基于嵌入式技術(shù)的智能閉環(huán)反饋增氧系統(tǒng)設(shè)計(jì)

陳本臻　呂償　何錦輝　梁銘峰　陳雪晴

摘 要：傳統(tǒng)經(jīng)驗(yàn)養(yǎng)殖法的增氧存在人力物力嚴(yán)重浪費(fèi)和養(yǎng)殖風(fēng)險(xiǎn)高的問(wèn)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(dòng)化、無(wú)線通信和單片機(jī)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(jī)智云物聯(lián)云服務(wù)平臺(tái)為云端數(shù)據(jù)服務(wù)器，以STM32微處理器為控制節(jié)點(diǎn)，采用WiFi無(wú)線傳輸實(shí)時(shí)將溶解氧、pH、溫度值、設(shè)備狀態(tài)傳輸給機(jī)智云服務(wù)器，用戶可通過(guò)手機(jī)遠(yuǎn)程查看水質(zhì)參數(shù)及設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)，微處理器通過(guò)PID算法進(jìn)行智能反饋來(lái)調(diào)節(jié)溶解氧值，代替人工檢測(cè)水質(zhì)及控制增氧機(jī)，實(shí)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(xiǎn)。

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

中圖分類號(hào)：TP273.5 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：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(guó)養(yǎng)殖產(chǎn)量持續(xù)且穩(wěn)步增長(zhǎng)。目前，雖然我國(guó)水產(chǎn)品產(chǎn)量穩(wěn)居世界前列，但水產(chǎn)養(yǎng)殖自動(dòng)化水平不高，大多數(shù)漁民仍根據(jù)經(jīng)驗(yàn)養(yǎng)殖法來(lái)控制增氧機(jī)的啟停時(shí)間，此養(yǎng)殖方法不僅風(fēng)險(xiǎn)大，而且需耗費(fèi)大量勞動(dòng)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(duì)魚類覓食、餌料利用率和生長(zhǎng)均有很大的影響，水中溶解氧含量的測(cè)量對(duì)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(duì)水質(zhì)的各項(xiàng)系數(shù)檢測(cè)并不全面，檢定精度不高。例如，張淋江等人單一地對(duì)水質(zhì)溶氧量進(jìn)行鑒定，通過(guò)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(jī)工作，實(shí)現(xiàn)對(duì)池塘溶解氧的智能控制[1]。水生物的健康生長(zhǎng)對(duì)水的溶氧量、pH以及溫度這幾項(xiàng)指標(biāo)都有較高的要求。

因此，本項(xiàng)目通過(guò)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(duì)象對(duì)水的溶氧量、pH值、溫度的上限值和下限值進(jìn)行設(shè)定，并采集相關(guān)數(shù)據(jù)，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行系列處理和判斷，從而達(dá)到智能控制的目的。這樣不僅提高了水質(zhì)檢測(cè)精度，還降低了檢測(cè)誤差，對(duì)水產(chǎn)養(yǎng)殖實(shí)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(diǎn)，以機(jī)智云物聯(lián)云服務(wù)平臺(tái)為云端數(shù)據(jù)服務(wù)器。機(jī)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(tái)，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(cè)傳感器模塊、pH檢測(cè)傳感器檢測(cè)模塊、STM32微處理器電路、增氧機(jī)設(shè)備、GSM短信透?jìng)髂K、2.4G通信模塊、WiFi無(wú)線通信模塊和電源模塊組成。

溶解氧、水溫、pH傳感器模塊負(fù)責(zé)采集水質(zhì)參數(shù);2.4G無(wú)線通信模塊負(fù)責(zé)各個(gè)子節(jié)點(diǎn)控制器與主節(jié)點(diǎn)控制器的數(shù)據(jù)傳輸;主節(jié)點(diǎn)控制器負(fù)責(zé)接收各個(gè)子節(jié)點(diǎn)控制器發(fā)送過(guò)來(lái)的數(shù)據(jù)，與給定值進(jìn)行分析和計(jì)算，并將數(shù)據(jù)結(jié)果返回各個(gè)子節(jié)點(diǎn)，從而智能調(diào)用不同調(diào)節(jié)機(jī)制;通過(guò)WiFi將數(shù)據(jù)傳輸?shù)綑C(jī)智云物聯(lián)云服務(wù)平臺(tái)，用戶可以通過(guò)手機(jī)APP連接機(jī)智云服務(wù)器，實(shí)時(shí)監(jiān)控魚塘水質(zhì)參數(shù)和設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)，還可以在客戶端手動(dòng)控制增氧系統(tǒng);主控顯示模塊負(fù)責(zé)顯示實(shí)時(shí)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(dòng)報(bào)警并采取自動(dòng)調(diào)節(jié)機(jī)制，同時(shí)將報(bào)警信息通過(guò)GSM短信方式發(fā)送給用戶，達(dá)到實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和智能調(diào)節(jié)的功能，避免了因設(shè)備故障無(wú)法及時(shí)處理導(dǎo)致魚浮頭甚至死亡，有效降低了養(yǎng)殖風(fēng)險(xiǎn)。

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(bǔ)償功能，準(zhǔn)確度高、抗干擾能力強(qiáng)，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(gè)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(guò)氧分子，其他有機(jī)及無(wú)機(jī)溶質(zhì)和水不能滲透過(guò)，從而大大提高了測(cè)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(wú)線通信

本系統(tǒng)在通信方面采用了NRF24L01無(wú)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(wú)線通信模塊，抗干擾能力強(qiáng)、低功耗、低成本，供電電壓為1.6～3.6V，傳輸速度可以達(dá)到2Mbps，距離可達(dá)2 000m。它特別適用于工業(yè)無(wú)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(chǎng)合有明顯優(yōu)勢(shì)[3]。

2.3 GSM短信透?jìng)髂K

GSM模塊采用的是ATK-SIM800C-V15型號(hào)，它是一款高性能工業(yè)級(jí)模塊，板載SIMCOM公司的工業(yè)級(jí)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(shí)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(yùn)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(shí)時(shí)溫度補(bǔ)償、電極松斷報(bào)警、校準(zhǔn)時(shí)電極好壞報(bào)警、掉電保護(hù)（可使標(biāo)定結(jié)果和預(yù)置數(shù)據(jù)不因關(guān)機(jī)或停電而丟失）、測(cè)量精度高、響應(yīng)快、使用壽命長(zhǎng)等特點(diǎn)。采集器對(duì)水的pH值和溫度不會(huì)有影響，在測(cè)量的過(guò)程中只需要浸泡在水中即可。通過(guò)測(cè)試，采集的數(shù)據(jù)誤差非常小，在測(cè)量允許誤差范圍內(nèi)。采集器會(huì)每隔500ms給處理器發(fā)送實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，從而提高數(shù)據(jù)的可靠性，在指標(biāo)不合格時(shí)能及時(shí)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(chǔ)器，具有處理運(yùn)算速度快、穩(wěn)定性高、低功耗、低成本、擴(kuò)張性強(qiáng)優(yōu)點(diǎn)，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(duì)數(shù)據(jù)的處理。

2.6 WiFi無(wú)線通信模塊

本系統(tǒng)采用ATK-ESP8266無(wú)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(shí)現(xiàn)了ATK-ESP8266模塊與機(jī)智云物聯(lián)云服務(wù)平臺(tái)數(shù)據(jù)傳輸，如圖2所示。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

軟件部分主要包括機(jī)智云物聯(lián)云服務(wù)平臺(tái)、手機(jī)客戶端。本系統(tǒng)程序設(shè)計(jì)采用美國(guó)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(yǔ)言的程序設(shè)計(jì)，在調(diào)試程序、軟件仿真方面有很強(qiáng)的功能。系統(tǒng)采用“主節(jié)點(diǎn)控制器+多個(gè)子節(jié)點(diǎn)控制器”模式，可提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

3.1 子節(jié)點(diǎn)控制器軟件設(shè)計(jì)

子節(jié)點(diǎn)控制器軟件設(shè)計(jì)程序框圖如圖3所示。首先，程序?qū)Ω鱾€(gè)設(shè)備進(jìn)行初始化設(shè)置，隨后判斷增氧機(jī)運(yùn)行狀態(tài)，同時(shí)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(diǎn)控制器處理，接收主節(jié)點(diǎn)發(fā)送過(guò)來(lái)的繼電器指令并觸發(fā)相應(yīng)的調(diào)節(jié)機(jī)制，同時(shí)判斷增氧機(jī)是否運(yùn)行，倘若增氧機(jī)發(fā)生故障，程序?qū)l(fā)送報(bào)警信息給主節(jié)點(diǎn)控制器。

3.2 主節(jié)點(diǎn)控制器軟件設(shè)計(jì)

主節(jié)點(diǎn)控制器軟件設(shè)計(jì)程序框圖如圖4所示。首先對(duì)處理器上各個(gè)外部設(shè)備進(jìn)行初始化，然后對(duì)機(jī)智云協(xié)議初始化并判斷手機(jī)APP是否連接了機(jī)智云服務(wù)器，若連接，則接收子節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)并現(xiàn)場(chǎng)顯示，同時(shí)將數(shù)據(jù)傳輸?shù)綑C(jī)智云服務(wù)器，然后對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析、運(yùn)算、處理;判斷測(cè)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(dòng)全部增氧機(jī)并進(jìn)行聲光報(bào)警，同時(shí)通過(guò)GSM模塊發(fā)送報(bào)警信息，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程報(bào)警。系統(tǒng)支持用戶根據(jù)養(yǎng)殖對(duì)象的不同生長(zhǎng)階段動(dòng)態(tài)地設(shè)置水質(zhì)參數(shù)。

3.3 主節(jié)點(diǎn)控制器部分主要代碼

主節(jié)點(diǎn)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(jī)智云協(xié)議處理

}

4 試驗(yàn)結(jié)果與分析

為了測(cè)試該系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)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(jìn)行實(shí)地檢測(cè)。測(cè)試魚塘面積為0.1hm2，魚塘平均深度達(dá)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(yàn)進(jìn)行24h不間斷的檢測(cè)，檢測(cè)地點(diǎn)分為三處，傳感器安放在距離增氧機(jī)6m遠(yuǎn)的地方，探頭布置在水下0.7m處，傳感器通過(guò)浮筒固定在魚塘測(cè)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(cè)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(dá)到進(jìn)食與生存的最適條件，在處理數(shù)據(jù)后可通過(guò)系統(tǒng)交流繼電器開啟增氧機(jī)，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(huì)根據(jù)反饋發(fā)送緊急信息到漁民手機(jī)端?，F(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)顯示圖、手機(jī)APP顯示圖、短信報(bào)警截圖分別如圖5、圖6和圖7所示。

5 結(jié)語(yǔ)

目前，人工無(wú)法及時(shí)、準(zhǔn)確地判斷魚塘含氧量來(lái)控制增氧機(jī)，存在著一定的盲目性，從而導(dǎo)致人力物力的浪費(fèi)和養(yǎng)殖風(fēng)險(xiǎn)的增加。本項(xiàng)目基于嵌入式技術(shù)，結(jié)合機(jī)智云物聯(lián)網(wǎng)服務(wù)平臺(tái)，擬開發(fā)了一套智能閉環(huán)反饋增氧系統(tǒng)。試驗(yàn)結(jié)果表明，本系統(tǒng)達(dá)到了智能反饋實(shí)時(shí)檢測(cè)數(shù)據(jù)并進(jìn)行PID計(jì)算的目的，從而觸發(fā)系統(tǒng)增氧機(jī)制。同時(shí)，檢測(cè)數(shù)據(jù)及時(shí)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(huì)及時(shí)報(bào)警。系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定，滿足了自動(dòng)控制增氧系統(tǒng)的要求，降低了養(yǎng)殖風(fēng)險(xiǎn)，節(jié)省人力，節(jié)約電費(fèi)，提高安全系數(shù)，具有廣泛的應(yīng)用價(jià)值。

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