海產貝類養殖物聯網平臺光照強度采集器設計與實現

尚明華　穆元杰　李翠潔　劉淑云　秦磊磊

摘要：針對傳統光照強度采集器精度低、系統集成困難的問題，結合自主研發的水產物聯網測控平臺，設計了一種基于STM32的無線光照強度采集節點。該節點可實現光照強度的自動采集、處理、無線傳輸功能。試驗證明，該無線光照強度采集節點可與水產物聯網測控平臺對接，并且精度高，可應用于海產養殖等多種領域。

關鍵詞：海產貝類； 物聯網； 光照強度

中圖分類號：S126 文獻標識號：A 文章編號：1001-4942（2018）11-0154-05

Abstract In view of the problem of low precision and difficult system integration of traditional light intensity collector， a wireless light intensity acquisition node based on STM32 was designed， which combined the independent researched and developed IoT measurement and control platform. This node could realize the automatic acquisition， processing and wireless transmission of light intensity. The experiment showed that the wireless light intensity acquisition node could be seamlessly connected with the aquatic product IoT measurement and control platform， and had high precision， which could be used in many fields such as marine production and breeding.

Keywords Marine shellfish； Internet of Things（IoT）； Light intensity

光是生物生長發育中不可或缺的重要因素之一，在水產貝類養殖中，光照與水體溫度、溶解氧、pH值、鹽度等同等重要，是影響其生長的重要因素。劉小霞等研究了光照對不同規格番紅硨磲氧、氨氮及活性磷酸鹽代謝的影響，指出光照顯著影響番紅硨磲生理代謝[1]；宋昌斌等在水產養殖車間LED光環境設計研究中指出水產動物索餌、繁殖、捕食等行為均與光照有著密切聯系[2]。因此，光照強度的監測對海產貝類養殖、災害防護等都有重要意義。

為實現物聯網技術在海產貝類養殖中的應用，本研究團隊研發出產物聯網測控平臺，可實現數據的實時采集、管理和分析，并根據數據分析結果實現對執行器節點的遠程調控。光照強度采集器是平臺多種采集節點之一。

近年來有較多光照強度采集器的研究[3-9]，但大都未提及監測數據誤差；另外，通信協議閉塞，無法與本研究團隊研發的水產物聯網測控平臺進行對接。為實現光照強度采集能夠與平臺對接，本研究團隊研發了基于STM32的光照強度無線采集器。

1 光照強度采集器總體設計

本光照強度采集節點由主控模塊、電源模塊、數據采集處理模塊、存儲模塊、通信模塊組成，如圖1所示。主控模塊是整個系統的核心，實現系統的總體控制；數據采集處理模塊主要由傳感器及信號處理電路組成，主要負責光照強度的實時感知及傳輸；存儲模塊用于存儲感知光照強度數據處理模型的參數；通信模塊用于光照強度采集器與水產物聯網測控平臺雙向通信，實現光照強度的無線傳輸；電源模塊用于為各個模塊供電，以滿足系統對電源的需求。

2 光照強度采集器硬件設計

2.1 主控模塊

主芯片采用高性能、低成本、低功耗的STM32F103單片機。它基于超低功耗的ARM Cortex-M3處理器內核，時鐘頻率最高為72 MHz，片上集成32 KB的Flash存儲器，6 KB的SRAM存儲器；它擁有強大的軟件支持，豐富的技術文檔，極大地降低了用戶開發使用難度。其最小系統電路如圖2所示。

2.2 信號處理模塊

信號處理單元實現對光照強度傳感器采集的模擬信號的處理。信號處理單元通過四路雙向模擬開關（CD4066）及高精度運算發大器（ICL7650）將光照強度傳感器采集的模擬信號進行調整，使得輸出穩定在0～3.3 V范圍內，方便后續應用于構建的模型之中。

2.3 電源模塊

光照強度采集器內部使用5、3.3 V兩種電壓類型，系統中主控模塊及存儲模塊為3.3 V供電，信號處理模塊及通信模塊為5 V供電。為滿足系統對電源的需求，系統采用LM2575降壓開關型集成穩壓電路將24 V直流電源調整至5 V，并通過REG1117降壓到3.3 V。電源模塊電路如圖4所示。

3 模型設計

3.1 數據預處理

為避免數據采集過程中因偶然因素引起的波動干擾，采集數據需經過濾波算法進行處理。光照強度采集器中使用中位值濾波算法。所謂中位值濾波算法即為連續采樣N（N為奇數）次，將這N個數據按從小到大的順序排列，取中間的數據作為有效值[10]。在程序編寫過程中，我們采樣9次并進行中位值濾波選取中間值作為有效值。

3.2 數據模型構建

數據經預處理后需分析系統采集值（電壓值）與光照強度的對應關系，經過大量試驗表明，兩者存在一定的線性關系。為提高光照強度數據采集的精度，將量程分為四個區間分別構建線性模型，所劃分區間為[0，200）、[200，2000）、[2000，20000）、[20000，200000]，在各個區間上所擬合線性函數如圖5所示。

4 對比試驗情況

為測試數據采集準確性，在光照箱中放置高精度手持測量儀及本研究設計的無線光照強度采集器，調節光照箱中光照強度值，在同一時刻采集不同光照強度下兩者的測量數值，并對數據進行對比分析。手持測量儀的數據可直接讀出，本研究設計的無線光照強度采集器則可將獲取數據傳輸至水產物聯網測控平臺（圖6），通過平臺可將數據導出。如表1所示共采集18組數據，其中對比值為高精度手持測量儀采集，監測值為本研究設計的無線光照強度采集器采集。

結果顯示，本研究設計的無線光照強度采集器采集的數據可實時傳至水產物聯網測控平臺，實現與平臺的無縫對接；與高精度光照強度手持測量儀測量的數據相比，誤差在2%范圍內，表明本研究設計的無線光照強度采集器數據采集精度較高。

5 結論

針對傳統光照強度采集器精度低、系統集成困難的問題，結合本研究團隊自主研發的水產物聯網測控平臺，我們研究設計了一種基于STM32的無線光照強度采集器，并通過試驗對其數據采集精度及能否與水產測控平臺進行對接進行驗證。結果表明，該無線光照強度采集器可與水產物聯網測控平臺無縫對接，且數據采集精度較高。今后，結合光照強度采集器的使用情況可進一步優化數據處理模型以及硬件電路，以便提高光照強度采集器的穩定性。

參 考 文 獻：

[1] 劉小霞，李樂，鄭興，等.光照對不同規格番紅硨磲（Tridacna crocea）氧、氨氮及活性磷酸鹽代謝的影響[J]. 漁業科學進展，2017，38（5）：92-99.

[2] 宋昌斌，劉立莉，盧鵬志，等.水產養殖車間LED光環境設計研究[J]. 大連海洋大學學報，2018，33（2）：145-150.

[3] 姜進，王鑫，楊慧中. 基于MSP430單片機的無線環境監測系統的設計[J]. 江南大學學報（自然科學版），2011，10（1）：45-48.

[4] 楊文奇，劉希光，郭彥克，等.溫室環境物聯網監測系統的設計[J]. 中國農機化學報，2017，38（4）：105-108，140.

[5] 余剛，黃建清，高家寶，等.基于BH1750的熱帶花卉光照強度實時監測系統設計[J]. 農業網絡信息，2016（6）：54-57.

[6] 劉許堯，劉俊峰，馮曉靜.基于MSP430蘋果微域溫度和光照監測系統設計[J].農機化研究，2014，36（4）：79-82.

[7] 黃釗禮，魏亞東. 光照強度實時監測系統的設計與實現[J]. 東莞理工學院學報，2009，16（1）：70-74.

[8] 黃勇，郭山山. 基于無線傳感器網絡的光照強度實時監測系統研究[J]. 湖北民族學院學報（自然科學版），2014，32（4）：457-459.

[9] 徐顯榮，高清維，李中一.一種用于農業環境監測的無線傳感器網絡設計[J]. 傳感器與微系統，2009，28（7）：98-100.

[10]張龍青，陶娟娟，張羊鴻，等. 基于中位值平均濾波算法和OLED屏的PM2.5空氣質量檢測系統設計[J]. 信息通信，2016（12）：79-80.