嵌入式技术的智能闭环反馈增氧系统

摘要: 传统经验养殖法的增氧存在人力物力严重浪费和养殖风险高的问题。本文以嵌入式技术为基础,拟开发一种将传感器、自动化、无线通信和单片机等技术融为一体的嵌入式智能闭环反馈增氧系统。

本系统以机智云物联网平台为云端数据服务器,以STM32微处理器为控制节点,采用WiFi无线传输实时将溶解氧、pH、温度值、设备状态传输给机智云服务器,用户可通过手机远程查看水质参数及设备运行状态,微处理器通过PID算法进行智能反馈来调节溶解氧值,代替人工检测水质及控制增氧机,实现鱼塘的智能闭环反馈增氧。该系统不仅减少了人力物力成本,还有效降低了养殖风险。

随着水产养殖业的不断发展,我国养殖产量持续且稳步增长。目前,虽然我国水产品产量稳居世界前列,但水产养殖自动化水平不高,大多数渔民仍根据经验养殖法来控制增氧机的启停时间,此养殖方法不仅风险大,而且需耗费大量劳动力。水产养殖中,溶解氧是鱼类赖以生存的必要条件,其含量的多寡对鱼类觅食、饵料利用率和生长均有很大的影响,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。

目前虽然已有一些智能养殖系统,但对水质的各项系数检测并不全面,检定精度不高。例如,张淋江等人单一地对水质溶氧量进行鉴定,通过网络把数据传给智能增氧系统,与用户设定值作比较,从而控制增氧机工作,实现对池塘溶解氧的智能控制[1]。水生物的健康生长对水的溶氧量、pH以及温度这几项指标都有较高的要求。

因此,本项目通过开发基于嵌入式技术的闭环反馈增氧系统,根据用户养殖对象对水的溶氧量、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。

1 系统硬件组成

智能增氧系统结构框图如图1所示,本系统采用STM32微处理器为控制节点,以机智云物联云服务平台为云端数据服务器。机智云AIoT平台是致力于物联网、智能硬件云服务的开发平台,为开发者提供自助式智能软硬开发工具和开放的云端服务[2]。

智能闭环反馈增氧系统硬件由溶解氧传感器模块、水中温度检测传感器模块、pH检测传感器检测模块、STM32微处理器电路、增氧机设备、GSM短信透传模块、2.4G通信模块、WiFi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传感器模块负责采集水质参数;2.4G无线通信模块负责各个子节点控制器与主节点控制器的数据传输;主节点控制器负责接收各个子节点控制器发送过来的数据,与给定值进行分析和计算,并将数据结果返回各个子节点,从而智能调用不同调节机制;通过WiFi将数据传输到机智云物联网平台,用户可以通过手机APP连接机智云服务器,实时监控鱼塘水质参数和设备运行状态,还可以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。

如果溶解氧含量、温度、pH超出设置范围,系统将自动报警并采取自动调节机制,同时将报警信息通过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。

2 系统主要硬件及其主要参数

2.1 溶解氧传感器

本系统选用瑞蒙德智慧型数字溶解氧传感器,它采用电极RS485通信接口,支持Modbus通信协议,自带温度补偿功能,准确度高、抗干扰能力强,保证了系统的稳定性和可靠性。溶解氧传感器是基于Clark氧电极的工作原理而制作的,传感器由两个电极、电解质溶液以及特定材料的薄膜组成,这种薄膜只能渗透过氧分子,其他有机及无机溶质和水不能渗透过,从而大大提高了测量的准确度。该溶解氧传感器主要参数如表1所示。

表1 溶解氧传感器主要参数

2.2 2.4G无线通信

本系统在通信方面采用了NRF24L01无线通信模块,该模块是一款工作在2.4GHz世界通用ISM频段的无线通信模块,抗干扰能力强、低功耗、低成本,供电电压为1.6～3.6V,传输速度可以达到2Mbps,距离可达2 000m。它特别适用于工业无线网络传输领域,在养殖范围分散、山区或沿海地区的数据传输场合有明显优势[3]。

2.3 GSM短信透传模块

GSM模块采用的是ATK-SIM800C-V15型号,它是一款高性能工业级模块,板载SIMCOM公司的工业级四频模块SIM800C,工作频四频分别为850、900、1 800、1 900MHz,可以低功耗实现SMS(短信)、GPRS数据信息的传输。

2.4 pH温度变送器

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

2.5 STM32微处理器

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。

2.6 WiFi无线通信模块

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

3 系统软件设计

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。

3.1 子节点控制器软件设计

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

3.2 主节点控制器软件设计

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

3.3 主节点控制器部分主要代码

主节点控制器部分主要代码如下:

4 试验结果与分析

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

5 结语

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。