鄭棉濤，夏潤良，胡嘉怡，林曉冰，羅澤森

（華南農(nóng)業(yè)大學(xué)，廣州 510642）

0 引言

農(nóng)業(yè)是國民經(jīng)濟(jì)的基礎(chǔ)，水產(chǎn)養(yǎng)殖業(yè)是我國農(nóng)業(yè)的重要組成部分，雖然近幾年我國水產(chǎn)養(yǎng)殖業(yè)發(fā)展迅猛，但我國水產(chǎn)養(yǎng)殖業(yè)的主要生產(chǎn)方式與發(fā)達(dá)國家相比仍有差距，其中養(yǎng)殖業(yè)中常用到的增氧機(jī)還未達(dá)到智能監(jiān)控水平，仍需要根據(jù)經(jīng)驗(yàn)來控制增氧機(jī)的開啟以及增氧時(shí)間的長短。如果沒能準(zhǔn)確判斷增氧的時(shí)機(jī)，或者魚塘管理者沒有及時(shí)開啟增氧機(jī)，就可能出現(xiàn)水體溶氧不足，造成魚類死亡等狀況；如果增氧機(jī)出現(xiàn)堵轉(zhuǎn)而沒能及時(shí)發(fā)現(xiàn)，可能會燒毀增氧機(jī)。所以，開發(fā)基于云平臺的增氧機(jī)智能控制系統(tǒng)勢在必行。

基于云平臺的增氧機(jī)智能控制系統(tǒng)主要是基于水體中的溶氧量進(jìn)行研究。利用物聯(lián)網(wǎng)可自動監(jiān)測魚塘中的溫度、pH 值、溶氧量等魚塘水體參數(shù)，同時(shí)監(jiān)控魚塘中增氧機(jī)的運(yùn)行情況。只要養(yǎng)殖戶或管理者能上網(wǎng)，就能隨時(shí)隨地掌控魚塘養(yǎng)殖水體的狀況。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

系統(tǒng)總體架構(gòu)如圖1所示，首先通過置于魚塘底部的多個(gè)氧探頭采集到水中溶氧量信號，再通過信號采集轉(zhuǎn)換電路，將數(shù)據(jù)送往STM32處理器，處理器對數(shù)據(jù)進(jìn)行處理和分析，并在魚塘旁邊電箱中PCB板的數(shù)碼管上顯示，在傳輸層中通過GPRS模塊將數(shù)據(jù)發(fā)送至云服務(wù)端，用戶可以隨時(shí)在手機(jī)移動端查看魚塘中溶氧量濃度，隨時(shí)開啟或關(guān)閉增氧機(jī)，也可以通過設(shè)置水體中溶氧量的上限和下限來實(shí)現(xiàn)對增氧機(jī)的自動控制。

圖1 系統(tǒng)架構(gòu)

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1 硬件總體設(shè)計(jì)

系統(tǒng)硬件總體結(jié)構(gòu)框架如圖2所示，該系統(tǒng)由傳感器信號采集轉(zhuǎn)換電路、處理器控制電路、數(shù)碼管顯示電路、繼電器驅(qū)動模塊和增氧機(jī)組成。

圖2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框架圖

2.2 感應(yīng)層電路

2.2.1 信號采集轉(zhuǎn)換電路

溶氧量傳感器和溫度傳感器所得到的模擬量的值較小，需要對信號進(jìn)行放大，將放大后的信號傳送至控制器的AD轉(zhuǎn)換器，如圖3所示。

2.2.2 增氧機(jī)控制電路

如圖4所示，系統(tǒng)設(shè)計(jì)的增氧機(jī)控制電路利用繼電器的開關(guān)作用，由單片機(jī)發(fā)送指令，通過繼電器控制增氧機(jī)開啟和關(guān)閉，并用D1二極管來釋放反向電壓。本設(shè)計(jì)不僅可以滿足快速開啟或關(guān)閉增氧機(jī)的需求，并且可以防止增氧機(jī)由于高壓供電導(dǎo)致的對其他電路的干擾。增氧機(jī)的整體控制如圖5所示，ZYJ1～ZYJ4表示有4臺增氧機(jī)工作，Km1～Km4是人為總開關(guān)，系統(tǒng)正常運(yùn)行狀態(tài)下這4個(gè)開關(guān)處于閉合狀態(tài)，Ks1～Ks4是繼電器開關(guān)，由控制器控制增氧機(jī)，F(xiàn)u是保險(xiǎn)絲，防止由于增氧機(jī)發(fā)生堵轉(zhuǎn)等突發(fā)現(xiàn)象而發(fā)生危險(xiǎn)。

圖3 信號采集放大電路

圖4 增氧機(jī)控制電路

圖5 增氧機(jī)系統(tǒng)架構(gòu)

2.3 嵌入式處理層電路

嵌入式處理層以STM32單片機(jī)系統(tǒng)為核心，利用數(shù)碼管作為參數(shù)設(shè)定的顯示單元，同時(shí)可以通過其實(shí)時(shí)監(jiān)控水溫和溶氧量等。該系統(tǒng)設(shè)置有按鍵控制系統(tǒng)，可實(shí)現(xiàn)自動和手動模式控制增氧機(jī)，同時(shí)兼有自檢和校準(zhǔn)功能。外置的LED燈，用以指示增氧器的運(yùn)行狀態(tài)，蜂鳴器用以故障報(bào)警。另外，單片機(jī)系統(tǒng)時(shí)鐘信息由日歷芯片提供。單片機(jī)系統(tǒng)將傳感器采集到的溶氧量以及增氧機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)實(shí)時(shí)傳送到運(yùn)輸層的通信模塊上。

2.4 云端服務(wù)層和應(yīng)用層

系統(tǒng)的終端是用戶的移動端APP，云端服務(wù)層作為傳輸層和應(yīng)用層之間的橋梁，其作用在于用云服務(wù)器監(jiān)測、接收并記錄傳輸層上傳的數(shù)據(jù)，與設(shè)定的參數(shù)進(jìn)行比較后，反饋信息到應(yīng)用層的移動端APP。當(dāng)增氧機(jī)出現(xiàn)故障或水體溶氧量不足等信息上傳到云端服務(wù)層時(shí)，用戶可通過手機(jī)移動端登錄增氧機(jī)管理系統(tǒng)，在應(yīng)用層移動端APP進(jìn)行溶氧量的閥值設(shè)置等基本操作。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)滿足四個(gè)需求：

1）優(yōu)先級最高的遠(yuǎn)程控制模式程序。該模塊用于及時(shí)調(diào)整增氧機(jī)狀態(tài)。

2）定時(shí)控制模式程序。該模塊用于設(shè)定增氧機(jī)自動開啟和關(guān)閉時(shí)間。

3）自動控制模式程序。養(yǎng)殖戶提前設(shè)定參數(shù)，增氧機(jī)微處理器接受到滿足參數(shù)條件的信息后，開啟相應(yīng)的功能。

4）運(yùn)行狀態(tài)相關(guān)信息的查詢模式程序。該模式用于反饋信息，便于用戶了解增氧機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)以及增氧效果。

系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)流程如圖6所示。首先，用戶進(jìn)入設(shè)定程序，先設(shè)定好溶氧量上下限，然后開始進(jìn)行現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集，進(jìn)入傳感器數(shù)據(jù)采集程序。第一步先判斷魚塘是否缺氧，如果缺氧，根據(jù)具體情況選擇調(diào)整模式，開啟增氧機(jī)。如果溶氧量充足，則進(jìn)行第二步，對魚塘溶氧量變化趨勢進(jìn)行推測。若溶氧量沒有下降，則設(shè)定檢測時(shí)間，重回第一步判斷是否缺氧。若溶氧量持續(xù)下降，則進(jìn)入第三步判斷是否到達(dá)溶氧量下限，若到達(dá)下限，則立刻開啟增氧機(jī)；若未到達(dá)，則重回第二步對溶氧量變化趨勢進(jìn)行推測。

為了能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)控增氧機(jī)運(yùn)行狀態(tài)，用戶與增氧機(jī)之間運(yùn)用GPRS通訊模塊實(shí)現(xiàn)信息交互。用戶在云平臺上可以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)信息傳送以及發(fā)布調(diào)控信息。

圖6 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

4 試驗(yàn)結(jié)果與分析

為了測試本系統(tǒng)的可靠性及穩(wěn)定性，2017年11月開始在廣東省番禺區(qū)某魚塘進(jìn)行安裝測試。考慮到氧探頭會被魚塘中魚的排泄物或者剩余飼料的附著，我們采用對照實(shí)驗(yàn)，將岸邊水箱和魚塘中某一采樣點(diǎn)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行對比，11月04日池塘中溶氧量的變化如圖7所示，魚塘水中溶解氧的含量和岸邊水箱溶解氧含量都有大幅度的變化，且兩者的曲線變化趨勢相近。在全天24 h中，下午14: 00 時(shí)魚塘水中溶解氧的含量達(dá)到最大值；上午7: 00和8: 00魚塘水中溶解氧含量和水箱中的溶解氧含量都達(dá)到最小值。魚塘水中的溶解氧含量和水箱中的溶解氧含量從上午8: 00到下午15: 00呈不斷增加的趨勢，下午15: 00到第二天早上7: 00呈逐漸減小的趨勢。

由實(shí)驗(yàn)結(jié)果可看出，在早晨水中溶氧量濃度較低時(shí)應(yīng)開啟增氧機(jī)，同時(shí)通過設(shè)置溶氧量參數(shù)，使其達(dá)到魚類生活的最佳要求。通過試驗(yàn)，在使用該系統(tǒng)的情況下，魚類生長狀況較好。

圖7 試驗(yàn)魚塘溶氧量變化

5 結(jié)束語

本文設(shè)計(jì)的基于云平臺的增氧機(jī)智能控制系統(tǒng)。系統(tǒng)采用云平臺作為服務(wù)平臺，使用STM32單片機(jī)作為系統(tǒng)的核心微控制器，可實(shí)現(xiàn)魚塘中溶氧量的實(shí)時(shí)監(jiān)控、報(bào)警、自動控制增氧機(jī)等功能，從而幫助養(yǎng)殖戶對水體的參數(shù)進(jìn)行更加有效的監(jiān)控，系統(tǒng)能耗低，性能穩(wěn)定，同時(shí)能有效降低生產(chǎn)成本，提高水產(chǎn)品質(zhì)量，對實(shí)現(xiàn)水產(chǎn)養(yǎng)殖現(xiàn)代化具有推動作用。