基于STM32的智能水產(chǎn)養(yǎng)殖技術(shù)的研究

欒明慧，李松松，楊 瑩，何慧敏，張 琦

（大連海洋大學(xué) 信息工程學(xué)院，遼寧 大連 116023）

0 引 言

隨著科技水平的飛速發(fā)展，對(duì)水產(chǎn)品的需求也隨之提高。目前阻礙我國(guó)水產(chǎn)養(yǎng)殖業(yè)發(fā)展的主要因素包括養(yǎng)殖技術(shù)和方法落后、水域資源不斷減少、水質(zhì)污染迅速加重、水產(chǎn)品安全系數(shù)嚴(yán)重下降等[1]。其中，對(duì)于水質(zhì)的監(jiān)測(cè)僅僅依靠不定期的取樣檢測(cè)或根據(jù)經(jīng)驗(yàn)判斷往往難以及時(shí)發(fā)現(xiàn)問(wèn)題并使水質(zhì)達(dá)到水產(chǎn)品最佳生活狀態(tài)。近年來(lái)，我國(guó)智能化水產(chǎn)養(yǎng)殖監(jiān)測(cè)技術(shù)迅猛發(fā)展，然而相關(guān)產(chǎn)品卻并未得以普及，主要原因在于相關(guān)研究無(wú)法滿足養(yǎng)殖需求且價(jià)格昂貴。本研究從實(shí)際出發(fā)，通過(guò)走訪水產(chǎn)養(yǎng)殖業(yè)人員了解他們遇到的真正問(wèn)題和困難，對(duì)其水溫、酸堿度、溶氧量、光照等嚴(yán)重限制水產(chǎn)品產(chǎn)量和質(zhì)量的因素進(jìn)行分布式監(jiān)測(cè)[2]，采用STM32微處理器將數(shù)據(jù)整合處理后通過(guò)ZigBee組網(wǎng)技術(shù)和4G窄帶物聯(lián)網(wǎng)傳輸協(xié)議將數(shù)據(jù)回傳電腦或手機(jī)終端，幫助水產(chǎn)養(yǎng)殖戶了解水質(zhì)情況并對(duì)可能出現(xiàn)的問(wèn)題進(jìn)行預(yù)警提醒。另一方面，水產(chǎn)養(yǎng)殖戶可以調(diào)節(jié)相應(yīng)的報(bào)警參數(shù)并設(shè)置相關(guān)參數(shù)，待報(bào)警后啟動(dòng)相應(yīng)設(shè)備防止出現(xiàn)養(yǎng)殖問(wèn)題，如水溶氧量不足時(shí)開(kāi)啟增氧機(jī)、光照不足時(shí)開(kāi)啟水下光照設(shè)備等。

1 水產(chǎn)養(yǎng)殖檢測(cè)技術(shù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

1.1 檢測(cè)綜合結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

水產(chǎn)養(yǎng)殖檢測(cè)裝置以多種傳感器為基礎(chǔ)對(duì)水質(zhì)進(jìn)行前期采樣，結(jié)合成熟的控制運(yùn)算系統(tǒng)STM32和相應(yīng)硬件電路對(duì)傳感器采樣值進(jìn)行放大處理與模數(shù)轉(zhuǎn)換，并在STM32微計(jì)算機(jī)中進(jìn)行運(yùn)算和分析，最后通過(guò)ZigBee組網(wǎng)技術(shù)和4G物聯(lián)網(wǎng)傳輸技術(shù)，將各種檢測(cè)數(shù)據(jù)和判斷結(jié)果回傳客戶端，幫助水產(chǎn)養(yǎng)殖戶及時(shí)了解水質(zhì)情況并對(duì)可能出現(xiàn)的問(wèn)題做出預(yù)警提醒。系統(tǒng)以STM32為主控，以ZigBee組網(wǎng)技術(shù)和4G物聯(lián)網(wǎng)傳輸技術(shù)作為信息傳輸部分，以多種傳感器結(jié)合前端放大器和A/D轉(zhuǎn)換器作為檢測(cè)部分，以風(fēng)力發(fā)電和太陽(yáng)能發(fā)電技術(shù)結(jié)合鋰電池作為主要電力供應(yīng)部分，以繼電器作為決策后控制部分。單節(jié)點(diǎn)檢測(cè)綜合結(jié)構(gòu)如圖1所示，多節(jié)點(diǎn)組網(wǎng)傳輸結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 多節(jié)點(diǎn)組網(wǎng)傳輸結(jié)構(gòu)

1.2 STM32F103C8T6微控制器

STM32F103C8T6是一款基于ARM Cortex-M內(nèi)核STM32系列的32位微控制器，程序存儲(chǔ)器容量為64 KB，工作電壓范圍為2～3.6 V，可在-40～85 ℃溫度區(qū)間工作[2-5]。其自帶2個(gè)12位模數(shù)轉(zhuǎn)換器，含有16個(gè)輸入通道，完全滿足了本設(shè)計(jì)在傳感器采樣放大后進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換的需求。同時(shí)，其還具有2個(gè)I2C通信接口和3個(gè)USART通信接口，可滿足設(shè)計(jì)過(guò)程中調(diào)試工作和連接G510進(jìn)行無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸?shù)囊?。STM32F103C8T6最小系統(tǒng)控制電路如圖3所示。

圖3 STM32F103C8T6最小系統(tǒng)控制電路

1.3 電源供電電路設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)充分考慮了智能養(yǎng)殖設(shè)備在池塘或近海應(yīng)用時(shí)的供電問(wèn)題，將沿海地區(qū)豐富的風(fēng)力資源和光照資源轉(zhuǎn)化為電能存儲(chǔ)在鋰電池中，當(dāng)風(fēng)力資源和光照資源不足以保證設(shè)備正常工作時(shí)可以采取人工充電的方式。

1.4 基于G510窄帶物聯(lián)網(wǎng)的雙向信號(hào)傳輸電路設(shè)計(jì)

G510芯片組成的電路具有超小型移動(dòng)電話的特點(diǎn)，能夠被集成進(jìn)任何需要通過(guò)蜂窩網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行語(yǔ)音通話或數(shù)據(jù)傳輸?shù)南到y(tǒng)或者產(chǎn)品中。GSM 支持850 MHz /900 MHz /1 800 MHz /1 900 MHz，GPRS 支持[6]class10。

在水產(chǎn)養(yǎng)殖中應(yīng)用G510進(jìn)行無(wú)線通信能夠大大提高系統(tǒng)性能，將其從一個(gè)獨(dú)立的、孤立的產(chǎn)品變?yōu)閾碛腥蛲ㄐ拍芰Φ脑O(shè)備。其基帶XCPU核心主頻高達(dá)312 MHz，集成有指令緩存和數(shù)據(jù)緩存，可為各類應(yīng)用提供數(shù)據(jù)處理能力。該模塊支持廣泛的功能應(yīng)用，可以提供完美的GSM/GPRS通信解決方案[7]。

基于G510的通信系統(tǒng)具有成本低、體積小、功耗低、可進(jìn)行多種設(shè)置并控制信號(hào)等優(yōu)點(diǎn)，因此被廣泛應(yīng)用在各類產(chǎn)品中。本設(shè)計(jì)通過(guò)G510 GPRS模塊的AT命令完成雙向控制、設(shè)置等，實(shí)現(xiàn)相關(guān)功能。雙向信號(hào)傳輸電路如圖4所示。

圖4 雙向信號(hào)傳輸電路

圖5 PT100溫度傳感器放大電路

1.5 檢測(cè)傳感器分析及相應(yīng)電路設(shè)計(jì)

1.5.1 PT100溫度傳感器原理及設(shè)計(jì)電路

PT100溫度傳感器是一種將溫度轉(zhuǎn)換為可傳送的標(biāo)準(zhǔn)化輸出信號(hào)的儀表，主要用于工業(yè)過(guò)程溫度參數(shù)的測(cè)量和控制。帶傳感器的變送器通常由傳感器和信號(hào)處理電路組成。傳感器主要包括熱電偶或熱電阻；信號(hào)處理電路主要包括測(cè)量單元、信號(hào)放大電路和A/D轉(zhuǎn)換電路[8-9]，本設(shè)計(jì)中的信號(hào)放大電路緊鄰測(cè)量單元，可以有效縮短測(cè)量單元延長(zhǎng)線，降低其他干擾的影響，并有效提高檢測(cè)值的穩(wěn)定性和準(zhǔn)確度。微控制器自帶2個(gè)12位A/D轉(zhuǎn)換口，為最大程度利用現(xiàn)有資源，

1.5.2 基于投入式溶氧電極的水溶氧度測(cè)量和相應(yīng)電路設(shè)計(jì)

溶解氧電極采用極譜式電極，陽(yáng)電極為Ag/AgCl，陰電極為鉑金（Pt），兩者之間充滿特殊成份的電解液，使用硅橡膠滲透膜包裹于電極四周。工作時(shí)，電極間加675 mV的極化電壓，氧滲透過(guò)隔膜在陰極消耗，同時(shí)等量的氧在陽(yáng)極產(chǎn)生，這是一個(gè)動(dòng)態(tài)過(guò)程，當(dāng)兩邊的氧分壓相同時(shí)達(dá)到平衡。此時(shí)兩電極間的電流與氧分壓成正比，二次表檢測(cè)到此電流后經(jīng)過(guò)一系列變換得到氧濃度和氧含量。同時(shí)，利用溫度傳感器檢測(cè)到的溫度值對(duì)溶氧電極得到的氧濃度和氧含量進(jìn)行溫度補(bǔ)償，將氧濃度或氧含量折算為25 ℃時(shí)的值[10-11]。投入式溶氧電極檢測(cè)數(shù)據(jù)后續(xù)處理電路如圖6所示。

圖6 溶氧電極放大處理電路

1.5.3 pH傳感器

pH傳感器是用來(lái)檢測(cè)被測(cè)物中氫離子濃度并轉(zhuǎn)換成相應(yīng)可用輸出信號(hào)的傳感器，通常由化學(xué)部分和信號(hào)傳輸部分構(gòu)成。其化學(xué)部分類似原電池系統(tǒng)，使化學(xué)能轉(zhuǎn)換為電能，其端電壓稱為電極電位，其中一個(gè)稱為測(cè)量電極，另一個(gè)稱為參比電極[12]。其遵循能斯特方程：

式中：E為電極電位；E0為電極標(biāo)準(zhǔn)電壓；R為氣體常數(shù)；T為開(kāi)氏絕對(duì)溫度；F為法拉弟常數(shù)；n為被測(cè)離子的化合價(jià)。

pH電極是一支端部吹成泡狀且具有對(duì)pH值變化敏感的玻璃膜的玻璃管。管內(nèi)充填有含飽和AgCl的3 mol/L的KCl緩沖溶液，pH值為7。電位差用Ag/AgCl傳導(dǎo)系統(tǒng)傳導(dǎo)，存在于玻璃膜二面，用來(lái)反應(yīng)pH值的變化。隨著溫度的提升電位值隨之增大[11]。電位差遵循能斯特公式：節(jié)約成本，故此溫度傳感器值經(jīng)放大后直接輸入微控制器進(jìn) 行A/D轉(zhuǎn)換。PT100溫度傳感器放大電路如圖5所示。

式中：R為氣體常數(shù)；F為法拉第常數(shù)；n為化合價(jià)；溫度T為變量。

1.5.4 光敏電阻

光照不僅是淺海水產(chǎn)品和池塘水產(chǎn)品生存的必要條件，充足的光照也有利于水中氧氣含量的增加。光敏電阻是用硫化隔或硒化隔等半導(dǎo)體材料制成的特殊電阻器，其工作基于內(nèi)光電效應(yīng)。光照愈強(qiáng)，阻值就愈低，隨著光照強(qiáng)度的升高，電阻值迅速降低。光敏電阻對(duì)光線十分敏感，在無(wú)光照時(shí)，光敏電阻呈高阻狀態(tài)[5]，暗電阻一般可達(dá)1.5 MΩ，故可根據(jù)其對(duì)光的敏感特性和相應(yīng)的設(shè)計(jì)電路對(duì)光照強(qiáng)度進(jìn)行觀測(cè)，并根據(jù)觀測(cè)值和設(shè)定值判斷是否進(jìn)行人工補(bǔ)光。光敏電阻檢測(cè)放大電路如圖7所示。

圖7 光敏電阻檢測(cè)放大電路

1.6 控制輸出部分設(shè)計(jì)

控制輸出電路由光電轉(zhuǎn)換器、繼電器、壓敏電阻組成。當(dāng)傳感器檢測(cè)到的數(shù)據(jù)大于設(shè)定值時(shí)，微控制器一方面通過(guò)4G窄帶物聯(lián)網(wǎng)向遠(yuǎn)程PC或手機(jī)客戶端傳輸信息，另一方面通過(guò)輸出部分控制相應(yīng)繼電器吸合，逐漸使水中相應(yīng)物質(zhì)的含量達(dá)到設(shè)定要求?？刂戚敵鲭娐啡鐖D8所示。

圖8 控制輸出電路

2 軟件程序設(shè)計(jì)

2.1 軟件程序總設(shè)計(jì)

STM32微控制器主要是對(duì)接收到的模擬值進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換，并通過(guò)算法得到相應(yīng)傳感器檢測(cè)目標(biāo)的真實(shí)值，而后與設(shè)定值進(jìn)行比較，根據(jù)數(shù)值是否超過(guò)設(shè)定值而進(jìn)行不同的操作。檢測(cè)物質(zhì)的界定值通過(guò)無(wú)線APP或PC端設(shè)定，大幅降低了設(shè)計(jì)成本與設(shè)計(jì)復(fù)雜度。程序設(shè)計(jì)流程如圖9所示。

圖9 程序設(shè)計(jì)流程

2.2 APP/PC軟件設(shè)計(jì)

上位機(jī)分為APP手機(jī)端、PC端和Web終端。

（1）PC端電腦與監(jiān)測(cè)系統(tǒng)間采用ZigBee通信，適用于公司化養(yǎng)殖；

（2）APP端采用穿透云平臺(tái)微信小程序進(jìn)行二次開(kāi)發(fā)，適用于手機(jī)聯(lián)網(wǎng)狀態(tài)下查看系統(tǒng)上傳至云平臺(tái)的數(shù)據(jù)并進(jìn)行控制；

（3）Web端采用穿透云平臺(tái)進(jìn)行二次開(kāi)發(fā)，PC端或手機(jī)端使用域名可以查看系統(tǒng)上傳的數(shù)據(jù)并進(jìn)行控制。

APP端設(shè)計(jì)界面如圖10所示，Web端設(shè)計(jì)界面如圖11所示，手機(jī)端設(shè)計(jì)界面如圖12所示。

圖10 APP端設(shè)計(jì)界面

圖11 Web端設(shè)計(jì)界面

圖12 手機(jī)端設(shè)計(jì)界面

3 結(jié) 語(yǔ)

本設(shè)計(jì)以自動(dòng)化、智能化和實(shí)用性為設(shè)計(jì)原則，在多節(jié)點(diǎn)布置溫度、光照、pH等傳感器實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)水質(zhì)，并將水質(zhì)參數(shù)通過(guò)ZigBee局域網(wǎng)和4G窄帶物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)上傳云平臺(tái)和客戶端。經(jīng)過(guò)實(shí)驗(yàn)檢驗(yàn)，本文系統(tǒng)達(dá)到了預(yù)期期望并取得了良好的應(yīng)用效果。

注：本文通訊作者為李松松。