嵌入式技術(shù)的智能差壓變送器設(shè)計

摘 要：傳統(tǒng)經(jīng)驗養(yǎng)殖法的增氧存在人力物力嚴重浪費和養(yǎng)殖風(fēng)險高的問題。本文以嵌入式技術(shù)為基礎(chǔ)，擬開發(fā)一種將傳感器、自動化、無線通信和單片機等技術(shù)融為一體的嵌入式智能差壓變送器。本系統(tǒng)以機智云物聯(lián)云服務(wù)平臺為云端數(shù)據(jù)服務(wù)器，以STM32微處理器為控制節(jié)點，采用WiFi無線傳輸實時將溶解氧、pH、溫度值、設(shè)備狀態(tài)傳輸給機智云服務(wù)器，用戶可通過手機遠程查看水質(zhì)參數(shù)及設(shè)備運行狀態(tài)，微處理器通過PID算法進行智能反饋來調(diào)節(jié)溶解氧值，代替人工檢測水質(zhì)及控制增氧機，實現(xiàn)魚塘的智能閉環(huán)反饋增氧。該系統(tǒng)不僅減少了人力物力成本，還有效降低了養(yǎng)殖風(fēng)險。

隨著水產(chǎn)養(yǎng)殖業(yè)的不斷發(fā)展，我國養(yǎng)殖產(chǎn)量持續(xù)且穩(wěn)步增長。目前，雖然我國水產(chǎn)品產(chǎn)量穩(wěn)居世界前列，但水產(chǎn)養(yǎng)殖自動化水平不高，大多數(shù)漁民仍根據(jù)經(jīng)驗養(yǎng)殖法來控制增氧機的啟停時間，此養(yǎng)殖方法不僅風(fēng)險大，而且需耗費大量勞動力。水產(chǎn)養(yǎng)殖中，溶解氧是魚類賴以生存的必要條件，其含量的多寡對魚類覓食、餌料利用率和生長均有很大的影響，水中溶解氧含量的測量對水產(chǎn)養(yǎng)殖業(yè)的發(fā)展具有重要意義。

目前雖然已有一些智能養(yǎng)殖系統(tǒng)，但對水質(zhì)的各項系數(shù)檢測并不全面，檢定精度不高。例如，張淋江等人單一地對水質(zhì)溶氧量進行鑒定，通過網(wǎng)絡(luò)把數(shù)據(jù)傳給智能差壓變送器，與用戶設(shè)定值作比較，從而控制增氧機工作，實現(xiàn)對池塘溶解氧的智能控制［1］ 。水生物的健康生長對水的溶氧量、pH以及溫度這幾項指標(biāo)都有較高的要求。因此，本項目通過開發(fā)基于嵌入式技術(shù)的差壓變送器，根據(jù)用戶養(yǎng)殖對象對水的溶氧量、pH值、溫度的上限值和下限值進行設(shè)定，并采集相關(guān)數(shù)據(jù)，對數(shù)據(jù)進行系列處理和判斷，從而達到智能控制的目的。這樣不僅提高了水質(zhì)檢測精度，還降低了檢測誤差，對水產(chǎn)養(yǎng)殖實現(xiàn)智能管理具有重要意義。

1 系統(tǒng)硬件組成

智能差壓變送器結(jié)構(gòu)，本系統(tǒng)采用STM32微處理器為控制節(jié)點，以機智云物聯(lián)云服務(wù)平臺為云端數(shù)據(jù)服務(wù)器。機智云是致力于物聯(lián)網(wǎng)、智能硬件云服務(wù)的開發(fā)平臺，為開發(fā)者提供自助式智能硬件開發(fā)工具和開放的云端服務(wù)［2］ 。智能差壓變送器硬件由溶解氧傳感器模塊、水中溫度檢測傳感器模塊、pH檢測傳感器檢測模塊、STM32微處理器電路、增氧機設(shè)備、GSM短信透傳模塊、2.4G通信模塊、WiFi無線通信模塊和電源模塊組成。

溶解氧、水溫、pH傳感器模塊負責(zé)采集水質(zhì)參數(shù)；

2.4G無線通信模塊負責(zé)各個子節(jié)點控制器與主節(jié)點控制

器的數(shù)據(jù)傳輸；主節(jié)點控制器負責(zé)接收各個子節(jié)點控制器發(fā)送過來的數(shù)據(jù)，與給定值進行分析和計算，并將數(shù)據(jù)結(jié)果返回各個子節(jié)點，從而智能調(diào)用不同調(diào)節(jié)機制；通過WiFi將數(shù)據(jù)傳輸?shù)綑C智云物聯(lián)云服務(wù)平臺，用戶可以通過手機APP連接機智云服務(wù)器，實時監(jiān)控魚塘水質(zhì)參數(shù)和設(shè)備運行狀態(tài)，還可以在客戶端手動控制差壓變送器；主控顯示模塊負責(zé)顯示實時數(shù)據(jù)。如果溶解氧含量、溫度、pH超出設(shè)置范圍，系統(tǒng)將自動報警并采取自動調(diào)節(jié)機制，同時將報警信息通過GSM短信方式發(fā)送給用戶，達到實時監(jiān)測和智能調(diào)節(jié)的功能，避免了因設(shè)備故障無法及時處理導(dǎo)致魚浮頭甚至死亡，有效降低了養(yǎng)殖風(fēng)險。

2 系統(tǒng)主要硬件及其主要參數(shù)

2.1 溶解氧傳感器

本系統(tǒng)選用瑞蒙德智慧型數(shù)字溶解氧傳感器，它采用電極RS485通信接口，支持Modbus通信協(xié)議，自帶溫度補償功能，準(zhǔn)確度高、抗干擾能力強，保證了系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性。溶解氧傳感器是基于Clark氧電極的工作原理而制作的，傳感器由兩個電極、電解質(zhì)溶液以及特定材料的薄膜組成，這種薄膜只能滲透過氧分子，其他有機及無機溶質(zhì)和水不能滲透過，從而大大提高了測量的準(zhǔn)確度。該溶解氧傳感器主要參數(shù)。

2.2 2.4G無線通信

本系統(tǒng)在通信方面采用了NRF24L01無線通信模塊，該模塊是一款工作在2.4GHz世界通用ISM頻段的無線通信模塊，抗干擾能力強、低功耗、低成本，供電電壓為1.6～3.6V，傳輸速度可以達到2Mbps，距離可達2 000m。它特別適用于工業(yè)無線網(wǎng)絡(luò)傳輸領(lǐng)域，在養(yǎng)殖范圍分散、山區(qū)或沿海地區(qū)的數(shù)據(jù)傳輸場合有明顯優(yōu)勢［3］ 。

2.3 GSM短信透傳模塊

GSM模塊采用的是 ATK-SIM800C-V15 型號，它是一款高性能工業(yè)級模塊，板載 SIMCOM 公司的工業(yè)級四頻模塊SIM800C，工作頻四頻分別為850、900、1 800、1 900MHz，可以低功耗實現(xiàn)SMS（短信）、GPRS數(shù)據(jù)信息的傳輸。

2.4 pH溫度變送器

本系統(tǒng)運用BHT-D型的pH溫度變送器，分別采集魚塘中的pH值和溫度。pH溫度變送器采用雙高阻三電極體系，具有在線一鍵校準(zhǔn)、實時溫度補償、電極松斷報警、校準(zhǔn)時電極好壞報警、掉電保護（可使標(biāo)定結(jié)果和預(yù)置數(shù)據(jù)不因關(guān)機或停電而丟失）、測量精度高、響應(yīng)快、使用壽命長等特點。采集器對水的pH值和溫度不會有影響，在測量的過程中只需要浸泡在水中即可。通過測試，采集的數(shù)據(jù)誤差非常小，在測量允許誤差范圍內(nèi)。采集器會每隔500ms給處理器發(fā)送實時數(shù)據(jù)，從而提高數(shù)據(jù)的可靠性，在指標(biāo)不合格時能及時恢復(fù)指標(biāo)。DHT-D型pH、溫度模塊技術(shù)參數(shù)如表2所示。

2.5 STM32微處理器

該系統(tǒng)采用意法半導(dǎo)體推出的STM32F1系列高性能的ARM Cortex-M3 32位的RISC內(nèi)核，工作頻率非常高為72MHz，內(nèi)置高速存儲器，具有處理運算速度快、穩(wěn)定性高、低功耗、低成本、擴張性強優(yōu)點，非常適合在控制領(lǐng)域的應(yīng)用。它在該系統(tǒng)中主要用于對數(shù)據(jù)的處理。

2.6 WiFi無線通信模塊

本系統(tǒng)采用ATK-ESP8266無線通信模塊，該模塊采用串口（LVTTL）與MCU通信，內(nèi)置TCP/IP協(xié)議棧，能夠?qū)崿F(xiàn)串口與WiFi之間的轉(zhuǎn)換，支持串口轉(zhuǎn)WiFi STA、串口轉(zhuǎn)AP和WiFi STA+WIFI AP的模式，從而可以快速構(gòu)建串口-WIFI數(shù)據(jù)傳輸方案，實現(xiàn)了ATK-ESP8266模塊與機智云物聯(lián)云服務(wù)平臺數(shù)據(jù)傳輸。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計

軟件部分主要包括機智云物聯(lián)云服務(wù)平臺、手機客戶端。本系統(tǒng)程序設(shè)計采用美國Keil Software公司推出的Keil MDK5開發(fā)環(huán)境，它集編譯、編輯、仿真等于一體，支持匯編和C語言的程序設(shè)計，在調(diào)試程序、軟件仿真方面有很強的功能。系統(tǒng)采用“主節(jié)點控制器+多個子節(jié)點控制器”模式，可提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

3.1 子節(jié)點控制器軟件設(shè)計

子節(jié)點控制器軟件設(shè)計程序框圖如圖3所示。首先，程序?qū)Ω鱾€設(shè)備進行初始化設(shè)置，隨后判斷增氧機運行狀態(tài)，同時接收溶解氧、pH、溫度傳感器采集的數(shù)值，并每隔30s將數(shù)據(jù)發(fā)送給主節(jié)點控制器處理，接收主節(jié)點發(fā)送過來的繼電器指令并觸發(fā)相應(yīng)的調(diào)節(jié)機制，同時判斷增氧機是否運行，倘若增氧機發(fā)生故障，程序?qū)l(fā)送報警信息給主節(jié)點控制器。

3.2 主節(jié)點控制器軟件設(shè)計

主節(jié)點控制器軟件設(shè)計程序框圖如圖4所示。首先對處理器上各個外部設(shè)備進行初始化，然后對機智云協(xié)議初始化并判斷手機APP是否連接了機智云服務(wù)器，若連接，則接收子節(jié)點數(shù)據(jù)并現(xiàn)場顯示，同時將數(shù)據(jù)傳輸?shù)綑C智云服務(wù)器，然后對數(shù)據(jù)進行分析、運算、處理；判斷測量值是否小于非常適值，若小于，則發(fā)送繼電器閉合命令，接著判斷是否還低于非常低下限值，若是，則啟動全部增氧機并進行聲光報警，同時通過GSM模塊發(fā)送報警信息，實現(xiàn)遠程報警。系統(tǒng)支持用戶根據(jù)養(yǎng)殖對象的不同生長階段動態(tài)地設(shè)置水質(zhì)參數(shù)。

4 試驗結(jié)果與分析

為了測試該系統(tǒng)運行時的準(zhǔn)確性與穩(wěn)定性，2019年7月開始在廣東省某淡水魚塘里進行實地檢測。測試魚塘面積為0.1hm 2 ，魚塘平均深度達到2.7m，該魚塘采取加州鱸與鯽魚混養(yǎng)的方式，養(yǎng)殖密度為115 380尾/hm 2 。本次試驗進行24h不間斷的檢測，檢測地點分為三處，傳感器安放在距離增氧機6m遠的地方，探頭布置在水下0.7m處，傳感器通過浮筒固定在魚塘測量位置。表3是部分采集數(shù)據(jù)。鱸魚的非常適溶解氧濃度應(yīng)大于3mg/L，非常適pH值為7.7～8.4，非常適溫度為20～30℃［4］ 。本次測試期間，溶解氧數(shù)據(jù)在4.41～5.58mg/L之間變化，均在非常適溶解氧之上，pH值和溫度都在非常適值之內(nèi)。要使鱸魚達到進食與生存的非常適條件，在處理數(shù)據(jù)后可通過系統(tǒng)交流繼電器開啟增氧機，使水中溶氧量維持在3.8～5.5mg/L。如果pH值和溫度偏離非常適值，系統(tǒng)也會根據(jù)反饋發(fā)送緊急信息到漁民手機端。現(xiàn)場數(shù)據(jù)顯示圖、手機APP顯示圖、短信報警截圖。

5 結(jié)語

目前，人工無法及時、準(zhǔn)確地判斷魚塘含氧量來控制增氧機，存在著一定的盲目性，從而導(dǎo)致人力物力的浪費和養(yǎng)殖風(fēng)險的增加。本項目基于嵌入式技術(shù)，結(jié)合機智云物聯(lián)網(wǎng)服務(wù)平臺，擬開發(fā)了一套智能差壓變送器。試驗結(jié)果表明，本系統(tǒng)達到了智能反饋實時檢測數(shù)據(jù)并進行PID計算的目的，從而觸發(fā)系統(tǒng)增氧機制。同時，檢測數(shù)據(jù)及時更新，發(fā)送給客戶端，一旦參數(shù)超出設(shè)定值，系統(tǒng)就會及時報警。系統(tǒng)運行穩(wěn)定，滿足了自動控制差壓變送器的要求，降低了養(yǎng)殖風(fēng)險，節(jié)省人力，節(jié)約電費，提高安全系數(shù)，具有廣泛的應(yīng)用價值。