一種用于魚塘增氧管理的智能浮標(biāo)設(shè)計(jì)

王建，溫嘉威，鐘禮浩，謝家興

（華南農(nóng)業(yè)大學(xué)工程學(xué)院，廣東廣州510642）

我國(guó)的漁業(yè)取得了較大發(fā)展，但大部分個(gè)體養(yǎng)殖戶對(duì)于魚塘的管理存在一定的盲目性，魚塘節(jié)能減排問題的研究較少。魚塘環(huán)境是魚類賴以生存和生長(zhǎng)發(fā)育的基礎(chǔ)，魚塘環(huán)境變壞會(huì)導(dǎo)致魚類缺氧、中毒，嚴(yán)重的還會(huì)造成死亡。養(yǎng)魚戶通常是靠肉眼及經(jīng)驗(yàn)判斷魚塘環(huán)境狀況，來決定是否給魚塘增氧，往往導(dǎo)致增氧機(jī)開關(guān)時(shí)間沒有明確界限，造成電能、塘水浪費(fèi)。實(shí)際應(yīng)用中也有部分是借助溶氧計(jì)測(cè)量水體的含氧量，判斷何時(shí)增氧，但由于溶氧計(jì)較昂貴，功能單一，且不能很好的適應(yīng)魚塘復(fù)雜的環(huán)境，尚沒有得到推廣使用。利用了“三開兩不開”[1]的經(jīng)驗(yàn)理論，實(shí)時(shí)檢測(cè)魚塘水溫、溶解氧等有利于養(yǎng)魚者及時(shí)掌握魚塘信息，還能對(duì)魚塘增氧時(shí)機(jī)給出參考，有利于魚生長(zhǎng)[2-3]。

1 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)方案

1.1 智能浮標(biāo)模塊

智能浮標(biāo)主要由太陽能板、鋰電池、nRF24L01無線通信器件[4]、MMA7361三軸加速度傳感器、TSL230光照測(cè)量器件、DHT11溫濕度傳感、激光與光敏電阻模塊和DS18B20溫度傳感器等組成，整個(gè)器件放在輕質(zhì)密封塑料盒中，框圖如圖1所示，圖2是浮標(biāo)實(shí)物圖。

nRF24L01無線通信器件用于與上位機(jī)進(jìn)行通信，該無線模塊功耗較低，且該器件成本相對(duì)低廉，但保持了在空曠范圍一定距離內(nèi)傳輸信號(hào)的可靠性，適用于魚塘較為空曠的環(huán)境通信；可編程光/頻轉(zhuǎn)換器TSL230用于魚塘光照度測(cè)量；DHT11是用于測(cè)量空氣中的溫度和濕度；DS18B20測(cè)量的是水溫；激光與光敏電阻構(gòu)成水的透明度測(cè)量電路，檢測(cè)水質(zhì)清晰度。三軸傳感器MMA7361是測(cè)量魚塘水波震蕩的狀況的關(guān)鍵器件，具有三個(gè)重力傳感器，分別處于三維直角坐標(biāo)系的x，y，z軸，當(dāng)水面波動(dòng)導(dǎo)致浮標(biāo)震蕩，三軸傳感器輸出xyz三個(gè)變化電壓信號(hào)，將信號(hào)送給STM32F103主控器進(jìn)行處理，分析信號(hào)的變化規(guī)律是否符合魚兒浮頭情況，通過各個(gè)模塊對(duì)魚塘的環(huán)境信息測(cè)量，將所得信息進(jìn)行處理，參照“三開兩不開”原則。判斷是否開啟增氧機(jī)。

圖1 浮標(biāo)控制模型Fig.1 Control model of the buoy

圖2 浮標(biāo)實(shí)物圖Fig.2 The buoy entity

1.2 上位機(jī)主控器模塊

上位機(jī)安放在魚塘岸邊，主站控制模塊由液晶顯示、電流電壓檢測(cè)、無線接收模塊、BUCK降壓電路和增氧機(jī)等組成。STM32F103C8T6微控制器自身包括72 MHz的高頻處理單元，其12位精度的A/D能夠更好地測(cè)出三軸傳感器的微小電壓變量；內(nèi)置電流低于2 μA的睡眠模式有助于節(jié)省功耗，適合魚塘無人管理的環(huán)境；且成本相對(duì)其他同系列型號(hào)低廉。

主控制器功能如下：1）接收智能浮標(biāo)的信號(hào)，控制是否開啟增氧機(jī)，將魚塘的信息顯示在液晶上，同時(shí)通過指示燈與蜂鳴器提醒用戶魚塘所處的狀態(tài)；2）通過主機(jī)的按鍵與開關(guān)進(jìn)行人機(jī)操作；3）太陽能充放電管理。

圖3 主控制器模快Fig.3 Main controller module

1.3 太陽能充電模塊

LTC3105是一款專用太陽能為單節(jié)鋰電池充電芯片，含高效DC/DC轉(zhuǎn)換器、最大功率點(diǎn)控制MPPT和同步整流，低啟動(dòng)電壓，低靜態(tài)電流。圖4為采用太陽能充電的增氧機(jī)電路[4]。

圖4 太陽能充電增氧機(jī)電路Fig.4 Power circuit of aerator supplied by solar panel

2 主要系統(tǒng)算法設(shè)計(jì)

三軸加速度傳感器MMA7361是一種可以對(duì)物體運(yùn)動(dòng)過程中的加速度進(jìn)行測(cè)量的電子設(shè)備，在浮標(biāo)設(shè)計(jì)中起到關(guān)鍵作用，系統(tǒng)主要軟件算法如圖5所示。

圖5 浮標(biāo)組成器件圖Fig.5 Devices composition of the buoy

圖6 數(shù)據(jù)采集處理算法Fig.6 Data collection and processing algorithm

考慮到實(shí)際應(yīng)用中會(huì)有風(fēng)和落葉等使魚塘水面產(chǎn)生起伏，對(duì)系統(tǒng)檢測(cè)魚浮頭現(xiàn)象產(chǎn)生干擾，這種干擾通過算法優(yōu)化以后排除，排除算法主要根據(jù)以下幾點(diǎn)實(shí)現(xiàn)：

1）浮標(biāo)有一定的重量，微風(fēng)和落葉雖然會(huì)在水面產(chǎn)生水波紋，但對(duì)浮標(biāo)產(chǎn)生的振動(dòng)較少，即不會(huì)出現(xiàn)大振幅，而魚浮頭對(duì)浮標(biāo)產(chǎn)生的振動(dòng)振幅會(huì)較大；

2）風(fēng)和落葉等造成水面起伏的頻率是規(guī)則的，而魚浮頭觸動(dòng)水面的振蕩是不規(guī)律的；

3）使用記憶算法，采集一段時(shí)間的浮動(dòng)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，并與前一段時(shí)間的數(shù)據(jù)進(jìn)行比對(duì)，如果出現(xiàn)魚浮頭的現(xiàn)象，兩組數(shù)據(jù)會(huì)有明顯不同。

3 結(jié)束語

設(shè)計(jì)了搭載多種傳感器智能浮標(biāo)，以光伏電池作為浮標(biāo)電源，通過檢測(cè)魚兒浮頭的持續(xù)時(shí)間、水清晰度和水層溫度等，判斷是否換水和魚兒的健康情況，實(shí)現(xiàn)了魚塘環(huán)境檢測(cè)和增氧管理的自動(dòng)化，替代使用成本較高的溶氧計(jì)。通過在魚塘水面布置多個(gè)智能浮標(biāo)，可更加全面掌握魚塘管理情況，能達(dá)到節(jié)電、節(jié)水和減排的目的，同時(shí)避免頻繁巡視魚塘的繁瑣工作，具有良好的應(yīng)用前景。

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