基于STM32的河塘養(yǎng)殖水質(zhì)監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計(jì)

陳思超，朱兆優(yōu)，鄧欣

（東華理工大學(xué)機(jī)械與電子工程學(xué)院，江西南昌，330006）

1 系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)及測量原理

本系統(tǒng)由采集終端和云平臺(tái)協(xié)同工作的方式，實(shí)現(xiàn)水質(zhì)參數(shù)的實(shí)時(shí)監(jiān)測。終端選取STM32L475系列單片機(jī)為主控，搭配國產(chǎn)的智澤水質(zhì)傳感器完成水質(zhì)數(shù)據(jù)的采集，使用4G模塊wh_lte_7s5實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的傳輸。云平臺(tái)端負(fù)責(zé)接收、解析、顯示和保存終端上傳數(shù)據(jù)，完成對養(yǎng)殖水域監(jiān)測的需求。

硬件終端選取了水質(zhì)評估中較重要的PH、溶解氧和濁度參數(shù)進(jìn)行采集監(jiān)測。其中對PH測量選擇的是電化學(xué)型傳感器，主要原理是根據(jù)水中氫離子濃度計(jì)算得到水體PH值。溶解氧測量選擇的是熒光法傳感器，根據(jù)某些物質(zhì)激發(fā)的熒光猝熄原理，將藍(lán)光照射至特定物質(zhì)后激發(fā)出紅光，通過檢測紅藍(lán)光的相位差并與標(biāo)定值對比計(jì)算得到溶解氧值。濁度測量選擇的是散射光法傳感器，根據(jù)水中濁度物質(zhì)會(huì)使光產(chǎn)生散射的原理，通過測量入射光束垂直方向的散射光強(qiáng)度計(jì)算得到濁度。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)硬件框圖如圖1所示。主要由單片機(jī)最小系統(tǒng)、水質(zhì)傳感器數(shù)據(jù)采集模塊、電源模塊、GPS定位模塊、4G通信模塊和SD卡存儲(chǔ)模塊等構(gòu)成。

圖1 系統(tǒng)硬件框圖

2.1 水質(zhì)傳感器485接口設(shè)計(jì)

系統(tǒng)搭載的水質(zhì)數(shù)據(jù)采集單元包括濁度、溶解氧和PH傳感器。三者都為485接口的數(shù)字型傳感器，而單片機(jī)串口輸出為TTL信號，因此設(shè)計(jì)上采用MAX3471芯片對其進(jìn)行485信號的轉(zhuǎn)換，在靠近MAX485的A和B之間接入一個(gè)電阻提高接口的抗干擾能力。485接口原理圖如圖2所示。

圖2 485接口原理圖

2.2 GPS定位模塊的設(shè)計(jì)

定位部分采用的是ATK1218-BD模塊，該模塊可同時(shí)接收GPS和北斗衛(wèi)星信息且具有不錯(cuò)的定位精度。主控通過串口與該模塊相連接，由PE11引腳對其供電電源進(jìn)行控制，增加濾波電容保證電壓的穩(wěn)定性。串口接收其中“$GNRMC”格式的數(shù)據(jù)并解析后可以得到經(jīng)緯度等位置信息。GPS模塊原理圖如圖3所示。

圖3 GPS模塊原理圖

2.3 4G通信模塊的設(shè)計(jì)

4G通信采用的WH_LTE_7S5模塊，該模塊內(nèi)置TCP/IP協(xié)議棧，通過串口與主控連接，將單片機(jī)與服務(wù)器建立網(wǎng)絡(luò)通信。主控可使用串口AT指令將水質(zhì)數(shù)據(jù)和GPS數(shù)據(jù)打包上傳至云平臺(tái)，再根據(jù)數(shù)據(jù)報(bào)頭區(qū)分?jǐn)?shù)據(jù)種類。4G模塊原理圖如圖4所示。

圖4 4G模塊設(shè)計(jì)原理圖

2.4 SD卡存儲(chǔ)模塊的設(shè)計(jì)

SD卡模塊采用SPI接口與主控進(jìn)行連接，為了防止卡槽中沒有內(nèi)存卡時(shí)總線懸空的問題，在接線處增加上拉電阻進(jìn)行連接。使用FatFs文件操作系統(tǒng)，可以將采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)備份。SD卡模塊原理圖如圖5所示。

圖5 SD卡模塊設(shè)計(jì)原理圖

2.5 電源模塊

本系統(tǒng)采用12V電源供電，選擇LMR14030穩(wěn)壓芯片設(shè)計(jì)輸出12V穩(wěn)壓電源，同時(shí)為了滿足主控3.3V工作電壓需求選擇HT7333穩(wěn)壓芯片完成了DC12V至DC3.3V的降壓電路設(shè)計(jì)。輸出端并聯(lián)的電容起去耦作用，保證電壓的穩(wěn)定性。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)使用MDK5軟件進(jìn)行程序設(shè)計(jì)，考慮到系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性和多任務(wù)要求，在主控部分移植了RT-Thread實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)。按模塊化的思路將任務(wù)劃分為以下多個(gè)線程：（1）單片機(jī)與云平臺(tái)建立通信。（2）溶解氧、PH和濁度等數(shù)據(jù)的采集與解析。（3）串口GPS數(shù)據(jù)的接收與解析。（4）將數(shù)據(jù)存儲(chǔ)至SD卡本地備份。（5）將數(shù)據(jù)傳輸至云平臺(tái)端。

通過系統(tǒng)任務(wù)調(diào)度達(dá)到協(xié)調(diào)多個(gè)任務(wù)同時(shí)運(yùn)行的現(xiàn)象，同時(shí)加載一些系統(tǒng)需要的組件和驅(qū)動(dòng)方便應(yīng)用程序的開發(fā)。系統(tǒng)程序流程如圖6所示。

圖6 程序流程圖

主控通過串口定時(shí)接收來自GPS的數(shù)據(jù),原始數(shù)據(jù)為美國國家海洋電子協(xié)會(huì)制定的NMEA_0183格式，通過對其中的“$GNRMC”進(jìn)行解析，可以得到終端的經(jīng)緯度等位置信息，GPS接收流程圖如圖7(a)所示。

圖7 數(shù)據(jù)采集流程圖

水質(zhì)傳感器數(shù)據(jù)通過485接口與主控進(jìn)行通信，使用標(biāo)準(zhǔn)Modbus-RTU主機(jī)協(xié)議對各傳感器進(jìn)行數(shù)據(jù)輪詢，采用一主多從的設(shè)計(jì)模式，通過主機(jī)問詢從機(jī)應(yīng)答來獲取相關(guān)數(shù)據(jù)并存儲(chǔ)至數(shù)據(jù)緩存區(qū)，水質(zhì)數(shù)據(jù)采集流程圖如圖7(b)所示。

為了解決SD卡文件操作系統(tǒng)讀寫緩慢和數(shù)據(jù)采集過快之間矛盾，設(shè)計(jì)上采用了環(huán)形緩沖區(qū)（FIFO）對于采集數(shù)據(jù)的緩存，同時(shí)應(yīng)用RT-Thread的事件集來同步數(shù)據(jù)采集線程和SD卡存儲(chǔ)線程。采用環(huán)形緩沖區(qū)閾值接收和超時(shí)接收倆種方法，降低文件操作系統(tǒng)的讀寫，延長SD卡壽命和減少數(shù)據(jù)的丟失。云平臺(tái)數(shù)據(jù)的上傳應(yīng)用了RT-Thread的郵箱和內(nèi)存塊機(jī)制相配合，解決數(shù)據(jù)傳輸與存儲(chǔ)不同步的問題。

4 結(jié)論

通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，本系統(tǒng)可以將采集到的PH、溶解氧和濁度數(shù)據(jù)由RS-485總線傳輸?shù)娇刂平K端，結(jié)合GPS解析的定位數(shù)據(jù)，通過4G無線模塊打包傳輸至云端服務(wù)器進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測，達(dá)到了系統(tǒng)設(shè)計(jì)的要求。本系統(tǒng)適合為河塘養(yǎng)殖水質(zhì)提供長時(shí)間穩(wěn)定監(jiān)測，為云平臺(tái)水質(zhì)數(shù)據(jù)分析提供數(shù)據(jù)支持，具有一定的實(shí)用價(jià)值。