摘 要：傳統經驗養(yǎng)殖法的增氧存在人力物力嚴重浪費和養(yǎng)殖風險高的問題。本文以嵌入式技術為基礎，擬開發(fā)一種將傳感器、自動化、無線通信和單片機等技術融為一體的嵌入式智能差壓變送器。本系統以機智云物聯云服務平臺為云端數據服務器，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、設備狀態(tài)傳輸給機智云服務器，用戶可通過手機遠程查看水質參數及設備運行狀態(tài)，微處理器通過PID算法進行智能反饋來調節(jié)溶解氧值，代替人工檢測水質及控制增氧機，實現魚塘的智能閉環(huán)反饋增氧。該系統不僅減少了人力物力成本，還有效降低了養(yǎng)殖風險。

隨著水產養(yǎng)殖業(yè)的不斷發(fā)展，我國養(yǎng)殖產量持續(xù)且穩(wěn)步增長。目前，雖然我國水產品產量穩(wěn)居shijie前列，但水產養(yǎng)殖自動化水平不高，大多數漁民仍根據經驗養(yǎng)殖法來控制增氧機的啟停時間，此養(yǎng)殖方法不僅風險大，而且需耗費大量勞動力。水產養(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，但對水質的各項系數檢測并不全面，檢定精度不高。例如，張淋江等人單一地對水質溶氧量進行鑒定，通過網絡把數據傳給智能差壓變送器，與用戶設定值作比較，從而控制增氧機工作，實現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都有較高的要求。因此，本項目通過開發(fā)基于嵌入式技術的差壓變送器，根據用戶養(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定，并采集相關數據，對數據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檢測精度，還降低了檢測誤差，對水產養(yǎng)殖實現智能管理具有重要意義。

1 系統硬件組成

智能差壓變送器結構框圖如圖 1 所示，本系統采用STM32微處理器為控制節(jié)點，以機智云物聯云服務平臺為云端數據服務器。機智云是致力于物聯網、智能硬件云服務的開發(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［2］ 。智能差壓變送器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傳感器模塊負責采集水質參數；

2.4G無線通信模塊負責各個子節(jié)點控制器與主節(jié)點控制

器的數據傳輸；主節(jié)點控制器負責接收各個子節(jié)點控制器發(fā)送過來的數據，與給定值進行分析和計算，并將數據結果返回各個子節(jié)點，從而智能調用不同調節(jié)機制；通過WiFi將數據傳輸到機智云物聯云服務平臺，用戶可以通過手機APP連接機智云服務器，實時監(jiān)控魚塘水質參數和設備運行狀態(tài)，還可以在客戶端手動控制差壓變送器；主控顯示模塊負責顯示實時數據。如果溶解氧含量、溫度、pH超出設置范圍，系統將自動報警并采取自動調節(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)測和智能調節(jié)的功能，避免了因設備故障無法及時處理導致魚浮頭甚至死亡，有效降低了養(yǎng)殖風險。

2 系統主要硬件及其主要參數

2.1 溶解氧傳感器

本系統選用瑞蒙德智慧型數字溶解氧傳感器，它采用電極RS485通信接口，支持Modbus通信協議，自帶溫度補償功能，準確度高、抗干擾能力強，保證了系統的穩(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和水不能滲透過，從而大大提高了測量的準確度。該溶解氧傳感器主要參數如表1所示。

2.2 2.4G無線通信

本系統在通信方面采用了NRF24L01無線通信模塊，該模塊是一款工作在2.4GHzshijie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)無線網絡傳輸領域，在養(yǎng)殖范圍分散、山區(qū)或沿海地區(qū)的數據傳輸場合有明顯優(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SMS（短信）、GPRS數據信息的傳輸。

2.4 pH溫度變送器

本系統運用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、實時溫度補償、電極松斷報警、校準時電極好壞報警、掉電保護（可使標定結果和預置數據不因關機或停電而丟失）、測量精度高、響應快、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，采集的數據誤差非常小，在測量允許誤差范圍內。采集器會每隔500ms給處理器發(fā)送實時數據，從而提高數據的可靠性，在指標不合格時能及時恢復指標。DHT-D型pH、溫度模塊技術參數如表2所示。

2.5 STM32微處理器

該系統采用意法半導體推出的STM32F1系列高性能的ARM Cortex-M3 32位的RISC內核，工作頻率#高為72MHz，內置高速存儲器，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，非常適合在控制領域的應用。它在該系統中主要用于對數據的處理。

2.6 WiFi無線通信模塊

本系統采用ATK-ESP8266無線通信模塊，該模塊采用串口（LVTTL）與MCU通信，內置TCP/IP協議棧，能夠實現串口與WiFi之間的轉換，支持串口轉WiFi STA、串口轉AP和WiFi STA+WIFI AP的模式，從而可以快速構建串口-WIFI數據傳輸方案，實現了ATK-ESP8266模塊與機智云物聯云服務平臺數據傳輸，如圖2所示。

3 系統軟件設計

軟件部分主要包括機智云物聯云服務平臺、手機客戶端。本系統程序設計采用美國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語言的程序設計，在調試程序、軟件仿真方面有很強的功能。系統采用“主節(jié)點控制器+多個子節(jié)點控制器”模式，可提高系統的穩(wěn)定性。

3.1 子節(jié)點控制器軟件設計

子節(jié)點控制器軟件設計程序框圖如圖3所示。shou先，程序對各個設備進行初始化設置，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值，并每隔30s將數據發(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)相應的調節(jié)機制，同時判斷增氧機是否運行，倘若增氧機發(fā)生故障，程序將發(fā)送報警信息給主節(jié)點控制器。

3.2 主節(jié)點控制器軟件設計

主節(jié)點控制器軟件設計程序框圖如圖4所示。shou先對處理器上各個外部設備進行初始化，然后對機智云協議初始化并判斷手機APP是否連接了機智云服務器，若連接，則接收子節(jié)點數據并現場顯示，同時將數據傳輸到機智云服務器，然后對數據進行分析、運算、處理；判斷測量值是否小于#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#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，實現遠程報警。系統支持用戶根據養(yǎng)殖對象的不同生長階段動態(tài)地設置水質參數。

4 試驗結果與分析

為了測試該系統運行時的準確性與穩(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0.1hm 2 ，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/hm 2 。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是部分采集數據。鱸魚的#適溶解氧濃度應大于3mg/L，#適pH值為7.7～8.4，#適溫度為20～30℃［4］ 。本次測試期間，溶解氧數據在4.41～5.58mg/L之間變化，均在#適溶解氧之上，pH值和溫度都在#適值之內。要使鱸魚達到進食與生存的#適條件，在處理數據后可通過系統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#適值，系統也會根據反饋發(fā)送緊急信息到漁民手機端。現場數據顯示圖、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 結語

目前，人工無法及時、準確地判斷魚塘含氧量來控制增氧機，存在著一定的盲目性，從而導致人力物力的浪費和養(yǎng)殖風險的增加。本項目基于嵌入式技術，結合機智云物聯網服務平臺，擬開發(fā)了一套智能差壓變送器。試驗結果表明，本系統達到了智能反饋實時檢測數據并進行PID計算的目的，從而觸發(fā)系統增氧機制。同時，檢測數據及時更新，發(fā)送給客戶端，一旦參數超出設定值，系統就會及時報警。系統運行穩(wěn)定，滿足了自動控制差壓變送器的要求，降低了養(yǎng)殖風險，節(jié)省人力，節(jié)約電費，提高安全系數，具有廣泛的應用價值。