基于NB-IoT 的水產養殖增氧機智能控制器設計

王詩涵，姚天灝，沈玥，黃家煒，蘇雨薇

（江南大學 物聯網工程學院，江蘇無錫，214000）

0 引言

近年來，中國的水產養殖業飛速發展，帶動了農業的發展。然而，水產養殖環境受到工業和人工污染的影響，造成水產養殖水域的污染。大量養殖產品的非正常死亡給整個水產養殖業帶來了巨大的經濟損失，使得水產養殖業的發展受到阻礙。因此,水質監測起著至關重要的作用。況且，傳統水質監控系統采用有線傳輸方式傳輸水質相關數據信息，不僅水下難以布線，線路也易于受到水底生物的破壞。針對這些問題，本項目通過在水里投放水產養殖增氧機，實時監測水產養殖的水質,收集各種水產養殖的相關數據,并且根據環境變化及時調控，可以在一定程度上避免養殖產品死亡。本項目還研制了一款水產養殖增氧機智能控制器，選取STM32 微控制器作為核心控制器,利用溫度傳感器、PH 值傳感器、溶解氧傳感器采集水質信息[1],通過增氧機驅動模塊（DC-AC 逆變）和NBIOT 通信模塊傳輸數據信息，通過光儲供電模塊不間斷地為系統供電,借助OneNet 物聯網平臺并對接APP，實現增氧機工作參數的遠程調控,可以根據季節、天氣的變化對增氧機實現靈活控制。研究成果對于水產養殖，智能控制、精準農業等具有重要意義，同時，在我國這樣一個農業大國，具有廣闊的市場前景。

1 研究現狀

水產養殖業是全球農業發展的重點研究產業之一，具有廣闊的發展前景。其中，水質對產業發展有著不可忽視的影響，受到了水產養殖業的密切關注。我們對水產養殖業的發展狀況和水質監測系統的研究狀況進行分析和總結，一定程度上提高了研究價值，為本項目的主要研究依據打下了較為堅實的基礎。

■1.1 水質監測方面

已有研究大多選取STM32 單片機微處理器為研究對象，通過其強大的功能來控制與水質檢測有關的傳感器。選擇各種PH、溫度以及溶解氧的傳感器型號，以測量準確性為核心，通過分析各引腳的不同功能設計連接線路，將采集的數據與標準值進行對比分析，得到采集精度的結果。

■1.2 系統供電方面

在海外研究的基礎上，國內開發了一個太陽能供電模塊，其中包括支持電能存儲的鋰電池和一個太陽能充放電控制器。測試結果表明，該模塊提供的電源可以維持三個雨天。但是，如果超過三天沒有太陽，系統將無法正常供電。因此，仍然需要進一步完善系統供電功能模塊[2]。

■1.3 無線傳輸方面

選用GPRS 模塊作為無線傳輸模塊，通過Intemet 網絡進行數據傳輸，可有效支持遠程傳輸，并可實現2000 米以內的同等數據傳輸精度，有效降低開發成本。根據水產養殖基地的區域分布，為了滿足覆蓋區域的需要設置了上百個監測點。該模塊的數據傳輸主要是根據核心控制器的控制功能來編寫相應的程序，設計控制電路。除此之外,為了便于用戶查看數據實時信息,設計了雙向通信系統,即由現場采集終端向遠程監控終端發送數據信息,同時向用戶手機發送數據信息[3]。

綜上所述，現有水產養殖水質監測系統主要在水質監測、系統供電和無線傳輸三個方面有研究成果。但是由于電池能量存儲較小的特點,并不能滿足部分地區水質監測系統長期工作的供電需求。水質監測系統開發的首選工具是GPRS 無線傳輸模塊，針對此系統，水質信息采集方面的已有研究較多，但由于工作現場任務大，數據傳輸的實時性受到干擾。本項目將在已有研究基礎上,采用光伏與儲能電池互補供電的模式,解決大面積水域供電困難的難題;采用NB-IoT 與APP 相結合的方式實現增氧機工作參數的遠程設置。可以根據季節、天氣的變化實現對增氧機的靈活控制;根據當前的水質參數進行數據挖掘推送養殖決策指令。

2 研究內容、研究目標及擬解決的關鍵問題

■2.1 研究內容

研發的智能控制器的結構框圖如圖1 所示。

圖1 控制器體統整體結構框架圖

(1)基于“一線總線”的水質參數監測：含氧量、溫度、濁度等是水質的重要參數，研究通過“一線總線”接口下掛溶解氧傳感器、溫度傳感器、濁度傳感器等，同時測量多個水質參數，一線總線結構簡潔且經濟，可以使系統抗干擾能力大大提高。

(2)基于NB-IoT 通信模塊的無線數據傳輸：研究通過NB-IoT 無線通訊模式，將采集到的水質參數及時傳輸到A終端，實現遠程顯示及監控，為水產養殖的增氧最佳時機提供參考。

(3)基于光+儲互補的系統供電：研究光伏+儲能電池互補供電技術，將太陽能轉化為化學能存儲在蓄電池中，光照良好的情況下直接通過太陽能供電，光照不足時則通過蓄電池供電。

(4)移動控制終端APP 的設計：研究通過APP 終端實現各水質參數的遠程顯示及監控，既可以手動根據季節和天氣變化對增氧機進行靈活控制，又可以自動根據當前反饋得到的水質參數進行挖掘推送養殖指令。

■2.2 研究目標

該設計以STM32 單片機為核心，借助OneNet 物聯網平臺并對接APP 而設計的水產養殖增氧機智能控制器，設計主要由硬件、軟件、OneNet 物聯網管理平臺、APP 組成。可以同時檢測多個水質參數，并將數據上傳到移動控制終端APP，通過NB-IoT 與APP 相結合的方式實現增氧機工作參數的遠程設置，并根據當前的水質參數進行數據挖掘推送養殖決策指令。

■2.3 擬解決的關鍵問題

2.3.1 大面積水域供電困難問題

由于增氧機須大面積安置在池塘中，并且為了不破壞水質，增氧機一經安裝，應盡可能減少拆除次數，因此首要考慮問題的問題就是供電問題。為了延長供電時間，該設計采用了光伏與儲能電池互補供電模式，在傳感器測得水質參數數據正常無需供氧時，通過NB-IoT 通信控制模塊使增氧機進入休眠或停止供電，盡可能減少電能的消耗。

2.3.2 APP 及決策推送模塊的設計

移動控制終端APP 既需要通過NB-IoT 通信模塊控制增氧機工作參數，又需要根據傳感器采集的數據進行分析挖掘，推送養殖決策指令。只有保證決策推送模塊的正確性與準確度才能使增氧機在無需人工調試的時間內正常工作。

3 硬件設計

本項目通過理論研究、硬件設計、軟件設計等步驟進行研究，以期達到預設目標。下面圍繞主要研究內容及關鍵問題進行詳細技術方案的描述。

■3.1 含氧量測量

氧氣檢測調理單元收集、轉換和放大信號并輸出易于檢測的電壓信號，處理單元完成輸入信號的模數轉換、顯示和串行輸出三方面的實現。網絡傳輸單元將串行輸出轉換為網絡輸出并傳輸到網絡上[4]。遠程處理顯示單元實時顯示從網絡傳輸單元收到的網絡數據。報警單元完成報警單元完成對超標濃度的報警任務，其報警值是由軟件預設的。

圖2 含氧量測量模塊結構圖

■3.2 溫度測量

通過使用STM32 主控芯片的溫度傳感器進行實時溫度檢測和顯示，可以快速檢測環境溫度，并能根據需求設置報警溫度的上下限。

圖3 溫度測量模塊結構圖

用STM32 作為測控系統的核心來完成數據采集、處理、顯示等功能，并用數字溫度傳感器對輸出信號進行完全數字化處理，有利于單片機進行處理及控制。

■3.3 濁度測量

硅光電池作為傳感器接受器，它能感受光信號，并將光信號轉換成電信號，但是這個電流信號非常微弱，單片機不易識別，所以將轉換得來的電流信號經過放大，然后將放大后的電流信號輸入到A/D 轉換器中進行模數轉換，將A/D轉換后得到的數字信號傳輸到單片機并進行計算以及存儲，對測量得到的濁度值進行顯示。

■3.4 參數標定

對檢測到的不同含氧量、不同溫度、不同濁度與該條件下測得的電壓值進行曲線擬合，并且與該條件下的最優條件進行對比給APP 使用者推薦一個推薦值。

圖4 濁度測量模塊

圖5 參數標定流程圖

■3.5 數據傳輸

采集的數據通過NB-IoT 通信模塊，傳輸到移動控制終端APP。頂層app 可以根據季節、天氣的變化來完成對增氧機的靈活控制。頂層控制可以對系統的自動控制進行人工干預，從而達到一些特殊的需求。

■3.6 供電系統

本系統采用光伏+儲能蓄電池互補的供電方式，并分別對單片機和增氧機進行供電。太陽能給系統供電的同時給儲能電池充電，儲能電池也能夠直接外加電源進行充電，在沒有光照的時候由蓄電池供電。在保證裝置正常所需電能供給的同時，光伏電板的加入也能夠體現本系統的環保意識。

圖6 數據傳輸模塊結構圖

圖7 STM32 供電模塊結構圖

圖8 增氧機供電模塊結構圖

圖9 是單片機電路原理圖設計。

圖9 主電路原理圖設計

4 軟件設計

網絡通信程序是用C 語言編寫的。源程序采用模塊化編程，下位機每隔30 分鐘采集一次數據，每次采集后立刻關閉電源來減少能源消耗；當發送時間到,服務器接收下位機采集的數據，隨后直接存儲到指定的數據庫中。軟件可以達到將接收的數據直接存儲到指定數據庫中的目的，下面是服務器端接收軟件的部分源代碼。

圖10 網絡通信程序設計

5 創新點

本項目有以下創新點：

(1)采用光伏與儲能電池互補供電的模式，解決了大面積水域供電困難的難題。

傳感器所安裝的魚塘水域面積大，遙控中心距離較遠，在設備已經安裝好的情況下，不適合定期拔出和更換電池，對水產養殖環境造成干擾。該項目采用光伏和電池互補的供電模式，并將傳感器的耗電量降到最低，為實現長時間進行野外作業提供了可能性。該模式提高了遠程數據采集的穩定性和連續性，解決了大面積水域供電困難的難題。

(2)采用NB-IoT 與APP 相結合實現增氧機工作參數的遠程設置，可以根據季節、天氣的變化對增氧機實現靈活控制。

本系統采用目前較先進的無線通信技術NB-IoT。與2G技術相比，NB-IoT 技術具有較低功耗、更廣覆蓋、更低成本等優勢。主控制器會將采集到的傳感器數值按照固定的協議打包，并經過NB 模塊發送至云平臺，然后平臺解析出所接收到的數據，并且顯示相應的參數。此外，NB 模塊接收來自云平臺或者APP 發送的控制命令通過串口傳送給主控制器，達到實時且靈活多變地控制增氧機的效果[5]。

(3)根據當前的水質參數進行數據挖掘推送養殖決策指令。

信息傳輸無疑是精確漁業系統至關重要的組成部分。本項目設計的基于NB-IoT 的水產養殖增氧機可以實時監測水中氧度、溫度、濁度等，決策人員通過遠程服務器查看增氧機采集的水質參數，及時根據具體情況改善水質，提高水產養殖的工作效率，從而達到極大地提高漁業生產的效率和收益的目的。