基于嵌入式技术的智能闭环反馈增氧系统设计

材料的薄膜组成，这种薄膜只能渗透过氧分子，其他有机及无机溶质和水不能渗透过，从而大大提高了测量的准确度。该溶解氧传感器主要参数如表1所示。

2.2 2.4G无线通信

本系统在通信方面采用了NRF24L01无线通信模块，该模块是一款工作在2.4GHz世界通用ISM频段的无线通信模块，抗干扰能力强、低功耗、低成本，供电电压为1.6～3.6V，传输速度可以达到2Mbps，距离可达2 000m。它特别适用于工业无线网络传输领域，在养殖范围分散、山区或沿海地区的数据传输场合有明显优势[3]。

2.3 GSM短信透传模块

GSM模块采用的是ATK-SIM800C-V15型号，它是一款高性能工业级模块，板载SIMCOM公司的工业级四频模块SIM800C，工作频四频分别为850、900、1 800、1 900MHz，可以低功耗实现SMS（短信）、GPRS数据信息的传输。

2.4 pH温度变送器

本系统运用BHT-D型的pH温度变送器，分别采集鱼塘中的pH值和温度。pH温度变送器采用双高阻三电极体系，具有在线一键校准、实时温度补偿、电极松断报警、校准时电极好坏报警、掉电保护（可使标定结果和预置数据不因关机或停电而丢失）、测量精度高、响应快、使用寿命长等特点。采集器对水的pH值和温度不会有影响，在测量的过程中只需要浸泡在水中即可。通过测试，采集的数据误差非常小，在测量允许误差范围内。采集器会每隔500ms给处理器发送实时数据，从而提高数据的可靠性，在指标不合格时能及时恢复指标。DHT-D型pH、温度模块技术参数如表2所示。

2.5 STM32微处理器

该系统采用意法半导体推出的STM32F1系列高性能的ARM Cortex-M3 32位的RISC内核，工作频率最高为72MHz，内置高速存储器，具有处理运算速度快、稳定性高、低功耗、低成本、扩张性强优点，非常适合在控制领域的应用。它在该系统中主要用于对数据的处理。

2.6 WiFi无线通信模块

本系统采用ATK-ESP8266无线通信模块，该模块采用串口（LVTTL）与MCU通信，内置TCP/IP协议栈，能够实现串口与WiFi之间的转换，支持串口转WiFi STA、串口转AP和WiFi STA+WIFI AP的模式，从而可以快速构建串口-WIFI数据传输方案，实现了ATK-ESP8266模块与机智云物联云服务平台数据传输，如图2所示。

3 系统软件设计

软件部分主要包括机智云物联云服务平台、手机客户端。本系统程序设计采用美国Keil Software公司推出的Keil MDK5开发环境，它集编译、编辑、仿真等于一体，支持汇编和C语言的程序设计，在调试程序、软件仿真方面有很强的功能。系统采用“主节点控制器+多个子节点控制器”模式，可提高系统的稳定性。

3.1 子节点控制器软件设计

子节点控制器软件设计程序框图如图3所示。首先，程序对各个设备进行初始化设置，随后判断增氧机运行状态，同时接收溶解氧、pH、温度传感器采集的数值，并每隔30s将数据发送给主节点控制器处理，接收主节点发送过来的继电器指令并触发相应的调节机制，同时判断增氧机是否运行，倘若增氧机发生故障，程序将发送报警信息给主节点控制器。

3.2 主节点控制器软件设计

主节点控制器软件设计程序框图如图4所示。首先对处理器上各个外部设备进行初始化，然后对机智云协议初始化并判断手机APP是否连接了机智云服务器，若连接，则接收子节点数据并现场显示，同时将数据传输到机智云服务器，然后对数据进行分析、运算、处理;判断测量值是否小于最适值，若小于，则发送继电器闭合命令，接着判断是否还低于最低下限值，若是，则启动全部增氧机并进行声光报警，同时通过GSM模块发送报警信息，实现远程报警。系统支持用户根据养殖对象的不同生长阶段动态地设置水质参数。

3.3 主节点控制器部分主要代码

主节点控制器部分主要代碼如下：

while（1） {

NRF24L01_RX_Mode（）;

if（wifi_sta）

{

sim800c_sms_send_CE_test（）;

if（NRF24L01_RxPacket（tmp_buf）==0）

{

tmp_buf[20]=0;

}elsedelay_us（100）;

if（t>=1&&t<5）

tmp_buf1[t-1]=tmp_buf[t];

else if（t>=6&&t<10）

tmp_buf2[t-6]=tmp_buf[t];

else if（t>=11&&t<15）

tmp_buf3[t-11]=tmp_buf[t];

else if（t==18） t=0;

t++;

tempd=（（tmp_buf2[0]-0x30）*100+（tmp_buf2[1]-0x30）*10+（tmp_buf2[3]-0x30））/10.0;

pHL=（（tmp_buf3[0]-0x30）*100+（tmp_buf3[1]-0x30）*10+（tmp_buf3[3]-0x30））/10.0;

OL=（（tmp_buf1[0]-0x30）*100+（tmp_buf1[2]-0x30）*10+（tmp_buf1[3]-0x30））/100.0

currentDataPoint.valueoxygen1 = OL;

currentDataPoint.valuetemperature = tempd;

currentDataPoint.valuepH = pHL ;

}

gizwitsHandle（（dataPoint_t *）&currentDataPoint）;//机智云协议处理

}

4 试验结果与分析

为了测试该系统运行时的准确性与稳定性，2019年7月开始在广东省某淡水鱼塘里进行实地检测。测试鱼塘面积为0.1hm2，鱼塘平均深度达到2.7m，该鱼塘采取加州鲈与鲫鱼混养的方式，养殖密度为115 380尾/hm2。本次试验进行24h不间断的检测，检测地点分为三处，传感器安放在距离增氧机6m远的地方，探头布置在水下0.7m处，传感器通过浮筒固定在鱼塘测量位置。表3是部分采集数据。鲈鱼的最适溶解氧浓度应大于3mg/L，最适pH值为7.7～8.4，最适温度为20～30℃[4]。本次测试期间，溶解氧数据在4.41～5.58mg/L之间变化，均在最适溶解氧之上，pH值和温度都在最适值之内。要使鲈鱼达到进食与生存的最适条件，在处理数据后可通过系统交流继电器开启增氧机，使水中溶氧量维持在3.8～5.5mg/L。如果pH值和温度偏离最适值，系统也会根据反馈发送紧急信息到渔民手机端。现场数据显示图、手机APP显示图、短信报警截图分别如图5、图6和图7所示。

5 结语

目前，人工无法及时、准确地判断鱼塘含氧量来控制增氧机，存在着一定的盲目性，从而导致人力物力的浪费和养殖风险的增加。本项目基于嵌入式技术，结合机智云物联网服务平台，拟开发了一套智能闭环反馈增氧系统。试验结果表明，本系统达到了智能反馈实时检测数据并进行PID计算的目的，从而触发系统增氧机制。同时，检测数据及时更新，发送给客户端，一旦参数超出设定值，系统就会及时报警。系统运行稳定，满足了自动控制增氧系统的要求，降低了养殖风险，节省人力，节约电费，提高安全系数，具有广泛的应用价值。

参考文献：

[1]张淋江，刘志龙，唐国盘.水产养殖智能增氧系统分析[J].内燃机与配件，2016（12）：135-137.

[2]侯作富，李超，吳文秀，等.基于机智云的工厂配电间远程监测系统[J].内江科技，2018（8）：42-43.

[3]沈楠楠，袁永明，马晓飞.基于水产物联服务平台的智能增氧控制系统的开发[J].农业现代化研究，2016（5）：981-987.

[4]周建春.生态养殖技术对加州鲈生长及养殖环境的影响[D].苏州：苏州大学，2009.

推荐访问： 闭环 嵌入式 反馈 智能 设计

---