陳本臻　呂償　何錦輝　梁銘峰　陳雪晴

摘 要：傳統(tǒng)經(jīng)驗養(yǎng)殖法的增氧存在人力物力嚴重浪費和養(yǎng)殖風(fēng)險高的問題。本文以嵌入式技術(shù)為基礎(chǔ)，擬開發(fā)一種將傳感器、自動化、無線通信和單片機等技術(shù)融為一體的嵌入式智能閉環(huán)反饋增氧系統(tǒng)。本系統(tǒng)以機智云物聯(lián)云服務(wù)平臺為云端數(shù)據(jù)服務(wù)器，以STM32微處理器為控制節(jié)點，采用WiFi無線傳輸實時將溶解氧、pH、溫度值、設(shè)備狀態(tài)傳輸給機智云服務(wù)器，用戶可通過手機遠程查看水質(zhì)參數(shù)及設(shè)備運行狀態(tài)，微處理器通過PID算法進行智能反饋來調(diào)節(jié)溶解氧值，代替人工檢測水質(zhì)及控制增氧機，實現(xiàn)魚塘的智能閉環(huán)反饋增氧。該系統(tǒng)不僅減少了人力物力成本，還有效降低了養(yǎng)殖風(fēng)險。

關(guān)鍵詞：STM32;水產(chǎn)養(yǎng)殖;機智云;溶解氧

中圖分類號：TP273.5 文獻標(biāo)識碼：A 文章編號：1003-5168（2019）20-0015-04

Design of Intelligent Closed-loop Feedback Aeration System

Based on Embedded Technology

CHEN Benzhen LYU Chang HE Jinhui LIANG Mingfeng CHEN Xueqing

（Guangdong Baiyun University，Guangzhou Guangdong 510450）

Abstract： There are serious waste of manpower and material resources and high risk of breeding in traditional experiential breeding method. Based on embedded technology， this paper intended to develop an embedded intelligent closed-loop feedback aeration system that integrated sensors， automation， wireless communication and single-chip technology. The system used the wit cloud， cloud computing and internet of objects service platform as the cloud data server and the STM32 microprocessor as the control node. The WiFi wireless transmission is used to transmit the dissolved oxygen， pH， temperature value and device status to the wit cloud server in real time， users can remotely view water quality parameters and equipment running status through their mobile phones. The microprocessor intelligently adjusts the dissolved oxygen value through the PID algorithm instead of manually detecting the water quality and controlling the aerator， and realizes the intelligent closed-loop feedback aeration of the fish pond. The system not only reduces the cost of manpower and material resources， but also effectively reduces the risk of breeding.

Keywords： STM32;aquaculture;smart cloud;dissolved oxygen

隨著水產(chǎn)養(yǎng)殖業(yè)的不斷發(fā)展，我國養(yǎng)殖產(chǎn)量持續(xù)且穩(wěn)步增長。目前，雖然我國水產(chǎn)品產(chǎn)量穩(wěn)居世界前列，但水產(chǎn)養(yǎng)殖自動化水平不高，大多數(shù)漁民仍根據(jù)經(jīng)驗養(yǎng)殖法來控制增氧機的啟停時間，此養(yǎng)殖方法不僅風(fēng)險大，而且需耗費大量勞動力。水產(chǎn)養(yǎng)殖中，溶解氧是魚類賴以生存的必要條件，其含量的多寡對魚類覓食、餌料利用率和生長均有很大的影響，水中溶解氧含量的測量對水產(chǎn)養(yǎng)殖業(yè)的發(fā)展具有重要意義。

目前雖然已有一些智能養(yǎng)殖系統(tǒng)，但對水質(zhì)的各項系數(shù)檢測并不全面，檢定精度不高。例如，張淋江等人單一地對水質(zhì)溶氧量進行鑒定，通過網(wǎng)絡(luò)把數(shù)據(jù)傳給智能增氧系統(tǒng)，與用戶設(shè)定值作比較，從而控制增氧機工作，實現(xiàn)對池塘溶解氧的智能控制[1]。水生物的健康生長對水的溶氧量、pH以及溫度這幾項指標(biāo)都有較高的要求。

因此，本項目通過開發(fā)基于嵌入式技術(shù)的閉環(huán)反饋增氧系統(tǒng)，根據(jù)用戶養(yǎng)殖對象對水的溶氧量、pH值、溫度的上限值和下限值進行設(shè)定，并采集相關(guān)數(shù)據(jù)，對數(shù)據(jù)進行系列處理和判斷，從而達到智能控制的目的。這樣不僅提高了水質(zhì)檢測精度，還降低了檢測誤差，對水產(chǎn)養(yǎng)殖實現(xiàn)智能管理具有重要意義。

1 系統(tǒng)硬件組成

智能增氧系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示，本系統(tǒng)采用STM32微處理器為控制節(jié)點，以機智云物聯(lián)云服務(wù)平臺為云端數(shù)據(jù)服務(wù)器。機智云是致力于物聯(lián)網(wǎng)、智能硬件云服務(wù)的開發(fā)平臺，為開發(fā)者提供自助式智能硬件開發(fā)工具和開放的云端服務(wù)[2]。智能閉環(huán)反饋增氧系統(tǒng)硬件由溶解氧傳感器模塊、水中溫度檢測傳感器模塊、pH檢測傳感器檢測模塊、STM32微處理器電路、增氧機設(shè)備、GSM短信透傳模塊、2.4G通信模塊、WiFi無線通信模塊和電源模塊組成。

溶解氧、水溫、pH傳感器模塊負責(zé)采集水質(zhì)參數(shù);2.4G無線通信模塊負責(zé)各個子節(jié)點控制器與主節(jié)點控制器的數(shù)據(jù)傳輸;主節(jié)點控制器負責(zé)接收各個子節(jié)點控制器發(fā)送過來的數(shù)據(jù)，與給定值進行分析和計算，并將數(shù)據(jù)結(jié)果返回各個子節(jié)點，從而智能調(diào)用不同調(diào)節(jié)機制;通過WiFi將數(shù)據(jù)傳輸?shù)綑C智云物聯(lián)云服務(wù)平臺，用戶可以通過手機APP連接機智云服務(wù)器，實時監(jiān)控魚塘水質(zhì)參數(shù)和設(shè)備運行狀態(tài)，還可以在客戶端手動控制增氧系統(tǒng);主控顯示模塊負責(zé)顯示實時數(shù)據(jù)。如果溶解氧含量、溫度、pH超出設(shè)置范圍，系統(tǒng)將自動報警并采取自動調(diào)節(jié)機制，同時將報警信息通過GSM短信方式發(fā)送給用戶，達到實時監(jiān)測和智能調(diào)節(jié)的功能，避免了因設(shè)備故障無法及時處理導(dǎo)致魚浮頭甚至死亡，有效降低了養(yǎng)殖風(fēng)險。

2 系統(tǒng)主要硬件及其主要參數(shù)

2.1 溶解氧傳感器

本系統(tǒng)選用瑞蒙德智慧型數(shù)字溶解氧傳感器，它采用電極RS485通信接口，支持Modbus通信協(xié)議，自帶溫度補償功能，準(zhǔn)確度高、抗干擾能力強，保證了系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性。溶解氧傳感器是基于Clark氧電極的工作原理而制作的，傳感器由兩個電極、電解質(zhì)溶液以及特定材料的薄膜組成，這種薄膜只能滲透過氧分子，其他有機及無機溶質(zhì)和水不能滲透過，從而大大提高了測量的準(zhǔn)確度。該溶解氧傳感器主要參數(shù)如表1所示。

2.2 2.4G無線通信

本系統(tǒng)在通信方面采用了NRF24L01無線通信模塊，該模塊是一款工作在2.4GHz世界通用ISM頻段的無線通信模塊，抗干擾能力強、低功耗、低成本，供電電壓為1.6～3.6V，傳輸速度可以達到2Mbps，距離可達2 000m。它特別適用于工業(yè)無線網(wǎng)絡(luò)傳輸領(lǐng)域，在養(yǎng)殖范圍分散、山區(qū)或沿海地區(qū)的數(shù)據(jù)傳輸場合有明顯優(yōu)勢[3]。

2.3 GSM短信透傳模塊

GSM模塊采用的是ATK-SIM800C-V15型號，它是一款高性能工業(yè)級模塊，板載SIMCOM公司的工業(yè)級四頻模塊SIM800C，工作頻四頻分別為850、900、1 800、1 900MHz，可以低功耗實現(xiàn)SMS（短信）、GPRS數(shù)據(jù)信息的傳輸。

2.4 pH溫度變送器

本系統(tǒng)運用BHT-D型的pH溫度變送器，分別采集魚塘中的pH值和溫度。pH溫度變送器采用雙高阻三電極體系，具有在線一鍵校準(zhǔn)、實時溫度補償、電極松斷報警、校準(zhǔn)時電極好壞報警、掉電保護（可使標(biāo)定結(jié)果和預(yù)置數(shù)據(jù)不因關(guān)機或停電而丟失）、測量精度高、響應(yīng)快、使用壽命長等特點。采集器對水的pH值和溫度不會有影響，在測量的過程中只需要浸泡在水中即可。通過測試，采集的數(shù)據(jù)誤差非常小，在測量允許誤差范圍內(nèi)。采集器會每隔500ms給處理器發(fā)送實時數(shù)據(jù)，從而提高數(shù)據(jù)的可靠性，在指標(biāo)不合格時能及時恢復(fù)指標(biāo)。DHT-D型pH、溫度模塊技術(shù)參數(shù)如表2所示。

2.5 STM32微處理器

該系統(tǒng)采用意法半導(dǎo)體推出的STM32F1系列高性能的ARM Cortex-M3 32位的RISC內(nèi)核，工作頻率最高為72MHz，內(nèi)置高速存儲器，具有處理運算速度快、穩(wěn)定性高、低功耗、低成本、擴張性強優(yōu)點，非常適合在控制領(lǐng)域的應(yīng)用。它在該系統(tǒng)中主要用于對數(shù)據(jù)的處理。

2.6 WiFi無線通信模塊

本系統(tǒng)采用ATK-ESP8266無線通信模塊，該模塊采用串口（LVTTL）與MCU通信，內(nèi)置TCP/IP協(xié)議棧，能夠?qū)崿F(xiàn)串口與WiFi之間的轉(zhuǎn)換，支持串口轉(zhuǎn)WiFi STA、串口轉(zhuǎn)AP和WiFi STA+WIFI AP的模式，從而可以快速構(gòu)建串口-WIFI數(shù)據(jù)傳輸方案，實現(xiàn)了ATK-ESP8266模塊與機智云物聯(lián)云服務(wù)平臺數(shù)據(jù)傳輸，如圖2所示。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計

軟件部分主要包括機智云物聯(lián)云服務(wù)平臺、手機客戶端。本系統(tǒng)程序設(shè)計采用美國Keil Software公司推出的Keil MDK5開發(fā)環(huán)境，它集編譯、編輯、仿真等于一體，支持匯編和C語言的程序設(shè)計，在調(diào)試程序、軟件仿真方面有很強的功能。系統(tǒng)采用“主節(jié)點控制器+多個子節(jié)點控制器”模式，可提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

3.1 子節(jié)點控制器軟件設(shè)計

子節(jié)點控制器軟件設(shè)計程序框圖如圖3所示。首先，程序?qū)Ω鱾€設(shè)備進行初始化設(shè)置，隨后判斷增氧機運行狀態(tài)，同時接收溶解氧、pH、溫度傳感器采集的數(shù)值，并每隔30s將數(shù)據(jù)發(fā)送給主節(jié)點控制器處理，接收主節(jié)點發(fā)送過來的繼電器指令并觸發(fā)相應(yīng)的調(diào)節(jié)機制，同時判斷增氧機是否運行，倘若增氧機發(fā)生故障，程序?qū)l(fā)送報警信息給主節(jié)點控制器。

3.2 主節(jié)點控制器軟件設(shè)計

主節(jié)點控制器軟件設(shè)計程序框圖如圖4所示。首先對處理器上各個外部設(shè)備進行初始化，然后對機智云協(xié)議初始化并判斷手機APP是否連接了機智云服務(wù)器，若連接，則接收子節(jié)點數(shù)據(jù)并現(xiàn)場顯示，同時將數(shù)據(jù)傳輸?shù)綑C智云服務(wù)器，然后對數(shù)據(jù)進行分析、運算、處理;判斷測量值是否小于最適值，若小于，則發(fā)送繼電器閉合命令，接著判斷是否還低于最低下限值，若是，則啟動全部增氧機并進行聲光報警，同時通過GSM模塊發(fā)送報警信息，實現(xiàn)遠程報警。系統(tǒng)支持用戶根據(jù)養(yǎng)殖對象的不同生長階段動態(tài)地設(shè)置水質(zhì)參數(shù)。

3.3 主節(jié)點控制器部分主要代碼

主節(jié)點控制器部分主要代碼如下：

while（1） {

NRF24L01_RX_Mode（）;

if（wifi_sta）

{

sim800c_sms_send_CE_test（）;

if（NRF24L01_RxPacket（tmp_buf）==0）

{

tmp_buf[20]=0;

}elsedelay_us（100）;

if（t>=1&&t<5）

tmp_buf1[t-1]=tmp_buf[t];

else if（t>=6&&t<10）

tmp_buf2[t-6]=tmp_buf[t];

else if（t>=11&&t<15）

tmp_buf3[t-11]=tmp_buf[t];

else if（t==18） t=0;

t++;

tempd=（（tmp_buf2[0]-0x30）*100+（tmp_buf2[1]-0x30）*10+（tmp_buf2[3]-0x30））/10.0;

pHL=（（tmp_buf3[0]-0x30）*100+（tmp_buf3[1]-0x30）*10+（tmp_buf3[3]-0x30））/10.0;

OL=（（tmp_buf1[0]-0x30）*100+（tmp_buf1[2]-0x30）*10+（tmp_buf1[3]-0x30））/100.0

currentDataPoint.valueoxygen1 = OL;

currentDataPoint.valuetemperature = tempd;

currentDataPoint.valuepH = pHL ;

}

gizwitsHandle（（dataPoint_t *）&currentDataPoint）;//機智云協(xié)議處理

}

4 試驗結(jié)果與分析

為了測試該系統(tǒng)運行時的準(zhǔn)確性與穩(wěn)定性，2019年7月開始在廣東省某淡水魚塘里進行實地檢測。測試魚塘面積為0.1hm2，魚塘平均深度達到2.7m，該魚塘采取加州鱸與鯽魚混養(yǎng)的方式，養(yǎng)殖密度為115 380尾/hm2。本次試驗進行24h不間斷的檢測，檢測地點分為三處，傳感器安放在距離增氧機6m遠的地方，探頭布置在水下0.7m處，傳感器通過浮筒固定在魚塘測量位置。表3是部分采集數(shù)據(jù)。鱸魚的最適溶解氧濃度應(yīng)大于3mg/L，最適pH值為7.7～8.4，最適溫度為20～30℃[4]。本次測試期間，溶解氧數(shù)據(jù)在4.41～5.58mg/L之間變化，均在最適溶解氧之上，pH值和溫度都在最適值之內(nèi)。要使鱸魚達到進食與生存的最適條件，在處理數(shù)據(jù)后可通過系統(tǒng)交流繼電器開啟增氧機，使水中溶氧量維持在3.8～5.5mg/L。如果pH值和溫度偏離最適值，系統(tǒng)也會根據(jù)反饋發(fā)送緊急信息到漁民手機端?，F(xiàn)場數(shù)據(jù)顯示圖、手機APP顯示圖、短信報警截圖分別如圖5、圖6和圖7所示。

5 結(jié)語

目前，人工無法及時、準(zhǔn)確地判斷魚塘含氧量來控制增氧機，存在著一定的盲目性，從而導(dǎo)致人力物力的浪費和養(yǎng)殖風(fēng)險的增加。本項目基于嵌入式技術(shù)，結(jié)合機智云物聯(lián)網(wǎng)服務(wù)平臺，擬開發(fā)了一套智能閉環(huán)反饋增氧系統(tǒng)。試驗結(jié)果表明，本系統(tǒng)達到了智能反饋實時檢測數(shù)據(jù)并進行PID計算的目的，從而觸發(fā)系統(tǒng)增氧機制。同時，檢測數(shù)據(jù)及時更新，發(fā)送給客戶端，一旦參數(shù)超出設(shè)定值，系統(tǒng)就會及時報警。系統(tǒng)運行穩(wěn)定，滿足了自動控制增氧系統(tǒng)的要求，降低了養(yǎng)殖風(fēng)險，節(jié)省人力，節(jié)約電費，提高安全系數(shù)，具有廣泛的應(yīng)用價值。

參考文獻：

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