嵌入式技術(shù)的智能閉環(huán)反饋增氧系統(tǒng)

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)網(wǎng)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)。

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AIoT平臺(tái)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)者提供自助式智能軟硬開發(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。

圖1 智能增氧系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

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)網(wǎng)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。

表1 溶解氧傳感器主要參數(shù)

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。

表2 BHT-D型pH值、溫度模塊技術(shù)參數(shù)

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)WiFiSTA、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)網(wǎng)云平臺(tái)數(shù)據(jù)傳輸,如圖2所示。

圖2 WiFi與機(jī)智云通信框圖

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

軟件部分主要包括機(jī)智云AIoT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。

圖3 子節(jié)點(diǎn)控制器軟件設(shè)計(jì)程序框圖

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)智云的協(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)。

圖4 主節(jié)點(diǎn)控制器軟件設(shè)計(jì)程序圖

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:

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。現(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。

表3 系統(tǒng)測(cè)量試驗(yàn)數(shù)據(jù)結(jié)果

注:6:00、9:00、12:00等均為測(cè)量時(shí)間。

圖5 現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)顯示圖

圖6 手機(jī)APP顯示圖

圖7 短信報(bào)警截圖

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)云平臺(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。