欒明慧，李松松，楊 瑩，何慧敏，張 琦

（大連海洋大學(xué) 信息工程學(xué)院，遼寧 大連 116023）

0 引 言

隨著科技水平的飛速發(fā)展，對水產(chǎn)品的需求也隨之提高。目前阻礙我國水產(chǎn)養(yǎng)殖業(yè)發(fā)展的主要因素包括養(yǎng)殖技術(shù)和方法落后、水域資源不斷減少、水質(zhì)污染迅速加重、水產(chǎn)品安全系數(shù)嚴(yán)重下降等[1]。其中，對于水質(zhì)的監(jiān)測僅僅依靠不定期的取樣檢測或根據(jù)經(jīng)驗(yàn)判斷往往難以及時發(fā)現(xiàn)問題并使水質(zhì)達(dá)到水產(chǎn)品最佳生活狀態(tài)。近年來，我國智能化水產(chǎn)養(yǎng)殖監(jiān)測技術(shù)迅猛發(fā)展，然而相關(guān)產(chǎn)品卻并未得以普及，主要原因在于相關(guān)研究無法滿足養(yǎng)殖需求且價(jià)格昂貴。本研究從實(shí)際出發(fā)，通過走訪水產(chǎn)養(yǎng)殖業(yè)人員了解他們遇到的真正問題和困難，對其水溫、酸堿度、溶氧量、光照等嚴(yán)重限制水產(chǎn)品產(chǎn)量和質(zhì)量的因素進(jìn)行分布式監(jiān)測[2]，采用STM32微處理器將數(shù)據(jù)整合處理后通過ZigBee組網(wǎng)技術(shù)和4G窄帶物聯(lián)網(wǎng)傳輸協(xié)議將數(shù)據(jù)回傳電腦或手機(jī)終端，幫助水產(chǎn)養(yǎng)殖戶了解水質(zhì)情況并對可能出現(xiàn)的問題進(jìn)行預(yù)警提醒。另一方面，水產(chǎn)養(yǎng)殖戶可以調(diào)節(jié)相應(yīng)的報(bào)警參數(shù)并設(shè)置相關(guān)參數(shù)，待報(bào)警后啟動相應(yīng)設(shè)備防止出現(xiàn)養(yǎng)殖問題，如水溶氧量不足時開啟增氧機(jī)、光照不足時開啟水下光照設(shè)備等。

1 水產(chǎn)養(yǎng)殖檢測技術(shù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

1.1 檢測綜合結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

水產(chǎn)養(yǎng)殖檢測裝置以多種傳感器為基礎(chǔ)對水質(zhì)進(jìn)行前期采樣，結(jié)合成熟的控制運(yùn)算系統(tǒng)STM32和相應(yīng)硬件電路對傳感器采樣值進(jìn)行放大處理與模數(shù)轉(zhuǎn)換，并在STM32微計(jì)算機(jī)中進(jìn)行運(yùn)算和分析，最后通過ZigBee組網(wǎng)技術(shù)和4G物聯(lián)網(wǎng)傳輸技術(shù)，將各種檢測數(shù)據(jù)和判斷結(jié)果回傳客戶端，幫助水產(chǎn)養(yǎng)殖戶及時了解水質(zhì)情況并對可能出現(xiàn)的問題做出預(yù)警提醒。系統(tǒng)以STM32為主控，以ZigBee組網(wǎng)技術(shù)和4G物聯(lián)網(wǎng)傳輸技術(shù)作為信息傳輸部分，以多種傳感器結(jié)合前端放大器和A/D轉(zhuǎn)換器作為檢測部分，以風(fēng)力發(fā)電和太陽能發(fā)電技術(shù)結(jié)合鋰電池作為主要電力供應(yīng)部分，以繼電器作為決策后控制部分。單節(jié)點(diǎn)檢測綜合結(jié)構(gòu)如圖1所示，多節(jié)點(diǎn)組網(wǎng)傳輸結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 多節(jié)點(diǎn)組網(wǎng)傳輸結(jié)構(gòu)

1.2 STM32F103C8T6微控制器

STM32F103C8T6是一款基于ARM Cortex-M內(nèi)核STM32系列的32位微控制器，程序存儲器容量為64 KB，工作電壓范圍為2～3.6 V，可在-40～85 ℃溫度區(qū)間工作[2-5]。其自帶2個12位模數(shù)轉(zhuǎn)換器，含有16個輸入通道，完全滿足了本設(shè)計(jì)在傳感器采樣放大后進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換的需求。同時，其還具有2個I2C通信接口和3個USART通信接口，可滿足設(shè)計(jì)過程中調(diào)試工作和連接G510進(jìn)行無線數(shù)據(jù)傳輸?shù)囊蟆TM32F103C8T6最小系統(tǒng)控制電路如圖3所示。

圖3 STM32F103C8T6最小系統(tǒng)控制電路

1.3 電源供電電路設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)充分考慮了智能養(yǎng)殖設(shè)備在池塘或近海應(yīng)用時的供電問題，將沿海地區(qū)豐富的風(fēng)力資源和光照資源轉(zhuǎn)化為電能存儲在鋰電池中，當(dāng)風(fēng)力資源和光照資源不足以保證設(shè)備正常工作時可以采取人工充電的方式。

1.4 基于G510窄帶物聯(lián)網(wǎng)的雙向信號傳輸電路設(shè)計(jì)

G510芯片組成的電路具有超小型移動電話的特點(diǎn)，能夠被集成進(jìn)任何需要通過蜂窩網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行語音通話或數(shù)據(jù)傳輸?shù)南到y(tǒng)或者產(chǎn)品中。GSM 支持850 MHz /900 MHz /1 800 MHz /1 900 MHz，GPRS 支持[6]class10。

在水產(chǎn)養(yǎng)殖中應(yīng)用G510進(jìn)行無線通信能夠大大提高系統(tǒng)性能，將其從一個獨(dú)立的、孤立的產(chǎn)品變?yōu)閾碛腥蛲ㄐ拍芰Φ脑O(shè)備。其基帶XCPU核心主頻高達(dá)312 MHz，集成有指令緩存和數(shù)據(jù)緩存，可為各類應(yīng)用提供數(shù)據(jù)處理能力。該模塊支持廣泛的功能應(yīng)用，可以提供完美的GSM/GPRS通信解決方案[7]。

基于G510的通信系統(tǒng)具有成本低、體積小、功耗低、可進(jìn)行多種設(shè)置并控制信號等優(yōu)點(diǎn)，因此被廣泛應(yīng)用在各類產(chǎn)品中。本設(shè)計(jì)通過G510 GPRS模塊的AT命令完成雙向控制、設(shè)置等，實(shí)現(xiàn)相關(guān)功能。雙向信號傳輸電路如圖4所示。

圖4 雙向信號傳輸電路

圖5 PT100溫度傳感器放大電路

1.5 檢測傳感器分析及相應(yīng)電路設(shè)計(jì)

1.5.1 PT100溫度傳感器原理及設(shè)計(jì)電路

PT100溫度傳感器是一種將溫度轉(zhuǎn)換為可傳送的標(biāo)準(zhǔn)化輸出信號的儀表，主要用于工業(yè)過程溫度參數(shù)的測量和控制。帶傳感器的變送器通常由傳感器和信號處理電路組成。傳感器主要包括熱電偶或熱電阻；信號處理電路主要包括測量單元、信號放大電路和A/D轉(zhuǎn)換電路[8-9]，本設(shè)計(jì)中的信號放大電路緊鄰測量單元，可以有效縮短測量單元延長線，降低其他干擾的影響，并有效提高檢測值的穩(wěn)定性和準(zhǔn)確度。微控制器自帶2個12位A/D轉(zhuǎn)換口，為最大程度利用現(xiàn)有資源，

1.5.2 基于投入式溶氧電極的水溶氧度測量和相應(yīng)電路設(shè)計(jì)

溶解氧電極采用極譜式電極，陽電極為Ag/AgCl，陰電極為鉑金（Pt），兩者之間充滿特殊成份的電解液，使用硅橡膠滲透膜包裹于電極四周。工作時，電極間加675 mV的極化電壓，氧滲透過隔膜在陰極消耗，同時等量的氧在陽極產(chǎn)生，這是一個動態(tài)過程，當(dāng)兩邊的氧分壓相同時達(dá)到平衡。此時兩電極間的電流與氧分壓成正比，二次表檢測到此電流后經(jīng)過一系列變換得到氧濃度和氧含量。同時，利用溫度傳感器檢測到的溫度值對溶氧電極得到的氧濃度和氧含量進(jìn)行溫度補(bǔ)償，將氧濃度或氧含量折算為25 ℃時的值[10-11]。投入式溶氧電極檢測數(shù)據(jù)后續(xù)處理電路如圖6所示。

圖6 溶氧電極放大處理電路

1.5.3 pH傳感器

pH傳感器是用來檢測被測物中氫離子濃度并轉(zhuǎn)換成相應(yīng)可用輸出信號的傳感器，通常由化學(xué)部分和信號傳輸部分構(gòu)成。其化學(xué)部分類似原電池系統(tǒng)，使化學(xué)能轉(zhuǎn)換為電能，其端電壓稱為電極電位，其中一個稱為測量電極，另一個稱為參比電極[12]。其遵循能斯特方程：

式中：E為電極電位；E0為電極標(biāo)準(zhǔn)電壓；R為氣體常數(shù)；T為開氏絕對溫度；F為法拉弟常數(shù)；n為被測離子的化合價(jià)。

pH電極是一支端部吹成泡狀且具有對pH值變化敏感的玻璃膜的玻璃管。管內(nèi)充填有含飽和AgCl的3 mol/L的KCl緩沖溶液，pH值為7。電位差用Ag/AgCl傳導(dǎo)系統(tǒng)傳導(dǎo)，存在于玻璃膜二面，用來反應(yīng)pH值的變化。隨著溫度的提升電位值隨之增大[11]。電位差遵循能斯特公式：節(jié)約成本，故此溫度傳感器值經(jīng)放大后直接輸入微控制器進(jìn) 行A/D轉(zhuǎn)換。PT100溫度傳感器放大電路如圖5所示。

式中：R為氣體常數(shù)；F為法拉第常數(shù)；n為化合價(jià)；溫度T為變量。

1.5.4 光敏電阻

光照不僅是淺海水產(chǎn)品和池塘水產(chǎn)品生存的必要條件，充足的光照也有利于水中氧氣含量的增加。光敏電阻是用硫化隔或硒化隔等半導(dǎo)體材料制成的特殊電阻器，其工作基于內(nèi)光電效應(yīng)。光照愈強(qiáng)，阻值就愈低，隨著光照強(qiáng)度的升高，電阻值迅速降低。光敏電阻對光線十分敏感，在無光照時，光敏電阻呈高阻狀態(tài)[5]，暗電阻一般可達(dá)1.5 MΩ，故可根據(jù)其對光的敏感特性和相應(yīng)的設(shè)計(jì)電路對光照強(qiáng)度進(jìn)行觀測，并根據(jù)觀測值和設(shè)定值判斷是否進(jìn)行人工補(bǔ)光。光敏電阻檢測放大電路如圖7所示。

圖7 光敏電阻檢測放大電路

1.6 控制輸出部分設(shè)計(jì)

控制輸出電路由光電轉(zhuǎn)換器、繼電器、壓敏電阻組成。當(dāng)傳感器檢測到的數(shù)據(jù)大于設(shè)定值時，微控制器一方面通過4G窄帶物聯(lián)網(wǎng)向遠(yuǎn)程PC或手機(jī)客戶端傳輸信息，另一方面通過輸出部分控制相應(yīng)繼電器吸合，逐漸使水中相應(yīng)物質(zhì)的含量達(dá)到設(shè)定要求?？刂戚敵鲭娐啡鐖D8所示。

圖8 控制輸出電路

2 軟件程序設(shè)計(jì)

2.1 軟件程序總設(shè)計(jì)

STM32微控制器主要是對接收到的模擬值進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換，并通過算法得到相應(yīng)傳感器檢測目標(biāo)的真實(shí)值，而后與設(shè)定值進(jìn)行比較，根據(jù)數(shù)值是否超過設(shè)定值而進(jìn)行不同的操作。檢測物質(zhì)的界定值通過無線APP或PC端設(shè)定，大幅降低了設(shè)計(jì)成本與設(shè)計(jì)復(fù)雜度。程序設(shè)計(jì)流程如圖9所示。

圖9 程序設(shè)計(jì)流程

2.2 APP/PC軟件設(shè)計(jì)

上位機(jī)分為APP手機(jī)端、PC端和Web終端。

（1）PC端電腦與監(jiān)測系統(tǒng)間采用ZigBee通信，適用于公司化養(yǎng)殖；

（2）APP端采用穿透云平臺微信小程序進(jìn)行二次開發(fā)，適用于手機(jī)聯(lián)網(wǎng)狀態(tài)下查看系統(tǒng)上傳至云平臺的數(shù)據(jù)并進(jìn)行控制；

（3）Web端采用穿透云平臺進(jìn)行二次開發(fā)，PC端或手機(jī)端使用域名可以查看系統(tǒng)上傳的數(shù)據(jù)并進(jìn)行控制。

APP端設(shè)計(jì)界面如圖10所示，Web端設(shè)計(jì)界面如圖11所示，手機(jī)端設(shè)計(jì)界面如圖12所示。

圖10 APP端設(shè)計(jì)界面

圖11 Web端設(shè)計(jì)界面

圖12 手機(jī)端設(shè)計(jì)界面

3 結(jié) 語

本設(shè)計(jì)以自動化、智能化和實(shí)用性為設(shè)計(jì)原則，在多節(jié)點(diǎn)布置溫度、光照、pH等傳感器實(shí)時監(jiān)測水質(zhì)，并將水質(zhì)參數(shù)通過ZigBee局域網(wǎng)和4G窄帶物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)上傳云平臺和客戶端。經(jīng)過實(shí)驗(yàn)檢驗(yàn)，本文系統(tǒng)達(dá)到了預(yù)期期望并取得了良好的應(yīng)用效果。

注：本文通訊作者為李松松。