STM32單片機(jī)的智能水產(chǎn)養(yǎng)殖監(jiān)測系統(tǒng)*

，

(溫州商學(xué)院 信息工程學(xué)院，溫州325035)

引 言

都說“養(yǎng)魚先養(yǎng)水”，從這句話中可見水產(chǎn)養(yǎng)殖對水質(zhì)的要求極高，水質(zhì)的質(zhì)量也直接影響水產(chǎn)的生長和發(fā)育，從側(cè)面也反應(yīng)出水產(chǎn)品的產(chǎn)量與質(zhì)量的高低。[1]近年來，我國有五大方面阻礙水產(chǎn)養(yǎng)殖發(fā)展：養(yǎng)殖技術(shù)和方式落伍，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。然而，國內(nèi)對水產(chǎn)養(yǎng)殖監(jiān)控系統(tǒng)研發(fā)較少，而且以往的技術(shù)存在諸多問題：數(shù)據(jù)檢測準(zhǔn)確性低、通信距離短、開發(fā)成本高、糾錯能力差、未接入物聯(lián)網(wǎng)。本文針對上述存在的問題，提出智能水產(chǎn)養(yǎng)殖監(jiān)測系統(tǒng)對電熱棒、增氧機(jī)、投粉機(jī)等遠(yuǎn)程設(shè)備進(jìn)行控制并通過遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)顯示水質(zhì)信息，用戶可以實(shí)時監(jiān)控電機(jī)運(yùn)行狀態(tài)和水質(zhì)信息，還可以對水質(zhì)進(jìn)行實(shí)際情況調(diào)節(jié)，這樣智能養(yǎng)殖檢測系統(tǒng)具有方便、準(zhǔn)確、實(shí)時的特點(diǎn)。

1 水產(chǎn)養(yǎng)殖監(jiān)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)分析

ZigBee是一種短距離、低功耗、可靠性高的全雙工無線通信技術(shù)，遵循了 IEEE 802.15.4 標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定[2]?？梢赃m用于自動控制和遠(yuǎn)程控制領(lǐng)域，鏈接嵌入各種設(shè)備，具有省電、節(jié)點(diǎn)安裝靈活方便、覆蓋范圍寬闊和傳輸準(zhǔn)確性高等優(yōu)點(diǎn)。GPRS網(wǎng)絡(luò)是一種高速分組數(shù)據(jù)交換無線業(yè)務(wù)，具有遠(yuǎn)距離傳輸可靠度高、可以和物聯(lián)網(wǎng)物聯(lián)、實(shí)時性好等優(yōu)點(diǎn)[3]。在遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)傳輸過程中，我們采用GPRS技術(shù)，通過客戶端和服務(wù)器進(jìn)行點(diǎn)對點(diǎn)數(shù)據(jù)傳輸。

基于ZigBee和GPRS的特點(diǎn)，系統(tǒng)采用ZigBee和GPRS的技術(shù)組成無線網(wǎng)絡(luò)，設(shè)計(jì)互聯(lián)網(wǎng)水產(chǎn)養(yǎng)殖檢測系統(tǒng)，分別由采集控制層、網(wǎng)關(guān)監(jiān)控層、監(jiān)控中心構(gòu)成。采集控制層由傳感器采集數(shù)據(jù)節(jié)點(diǎn)和繼電器控制器節(jié)點(diǎn)組成，傳感器節(jié)點(diǎn)編碼具有唯一性，經(jīng)過ZigBee高可靠無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)傳輸?shù)骄W(wǎng)關(guān)監(jiān)控層。網(wǎng)關(guān)監(jiān)控層具有接收傳感器檢測數(shù)據(jù)結(jié)果和顯示數(shù)據(jù)以及傳輸電機(jī)控制指令功能，經(jīng)過串口總線與GPRS無線傳感網(wǎng)絡(luò)通信，并經(jīng)過GPRS無線將水環(huán)境檢測結(jié)果傳輸?shù)椒?wù)層。監(jiān)控中心可分為服務(wù)層和應(yīng)用層，服務(wù)層——利于保存、錄入、分析、發(fā)布檢測結(jié)果；服務(wù)層具有保密性、完整性、可控性；應(yīng)用層——用戶可以通過電腦、手機(jī)、平板等電子設(shè)備瀏覽設(shè)備運(yùn)行情況和水質(zhì)數(shù)據(jù)信息。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1 采集控制層硬件設(shè)計(jì)

采集控制層由中央主板模塊、傳感器模塊、電機(jī)控制模塊、電源模塊組成，如圖1所示。傳感器模塊由溶解氧傳感器(帶有溫度傳感器)、pH值傳感器和信號調(diào)理電路構(gòu)成；電機(jī)控制模塊由繼電器控制電路和電機(jī)設(shè)備構(gòu)成；中央處理模塊是由A/D轉(zhuǎn)換器、STM32以及ZigBee通信構(gòu)成。[4]

圖1 采集控制層硬件設(shè)計(jì)方框圖

圖2 pH值調(diào)理電路

2.1.1 采集傳感器層硬件選用

考慮到水產(chǎn)養(yǎng)殖系統(tǒng)在室外，用電方面存在阻礙，則電源模塊采用太陽能發(fā)電，太陽能以鋰電池為儲能，晴天利用太陽能技術(shù)給鋰電池充電，就算夜晚或下雨的情況也能保證采集控制層弱電部分正常工作，另外也預(yù)留出干電池接口，以防不測。

傳感器模塊中的pH傳感器和溶解氧傳感器分別是由豪森傳感器公司和上海儀電科學(xué)儀器公司提供，pH傳感器測量范圍為0～14，溶解氧傳感器測量范圍為0～20 mg/L,其內(nèi)置熱敏電阻，兩款傳感器具有安裝方便、穩(wěn)定性好、價錢低廉的特點(diǎn)。[5]

2.1.2 pH值調(diào)理電路分析

pH值傳感器輸出電極信號以mA級為單位，并且內(nèi)阻十分高。[6]在PH值調(diào)理電路設(shè)計(jì)中，采用集成運(yùn)算放大電路構(gòu)成3級放大電路:第一級將pH值傳感器輸出信號與電壓跟隨器相連，其作用是提高pH值調(diào)理電路輸入阻抗,并讓隔離前級與后級之間互不影響；第二級是將pH值傳感器輸出信號濾波放大；第三級是將pH值傳感器輸出信號放大，放大后正常的電壓在0～3.3 V之間，以滿足A/D轉(zhuǎn)換器正常轉(zhuǎn)換。pH值調(diào)理電路圖2所示。(注：1和2端分別是pH值輸出信號端)通過電路分析整理可得pH 值調(diào)整電路輸出電壓Vo1表達(dá)式為：

(1)

其中，Vin為 pH 值傳感器輸出信號；除RP1為可變電阻，其余電阻為固定電阻。

2.1.3 溶解氧調(diào)理電路分析

溶解氧電極輸出電流一般在10～100 μA之間。在調(diào)理電路的設(shè)計(jì)中，必須把電流信號轉(zhuǎn)換為電壓信號，因?yàn)锳/D轉(zhuǎn)換器只對電壓進(jìn)行轉(zhuǎn)換。另一方面，溶解氧電極需要施加0.7 V左右電壓才能正常工作。[7]第一級放大器為電壓跟隨器，調(diào)節(jié)RP2可以對溶解氧陰極電位調(diào)節(jié)；第二級放大器作用是把溶解氧輸出電流轉(zhuǎn)換為電壓。另一方面，調(diào)節(jié)RP2，使得溶解氧陰極和陽極電位差為0.7 V，保證溶解氧電極正常工作；第三級是將第二級的輸出電壓反相放大濾波，溶解氧調(diào)理電路圖3所示。(注：3和4端分別是溶解氧值輸出信號端)經(jīng)過電路圖分析整理可得出溶解氧輸出電壓Vo2表達(dá)式為:

(2)

其中，R14、R18、R15為固定電阻；I為溶解氧輸出電流。

圖3 溶解氧調(diào)理電路

2.1.4 溫度調(diào)理電路分析

本文中溶解氧傳感器內(nèi)置熱敏電阻，具有靈敏度好、精度高、測量范圍廣等特點(diǎn)，于是利用它作為溫度傳感器，在溫度調(diào)理電路設(shè)計(jì)中，采用電橋電路和運(yùn)算放大電路組成溫度調(diào)理電路， R21、R22、R23、RP3、Rt組成電橋電路，電橋的平衡條件是：R21=R23，R22=(Rt||R23)，(Rt||R23)=R23，R21=R22；如果電橋不平衡將調(diào)節(jié)RP3阻值，讓放大器輸出端為0，由于外部的溫度變化時電橋失去平衡狀態(tài)，從而放大器的輸出端將輸出電壓信號。溫度調(diào)理電路如圖4所示。(注：5和6端分別是熱敏電阻輸出信號端)。

圖4 溫度調(diào)理電路

經(jīng)過電路圖分析整理可得出溫度調(diào)整電路輸出電壓Vot表達(dá)式為：

(3)

其中，RP3為可調(diào)電阻，Rt為溶解氧傳感器內(nèi)嵌熱敏電阻，R21～R24、R26為固定電阻。

2.2 網(wǎng)關(guān)監(jiān)控層硬件設(shè)計(jì)

網(wǎng)關(guān)監(jiān)控層分別由顯示器模塊、ZigBee通信模塊、電源模塊、GPRS通信模塊、單片機(jī)處理器組成。本系統(tǒng)的主控芯片是STM32F103單片機(jī)，具有高性能、低成本、低功耗，專門為嵌入式設(shè)計(jì)，擁有5個串口[8]。ZigBee通信電路采用CC2530完成無線接收、數(shù)據(jù)傳輸及智能控制，并通過標(biāo)準(zhǔn)的串口傳送給單片機(jī)，CC2530能夠以非常低的總材料成本建立強(qiáng)大的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)。網(wǎng)關(guān)監(jiān)控層硬件設(shè)計(jì)如圖5所示。

圖5 網(wǎng)關(guān)監(jiān)控層硬件設(shè)計(jì)方框圖

觸摸顯示模塊和GPRS無線通信模塊經(jīng)過RS485總線與單片機(jī)相連。RS485總線采用半雙工工作方式，具備抑制共模干擾能力、抗噪聲干擾性好、數(shù)據(jù)傳輸速率高、多點(diǎn)互聯(lián)方便以及高靈敏度等優(yōu)點(diǎn)[9-10]。

顯示器采用7寸觸摸串口屏(USART HMI )，屏幕具備睡眠和觸碰喚醒特點(diǎn)，顯示器還可以通過圖表、文字來顯示水質(zhì)信息和電機(jī)狀態(tài)，APM2483是一款隔離型的RS485收發(fā)器。其顯示器通信串口連接電路圖6所示。

GPRS采用MAX3082芯片,芯片接收速率可達(dá)85.60 kbps，發(fā)送速率達(dá)14.4 kbps，芯片具有永久在線連接、快速數(shù)據(jù)存儲和數(shù)據(jù)下載速度快的特點(diǎn)。其GPRS通信串口連接電路如圖7所示。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

STM32單片機(jī)智能水產(chǎn)養(yǎng)殖檢測系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)基于μVision5軟件環(huán)境開發(fā)，Keil是由美國Keil Software公司出品，軟件可以運(yùn)用匯編程序、C51程序混合式編寫。軟件生成目標(biāo)代碼效率高、界面簡單方便、可讀性強(qiáng)、利于維護(hù)[11]。

圖6 顯示器通信串口連接電路圖

圖7 GPRS通信串口連接電路圖

本系統(tǒng)采用“主機(jī)+副機(jī)”模式，“副機(jī)”是由電機(jī)控制器擔(dān)任。主機(jī)在每30 s發(fā)送給電機(jī)控制器正確信息，說明系統(tǒng)運(yùn)行良好，如果超過30 s時間未發(fā)送數(shù)據(jù)或錯發(fā)數(shù)據(jù)給電機(jī)控制器，則斷定主機(jī)出現(xiàn)問題，于是系統(tǒng)自動啟動“副機(jī)”進(jìn)行控制整個系統(tǒng)運(yùn)行，同時也對養(yǎng)殖戶發(fā)出相應(yīng)的警報(bào)，即主機(jī)發(fā)生故障，系統(tǒng)依舊能夠正常運(yùn)行。此外，如果溫度或溶解氧很低，而主機(jī)還是對電熱棒和增氧機(jī)發(fā)出關(guān)閉指令，則“副機(jī)”對主機(jī)進(jìn)行監(jiān)察，判斷主機(jī)是否不開啟，假如主機(jī)還是關(guān)閉，則“副機(jī)”自動對水質(zhì)溫度、含氧量進(jìn)行獲取，在進(jìn)一步分析處理?！爸鳈C(jī)+副機(jī)”模式可提高整個系統(tǒng)的可靠性。

3.1 采集控制層軟件設(shè)計(jì)

采集控制層軟件設(shè)計(jì)對各個電路進(jìn)行分析計(jì)算，處理結(jié)果，軟件設(shè)計(jì)主要有采集層各個部分電路初始化、A/D轉(zhuǎn)換器進(jìn)行數(shù)值轉(zhuǎn)換處理和RS485串口中斷服務(wù)。采集控制層軟件設(shè)計(jì)程序方框圖如圖8所示。

圖8 采集控制層軟件設(shè)計(jì)程序方框圖

首先程序?qū)υO(shè)備進(jìn)行初始化設(shè)置，接著采集的數(shù)據(jù)經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換器將模擬量轉(zhuǎn)換為數(shù)字量，A/D將轉(zhuǎn)換后的結(jié)果再發(fā)送給單片機(jī)，單片機(jī)設(shè)置數(shù)據(jù)采集延時為20 min，連續(xù)采集兩次數(shù)據(jù)，如果兩次采集的數(shù)據(jù)超出允許誤差，則再次采集數(shù)據(jù)，如果數(shù)據(jù)還是超出允許誤差，則報(bào)警設(shè)備立刻對用戶發(fā)出警報(bào)，否則計(jì)算兩次采集結(jié)果的平均值，使得數(shù)據(jù)更加可靠、準(zhǔn)確。緊接著RS485串口進(jìn)行點(diǎn)對點(diǎn)的通信，并將結(jié)果傳輸?shù)絑igBee無線通信電路。最后ZigBee無線通信電路將信息傳輸?shù)骄W(wǎng)關(guān)監(jiān)控層。

3.2 網(wǎng)關(guān)控制層軟件設(shè)計(jì)

圖9 網(wǎng)關(guān)控制層軟件設(shè)計(jì)程序方框圖

網(wǎng)關(guān)控制層軟件設(shè)計(jì)中的手動控制軟件和自動控制軟件的設(shè)計(jì)主要分為設(shè)備初始化化、接收采集控制層數(shù)據(jù)、檢測是否自動或者手動狀態(tài)、檢測數(shù)據(jù)參考范圍、發(fā)送繼電器閉合或是斷開指令等步驟。網(wǎng)關(guān)控制層軟件設(shè)計(jì)流程如圖9所示。

網(wǎng)關(guān)監(jiān)控層首先接收采集控制層數(shù)據(jù)并進(jìn)行數(shù)據(jù)顯示，然后收集數(shù)據(jù)進(jìn)行分析、計(jì)算、處理、整合，在斷定手動或是自動狀態(tài)后，判定的結(jié)果通過GPRS電路將操作指令發(fā)送到服務(wù)層平臺，平臺可以根據(jù)數(shù)據(jù)的推算和人為發(fā)出的指令，通過GPRS網(wǎng)絡(luò)發(fā)送到服務(wù)器，接著通過ZigBee網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)讲僮鼽c(diǎn)，如果是自動狀態(tài)則將當(dāng)前數(shù)據(jù)和設(shè)定的閉合繼電器數(shù)據(jù)進(jìn)行對比，如果達(dá)標(biāo)繼電器閉合，否則繼電器斷開，從而控制電機(jī)設(shè)備的開啟或斷開。

3.3 監(jiān)控中心軟件設(shè)計(jì)

應(yīng)用層軟件設(shè)計(jì)基于Visual Studio 軟件平臺進(jìn)行開發(fā)，Visual Studio是目前最流行的Windows平臺應(yīng)用程序，是一個超集成、全面、界面簡潔的開發(fā)工具，Visual Studio可以創(chuàng)建Windows應(yīng)用程序，其必須運(yùn)行在.NET 框架之上，.NET支持多種語言，如VB.NET、C #、C++等，服務(wù)器開發(fā)環(huán)境使用C#.NET語言編寫。

服務(wù)器根據(jù)魚塘唯一IP碼通過GPRS無線通信模塊與網(wǎng)關(guān)監(jiān)控層通信，利用互聯(lián)網(wǎng)監(jiān)控魚塘水質(zhì)信息。該系統(tǒng)主要由用戶管理、參數(shù)配置和實(shí)時監(jiān)控欄目組成。[12]用戶管理模塊主要是監(jiān)控中心管理員對訪問用戶的身份授權(quán)與維護(hù)，用戶查閱或?qū)С鱿到y(tǒng)的水環(huán)境數(shù)據(jù)進(jìn)行不同級別管理，所有用戶登陸后均可修改自己的登陸密碼；參數(shù)配置模塊可以查閱設(shè)備的型號以及設(shè)備參數(shù)，設(shè)置投餌機(jī)、增氧機(jī)以及加熱棒定時和運(yùn)行時間；實(shí)時監(jiān)控是指遠(yuǎn)程監(jiān)控中心通過互聯(lián)網(wǎng)來收集采集節(jié)點(diǎn)傳送的水質(zhì)情況，對水質(zhì)進(jìn)行數(shù)據(jù)分析與顯示，當(dāng)水質(zhì)參數(shù)與設(shè)備工作狀態(tài)異常時則啟動報(bào)警裝置。其客戶端基本結(jié)構(gòu)如圖10所示。

圖10 客戶端基本結(jié)構(gòu)

4 系統(tǒng)數(shù)據(jù)測量結(jié)果分析

2018年1月3日，我們將設(shè)計(jì)好的智能養(yǎng)殖器進(jìn)行測試，測試項(xiàng)目主要包括網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)丟失率、水質(zhì)數(shù)據(jù)采集以及設(shè)備運(yùn)行情況，網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)丟失率用于驗(yàn)證網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)臏?zhǔn)確性，水質(zhì)數(shù)據(jù)采集則考驗(yàn)傳感器采集數(shù)據(jù)和傳輸數(shù)據(jù)的可靠性，設(shè)備運(yùn)行情況用于檢驗(yàn)設(shè)備運(yùn)行的穩(wěn)定性。

我們在水產(chǎn)養(yǎng)殖公司中把6個傳感器節(jié)點(diǎn)分別安放在6個魚塘里，安放6個路由器節(jié)點(diǎn)和1個匯聚節(jié)點(diǎn)，其中傳感器節(jié)點(diǎn)主要負(fù)責(zé)對水質(zhì)環(huán)境進(jìn)行采集，路由器節(jié)點(diǎn)負(fù)責(zé)轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)，匯聚節(jié)點(diǎn)作為監(jiān)控中心。[13]傳感器節(jié)點(diǎn)每30 s采集一次數(shù)據(jù),并采用ZigBee和GPRS的技術(shù)組成傳輸?shù)骄W(wǎng)絡(luò)。測試結(jié)果如表1所列，通過表1分析整個系統(tǒng)數(shù)據(jù)包丟失率為0.62%，證明該網(wǎng)絡(luò)通信情況符合設(shè)計(jì)要求。

表1 網(wǎng)絡(luò)丟失包率數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)

當(dāng)檢測系統(tǒng)水質(zhì)信息與電機(jī)狀態(tài)時，將水質(zhì)進(jìn)行部分干擾，讓水質(zhì)數(shù)據(jù)在設(shè)備啟動和關(guān)閉之間。一般情況下，把魚塘的溫度、pH和溶解氧的值分別定在≥20 ℃、≤6.5和≥6 mg/L。[14]系統(tǒng)測量數(shù)據(jù)及誤差結(jié)果如表2所列。

表2 系統(tǒng)測量實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)及誤差結(jié)果

從表2中可以看出溫度、pH值和溶解氧分別從數(shù)據(jù)庫中抽取三次的數(shù)據(jù)結(jié)果，溫度的時間間隔是15 min、pH值是2 min、溶解氧是5 min，對上述三種控制參數(shù)進(jìn)行實(shí)際相對誤差計(jì)算，從計(jì)算結(jié)果可看出水質(zhì)測量相對誤差并不是很大。控制參數(shù)獲取三次臨界數(shù)據(jù)可以很清晰看出電熱棒、石灰粉投粉機(jī)、增氧機(jī)以及報(bào)警裝置運(yùn)行正常。通過表可以看出檢測傳感器測量的準(zhǔn)確性，無線傳輸?shù)膶?shí)時性以及設(shè)備控制的可靠性，基本符合設(shè)計(jì)要求。

結(jié) 語

本文設(shè)計(jì)的基于STM32單片機(jī)智能水產(chǎn)養(yǎng)殖檢測系統(tǒng)具有眾多優(yōu)點(diǎn)。系統(tǒng)維護(hù)方便：智能監(jiān)控中心可以設(shè)置在各個地方，在遠(yuǎn)程控制端用戶可以通過電腦、手機(jī)、平板等電子設(shè)備瀏覽設(shè)備運(yùn)行情況和水質(zhì)數(shù)據(jù)信息；智能化集成高：通過STM32單片機(jī)對系統(tǒng)進(jìn)行水質(zhì)監(jiān)測、短信報(bào)警、自動調(diào)節(jié)水質(zhì)，使整個系統(tǒng)更加智能化、科技化；降低成本：整個系統(tǒng)基于自動化，自動啟動增氧機(jī)、熱電棒等設(shè)備，極大避免水質(zhì)不合格造成經(jīng)濟(jì)損失，提高水產(chǎn)養(yǎng)殖的產(chǎn)量和質(zhì)量，減少對水產(chǎn)養(yǎng)殖過程中的人力和物力消耗，具有良好的經(jīng)濟(jì)效益。