魚塘保姆系統設計

桂林電子科技大學信息科技學院 劉蘇芮 賀文翔 李宏輝 韓桂明 唐 力

本作品操作簡單，界面簡潔，可以使魚塘管理人員快速上手操作；運用物聯網技術搭建基于華為LiteOS的綜合智能化魚塘管理系統—“魚塘保姆”實現對魚塘進行保姆式的智能化管理，在大大降低養殖戶養殖成本和日常維護成本的同時增加產量，改變水產養殖戶過去養魚僅憑經驗，靠天吃飯的命運。

1 整體方案設計

本系統利用物聯網、嵌入式、互聯網等相關的先進技術來對魚塘的水產養殖進行全方位的實時監測和調控，當發現異常時可以自主的嘗試解決問題，并通知用戶，這樣不僅保障了水產養殖的安全問題，同時對水產養殖做到了實時化、智能化、網絡化、集約化，水產養殖的增產創收將不再是困難之事。

2 方案選擇分析

綜合需求分析以及現實情況和魚塘水產養殖的特點，系統設計以物聯網設備和相關技術手段為主，在保證先進性和可用性的同時盡量降低學習和使用的成本，向用戶提供友好的用戶界面和操作方式。所以研究重點在于系統設計和整個水產養殖的物聯網化的方案設計以及確定相關的邏輯和操作方式。整個系統主要由控制的軟件方案、用戶的使用邏輯和整個系統的邏輯、硬件驅動電路這三大部分組成。整個系統框圖如圖1所示。

圖1 整體功能實現框圖

3 實現原理

3.1 數據采集

通過安裝在魚塘保姆載體的船身上的傳感器進行數據采集，并在船身的控制系統中對數據進行初步的處理，然后按照特殊的序列和格式將數據進行上傳，并對整個載體的本身進行自檢和自我監控。主要是安裝于項目硬件載體小船的水面下部的先關水質傳感器，如TDS、溶解氧、渾濁度、溫度等，通過獲取個傳感器的數據并對數據進行分析匯總，交由一塊統一主控板進行管理上傳數據、上報至云端平臺，云端的數據可以由手持終端進行遠程查看，同時也可以使用手持終端對船體的運動單元進行控制。

3.2 執行控制

系統的執行機構主要分為兩個單元。

單元一：支撐整個系統優越性能的運動機構，運動單元負責將整個系統的巡航功能，巡航不間斷測量是該測量方式的優越性所在。內陸魚塘水域往往具備：魚塘面積可控、水體流動性不強、區域性水質偏差較大的特點。因此無論是是傳統的手動水質測量手段，還是目前普遍流行的在線監測都難以克服這些問題所帶來的缺點。固定點檢測的數據往往只能代表測量點周邊的水域情況，無法代表整體情況，倘若控制手段的依據來源于這些不標準、不普遍的數據作為依靠往往調控的結果是南轅北轍的。而在現今的科技手段之下，水質相關傳感器都是很貴的，在線監測難以通過增加測量點的方法提高測量精度。

單元二：魚塘管理設施執行器件。包括兩種方案，一是通過研究傳統的魚塘管理設施，加上物聯網的手段，通過433M等的通信手段與主控進行通信，由主控進行統一管理，從而實現手持端與主控通過云端數據交換來形成本地和云端控制手段，此種方案會增加一部分成本，但是具有更好的統一性，也能更方便的管理各設施。方案二是通過增加具備與主控通信能力的，輸出布爾信號的控制板來對設施進行控制，這樣可以最大限度的保留控制能力同時盡可能的降低使用成本。

3.3 巡航功能實現

巡航功能主要通過APM控制板實現，APM是一款完全開放的系統，配合地面站Mission Planner，可在多種環境工作。在地面站中可以進行固件燒寫、基本參數調節，還可以通過無線數據傳輸系統在地面站與APM系統之間實現數據傳輸，組成一套完整的船體自動控制系統。它的軟件部分是由DIY Drones社區創造，硬件由3DRobotics設計、制造和銷售的嵌入式系統與外圍傳感器，能夠控制穩定性和導向性。其整個硬件板電路結構如圖2所示。

圖2 APM控制板電路框圖

在APM系統中，采用的是兩級PID控制，第一級是導航級（導航回路），第二級是控制級（姿態回路）。導航級首先要明確船體器的行進路線，以及轉彎角度的大小，通過內部算法給出目標需要執行的俯仰角、油門以及目標滾轉角，再交給下一級的控制級（姿態回路）進行控制。而控制級接收導航級發送的目標路線數據，并采集船體器目前位置信息，通過內部姿態解算，計算出用于實時控制電機運動的PWM脈沖信號，調整船體的轉向角度，使船體按照預定的軌跡路徑進行航行。

3.4 軟硬件系統實現

載體小船的所有外接通訊手段都用無線的通訊方案，采用無線聯網的方式進行數據云端上傳。本系統通過使用NodeMCU將設備聯網上云，它的硬件電路設計簡單，具備高性能低價格、低功耗的特點，NodeMCU通過串口與主控板STM32F103ZET6相連接，從而使得主控具備了與云端數據中心交換數據的能力，實現遠程控制。其中與云端交換數據的通訊協議，依據通信需求特點MQTT是非常合適的聯網方案，該方案的特點是低占用、低帶寬的及時通訊協議，其通訊原理框圖如圖3所示。

圖3 MQTT數據交換流程

同時主控會通過串口二與APM巡航控制進行數據交換，以及通過片內相關外設和相關的通訊接口獲取傳感器數據，用STM32作為整個控制中心，將所有電路有機的串聯在一起，從而實現整個系統的功能。

為了提高整個系統的可靠性和可維護性，以及基于整個系統模塊化的設計理念，系統的核心軟件運行于LiteOS嵌入式實時操作系統。LiteOS是華為面向物聯網領域開發的一個基于實時內核的輕量級操作系統。本作品使用華為物聯網操作系統Huawei LiteOS，其現有基礎內核支持任務管理、內存管理、時間管理、通信機制、中斷管理、隊列管理、事件管理、定時器等操作系統基礎組件，更好地支持低功耗場景，支持tickless機制，支持定時器對齊。將系統移植到硬件平臺后，將各個需求作為系統模塊加入任務進程，從而使得這個系統具備了較高的可升級性能以及穩定性。如圖4所示。

圖4 LiteOS系統框圖

結論：本作品從養殖戶的實際需求出發，通過軟硬件結合，設計實現了了操作簡單、界面友好、經濟綠色的基于LiteOS的綜合智能化魚塘管理系統—“魚塘保姆”。圍繞設施化水產養殖場的生產和管理環節，通過智能傳感器在線采集水產養殖場環境信息（溶解氧、水溫、PH值、TDS等），同時集成改造現有的水產養殖場環境控制設備（增氧泵、循環泵、投料機等），實現水產養殖的智能生產與科學管理。