魚塘保姆系統(tǒng)設(shè)計(jì)

桂林電子科技大學(xué)信息科技學(xué)院 劉蘇芮 賀文翔 李宏輝 韓桂明 唐 力

本作品操作簡(jiǎn)單，界面簡(jiǎn)潔，可以使魚塘管理人員快速上手操作；運(yùn)用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)搭建基于華為L(zhǎng)iteOS的綜合智能化魚塘管理系統(tǒng)—“魚塘保姆”實(shí)現(xiàn)對(duì)魚塘進(jìn)行保姆式的智能化管理，在大大降低養(yǎng)殖戶養(yǎng)殖成本和日常維護(hù)成本的同時(shí)增加產(chǎn)量，改變水產(chǎn)養(yǎng)殖戶過去養(yǎng)魚僅憑經(jīng)驗(yàn)，靠天吃飯的命運(yùn)。

1 整體方案設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)利用物聯(lián)網(wǎng)、嵌入式、互聯(lián)網(wǎng)等相關(guān)的先進(jìn)技術(shù)來對(duì)魚塘的水產(chǎn)養(yǎng)殖進(jìn)行全方位的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和調(diào)控，當(dāng)發(fā)現(xiàn)異常時(shí)可以自主的嘗試解決問題，并通知用戶，這樣不僅保障了水產(chǎn)養(yǎng)殖的安全問題，同時(shí)對(duì)水產(chǎn)養(yǎng)殖做到了實(shí)時(shí)化、智能化、網(wǎng)絡(luò)化、集約化，水產(chǎn)養(yǎng)殖的增產(chǎn)創(chuàng)收將不再是困難之事。

2 方案選擇分析

綜合需求分析以及現(xiàn)實(shí)情況和魚塘水產(chǎn)養(yǎng)殖的特點(diǎn)，系統(tǒng)設(shè)計(jì)以物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備和相關(guān)技術(shù)手段為主，在保證先進(jìn)性和可用性的同時(shí)盡量降低學(xué)習(xí)和使用的成本，向用戶提供友好的用戶界面和操作方式。所以研究重點(diǎn)在于系統(tǒng)設(shè)計(jì)和整個(gè)水產(chǎn)養(yǎng)殖的物聯(lián)網(wǎng)化的方案設(shè)計(jì)以及確定相關(guān)的邏輯和操作方式。整個(gè)系統(tǒng)主要由控制的軟件方案、用戶的使用邏輯和整個(gè)系統(tǒng)的邏輯、硬件驅(qū)動(dòng)電路這三大部分組成。整個(gè)系統(tǒng)框圖如圖1所示。

圖1 整體功能實(shí)現(xiàn)框圖

3 實(shí)現(xiàn)原理

3.1 數(shù)據(jù)采集

通過安裝在魚塘保姆載體的船身上的傳感器進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，并在船身的控制系統(tǒng)中對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行初步的處理，然后按照特殊的序列和格式將數(shù)據(jù)進(jìn)行上傳，并對(duì)整個(gè)載體的本身進(jìn)行自檢和自我監(jiān)控。主要是安裝于項(xiàng)目硬件載體小船的水面下部的先關(guān)水質(zhì)傳感器，如TDS、溶解氧、渾濁度、溫度等，通過獲取個(gè)傳感器的數(shù)據(jù)并對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析匯總，交由一塊統(tǒng)一主控板進(jìn)行管理上傳數(shù)據(jù)、上報(bào)至云端平臺(tái)，云端的數(shù)據(jù)可以由手持終端進(jìn)行遠(yuǎn)程查看，同時(shí)也可以使用手持終端對(duì)船體的運(yùn)動(dòng)單元進(jìn)行控制。

3.2 執(zhí)行控制

系統(tǒng)的執(zhí)行機(jī)構(gòu)主要分為兩個(gè)單元。

單元一：支撐整個(gè)系統(tǒng)優(yōu)越性能的運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)，運(yùn)動(dòng)單元負(fù)責(zé)將整個(gè)系統(tǒng)的巡航功能，巡航不間斷測(cè)量是該測(cè)量方式的優(yōu)越性所在。內(nèi)陸魚塘水域往往具備：魚塘面積可控、水體流動(dòng)性不強(qiáng)、區(qū)域性水質(zhì)偏差較大的特點(diǎn)。因此無(wú)論是是傳統(tǒng)的手動(dòng)水質(zhì)測(cè)量手段，還是目前普遍流行的在線監(jiān)測(cè)都難以克服這些問題所帶來的缺點(diǎn)。固定點(diǎn)檢測(cè)的數(shù)據(jù)往往只能代表測(cè)量點(diǎn)周邊的水域情況，無(wú)法代表整體情況，倘若控制手段的依據(jù)來源于這些不標(biāo)準(zhǔn)、不普遍的數(shù)據(jù)作為依靠往往調(diào)控的結(jié)果是南轅北轍的。而在現(xiàn)今的科技手段之下，水質(zhì)相關(guān)傳感器都是很貴的，在線監(jiān)測(cè)難以通過增加測(cè)量點(diǎn)的方法提高測(cè)量精度。

單元二：魚塘管理設(shè)施執(zhí)行器件。包括兩種方案，一是通過研究傳統(tǒng)的魚塘管理設(shè)施，加上物聯(lián)網(wǎng)的手段，通過433M等的通信手段與主控進(jìn)行通信，由主控進(jìn)行統(tǒng)一管理，從而實(shí)現(xiàn)手持端與主控通過云端數(shù)據(jù)交換來形成本地和云端控制手段，此種方案會(huì)增加一部分成本，但是具有更好的統(tǒng)一性，也能更方便的管理各設(shè)施。方案二是通過增加具備與主控通信能力的，輸出布爾信號(hào)的控制板來對(duì)設(shè)施進(jìn)行控制，這樣可以最大限度的保留控制能力同時(shí)盡可能的降低使用成本。

3.3 巡航功能實(shí)現(xiàn)

巡航功能主要通過APM控制板實(shí)現(xiàn)，APM是一款完全開放的系統(tǒng)，配合地面站Mission Planner，可在多種環(huán)境工作。在地面站中可以進(jìn)行固件燒寫、基本參數(shù)調(diào)節(jié)，還可以通過無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)在地面站與APM系統(tǒng)之間實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸，組成一套完整的船體自動(dòng)控制系統(tǒng)。它的軟件部分是由DIY Drones社區(qū)創(chuàng)造，硬件由3DRobotics設(shè)計(jì)、制造和銷售的嵌入式系統(tǒng)與外圍傳感器，能夠控制穩(wěn)定性和導(dǎo)向性。其整個(gè)硬件板電路結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 APM控制板電路框圖

在APM系統(tǒng)中，采用的是兩級(jí)PID控制，第一級(jí)是導(dǎo)航級(jí)（導(dǎo)航回路），第二級(jí)是控制級(jí)（姿態(tài)回路）。導(dǎo)航級(jí)首先要明確船體器的行進(jìn)路線，以及轉(zhuǎn)彎角度的大小，通過內(nèi)部算法給出目標(biāo)需要執(zhí)行的俯仰角、油門以及目標(biāo)滾轉(zhuǎn)角，再交給下一級(jí)的控制級(jí)（姿態(tài)回路）進(jìn)行控制。而控制級(jí)接收導(dǎo)航級(jí)發(fā)送的目標(biāo)路線數(shù)據(jù)，并采集船體器目前位置信息，通過內(nèi)部姿態(tài)解算，計(jì)算出用于實(shí)時(shí)控制電機(jī)運(yùn)動(dòng)的PWM脈沖信號(hào)，調(diào)整船體的轉(zhuǎn)向角度，使船體按照預(yù)定的軌跡路徑進(jìn)行航行。

3.4 軟硬件系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

載體小船的所有外接通訊手段都用無(wú)線的通訊方案，采用無(wú)線聯(lián)網(wǎng)的方式進(jìn)行數(shù)據(jù)云端上傳。本系統(tǒng)通過使用NodeMCU將設(shè)備聯(lián)網(wǎng)上云，它的硬件電路設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單，具備高性能低價(jià)格、低功耗的特點(diǎn)，NodeMCU通過串口與主控板STM32F103ZET6相連接，從而使得主控具備了與云端數(shù)據(jù)中心交換數(shù)據(jù)的能力，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制。其中與云端交換數(shù)據(jù)的通訊協(xié)議，依據(jù)通信需求特點(diǎn)MQTT是非常合適的聯(lián)網(wǎng)方案，該方案的特點(diǎn)是低占用、低帶寬的及時(shí)通訊協(xié)議，其通訊原理框圖如圖3所示。

圖3 MQTT數(shù)據(jù)交換流程

同時(shí)主控會(huì)通過串口二與APM巡航控制進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，以及通過片內(nèi)相關(guān)外設(shè)和相關(guān)的通訊接口獲取傳感器數(shù)據(jù)，用STM32作為整個(gè)控制中心，將所有電路有機(jī)的串聯(lián)在一起，從而實(shí)現(xiàn)整個(gè)系統(tǒng)的功能。

為了提高整個(gè)系統(tǒng)的可靠性和可維護(hù)性，以及基于整個(gè)系統(tǒng)模塊化的設(shè)計(jì)理念，系統(tǒng)的核心軟件運(yùn)行于LiteOS嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)。LiteOS是華為面向物聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域開發(fā)的一個(gè)基于實(shí)時(shí)內(nèi)核的輕量級(jí)操作系統(tǒng)。本作品使用華為物聯(lián)網(wǎng)操作系統(tǒng)Huawei LiteOS，其現(xiàn)有基礎(chǔ)內(nèi)核支持任務(wù)管理、內(nèi)存管理、時(shí)間管理、通信機(jī)制、中斷管理、隊(duì)列管理、事件管理、定時(shí)器等操作系統(tǒng)基礎(chǔ)組件，更好地支持低功耗場(chǎng)景，支持tickless機(jī)制，支持定時(shí)器對(duì)齊。將系統(tǒng)移植到硬件平臺(tái)后，將各個(gè)需求作為系統(tǒng)模塊加入任務(wù)進(jìn)程，從而使得這個(gè)系統(tǒng)具備了較高的可升級(jí)性能以及穩(wěn)定性。如圖4所示。

圖4 LiteOS系統(tǒng)框圖

結(jié)論：本作品從養(yǎng)殖戶的實(shí)際需求出發(fā)，通過軟硬件結(jié)合，設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了了操作簡(jiǎn)單、界面友好、經(jīng)濟(jì)綠色的基于LiteOS的綜合智能化魚塘管理系統(tǒng)—“魚塘保姆”。圍繞設(shè)施化水產(chǎn)養(yǎng)殖場(chǎng)的生產(chǎn)和管理環(huán)節(jié)，通過智能傳感器在線采集水產(chǎn)養(yǎng)殖場(chǎng)環(huán)境信息（溶解氧、水溫、PH值、TDS等），同時(shí)集成改造現(xiàn)有的水產(chǎn)養(yǎng)殖場(chǎng)環(huán)境控制設(shè)備（增氧泵、循環(huán)泵、投料機(jī)等），實(shí)現(xiàn)水產(chǎn)養(yǎng)殖的智能生產(chǎn)與科學(xué)管理。