基于STM32的智能水產(chǎn)養(yǎng)殖技術(shù)分析

胡濤

（常州市金壇區(qū)、溧陽(yáng)市長(zhǎng)蕩湖水產(chǎn)管理委員會(huì)管理處，江蘇 常州 213224）

我國(guó)適合進(jìn)行水產(chǎn)養(yǎng)殖的水域資源持續(xù)減少，水環(huán)境污染問(wèn)題越來(lái)越嚴(yán)重，水產(chǎn)養(yǎng)殖監(jiān)測(cè)技術(shù)的研發(fā)和運(yùn)用越來(lái)越重要，傳統(tǒng)的水產(chǎn)養(yǎng)殖監(jiān)測(cè)技術(shù)需要較高的成本，無(wú)法滿(mǎn)足水產(chǎn)養(yǎng)殖監(jiān)測(cè)的實(shí)際需求。STM32微控制器可以將監(jiān)測(cè)到的數(shù)據(jù)整合和轉(zhuǎn)換，在ZigBee組網(wǎng)技術(shù)和G510物聯(lián)網(wǎng)傳輸系統(tǒng)的應(yīng)用中，將數(shù)據(jù)傳輸?shù)诫娔X或手機(jī)平臺(tái)上，水產(chǎn)養(yǎng)殖人員可以隨時(shí)查看水環(huán)境情況，再根據(jù)具體情況對(duì)養(yǎng)殖環(huán)境進(jìn)行調(diào)節(jié)，促進(jìn)我國(guó)水產(chǎn)養(yǎng)殖業(yè)的發(fā)展。

1 智能水產(chǎn)養(yǎng)殖的監(jiān)測(cè)技術(shù)

1.1 綜合結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

智能監(jiān)測(cè)技術(shù)的研發(fā)促進(jìn)了水產(chǎn)養(yǎng)殖的智能化發(fā)展，為了提高水產(chǎn)養(yǎng)殖監(jiān)測(cè)水平，需要對(duì)智能水產(chǎn)養(yǎng)殖監(jiān)測(cè)技術(shù)的綜合結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)。在智能監(jiān)測(cè)裝置的設(shè)計(jì)和應(yīng)用中，需要對(duì)不同種類(lèi)的傳感器進(jìn)行運(yùn)用，在傳感器的幫助下采集水產(chǎn)養(yǎng)殖水體環(huán)境的樣本，通過(guò)智能監(jiān)測(cè)裝置來(lái)分析水體樣本的質(zhì)量。監(jiān)測(cè)和分析的過(guò)程需要對(duì)STM32控制運(yùn)算系統(tǒng)進(jìn)行運(yùn)用，還要使用部分硬件電路，在系統(tǒng)和電路的支持下，將傳感器采集到的水體樣本放大并對(duì)其進(jìn)行分析，利用強(qiáng)大的運(yùn)算系統(tǒng)來(lái)轉(zhuǎn)換模數(shù)。在計(jì)算和分析樣本數(shù)據(jù)的過(guò)程中，需要使用STM32微控制器，以此為基礎(chǔ)來(lái)計(jì)算樣本數(shù)據(jù)，最后將數(shù)據(jù)計(jì)算和水質(zhì)分析的結(jié)果傳回客戶(hù)端[1]。

系統(tǒng)包含多節(jié)點(diǎn)組網(wǎng)傳輸結(jié)構(gòu)，信息傳輸?shù)倪^(guò)程主要用到兩種技術(shù)，一種是4G物聯(lián)網(wǎng)傳輸技術(shù)，該技術(shù)能夠讓智能水產(chǎn)養(yǎng)殖檢測(cè)結(jié)果更準(zhǔn)確、更快速、更安全地傳輸?shù)娇蛻?hù)端上。另一種是ZigBee技術(shù)，該技術(shù)可以在近距離的情況下進(jìn)行監(jiān)測(cè)和控制，不同的傳感器和控制設(shè)備通過(guò)ZigBee組網(wǎng)進(jìn)行連接。在這兩種技術(shù)的共同作用下，客戶(hù)端處的工作人員能夠很快收到監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)以及水質(zhì)監(jiān)測(cè)的分析結(jié)果，既可以通過(guò)手機(jī)移動(dòng)網(wǎng)進(jìn)行監(jiān)測(cè)和控制，也可以在PC端上進(jìn)行監(jiān)測(cè)和控制[2]。水產(chǎn)養(yǎng)殖人員可以根據(jù)水質(zhì)監(jiān)測(cè)結(jié)果來(lái)掌握水質(zhì)情況，對(duì)水產(chǎn)養(yǎng)殖方案進(jìn)行設(shè)計(jì)，根據(jù)水質(zhì)環(huán)境來(lái)選擇合適的養(yǎng)殖品種，或者根據(jù)養(yǎng)殖品種對(duì)水質(zhì)環(huán)境的需求來(lái)改變水體環(huán)境，對(duì)水質(zhì)監(jiān)測(cè)結(jié)果進(jìn)行分析并對(duì)有可能發(fā)生的養(yǎng)殖風(fēng)險(xiǎn)制定預(yù)防方案，提前預(yù)防水產(chǎn)養(yǎng)殖的風(fēng)險(xiǎn)，利用預(yù)警提醒功能對(duì)水產(chǎn)養(yǎng)殖人員進(jìn)行警示。

系統(tǒng)包含單節(jié)點(diǎn)監(jiān)測(cè)綜合結(jié)構(gòu)，在控制部分的設(shè)計(jì)中，主要運(yùn)用了STM32微控制器。在系統(tǒng)監(jiān)測(cè)部分的設(shè)計(jì)中，主要包含三個(gè)重要的裝置：一是不同類(lèi)型的傳感器，如溫度、溶解氧、pH值這幾種傳感器以及光敏電阻，利用感應(yīng)裝置來(lái)完成采樣工作；二是前端放大器，對(duì)樣本進(jìn)行放大處理；三是A/D轉(zhuǎn)換器，對(duì)樣本數(shù)據(jù)進(jìn)行轉(zhuǎn)換；最后傳輸?shù)街骺叵到y(tǒng)中。在系統(tǒng)電力供應(yīng)部分的設(shè)計(jì)中，綜合運(yùn)用了鋰電池和新能源發(fā)電技術(shù)，一種為太陽(yáng)能光伏發(fā)電技術(shù)，另一種為風(fēng)力發(fā)電技術(shù)。在系統(tǒng)完成決策后控制部分的設(shè)計(jì)中，主要運(yùn)用了繼電器，加熱、光照、增氧這三種設(shè)備由光電耦合組以及繼電器組進(jìn)行控制。

1.2 STM32F103C8T6微控制器

智能水產(chǎn)養(yǎng)殖監(jiān)控系統(tǒng)中的STM32微控制器關(guān)系著整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)行效率，需要對(duì)微控制器的型號(hào)和類(lèi)型進(jìn)行選擇，對(duì)各種STM32微控制器的性能進(jìn)行比較，綜合分析之后，選擇了STM32F103C8T6這個(gè)型號(hào)的微控制器，這個(gè)微控制器的內(nèi)核采用的是ARM Cortex-M。微控制器中包含程序存儲(chǔ)器，微控制器的存儲(chǔ)量是64KB,在運(yùn)行狀態(tài)中，微控制器的電壓處于2 V～3.6 V，能夠在-40℃～85℃的溫度范圍內(nèi)正常運(yùn)行。采樣之后需要放大樣本和轉(zhuǎn)換模數(shù)，大量的模數(shù)會(huì)讓轉(zhuǎn)換過(guò)程耗費(fèi)較長(zhǎng)時(shí)間，而STM32F103C8T6微控制器包含兩個(gè)12位的模數(shù)轉(zhuǎn)換器，這個(gè)型號(hào)的微控制器還有16個(gè)輸入通道，模數(shù)轉(zhuǎn)換器和輸入通道能夠讓模數(shù)轉(zhuǎn)換更加快速，微控制器可以同時(shí)對(duì)大量的樣本數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。另外，微控制器的兩種通信接口也具有較好的性能，設(shè)置了3個(gè)USART通信接口，微控制器還包含2個(gè)I2C通信接口，微控制器的通信接口通過(guò)與G510相連接實(shí)現(xiàn)了無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸?shù)脑O(shè)計(jì)目標(biāo)，工作人員可以使用通信接口進(jìn)行調(diào)試，對(duì)各項(xiàng)參數(shù)進(jìn)行調(diào)整，使用STM32F103C8T6微控制器時(shí)，需要對(duì)最小系統(tǒng)控制電路進(jìn)行設(shè)計(jì)，保證微控制器能夠正常運(yùn)行[3]。

1.3 電源供電電路和雙向信號(hào)傳輸電路

在智能水產(chǎn)養(yǎng)殖監(jiān)控系統(tǒng)的電源供電電路設(shè)計(jì)中，對(duì)池塘區(qū)域的智能水產(chǎn)養(yǎng)殖設(shè)備以及靠近海邊的水產(chǎn)養(yǎng)殖設(shè)備進(jìn)行了研究，以解決供電問(wèn)題為設(shè)計(jì)的主要目標(biāo)。考慮到水產(chǎn)養(yǎng)殖區(qū)域的自然環(huán)境條件，決定對(duì)風(fēng)力資源和太陽(yáng)能資源進(jìn)行利用，利用鋰電池來(lái)存儲(chǔ)風(fēng)力發(fā)電的電能和太陽(yáng)能光伏發(fā)電的電能，如果風(fēng)力較小或者光照不充足，工作人員可以對(duì)鋰電池進(jìn)行運(yùn)用，通過(guò)人工充電解決設(shè)備的供電問(wèn)題，保證智能水產(chǎn)養(yǎng)殖設(shè)備能夠穩(wěn)定運(yùn)行和正常使用。

對(duì)智能水產(chǎn)養(yǎng)殖監(jiān)控系統(tǒng)的雙向信號(hào)傳輸電路進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，主要運(yùn)用了G510窄帶物聯(lián)網(wǎng)，電路由G510芯片構(gòu)成，芯片組合之后會(huì)產(chǎn)生超小型移動(dòng)電話(huà)的功能，可以被應(yīng)用在數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)中。將G510運(yùn)用到智能水產(chǎn)養(yǎng)殖的通信系統(tǒng)中，可以提高信息傳輸?shù)乃俾剩屚ㄐ畔到y(tǒng)具備更強(qiáng)的通信能力。G510窄帶物聯(lián)網(wǎng)中的基帶XCPU能夠產(chǎn)生312MHz的核心主頻，在集成之后，可以根據(jù)命令對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行緩存，讓數(shù)據(jù)處理功能更加豐富、數(shù)據(jù)處理能力更加強(qiáng)大。通信系統(tǒng)對(duì)G510進(jìn)行運(yùn)用，有著能耗低、占地小、價(jià)格低的優(yōu)點(diǎn)，還可以在通信系統(tǒng)中利用G510來(lái)控制信號(hào)，同時(shí)設(shè)置不同的內(nèi)容，在很多方面都具有較高的應(yīng)用價(jià)值。在雙向信號(hào)傳輸電路的設(shè)計(jì)中，主要運(yùn)用了G510 GPRS模塊，在模塊中下達(dá)AT命令，根據(jù)指令要求來(lái)進(jìn)行設(shè)置，或者按照指令進(jìn)行雙向控制。

1.4 傳感器的選擇和設(shè)計(jì)

智能水產(chǎn)養(yǎng)殖監(jiān)控系統(tǒng)的溫度傳感器選擇了PT100溫度傳感器，這種傳感器能夠?qū)囟绒D(zhuǎn)變成可傳輸?shù)膬x表，PT100溫度傳感器包含熱電阻。對(duì)溫度傳感器的電路進(jìn)行設(shè)計(jì)，信號(hào)處理電路主要包含三個(gè)部分，第一個(gè)部分是測(cè)量單元，第二個(gè)部分是信號(hào)放大電路，第三個(gè)部分是A/D轉(zhuǎn)換電路。縮短前兩個(gè)部分的間距，能夠防止信號(hào)受到干擾，保證水產(chǎn)養(yǎng)殖監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。

在投入式溶氧電極的基礎(chǔ)上，對(duì)水溶氧度測(cè)量以及對(duì)應(yīng)的電路進(jìn)行設(shè)計(jì)，其中的陰極部分使用了鉑金，陽(yáng)極部分使用了Ag/AgCl，運(yùn)行狀態(tài)下，增加675mV的極化電壓，陰極和陽(yáng)極的氧分壓在同等狀態(tài)下會(huì)逐漸平衡，檢測(cè)出水體中的含氧量和氧氣的濃度，結(jié)合溫度檢測(cè)結(jié)果進(jìn)行溫度補(bǔ)償。

在pH傳感器的應(yīng)用中，可以對(duì)水環(huán)境中的氫離子含量和濃度進(jìn)行檢測(cè)，傳感器包含兩個(gè)部分：第一個(gè)部分是化學(xué)部分，能夠?qū)⒒瘜W(xué)能轉(zhuǎn)變成電能，在電極電位中包含參比電極和測(cè)量電極；第二個(gè)部分是信號(hào)傳輸部分，可以將pH值的檢測(cè)數(shù)據(jù)傳輸?shù)诫娔X和手機(jī)上。

光敏電阻能夠?qū)λa(chǎn)養(yǎng)殖環(huán)境的光照情況進(jìn)行檢測(cè)，當(dāng)光照較強(qiáng)時(shí)，光敏電阻值較低，兩者為負(fù)相關(guān)的關(guān)系。光敏電阻能夠準(zhǔn)確反映出水中的光線情況，在沒(méi)有光照的情況下，會(huì)呈現(xiàn)出高阻狀態(tài)，水產(chǎn)養(yǎng)殖人員可以根據(jù)光敏電阻的數(shù)值來(lái)判斷是否需要額外進(jìn)行補(bǔ)光。

1.5 控制輸出電路設(shè)計(jì)

智能水產(chǎn)養(yǎng)殖監(jiān)控系統(tǒng)的控制輸出電路包含三個(gè)部分，其中最重要的就是繼電器，另外兩個(gè)裝置分別是壓敏電阻和光電轉(zhuǎn)換器。在最初的傳感器監(jiān)測(cè)中，如果監(jiān)測(cè)到的數(shù)據(jù)比預(yù)定的數(shù)值大，STM32微控制器就會(huì)將數(shù)據(jù)信息通過(guò)G510窄帶物聯(lián)網(wǎng)傳輸?shù)絇C端上或者手機(jī)上，同時(shí)，在控制輸出部分的作用下，讓繼電器吸合，調(diào)整水環(huán)境里對(duì)應(yīng)物質(zhì)的含量，使其滿(mǎn)足含量標(biāo)準(zhǔn)。

2 智能水產(chǎn)養(yǎng)殖的軟件程序設(shè)計(jì)

2.1 軟件程序設(shè)計(jì)

對(duì)軟件程序進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)需要注意STM32微控制器的應(yīng)用，微控制器收到樣本模擬值后，通過(guò)A/D來(lái)轉(zhuǎn)換模擬數(shù)值，根據(jù)特定的算法進(jìn)行運(yùn)算，最終計(jì)算出樣本監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的真實(shí)數(shù)值，判斷真實(shí)數(shù)值是否在設(shè)定數(shù)值之下，再分析真實(shí)數(shù)值和設(shè)定數(shù)值之間的差異，根據(jù)真實(shí)數(shù)值的情況采用不同的操作方式。對(duì)樣本界定值進(jìn)行設(shè)置的時(shí)候，應(yīng)當(dāng)在PC端或者無(wú)線APP中操作。通過(guò)合理的設(shè)計(jì)降低智能水產(chǎn)養(yǎng)殖監(jiān)控系統(tǒng)軟件程序的復(fù)雜程度，加強(qiáng)軟件程序的便捷性。

2.2 APP/PC軟件的設(shè)計(jì)

智能水產(chǎn)養(yǎng)殖監(jiān)控系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)主要包含三個(gè)類(lèi)型的上機(jī)位，第一個(gè)是PC端，PC端電腦可以利用ZigBee與監(jiān)測(cè)系統(tǒng)進(jìn)行通信，將監(jiān)測(cè)系統(tǒng)監(jiān)測(cè)到的數(shù)據(jù)傳輸?shù)诫娔X上，比較適合在養(yǎng)殖企業(yè)中使用。第二個(gè)是APP端，智能水產(chǎn)養(yǎng)殖監(jiān)控系統(tǒng)可以將數(shù)據(jù)上傳到云平臺(tái)中，在聯(lián)網(wǎng)的情況下，可以在手機(jī)APP上查看數(shù)據(jù)，還可以對(duì)參數(shù)進(jìn)行調(diào)整，對(duì)系統(tǒng)設(shè)備進(jìn)行遠(yuǎn)程控制。第三個(gè)是Web端，Web端以云平臺(tái)為基礎(chǔ)，與APP端的開(kāi)發(fā)模式相同，都是通過(guò)二次開(kāi)發(fā)進(jìn)行查看和控制。

3 結(jié)論

水產(chǎn)養(yǎng)殖在智能化的發(fā)展中對(duì)STM32進(jìn)行了運(yùn)用，通過(guò)硬件系統(tǒng)和軟件程序的設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)水產(chǎn)養(yǎng)殖的監(jiān)測(cè)和控制，形成智能水產(chǎn)養(yǎng)殖監(jiān)控系統(tǒng)，利用不同傳感器監(jiān)測(cè)水產(chǎn)養(yǎng)殖的水體情況，對(duì)水環(huán)境的溫度、光照度、酸堿度等情況進(jìn)行監(jiān)測(cè)，將監(jiān)測(cè)到的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化和上傳后，養(yǎng)殖人員可以通過(guò)手機(jī)或電腦來(lái)查看水產(chǎn)養(yǎng)殖的環(huán)境情況，對(duì)水產(chǎn)養(yǎng)殖進(jìn)行智能化監(jiān)測(cè)和自動(dòng)化控制。