摘要: 传统经验丰富的养殖方法存在人力物力浪费严重、养殖风险高的问题。本文计划开发一种嵌入式智能闭环反馈增氧系统，集传感器、自动化、无线通信和单片机于一体。
本系统以机智云云数据服务器是物联网平台STM控制节点采用32微处理器WiFi实时无线传输溶解氧，pH、将温度值和设备状态传输给智能云服务器。用户可以通过手机远程查看水质参数和设备运行状态。微处理器通过PID智能反馈算法调节溶解氧值，而不是人工检测水质检测水质，控制增氧机，实现鱼塘的智能闭环反馈。该系统不仅降低了人力物力成本，而且有效降低了养殖风险。
随着水产养殖业的不断发展，我国养殖产量持续稳步增长。目前，虽然我国水产品产量居世界前列，但水产养殖自动化水平不高，但大多数渔民仍按照经验养殖方法控制氧气机的启停时间。这种养殖方法不仅风险高，而且需要大量的劳动力。在水产养殖中，溶解氧是鱼类生存的必要条件，其含量对鱼类觅食、诱饵利用率和生长有很大影响。水中溶解氧含量的测量对水产养殖业的发展具有重要意义。
虽然目前有一些智能育种系统，但水质系数检测不全面，验证精度不高。例如，张淋江等人单独识别水质溶解氧量，通过网络将数据传输到智能氧增强系统，与用户设定值进行比较，控制氧增强器的工作，实现池塘溶解氧的智能控制[1]。水生生物的健康生长对水的溶解氧量，pH而温度这些指标都有较高的要求。
因此，本项目根据用户养殖对象对水的溶氧量，开发了基于嵌入式技术的闭环反馈增氧系统pH值、温度的上限值和下限值进行设定,并采集相关数据,对数据进行系列处理和判断,从而达到智能控制的目的。这样不仅提高了水质检测精度,还降低了检测误差,对水产养殖实现智能管理具有重要意义。
智能增氧系统结构框图如图1所示,本系统采用STM以机智云物联云服务平台为云数据服务器的32微处理器为控制节点。AIoT平台致力于物联网，
智能硬件云服务开发平台为开发者提供自助智能软硬开发工具和开放云服务[2]。
智能闭环反馈增氧系统和水温检测传感器模块，智能闭环反馈增氧系统硬件pH检测传感器检测模块，STM32微处理器电路、增氧机设备GSM短信传输模块，2.4G通信模块、WiFi由无线通信模块和电源模块组成。
图1 智能增氧系统结构框图
溶解氧，水温，pH传感器模块负责收集水质参数；2.4G无线通信模块负责各子节点控制器和主节点控制器的数据传输；主节点控制器负责接收各子节点控制器发送的数据，分析计算给定值，将数据结果返回各子节点，智能调用不同的调节机制；WiFi将数据传输到智能云物联网平台，用户可以使用手机APP连接智能云服务器，实时监控鱼塘水质参数和设备运行状态，并在客户端手动控制增氧系统；主控显示模块负责显示实时数据。
若溶解氧含量、温度、pH超出设定范围后，系统将自动报警并采用自动调整机制，同时通过设定范围报警信息GSM短信方式发送给用户,达到实时监测和智能调节的功能,避免了因设备故障无法及时处理导致鱼浮头甚至死亡,有效降低了养殖风险。
该系统采用瑞蒙德智能数字溶解氧传感器RS支持485通信接口，支持Modbus通信协议具有温度补偿功能，精度高，抗干扰能力强，保证了系统的稳定性和可靠性。基于溶解氧传感器Clark由氧电极的工作原理制成的传感器由两个电极、电解质溶液和特定材料的薄膜组成，只能渗透过氧分子，其他有机和无机溶质和水不能渗透，大大提高了测量的准确性。溶解氧传感器的主要参数如表1所示。
表1 溶解氧传感器的主要参数
该系统用于通信NRF24L01无线通信模块是2的工作模块.4GHz世界通用ISM频段无线通信模块，抗干扰能力强，功耗低，成本低，供电电压1.6～3.6V,传输速度可达2Mbps,距离可达2 000m。特别适用于工业无线网络传输领域，在育种范围分散、山区或沿海地区的数据传输场合具有明显优势[3]。
GSM模块采用的是ATK-SIM800C-V15型号是高性能工业级模块，板载SIMCOM公司级四频模块SIM800C,工作频分别为850、900和1 800、1 900MHz,可实现低功耗SMS(短信)、GPRS传输数据信息。
本系统运用BHT-D型的pH温度变送器,分别采集鱼塘中的pH值和温度。pH温度变送器采用双高阻三电极体系,具有在线一键校准、实时温度补偿、电极松断报警、校准时电极好坏报警、掉电保护(可使标定结果和预置数据不因关机或停电而丢失)、测量精度高、响应快、使用寿命长等特点。采集器对水的pH值和温度不会有影响,在测量的过程中只需要浸泡在水中即可。通过测试,采集的数据误差非常小,在测量允许误差范围内。采集器会每隔500ms给处理器发送实时数据,从而提高数据的可靠性,在指标不合格时能及时恢复指标。DHT-D型pH、温度模块技术参数如表2所示。
表2 BHT-D型pH值、温度模块技术参数
该系统采用意法半导体推出的STM32F1系列高性能的ARM Cortex-M3 32位的RISC内核,工作频率最高为72MHz,内置高速存储器,具有处理运算速度快、稳定性高、低功耗、低成本、扩张性强优点,非常适合在控制领域的应用。它在该系统中主要用于对数据的处理。
本系统采用ATK-esp8266无线通信模块,该模块采用串口(LVTTL)与MCU通信,内置TCP/IP协议栈,能够实现串口与WiFi之间的转换,支持串口转WiFiSTA、串口转AP和WiFi STA+WIFI AP的模式,从而可以快速构建串口-WIFI数据传输方案,实现了ATK-ESP8266模块与机智云物联网云平台数据传输,如图2所示。
图2 WiFi与机智云通信框图
软件部分主要包括机智云AIoT平台、手机客户端。本系统程序设计采用美国Keil Software公司推出的Keil MDK5开发环境,它集编译、编辑、仿真等于一体,支持汇编和C语言的程序设计,在调试程序、软件仿真方面有很强的功能。系统采用“主节点控制器+多个子节点控制器”模式,可提高系统的稳定性。
子节点控制器软件设计程序框图如图3所示。首先,程序对各个设备进行初始化设置,随后判断增氧机运行状态,同时接收溶解氧、pH、温度传感器采集的数值,并每隔30s将数据发送给主节点控制器处理,接收主节点发送过来的继电器指令并触发相应的调节机制,同时判断增氧机是否运行,倘若增氧机发生故障,程序将发送报警信息给主节点控制器。
图3 子节点控制器软件设计程序框图
主节点控制器软件设计程序框图如图4所示。首先对处理器上各个外部设备进行初始化,然后对机智云的协议初始化并判断手机APP是否连接了机智云服务器,若连接,则接收子节点数据并现场显示,同时将数据传输到机智云服务器,然后对数据进行分析、运算、处理;判断测量值是否小于最适值,若小于,则发送继电器闭合命令,接着判断是否还低于最低下限值,若是,则启动全部增氧机并进行声光报警,同时通过GSM模块发送报警信息,实现远程报警。系统支持用户根据养殖对象的不同生长阶段动态地设置水质参数。
图4 主节点控制器软件设计程序图
主节点控制器部分主要代码如下:
为了测试该系统运行时的准确性与稳定性,2019年7月开始在广东省某淡水鱼塘里进行实地检测。测试鱼塘面积为0.1hm2,鱼塘平均深度达到2.7m,该鱼塘采取加州鲈与鲫鱼混养的方式,养殖密度为115 380尾/hm2。本次试验进行24h不间断的检测,检测地点分为三处,传感器安放在距离增氧机6m远的地方,探头布置在水下0.7m处,传感器通过浮筒固定在鱼塘测量位置。表3是部分采集数据。鲈鱼的最适溶解氧浓度应大于3mg/L,最适pH值为7.7～8.4,最适温度为20～30℃[4]。
本次测试期间,溶解氧数据在4.41～5.58mg/L之间变化,均在最适溶解氧之上,pH值和温度都在最适值之内。要使鲈鱼达到进食与生存的最适条件,在处理数据后可通过系统交流继电器开启增氧机,使水中溶氧量维持在3.8～5.5mg/L。如果pH值和温度偏离最适值,系统也会根据反馈发送紧急信息到渔民手机端。现场数据显示图、手机APP显示图、短信报警截图分别如图5、图6和图7所示。
表3 系统测量试验数据结果
注:6:00、9:00、12:00等均为测量时间。
图5 现场数据显示图
图6 手机APP显示图
图7 短信报警截图
目前,人工无法及时、准确地判断鱼塘含氧量来控制增氧机,存在着一定的盲目性,从而导致人力物力的浪费和养殖风险的增加。本项目基于嵌入式技术,结合机智云物联网云平台,拟开发了一套智能闭环反馈增氧系统。试验结果表明,本系统达到了智能反馈实时检测数据并进行PID计算的目的,从而触发系统增氧机制。同时,检测数据及时更新,发送给客户端,一旦参数超出设定值,系统就会及时报警。系统运行稳定,满足了自动控制增氧系统的要求,降低了养殖风险,节省人力,节约电费,提高安全系数,具有广泛的应用价值。