基于STM32和阿里云IoT的水產養殖水質監測系統設計與實現

摘 要 針對水產養殖產業傳統水質監測方法存在人工依賴性強、難以實時獲取水質環境參數等問題，設計了一套基于STM32和阿里云IoT平臺的水產養殖水質監測系統。系統基于阿里云IoT平臺開發了Web應用，以STM32芯片為核心設計了微控制單元，同時選用了水溫、pH值、溶解氧濃度和鹽度4個常用參數的水質檢測傳感器組成數據采集端，成功搭建了試驗平臺并進行了一系列測試。測試結果表明，系統不僅能夠實現水質數據的實時采集，還能夠將數據遠程傳輸到用戶端，并生成歷史數據曲線，從而實現了全面的水質監測。此外，系統還能夠主動響應數據異常，并觸發聲光報警，減少了對人工干預的需求，提高了監測的及時性和準確性。

關鍵詞 水產養殖；水質監測；物聯網；STM32

中圖分類號：S951.2 文獻標志碼：A DOI：10.19415/j.cnki.1673-890x.2024.07.054

黨的十八大以來，中國農業現代化建設取得了顯著進展，具備了由農業大國邁向農業強國的基本條件[1]。在農業領域，水產養殖作為一個重要產業一直呈現出良好的發展態勢，其產品產量逐年上升[2]。水產養殖業逐漸呈現出大規模和工廠化的趨勢，密集養殖和相對封閉的水體養殖成為主要特點。這一趨勢對于水產養殖行業的未來發展具有重要意義。

養魚首要考慮的是水質[3]，因為水質對養殖的影響至關重要。養殖過程不僅需要確保水體中的養分充足，還需要維持水質環境的穩定性[4]。水質環境的大幅度變化可能導致水生物的新陳代謝功能紊亂，并增加水生物疾病的發生頻率[5]。

水質環境受多種因素的影響，其中包括投喂方式不合理、飼料殘留、過度使用漁藥和激素等問題[6]。這些因素可能導致養殖水體的惡化[7]，增加了養殖水質管理的難度，因此，為了成功養魚，必須注重水質管理，以確保水質環境的穩定性和適宜性。

傳統的水質管理方法通常涉及設置水質監測點[8]，選擇適當的水體理化指標，進行定期的采樣檢測等。這種方法存在著人工依賴性強、難以實時獲取水質參數等問題。為了應對這一挑戰，本文設計了一套基于STM32和阿里云IoT平臺的水產養殖水質參數監測系統。該系統能夠實現水質參數的采集、傳輸和顯示，為養殖區的水質監測提供了一種全面的、自動化的解決方案。

1 "系統總體設計

物聯網體系架構通常分為3個主要層次：感知層、傳輸層和應用層[9]。水產養殖水質監測系統的設計基于這一體系架構，主要由3個部分構成：數據采集端、微控制單元和用戶端。系統整體構架如圖1。

數據采集端位于系統最底層，主要負責感知養殖現場水質的理化指標。感應器件包含各種水質檢測傳感器及其數字信號接口，用于采集水質理化指標后并將其轉換成數字信號，然后發送給微控制單元。

微控制單元位于系統的中間層，為系統的核心。主要功能是協調數據采集端和用戶端之間的數據傳輸，還包括系統調試、實時數據顯示及聲光報警的控制。系統數據傳輸采用了混合網絡技術，包括RS485總線網絡和Wi-Fi網絡。微控制單元的主要組件包括串口屏接口、串口RS485轉換模塊、串口USB轉換模塊和ESP8266無線網絡模塊。

用戶端位于系統的頂層，主要用于提供用戶與系統的交互界面，以實現水質數據的可視化。用戶端設備包括顯示屏、聲光報警器及阿里云IoT平臺的Web應用界面。

這一體系結構的設計有助于系統實現水質數據的完整監測、遠程傳輸和用戶友好的可視化呈現，同時還能實時響應數據異常，觸發聲光報警。

2 "系統硬件設計

2.1 "微控制單元硬件選型及接口電路設計

微控制單元采用STM32F407芯片作為核心。STM32F407芯片具備穩定性高、價格實惠等優點，同時提供了充足的IO引腳、外設資源和通信接口，可以有效地管理傳感器和其他外部設備，完全滿足系統開發的需求。引腳配置如表1。

微控制單元配置了USB接口，用于與計算機之間進行通信，主要用于系統調試。

在本系統中，將STM32F407芯片的USART1外設配置為USB通信接口，其中PB7用作USART1_TXD引腳，PB6用作USART1_RXD引腳，并且引入了CH330N轉換芯片。CH330N是一款低成本的USB轉串口芯片，內部集成了晶振。在CH330N芯片中，TXD和RXD分別與STM32F407芯片的USART1_RXD和USART1_TXD引腳相連，而CH330N芯片的UD+和UD-則連接到USB總線的D+和D-，用于USB信號傳輸。微控制單元USB接口電路如圖2。

數據采集端將水質理化指標數據發送至總線網絡后由RS485接口進入微控制單元。

本系統使用STM32F407的USART3外設作為RS485總線通信的控制器，PB10配置為USART3的接收引腳（USART3_RXD），PB11配置為USART3的發送引腳（USART3_TXD），接口使用SP3072E芯片。SP3072E是一款雙向RS232轉換器芯片，適用于RS485通信，同時將PH8引腳作為發送和接收使能的控制線，以確保與STM32接口兼容。上電運行后，當PH8為高電平時使能RS485發送功能，當PH8為低電平時允許接收數據，電路設計如圖3。電路中R2為終端匹配電阻，R3和R4為兩個偏置電阻，以保持靜默狀態時RS485總線維持邏輯1，將USART3的TTL電平信號轉化成RS485的差分信號。

系統配置了現場顯示屏，使用STM32F407的USART2外設作為顯示屏通信接口，PD5配置為USART2的接收引腳（USART2_RXD），PD6配置為USART2的發送引腳（USART2_TXD）。顯示屏接口包括4個引腳，HMI_RXD和HMI_TXD用于串口信號的接收和發送，而5V和GND用于提供電源。微控制單元顯示屏接口電路設計如圖4。

本系統使用安信可（Espressif）ESP8266模塊ESP01版本作為云端通信模塊。ESP01模塊共有8個引腳，根據需要為其設計了微控制單元接口電路，將各引腳與STM32F407芯片的引腳進行對應配置。

本系統采用STM32F407的UART4外設作為物聯網通信接口。具體配置如下：PC10作為UART4的接收引腳（UART4_RXD），PC11作為UART4的發送引腳（UART4_TXD），同時PC6作為ESP8266模塊的復位引腳。為了實現ESP8266模塊的正常工作，我們通過外部電路將ESP8266模塊的CHPD引腳連接到3.3 V電壓，以起到使能引腳的作用。此外，VCC和GND引腳也與3.3 V電源的正負極相連接，確保ESP8266模塊能夠獲得所需的電源供應，從而完成對ESP8266的完整連接配置。微控制單元云端通信模塊接口電路設計如圖5。

2.2 "數據采集端硬件選型和通信網絡設計

數據采集端包括多路水質檢測傳感器，用于監測水產養殖的關鍵水質參數，包括水溫、pH值、溶解氧和鹽度等。水溫作為最基本的水質參數之一，通常情況下，較低的水溫會導致水生生物體內新陳代謝減緩；而適度提升水溫則有助于提高新陳代謝速率，進而促進生長；如果水溫過高，可能導致缺氧及增加水生生物感染疾病的風險[10]。

pH值是另一個關鍵的水質參數。當pH值低于6.5時，會導致水生生物的血液pH下降，降低其血液中氧氣的運載能力；相反，過高的pH值可能對魚蝦等生物的鰓部組織造成腐蝕[11]。

此外，鹽度也對水中的溶解氧濃度產生顯著影響。一般來說，在高鹽度條件下，水中的溶解氧濃度較低。這一系列參數的監測對于水產養殖的成功管理至關重要，有助于維持水體的適宜條件，確保水生生物的健康生長。

為進行測試，系統采用了多種水質檢測傳感器作為數據采集端的一部分。本系統所選用的水質檢測傳感器的規格：水溫0 ～ 100 ℃，pH值0 ～ 14，溶解氧0 ～ 1 000 mg·L-1，鹽度0 ～ 50 PPT。

數據采集端的傳感器通信網絡采用了上海清淼公司的水質檢測傳感器解決方案，所有傳感器都采用標準的RS485總線接口，這種通信接口更適合應對系統長距離和多節點的需求。數據傳輸采用了Modbus-RTU協議格式。系統的數據采集端包括多個監測點，每個監測點都包含了水溫、pH值、溶解氧和鹽度4個傳感器（圖6和圖7）。

2.3 "用戶端顯示與聲光報警設計

系統的用戶端配置了現場顯示屏、Web應用和聲光報警器，以實現水質監測現場的數據顯示和報警功能。顯示屏通過微控制單元的顯示屏接口連接，用于接收來自微控制單元的水質數據實現現場顯示。此外，系統還支持遠程數據顯示，通過連接到阿里云IoT平臺的web應用，用戶可以遠程監控水質數據。

聲光報警器的聲壓設置為120 dB，額定電壓為DC12 V。其電源開關由一個5 V繼電器控制，繼電器的額定電流為300 mA，以及一個閃動頻率為150 次·min-1的燈光。聲光報警器配置了應答消音機制，當水質數據超過預設閾值時觸發報警，用戶可以按下應答按鈕來停止聲音報警，然后報警器的燈光會繼續閃爍。當水質數據恢復到正常值時，報警器的閃爍會停止，聲光報警器重新復位。繼電器模塊用于控制聲光報警器，其控制引腳連接到微控制單元的通用輸入輸出引腳。這樣，當水質數據超出閾值時，系統會觸發聲光報警機制，確保及時的報警和提醒。

3 "系統軟件設計

3.1 "系統開發環境搭建

本系統的微控制單元軟件開發基于Keil MDK-ARM V5集成開發環境，并使用ST公司的HAL庫來編寫STM32芯片的程序代碼。HAL庫全稱Hardware Abstraction Layer，即硬件抽象層，是ST公司近年來推出的一種開發方式。由于STM32芯片擁有眾多寄存器，直接對每個寄存器進行讀寫操作會降低開發效率。為了提高開發效率，ST公司將各寄存器的功能封裝成函數，并組成了函數庫，用戶可以通過調用這些函數直接進行寄存器的讀寫操作。此外，ST公司還提供了名為STM32CubeMX的可視化開發軟件。通過STM32CubeMX的可視化界面，開發者可以輕松配置引腳參數和外設功能，而無需手動編寫復雜的初始化代碼。STM32CubeMX還具備自動生成工程和初始化代碼的功能，為系統開發提供了極大的便利。這一綜合開發環境使得在STM32上進行軟件開發更加高效和便捷。

用戶端Web應用借助阿里云IoT平臺開發。首先，在阿里云網站上注冊并登錄，然后進入物聯網控制平臺，創建IoT產品并添加設備。創建產品過程依次進行產品命名、設置網絡連接方式、設置數據格式及添加物模型TSL操作。系統設置網絡連接方式為Wi-Fi，設置數據格式為Alink-JSON，添加物模型TSL包括：水溫、pH值、溶解氧和鹽度，完成產品創建。產品創建成功后為其添加設備，設備會繼承產品的屬性和特性，同時生成MQTT連接參數，包含clientId、username、passwd、mqttHostUrl及其port，記錄這些參數，隨后在系統接入IoT平臺設備時使用。最后，在阿里云IoT studio創建Web應用，將其與之前創建的產品和設備關聯，并添加對應物模型參數，完成用戶端Web應用開發。

3.2 "設置系統初始化流程

系統上電后，首先進行微控制單元STM32芯片的初始化。這一過程包括初始化Flash接口和系統滴答定時器，配置系統時鐘，初始化串口并設置串口中斷優先級；同時，各外設模塊上電，并完成微控制單元的初始化。

隨后，STM32芯片運行網絡配置程序，使ESP8266模塊能夠成功連接到Wi-Fi網絡并獲取分配的IP地址；接著，系統配置MQTT參數以連接到阿里云IoT平臺設備，并完成設備屬性設置。

微控制單元STM32以周期性的方式向數據采集端發送問詢報文，等待應答報文，并解析其中包含的水質參數數據。這些數據隨后被同步到用戶界面，包括Web應用和現場顯示屏。如果系統檢測到水質參數異常，將觸發異常報警（見圖8）。

3.3 "讀取數據采集端水質參數

數據采集端與微控制單元之間采用RS485硬件接口連接方案，并采用Modbus-RTU格式的協議命令進行通信。通信配置：波特率 9 600 bps，數據位 8位，停止位 1位，無校驗位。

系統運行時，不同監測點的水質檢測傳感器會主動采集水質數據。微控制單元STM32以不間斷的方式向數據采集端的水質傳感器發送問詢報文。數據采集端將采集到的水質參數打包成Modbus-RTU數據格式。這些數據隨后通過RS485總線電路和通信接口傳輸至微控制單元。需要注意的是，實際應用中可以根據需要來調整監測點的數量和傳感器的種類，以滿足不同的監測需求。

STM32作為主機發送16進制問詢報文，以單個監測點的pH值傳感器為例，問詢報文格式如表2。

每個監測點的水質傳感器必須具有唯一的Modbus地址，以確保在通信過程中能夠準確地識別和訪問各傳感器。在每個監測點中，使用Modbus-RTU協議的功能碼進行傳感器的訪問和數據采集。唯一的Modbus地址確保了系統能夠與每個特定的傳感器進行通信，同時避免了與其他傳感器之間發生通信沖突。

水質監測點傳感器作為從機應答回復16進制問詢報文，以單個監測點的pH值傳感器為例，應答報文格式如表3。

STM32接收從機應答后需要對4字節16進制水質數據解析，例如0x40 0xCA 0xB2 0xEC解析后，將pH參數賦值為6.334 3。

3.4 "云平臺服務器接入程序設計

阿里云IoT平臺支持多種通信協議，其中MQTT是一種輕量級、發布與訂閱型的消息傳遞協議，適用于物聯網設備之間的通信。其優點包括代碼量少、開銷低及占用帶寬少，特別適用于低功耗場景。在系統中，微控制單元通過向ESP8266模塊發送AT指令連接到阿里云IoT平臺，完成主題發布與訂閱及數據交換的操作。

默認情況下，ESP8266模塊處于AT指令模式，通常不支持MQTT通信。要啟用MQTT通信，需要在ESP8266上燒寫MQTT固件。一旦MQTT固件成功燒寫，STM32可以直接通過UART4向ESP8266模塊發送AT+MQTT格式的指令，以執行主題的發布與訂閱等操作。

連接的過程首先涉及將ESP8266模塊設置為Station模式，允許其作為一個透明的Wi-Fi模塊，從而允許STM32通過UART4向ESP8266發送指令來連接到Wi-Fi網絡并獲取IP地址。一旦成功，STM32會依次發送包含設備ID、密鑰、用戶名、連接域名以及端口號等信息指令，以建立與阿里云IoT平臺的MQTT連接。至此，完成了主題的訂閱與發布設置，使STM32能夠與阿里云IoT平臺進行數據交換。

4 "系統測試與結論

本文基于阿里云IoT平臺和STM32設計了一套水產養殖水質監測系統。系統以STM32為核心設計了微控制單元，由水溫、pH值、溶解氧和鹽度傳感器組成監測點，以監測點為單位收集監測數據并通過RS485總線將水質環境數據傳輸到微控制單元，由Wi-Fi網絡模塊將水質環境數據發送至阿里云IoT平臺。系統基于阿里云IoT平臺開發了Web應用，Web應用實現養殖水質環境參數的實時顯示，從而實現養殖水質環境參數的遠程監測。

系統可以根據現場情況調整監測點位置或數量，以便于養殖現場情況發生變化時做出調整。多監測點水質監測結果互相參照，增加系統監測結果的可靠性。該系統運行時，用戶可以通過現場顯示屏或用戶端Web應用實時掌握養殖現場水質參數變化趨勢和合格情況，便于及時采取必要的措施以維護水質參數回歸正常值，從而確保養殖水質環境參數穩定可控（見圖9）。系統還可以為水產養殖科學水質管理設施研究與開發提供一定借鑒。

參考文獻：

[1] 習近平. 加快建設農業強國推進農業農村現代化[J]. 求是，2023（6）：4-17.

[2] 曹潔，馬立鳴，李超. 北京水產養殖業現狀與發展對策探討[J]. 中國水產，2023，574（9）：41-45.

[3] 張噓云. 東至縣鱖魚產業發展情況介紹[J]. 農業技術與裝備，2023（5）：68-70.

[4] 李清，馮東岳，張翔. 2023年7月全國水產養殖病害預測預報[J]. 中國水產，2023（7）：91-97.

[5] 譙正發，程湘黔. 水產養殖病害發生特點與防控對策[J]. 農業災害研究，2023，13（8）：77-79.

[6] 唐治宇. 我國水產品質量安全與有機水產養殖的探究[J]. 南方農業，2016，10（3）：141-142.

[7] 韓莎，曲洪霞，李成林，等. 微生態制劑及其使用策略對刺參生長與養殖水質的影響[J]. 中國農學通報，2020，36（2）：144-148.

[8] 劉明劍，劉麗麗，朱宏升，等. 海水養殖水質監測與分析系統設計與實現[J]. 水產學雜志，2023，36（4）：99-108.

[9] 張春紅，裘曉峰，夏海輪，等. 物聯網關鍵技術及應用[M]. 北京：人民郵電出版社，2017.

[10] 吳小霞. 生命科學基礎[M]. 南京：南京大學出版社，2021.

[11] 謝林，周煒. 常見水質指標[J]. 漁業致富指南，2019（15）：70.

（責任編輯：敬廷桃）