智能监控系统，该系统解决了传统牛舍环境管理监测不及时、调控不准确等问题，应用了感知、控制、通信和云平台技术，实现了感知层、网络层、平台层与应用层分层结构，实现温湿度、空气质量，风扇、雾化器本地控制、移动端远程控制，本地 OLED 显示、蜂鸣器告警和云平台数据存储与分析等功能。测试结果显示系统数据采集精准、传输延时低，指令响应及时，自动调控逻辑适用于牛舍养殖环境，远程成功率 100% ，功耗低、稳定，可连续 72 小时运行。系统成本低廉，部署便捷，为牛舍小气候精细化管理提供了有效技术支撑，提高了养殖环境管理的效率和人力成本，对推进畜牧业规模化、智能化发展具有一定的实践意义，为其他农业养殖环境监控系统开发提供了借鉴。

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