海產(chǎn)貝類養(yǎng)殖物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)光照強(qiáng)度采集器設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

尚明華　穆元杰　李翠潔　劉淑云　秦磊磊

摘要：針對傳統(tǒng)光照強(qiáng)度采集器精度低、系統(tǒng)集成困難的問題，結(jié)合自主研發(fā)的水產(chǎn)物聯(lián)網(wǎng)測控平臺(tái)，設(shè)計(jì)了一種基于STM32的無線光照強(qiáng)度采集節(jié)點(diǎn)。該節(jié)點(diǎn)可實(shí)現(xiàn)光照強(qiáng)度的自動(dòng)采集、處理、無線傳輸功能。試驗(yàn)證明，該無線光照強(qiáng)度采集節(jié)點(diǎn)可與水產(chǎn)物聯(lián)網(wǎng)測控平臺(tái)對接，并且精度高，可應(yīng)用于海產(chǎn)養(yǎng)殖等多種領(lǐng)域。

關(guān)鍵詞：海產(chǎn)貝類； 物聯(lián)網(wǎng)； 光照強(qiáng)度

中圖分類號(hào)：S126 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)號(hào)：A 文章編號(hào)：1001-4942（2018）11-0154-05

Abstract In view of the problem of low precision and difficult system integration of traditional light intensity collector， a wireless light intensity acquisition node based on STM32 was designed， which combined the independent researched and developed IoT measurement and control platform. This node could realize the automatic acquisition， processing and wireless transmission of light intensity. The experiment showed that the wireless light intensity acquisition node could be seamlessly connected with the aquatic product IoT measurement and control platform， and had high precision， which could be used in many fields such as marine production and breeding.

Keywords Marine shellfish； Internet of Things（IoT）； Light intensity

光是生物生長發(fā)育中不可或缺的重要因素之一，在水產(chǎn)貝類養(yǎng)殖中，光照與水體溫度、溶解氧、pH值、鹽度等同等重要，是影響其生長的重要因素。劉小霞等研究了光照對不同規(guī)格番紅硨磲氧、氨氮及活性磷酸鹽代謝的影響，指出光照顯著影響番紅硨磲生理代謝[1]；宋昌斌等在水產(chǎn)養(yǎng)殖車間LED光環(huán)境設(shè)計(jì)研究中指出水產(chǎn)動(dòng)物索餌、繁殖、捕食等行為均與光照有著密切聯(lián)系[2]。因此，光照強(qiáng)度的監(jiān)測對海產(chǎn)貝類養(yǎng)殖、災(zāi)害防護(hù)等都有重要意義。

為實(shí)現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在海產(chǎn)貝類養(yǎng)殖中的應(yīng)用，本研究團(tuán)隊(duì)研發(fā)出產(chǎn)物聯(lián)網(wǎng)測控平臺(tái)，可實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)采集、管理和分析，并根據(jù)數(shù)據(jù)分析結(jié)果實(shí)現(xiàn)對執(zhí)行器節(jié)點(diǎn)的遠(yuǎn)程調(diào)控。光照強(qiáng)度采集器是平臺(tái)多種采集節(jié)點(diǎn)之一。

近年來有較多光照強(qiáng)度采集器的研究[3-9]，但大都未提及監(jiān)測數(shù)據(jù)誤差；另外，通信協(xié)議閉塞，無法與本研究團(tuán)隊(duì)研發(fā)的水產(chǎn)物聯(lián)網(wǎng)測控平臺(tái)進(jìn)行對接。為實(shí)現(xiàn)光照強(qiáng)度采集能夠與平臺(tái)對接，本研究團(tuán)隊(duì)研發(fā)了基于STM32的光照強(qiáng)度無線采集器。

1 光照強(qiáng)度采集器總體設(shè)計(jì)

本光照強(qiáng)度采集節(jié)點(diǎn)由主控模塊、電源模塊、數(shù)據(jù)采集處理模塊、存儲(chǔ)模塊、通信模塊組成，如圖1所示。主控模塊是整個(gè)系統(tǒng)的核心，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的總體控制；數(shù)據(jù)采集處理模塊主要由傳感器及信號(hào)處理電路組成，主要負(fù)責(zé)光照強(qiáng)度的實(shí)時(shí)感知及傳輸；存儲(chǔ)模塊用于存儲(chǔ)感知光照強(qiáng)度數(shù)據(jù)處理模型的參數(shù)；通信模塊用于光照強(qiáng)度采集器與水產(chǎn)物聯(lián)網(wǎng)測控平臺(tái)雙向通信，實(shí)現(xiàn)光照強(qiáng)度的無線傳輸；電源模塊用于為各個(gè)模塊供電，以滿足系統(tǒng)對電源的需求。

2 光照強(qiáng)度采集器硬件設(shè)計(jì)

2.1 主控模塊

主芯片采用高性能、低成本、低功耗的STM32F103單片機(jī)。它基于超低功耗的ARM Cortex-M3處理器內(nèi)核，時(shí)鐘頻率最高為72 MHz，片上集成32 KB的Flash存儲(chǔ)器，6 KB的SRAM存儲(chǔ)器；它擁有強(qiáng)大的軟件支持，豐富的技術(shù)文檔，極大地降低了用戶開發(fā)使用難度。其最小系統(tǒng)電路如圖2所示。

2.2 信號(hào)處理模塊

信號(hào)處理單元實(shí)現(xiàn)對光照強(qiáng)度傳感器采集的模擬信號(hào)的處理。信號(hào)處理單元通過四路雙向模擬開關(guān)（CD4066）及高精度運(yùn)算發(fā)大器（ICL7650）將光照強(qiáng)度傳感器采集的模擬信號(hào)進(jìn)行調(diào)整，使得輸出穩(wěn)定在0～3.3 V范圍內(nèi)，方便后續(xù)應(yīng)用于構(gòu)建的模型之中。

2.3 電源模塊

光照強(qiáng)度采集器內(nèi)部使用5、3.3 V兩種電壓類型，系統(tǒng)中主控模塊及存儲(chǔ)模塊為3.3 V供電，信號(hào)處理模塊及通信模塊為5 V供電。為滿足系統(tǒng)對電源的需求，系統(tǒng)采用LM2575降壓開關(guān)型集成穩(wěn)壓電路將24 V直流電源調(diào)整至5 V，并通過REG1117降壓到3.3 V。電源模塊電路如圖4所示。

3 模型設(shè)計(jì)

3.1 數(shù)據(jù)預(yù)處理

為避免數(shù)據(jù)采集過程中因偶然因素引起的波動(dòng)干擾，采集數(shù)據(jù)需經(jīng)過濾波算法進(jìn)行處理。光照強(qiáng)度采集器中使用中位值濾波算法。所謂中位值濾波算法即為連續(xù)采樣N（N為奇數(shù)）次，將這N個(gè)數(shù)據(jù)按從小到大的順序排列，取中間的數(shù)據(jù)作為有效值[10]。在程序編寫過程中，我們采樣9次并進(jìn)行中位值濾波選取中間值作為有效值。

3.2 數(shù)據(jù)模型構(gòu)建

數(shù)據(jù)經(jīng)預(yù)處理后需分析系統(tǒng)采集值（電壓值）與光照強(qiáng)度的對應(yīng)關(guān)系，經(jīng)過大量試驗(yàn)表明，兩者存在一定的線性關(guān)系。為提高光照強(qiáng)度數(shù)據(jù)采集的精度，將量程分為四個(gè)區(qū)間分別構(gòu)建線性模型，所劃分區(qū)間為[0，200）、[200，2000）、[2000，20000）、[20000，200000]，在各個(gè)區(qū)間上所擬合線性函數(shù)如圖5所示。

4 對比試驗(yàn)情況

為測試數(shù)據(jù)采集準(zhǔn)確性，在光照箱中放置高精度手持測量儀及本研究設(shè)計(jì)的無線光照強(qiáng)度采集器，調(diào)節(jié)光照箱中光照強(qiáng)度值，在同一時(shí)刻采集不同光照強(qiáng)度下兩者的測量數(shù)值，并對數(shù)據(jù)進(jìn)行對比分析。手持測量儀的數(shù)據(jù)可直接讀出，本研究設(shè)計(jì)的無線光照強(qiáng)度采集器則可將獲取數(shù)據(jù)傳輸至水產(chǎn)物聯(lián)網(wǎng)測控平臺(tái)（圖6），通過平臺(tái)可將數(shù)據(jù)導(dǎo)出。如表1所示共采集18組數(shù)據(jù)，其中對比值為高精度手持測量儀采集，監(jiān)測值為本研究設(shè)計(jì)的無線光照強(qiáng)度采集器采集。

結(jié)果顯示，本研究設(shè)計(jì)的無線光照強(qiáng)度采集器采集的數(shù)據(jù)可實(shí)時(shí)傳至水產(chǎn)物聯(lián)網(wǎng)測控平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)與平臺(tái)的無縫對接；與高精度光照強(qiáng)度手持測量儀測量的數(shù)據(jù)相比，誤差在2%范圍內(nèi)，表明本研究設(shè)計(jì)的無線光照強(qiáng)度采集器數(shù)據(jù)采集精度較高。

5 結(jié)論

針對傳統(tǒng)光照強(qiáng)度采集器精度低、系統(tǒng)集成困難的問題，結(jié)合本研究團(tuán)隊(duì)自主研發(fā)的水產(chǎn)物聯(lián)網(wǎng)測控平臺(tái)，我們研究設(shè)計(jì)了一種基于STM32的無線光照強(qiáng)度采集器，并通過試驗(yàn)對其數(shù)據(jù)采集精度及能否與水產(chǎn)測控平臺(tái)進(jìn)行對接進(jìn)行驗(yàn)證。結(jié)果表明，該無線光照強(qiáng)度采集器可與水產(chǎn)物聯(lián)網(wǎng)測控平臺(tái)無縫對接，且數(shù)據(jù)采集精度較高。今后，結(jié)合光照強(qiáng)度采集器的使用情況可進(jìn)一步優(yōu)化數(shù)據(jù)處理模型以及硬件電路，以便提高光照強(qiáng)度采集器的穩(wěn)定性。

參 考 文 獻(xiàn)：

[1] 劉小霞，李樂，鄭興，等.光照對不同規(guī)格番紅硨磲（Tridacna crocea）氧、氨氮及活性磷酸鹽代謝的影響[J]. 漁業(yè)科學(xué)進(jìn)展，2017，38（5）：92-99.

[2] 宋昌斌，劉立莉，盧鵬志，等.水產(chǎn)養(yǎng)殖車間LED光環(huán)境設(shè)計(jì)研究[J]. 大連海洋大學(xué)學(xué)報(bào)，2018，33（2）：145-150.

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