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嵌入式技術的智慧閉環反饋增氧系統

嵌入式技術的智慧閉環反饋增氧系統

    傳統經驗養殖法的增氧存在人力物力嚴重浪費和養殖風險高的問題。本文以嵌入式技術為基礎,擬開發一種將感測器、自動化、無線通訊和微控制器等技術融為一體的嵌入式智慧閉環反饋增氧系統。   本系統以機智雲物聯網平臺為雲端資料伺服器,以STM32微處理器為控制節點,採用WiFi無線傳輸實時將溶解氧、pH、溫度值、裝置狀態傳輸給機智雲伺服器,使用者可通過手機遠端檢視水質引數及裝置執行狀態,微處理器通過PID演算法進行智慧反饋來調節溶解氧值,代替人工檢測水質及控制增氧機,實現魚塘的智慧閉環反饋增氧。該系統不僅減少了人力物力成本,還有效降低了養殖風險。   隨著水產養殖業的不斷髮展,我國養殖產量持續且穩步增長。目前,雖然我國水產品產量穩居世界前列,但水產養殖自動化水平不高,大多數漁民仍根據經驗養殖法來控制增氧機的啟停時間,此養殖方法不僅風險大,而且需耗費大量勞動力。水產養殖中,溶解氧是魚類賴以生存的必要條件,其含量的多寡對魚類覓食、餌料利用率和生長均有很大的影響,水中溶解氧含量的測量對水產養殖業的發展具有重要意義。
目前雖然已有一些智慧養殖系統,但對水質的各項係數檢測並不全面,檢定精度不高。例如,張淋江等人單一地對水質溶氧量進行鑑定,通過網路把資料傳給智慧增氧系統,與使用者設定值作比較,從而控制增氧機工作,實現對池塘溶解氧的智慧控制[1]。水生物的健康生長對水的溶氧量、pH以及溫度這幾項指標都有較高的要求。   因此,本專案通過開發基於嵌入式技術的閉環反饋增氧系統,根據使用者養殖物件對水的溶氧量、pH值、溫度的上限值和下限值進行設定,並採集相關資料,對資料進行系列處理和判斷,從而達到智慧控制的目的。這樣不僅提高了水質檢測精度,還降低了檢測誤差,對水產養殖實現智慧管理具有重要意義。   1 系統硬體組成 智慧增氧系統結構框圖如圖1所示,本系統採用STM32微處理器為控制節點,以機智雲物聯雲服務平臺為雲端資料伺服器。機智雲AIoT平臺是致力於物聯網、智慧硬體雲服務的開發平臺,為開發者提供自助式智慧軟硬開發工具和開放的雲端服務[2]。
智慧閉環反饋增氧系統硬體由溶解氧感測器模組、水中溫度檢測感測器模組、pH檢測感測器檢測模組、STM32微處理器電路、增氧機裝置、GSM簡訊透傳模組、2.4G通訊模組、WiFi無線通訊模組和電源模組組成。 圖1 智慧增氧系統結構框圖   溶解氧、水溫、pH感測器模組負責採集水質引數;2.4G無線通訊模組負責各個子節點控制器與主節點控制器的資料傳輸;主節點控制器負責接收各個子節點控制器傳送過來的資料,與給定值進行分析和計算,並將資料結果返回各個子節點,從而智慧呼叫不同調節機制;通過WiFi將資料傳輸到機智雲物聯網平臺,使用者可以通過手機APP連線機智雲伺服器,實時監控魚塘水質引數和裝置執行狀態,還可以在客戶端手動控制增氧系統;主控顯示模組負責顯示實時資料。
如果溶解氧含量、溫度、pH超出設定範圍,系統將自動報警並採取自動調節機制,同時將報警資訊通過GSM簡訊方式傳送給使用者,達到實時監測和智慧調節的功能,避免了因裝置故障無法及時處理導致魚浮頭甚至死亡,有效降低了養殖風險。   2 系統主要硬體及其主要引數   2.1 溶解氧感測器 本系統選用瑞蒙德智慧型數字溶解氧感測器,它採用電極RS485通訊介面,支援Modbus通訊協議,自帶溫度補償功能,準確度高、抗干擾能力強,保證了系統的穩定性和可靠性。溶解氧感測器是基於Clark氧電極的工作原理而製作的,感測器由兩個電極、電解質溶液以及特定材料的薄膜組成,這種薄膜只能滲透過氧分子,其他有機及無機溶質和水不能滲透過,從而大大提高了測量的準確度。該溶解氧感測器主要引數如表1所示。     表1 溶解氧感測器主要引數   2.2 2.4G無線通訊 本系統在通訊方面採用了NRF24L01無線通訊模組,該模組是一款工作在2.4GHz世界通用ISM頻段的無線通訊模組,抗干擾能力強、低功耗、低成本,供電電壓為1.6~3.6V,傳輸速度可以達到2Mbps,距離可達2 000m。它特別適用於工業無線網路傳輸領域,在養殖範圍分散、山區或沿海地區的資料傳輸場合有明顯優勢[3]。 2.3 GSM簡訊透傳模組 GSM模組採用的是ATK-SIM800C-V15型號,它是一款高效能工業級模組,板載SIMCOM公司的工業級四頻模組SIM800C,工作頻四頻分別為850、900、1 800、1 900MHz,可以低功耗實現SMS(簡訊)、GPRS資料資訊的傳輸。   2.4 pH溫度變送器 本系統運用BHT-D型的pH溫度變送器,分別採集魚塘中的pH值和溫度。pH溫度變送器採用雙高阻三電極體系,具有線上一鍵校準、實時溫度補償、電極鬆斷報警、校準時電極好壞報警、掉電保護(可使標定結果和預置資料不因關機或停電而丟失)、測量精度高、響應快、使用壽命長等特點。採集器對水的pH值和溫度不會有影響,在測量的過程中只需要浸泡在水中即可。通過測試,採集的資料誤差非常小,在測量允許誤差範圍內。採集器會每隔500ms給處理器傳送實時資料,從而提高資料的可靠性,在指標不合格時能及時恢復指標。DHT-D型pH、溫度模組技術引數如表2所示。 表2 BHT-D型pH值、溫度模組技術引數   2.5 STM32微處理器 該系統採用意法半導體推出的STM32F1系列高效能的ARM Cortex-M3 32位的RISC核心,工作頻率最高為72MHz,內建高速儲存器,具有處理運算速度快、穩定性高、低功耗、低成本、擴張性強優點,非常適合在控制領域的應用。它在該系統中主要用於對資料的處理。   2.6 WiFi無線通訊模組 本系統採用ATK-esp8266無線通訊模組,該模組採用串列埠(LVTTL)與MCU通訊,內建TCP/IP協議棧,能夠實現串列埠與WiFi之間的轉換,支援串列埠轉WiFiSTA、串列埠轉AP和WiFi STA+WIFI AP的模式,從而可以快速構建串列埠-WIFI資料傳輸方案,實現了ATK-ESP8266模組與機智雲物聯網雲平臺數據傳輸,如圖2所示。 圖2 WiFi與機智雲通訊框圖   3 系統軟體設計 軟體部分主要包括機智雲AIoT平臺、手機客戶端。本系統程式設計採用美國Keil Software公司推出的Keil MDK5開發環境,它集編譯、編輯、模擬等於一體,支援彙編和C語言的程式設計,在除錯程式、軟體模擬方面有很強的功能。系統採用“主節點控制器+多個子節點控制器”模式,可提高系統的穩定性。   3.1 子節點控制器軟體設計 子節點控制器軟體設計程式框圖如圖3所示。首先,程式對各個裝置進行初始化設定,隨後判斷增氧機執行狀態,同時接收溶解氧、pH、溫度感測器採集的數值,並每隔30s將資料傳送給主節點控制器處理,接收主節點發送過來的繼電器指令並觸發相應的調節機制,同時判斷增氧機是否執行,倘若增氧機發生故障,程式將傳送報警資訊給主節點控制器。 圖3 子節點控制器軟體設計程式框圖   3.2 主節點控制器軟體設計 主節點控制器軟體設計程式框圖如圖4所示。首先對處理器上各個外部裝置進行初始化,然後對機智雲的協議初始化並判斷手機APP是否連線了機智雲伺服器,若連線,則接收子節點資料並現場顯示,同時將資料傳輸到機智雲伺服器,然後對資料進行分析、運算、處理;判斷測量值是否小於最適值,若小於,則傳送繼電器閉合命令,接著判斷是否還低於最低下限值,若是,則啟動全部增氧機並進行聲光報警,同時通過GSM模組傳送報警資訊,實現遠端報警。系統支援使用者根據養殖物件的不同生長階段動態地設定水質引數。 圖4 主節點控制器軟體設計程式圖   3.3 主節點控制器部分主要程式碼 主節點控制器部分主要程式碼如下:   4 試驗結果與分析 為了測試該系統執行時的準確性與穩定性,2019年7月開始在廣東省某淡水魚塘裡進行實地檢測。測試魚塘面積為0.1hm2,魚塘平均深度達到2.7m,該魚塘採取加州鱸與鯽魚混養的方式,養殖密度為115 380尾/hm2。本次試驗進行24h不間斷的檢測,檢測地點分為三處,感測器安放在距離增氧機6m遠的地方,探頭佈置在水下0.7m處,感測器通過浮筒固定在魚塘測量位置。表3是部分採集資料。鱸魚的最適溶解氧濃度應大於3mg/L,最適pH值為7.7~8.4,最適溫度為20~30℃[4]。   本次測試期間,溶解氧資料在4.41~5.58mg/L之間變化,均在最適溶解氧之上,pH值和溫度都在最適值之內。要使鱸魚達到進食與生存的最適條件,在處理資料後可通過系統交流繼電器開啟增氧機,使水中溶氧量維持在3.8~5.5mg/L。如果pH值和溫度偏離最適值,系統也會根據反饋傳送緊急資訊到漁民手機端。現場資料顯示圖、手機APP顯示圖、簡訊報警截圖分別如圖5、圖6和圖7所示。 表3 系統測量試驗資料結果   注:6:00、9:00、12:00等均為測量時間。 圖5 現場資料顯示圖 圖6 手機APP顯示圖 圖7 簡訊報警截圖   5 結語 目前,人工無法及時、準確地判斷魚塘含氧量來控制增氧機,存在著一定的盲目性,從而導致人力物力的浪費和養殖風險的增加。本專案基於嵌入式技術,結合機智雲物聯網雲平臺,擬開發了一套智慧閉環反饋增氧系統。試驗結果表明,本系統達到了智慧反饋實時檢測資料並進行PID計算的目的,從而觸發系統增氧機制。同時,檢測資料及時更新,傳送給客戶端,一旦引數超出設定值,系統就會及時報警。系統執行穩定,滿足了自動控制增氧系統的要求,降低了養殖風險,節省人力,節約電費,提高安全係數,具有廣泛的應用價值。