基于物聯(lián)網(wǎng)的智能魚塘水質(zhì)環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計

摘要：文章設(shè)計并實現(xiàn)了一種基于STM32的智能魚塘水質(zhì)環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)。該系統(tǒng)旨在通過實時監(jiān)測魚塘水質(zhì)參數(shù)，如溫度、溶解氧、pH值、氨氮和亞硝酸鹽，提供科學(xué)的養(yǎng)殖環(huán)境管理支持。系統(tǒng)硬件包括STM32微控制器、各類傳感器、LCD顯示屏和PC端軟件，軟件架構(gòu)則涵蓋數(shù)據(jù)采集、處理、傳輸及用戶界面模塊，最后的實驗結(jié)果驗證了系統(tǒng)的有效性。

關(guān)鍵詞：物聯(lián)網(wǎng)；智能魚塘；STM32；水質(zhì)監(jiān)測

中圖分類號：TP39 文獻標(biāo)志碼：A

0 引言

隨著全球水產(chǎn)養(yǎng)殖業(yè)的迅猛發(fā)展，水質(zhì)環(huán)境的監(jiān)測與管理成為提高魚塘生產(chǎn)效率和水產(chǎn)品質(zhì)量的關(guān)鍵因素［1-2］。傳統(tǒng)的水質(zhì)監(jiān)測方式往往依賴人工取樣和實驗室分析，不僅耗時費力，而且實時性差，難以滿足現(xiàn)代水產(chǎn)養(yǎng)殖對高效管理的需求［3-4］。因此，基于物聯(lián)網(wǎng)的智能魚塘水質(zhì)環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)應(yīng)運而生，為水產(chǎn)養(yǎng)殖提供了強有力的技術(shù)支撐［5-6］。

目前，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在智能農(nóng)業(yè)［7］、智能水利等領(lǐng)域的應(yīng)用研究取得了顯著進展［8］，許多學(xué)者圍繞物聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)、傳感器選型、數(shù)據(jù)處理算法等方面進行了深入探討，并開發(fā)了多種監(jiān)測系統(tǒng)。然而，這些研究和系統(tǒng)在具體應(yīng)用于魚塘水質(zhì)環(huán)境監(jiān)測時，許多系統(tǒng)的硬件設(shè)計較為復(fù)雜，成本較高，不利于大規(guī)模推廣應(yīng)用。

基于以上背景，本文首先探討了智能魚塘系統(tǒng)的功能設(shè)計方案；其次，詳細(xì)研究了基于STM32微控制器的水質(zhì)參數(shù)監(jiān)測方法［9-10］；最后，通過實驗測試，分析不同指標(biāo)下測量值與標(biāo)準(zhǔn)值之間的誤差。本研究預(yù)期為水產(chǎn)養(yǎng)殖業(yè)提供一種高效、低成本的智能水質(zhì)環(huán)境監(jiān)測解決方案，提升魚塘管理的智能化水平。

1 系統(tǒng)功能設(shè)計方案

魚塘水質(zhì)環(huán)境的主要影響因素包括溫度、溶解氧、pH值、氨氮、亞硝酸鹽等，這些參數(shù)對于魚類的生長和健康具有直接的影響。如圖1所示，智能魚塘水質(zhì)環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)需要設(shè)計這些關(guān)鍵參數(shù)的功能分析。

溫度監(jiān)測是魚塘管理的首要任務(wù)，溫度不僅影響魚類的代謝速率和免疫力，還直接關(guān)系到溶解氧的含量。溶解氧監(jiān)測是保障魚類呼吸的重要指標(biāo)，溶解氧含量不足會導(dǎo)致魚類缺氧，影響其生長和存活率。pH值監(jiān)測是評估水質(zhì)酸堿度的關(guān)鍵，直接影響魚類的生理狀態(tài)。pH值過高或過低均會導(dǎo)致魚類生長受阻，甚至引發(fā)疾病。氨氮和亞硝酸鹽監(jiān)測是水質(zhì)污染控制的重要環(huán)節(jié)。氨氮和亞硝酸鹽是魚類排泄物和殘餌分解產(chǎn)生的有害物質(zhì)，其濃度過高會對魚類產(chǎn)生毒害作用。

2 關(guān)鍵技術(shù)研究

2.1 基于STM32的監(jiān)測方法

本文設(shè)計的基于STM32的硬件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2所示，包括STM32微控制器、溫度傳感器、溶解氧傳感器、pH傳感器、氨氮傳感器、亞硝酸鹽傳感器、LCD顯示屏以及PC端。

STM32微控制器作為系統(tǒng)的核心控制單元，能夠高效處理多種傳感器的數(shù)據(jù)采集和傳輸任務(wù)，為整個監(jiān)測系統(tǒng)提供了可靠的硬件基礎(chǔ)。

溫度傳感器負(fù)責(zé)實時監(jiān)測魚塘水體的溫度，溶解氧傳感器用于測量水中溶解氧的濃度，pH傳感器用于檢測水體的酸堿度。pH值的穩(wěn)定對魚類的健康至關(guān)重要，氨氮傳感器和亞硝酸鹽傳感器分別用于監(jiān)測水體中氨氮和亞硝酸鹽的濃度。這些傳感器實時采集的數(shù)據(jù)將傳送至STM32。

LCD顯示屏負(fù)責(zé)實時顯示各傳感器采集的水質(zhì)參數(shù)數(shù)據(jù)，方便現(xiàn)場工作人員隨時查看水質(zhì)狀況。

PC端作為數(shù)據(jù)存儲和分析的主要平臺，通過與STM32微控制器的通信接口，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的遠(yuǎn)程傳輸和集中管理。

本文使用的STM32開發(fā)板如圖3所示。該開發(fā)板搭載STM32微控制器，并配備了豐富的接口，如GPIO、UART、I2C、SPI、ADC等，方便連接各類傳感器和外部設(shè)備。另外，開發(fā)板集成了LCD顯示屏，能實現(xiàn)數(shù)據(jù)的實時顯示。

如圖3所示的開發(fā)板支持多種擴展模塊，如傳感器模塊、無線通信模塊等。本文采用的核心傳感器選型如表1所示。

2.2 軟件設(shè)計方案

為了實現(xiàn)STM32采集傳感器數(shù)據(jù)并將其傳輸?shù)絇C端，本文設(shè)計了如圖4所示的軟件架構(gòu)。

數(shù)據(jù)采集模塊負(fù)責(zé)從各類傳感器讀取數(shù)據(jù)，并利用STM32的模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換（Analog-to-Digital Conversion，ADC）接口獲取傳感器信號；通信模塊負(fù)責(zé)將處理后的數(shù)據(jù)通過USB有線傳輸?shù)絇C端；數(shù)據(jù)處理模塊對采集到的原始數(shù)據(jù)進行簡單的處理和格式轉(zhuǎn)換；用戶接口模塊可以在LCD顯示屏上實時顯示各傳感器的監(jiān)測數(shù)據(jù)和系統(tǒng)狀態(tài)；PC端軟件模塊負(fù)責(zé)接收STM32傳輸?shù)臄?shù)據(jù)，進行存儲和進一步分析。

本文構(gòu)建的PC端軟件模塊監(jiān)控界面如圖5所示。

3 實驗結(jié)果分析

為了評估基于STM32的智能魚塘水質(zhì)環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)的效果，本文在實驗室條件下進行了實驗，比較了溫度、溶解氧、pH值、氨氮和亞硝酸鹽等關(guān)鍵水質(zhì)參數(shù)的測量值與標(biāo)準(zhǔn)值之間的誤差，如表2所示。

從表2中數(shù)據(jù)可以看出，基于STM32的智能魚塘水質(zhì)環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)在參數(shù)測量上表現(xiàn)出較高的準(zhǔn)確性和可靠性。

溫度測量方面，標(biāo)準(zhǔn)值為25.0 ℃，測量值為24.8 ℃，誤差為-0.2 ℃。該誤差值在允許范圍內(nèi)，滿足水產(chǎn)養(yǎng)殖對水溫管理的要求。溶解氧測量方面，標(biāo)準(zhǔn)值為8.0 mg·L-1，測量值為7.9 mg·L-1，誤差為-0.1 mg·L-1。溶解氧的測量結(jié)果接近標(biāo)準(zhǔn)值，說明系統(tǒng)的溶解氧傳感器具有較高的靈敏度和準(zhǔn)確性。pH值測量方面，標(biāo)準(zhǔn)值為7.5，測量值為7.6，誤差為+0.1。該誤差值較小，顯示系統(tǒng)能夠準(zhǔn)確檢測水體的酸堿度，確保水質(zhì)維持在適宜魚類生長的范圍內(nèi)。氨氮測量方面，標(biāo)準(zhǔn)值為0.5 mg·L-1，測量值為0.52 mg·L-1，誤差為+0.02 mg·L-1。盡管存在輕微的正誤差，但整體誤差仍在可接受范圍內(nèi)。亞硝酸鹽測量方面，標(biāo)準(zhǔn)值為0.02 mg·L-1，測量值為0.021 mg·L-1，誤差為+0.001 mg·L-1。該誤差幾乎可以忽略不計，說明系統(tǒng)可以有效防止水體中亞硝酸鹽濃度過高對魚類造成的危害。

4 結(jié)語

本文詳細(xì)探討了基于STM32的智能魚塘水質(zhì)環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)。通過對硬件系統(tǒng)和軟件架構(gòu)的設(shè)計，系統(tǒng)能夠高效、準(zhǔn)確地采集并處理魚塘水質(zhì)數(shù)據(jù)。實驗結(jié)果顯示，系統(tǒng)在溫度、溶解氧、pH值、氨氮和亞硝酸鹽的測量中均表現(xiàn)出較高的準(zhǔn)確性，誤差在合理范圍內(nèi)。這一結(jié)果充分表明了系統(tǒng)在實際應(yīng)用中的有效性，為水產(chǎn)養(yǎng)殖提供了可靠的技術(shù)保障。未來，系統(tǒng)將進一步優(yōu)化和擴展，以應(yīng)對更復(fù)雜的養(yǎng)殖環(huán)境和需求，推動智能化水產(chǎn)養(yǎng)殖的發(fā)展。

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Design of an intelligent fish pond water quality and environmental monitoring system based on the Internet of Things

Abstract： This paper designs and implements an intelligent fish pond water quality environmental monitoring system based on STM32. The system aims to provide scientific support for aquaculture environment management by real-time monitoring of water quality parameters in fish ponds， such as temperature， dissolved oxygen， pH value， ammonia nitrogen， and nitrite. The system hardware includes STM32 microcontroller， various sensors， LCD display screen， and PC software， while the software architecture includes data acquisition， processing， transmission， and user interface modules， the final experimental results validated the effectiveness of the system.

Key words： Internet of Things; intelligent fish pond; STM32；water quality monitoring