嵌入式技術的智能閉環(huán)反饋增氧系統(tǒng)

摘要: 傳統(tǒng)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閉環(huán)反饋增氧系統(tǒng)。

本系統(tǒng)以機智云物聯(lián)網平臺為云端數(shù)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(shù)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(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)居世界前列,但水產養(yǎng)殖自動化水平不高,大多數(shù)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(tǒng),但對水質的各項系數(shù)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(shù)據傳給智能增氧系統(tǒng),與用戶設定值作比較,從而控制增氧機工作,實現(xiàn)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)基于嵌入式技術的閉環(huán)反饋增氧系統(tǒng),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(shù)據,對數(shù)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(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)結構框圖如圖1所示,本系統(tǒng)采用STM32微處理器為控制節(jié)點,以機智云物聯(lián)云服務平臺為云端數(shù)據服務器。機智云AIoT平臺是致力于物聯(lián)網、智能硬件云服務的開發(fā)平臺,為開發(fā)者提供自助式智能軟硬開發(fā)工具和開放的云端服務[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。

圖1 智能增氧系統(tǒng)結構框圖

溶解氧、水溫、pH傳感器模塊負責采集水質參數(shù);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(shù)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(shù)據,與給定值進行分析和計算,并將數(shù)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(shù)據傳輸?shù)綑C智云物聯(lián)網平臺,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(shù)和設備運行狀態(tài),還可以在客戶端手動控制增氧系統(tǒng);主控顯示模塊負責顯示實時數(shù)據。

如果溶解氧含量、溫度、pH超出設置范圍,系統(tǒng)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(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,自帶溫度補償功能,準確度高、抗干擾能力強,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(shù)如表1所示。

表1 溶解氧傳感器主要參數(shù)

2.2 2.4G無線通信

本系統(tǒng)在通信方面采用了NRF24L01無線通信模塊,該模塊是一款工作在2.4GHz世界通用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(shù)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(xiàn)SMS(短信)、GPRS數(shù)據信息的傳輸。

2.4 pH溫度變送器

本系統(tǒng)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(shù)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(shù)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(shù)據,從而提高數(shù)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(shù)如表2所示。

表2 BHT-D型pH值、溫度模塊技術參數(shù)

2.5 STM32微處理器

該系統(tǒng)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,工作頻率最高為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(tǒng)中主要用于對數(shù)據的處理。

2.6 WiFi無線通信模塊

本系統(tǒng)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(xié)議棧,能夠實現(xiàn)串口與WiFi之間的轉換,支持串口轉WiFiSTA、串口轉AP和WiFi STA+WIFI AP的模式,從而可以快速構建串口-WIFI數(shù)據傳輸方案,實現(xiàn)了ATK-ESP8266模塊與機智云物聯(lián)網云平臺數(shù)據傳輸,如圖2所示。

圖2 WiFi與機智云通信框圖

3 系統(tǒng)軟件設計

軟件部分主要包括機智云AIoT平臺、手機客戶端。本系統(tǒng)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(tǒng)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(tǒng)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。首先,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(shù)值,并每隔30s將數(shù)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。

圖3 子節(jié)點控制器軟件設計程序框圖

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。首先對處理器上各個外部設備進行初始化,然后對機智云的協(xié)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(shù)據并現(xiàn)場顯示,同時將數(shù)據傳輸?shù)綑C智云服務器,然后對數(shù)據進行分析、運算、處理;判斷測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(xiàn)遠程報警。系統(tǒng)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(shù)。

圖4 主節(jié)點控制器軟件設計程序圖

3.3 主節(jié)點控制器部分主要代碼

主節(jié)點控制器部分主要代碼如下:

4 試驗結果與分析

為了測試該系統(tǒng)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0.1hm2,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/hm2。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(shù)據。鱸魚的最適溶解氧濃度應大于3mg/L,最適pH值為7.7～8.4,最適溫度為20～30℃[4]。

本次測試期間,溶解氧數(shù)據在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。要使鱸魚達到進食與生存的最適條件,在處理數(shù)據后可通過系統(tǒng)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值和溫度偏離最適值,系統(tǒng)也會根據反饋發(fā)送緊急信息到漁民手機端?，F(xiàn)場數(shù)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。

表3 系統(tǒng)測量試驗數(shù)據結果

注:6:00、9:00、12:00等均為測量時間。

圖5 現(xiàn)場數(shù)據顯示圖

圖6 手機APP顯示圖

圖7 短信報警截圖

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(lián)網云平臺,擬開發(fā)了一套智能閉環(huán)反饋增氧系統(tǒng)。試驗結果表明,本系統(tǒng)達到了智能反饋實時檢測數(shù)據并進行PID計算的目的,從而觸發(fā)系統(tǒng)增氧機制。同時,檢測數(shù)據及時更新,發(fā)送給客戶端,一旦參數(shù)超出設定值,系統(tǒng)就會及時報警。系統(tǒng)運行穩(wěn)定,滿足了自動控制增氧系統(tǒng)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(shù),具有廣泛的應用價值。