一種用于魚塘增氧管理的智能浮標設計

王建，溫嘉威，鐘禮浩，謝家興

（華南農業大學工程學院，廣東廣州510642）

我國的漁業取得了較大發展，但大部分個體養殖戶對于魚塘的管理存在一定的盲目性，魚塘節能減排問題的研究較少。魚塘環境是魚類賴以生存和生長發育的基礎，魚塘環境變壞會導致魚類缺氧、中毒，嚴重的還會造成死亡。養魚戶通常是靠肉眼及經驗判斷魚塘環境狀況，來決定是否給魚塘增氧，往往導致增氧機開關時間沒有明確界限，造成電能、塘水浪費。實際應用中也有部分是借助溶氧計測量水體的含氧量，判斷何時增氧，但由于溶氧計較昂貴，功能單一，且不能很好的適應魚塘復雜的環境，尚沒有得到推廣使用。利用了“三開兩不開”[1]的經驗理論，實時檢測魚塘水溫、溶解氧等有利于養魚者及時掌握魚塘信息，還能對魚塘增氧時機給出參考，有利于魚生長[2-3]。

1 系統硬件設計方案

1.1 智能浮標模塊

智能浮標主要由太陽能板、鋰電池、nRF24L01無線通信器件[4]、MMA7361三軸加速度傳感器、TSL230光照測量器件、DHT11溫濕度傳感、激光與光敏電阻模塊和DS18B20溫度傳感器等組成，整個器件放在輕質密封塑料盒中，框圖如圖1所示，圖2是浮標實物圖。

nRF24L01無線通信器件用于與上位機進行通信，該無線模塊功耗較低，且該器件成本相對低廉，但保持了在空曠范圍一定距離內傳輸信號的可靠性，適用于魚塘較為空曠的環境通信；可編程光/頻轉換器TSL230用于魚塘光照度測量；DHT11是用于測量空氣中的溫度和濕度；DS18B20測量的是水溫；激光與光敏電阻構成水的透明度測量電路，檢測水質清晰度。三軸傳感器MMA7361是測量魚塘水波震蕩的狀況的關鍵器件，具有三個重力傳感器，分別處于三維直角坐標系的x，y，z軸，當水面波動導致浮標震蕩，三軸傳感器輸出xyz三個變化電壓信號，將信號送給STM32F103主控器進行處理，分析信號的變化規律是否符合魚兒浮頭情況，通過各個模塊對魚塘的環境信息測量，將所得信息進行處理，參照“三開兩不開”原則。判斷是否開啟增氧機。

圖1 浮標控制模型Fig.1 Control model of the buoy

圖2 浮標實物圖Fig.2 The buoy entity

1.2 上位機主控器模塊

上位機安放在魚塘岸邊，主站控制模塊由液晶顯示、電流電壓檢測、無線接收模塊、BUCK降壓電路和增氧機等組成。STM32F103C8T6微控制器自身包括72 MHz的高頻處理單元，其12位精度的A/D能夠更好地測出三軸傳感器的微小電壓變量；內置電流低于2 μA的睡眠模式有助于節省功耗，適合魚塘無人管理的環境；且成本相對其他同系列型號低廉。

主控制器功能如下：1）接收智能浮標的信號，控制是否開啟增氧機，將魚塘的信息顯示在液晶上，同時通過指示燈與蜂鳴器提醒用戶魚塘所處的狀態；2）通過主機的按鍵與開關進行人機操作；3）太陽能充放電管理。

圖3 主控制器模快Fig.3 Main controller module

1.3 太陽能充電模塊

LTC3105是一款專用太陽能為單節鋰電池充電芯片，含高效DC/DC轉換器、最大功率點控制MPPT和同步整流，低啟動電壓，低靜態電流。圖4為采用太陽能充電的增氧機電路[4]。

圖4 太陽能充電增氧機電路Fig.4 Power circuit of aerator supplied by solar panel

2 主要系統算法設計

三軸加速度傳感器MMA7361是一種可以對物體運動過程中的加速度進行測量的電子設備，在浮標設計中起到關鍵作用，系統主要軟件算法如圖5所示。

圖5 浮標組成器件圖Fig.5 Devices composition of the buoy

圖6 數據采集處理算法Fig.6 Data collection and processing algorithm

考慮到實際應用中會有風和落葉等使魚塘水面產生起伏，對系統檢測魚浮頭現象產生干擾，這種干擾通過算法優化以后排除，排除算法主要根據以下幾點實現：

1）浮標有一定的重量，微風和落葉雖然會在水面產生水波紋，但對浮標產生的振動較少，即不會出現大振幅，而魚浮頭對浮標產生的振動振幅會較大；

2）風和落葉等造成水面起伏的頻率是規則的，而魚浮頭觸動水面的振蕩是不規律的；

3）使用記憶算法，采集一段時間的浮動數據進行分析，并與前一段時間的數據進行比對，如果出現魚浮頭的現象，兩組數據會有明顯不同。

3 結束語

設計了搭載多種傳感器智能浮標，以光伏電池作為浮標電源，通過檢測魚兒浮頭的持續時間、水清晰度和水層溫度等，判斷是否換水和魚兒的健康情況，實現了魚塘環境檢測和增氧管理的自動化，替代使用成本較高的溶氧計。通過在魚塘水面布置多個智能浮標，可更加全面掌握魚塘管理情況，能達到節電、節水和減排的目的，同時避免頻繁巡視魚塘的繁瑣工作，具有良好的應用前景。

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