魚菜共生系統智能監測與聯動控制的設計與實現

劉永軍田志新宋妙龍陳銳徐震

(1.上海綠椰農業種植專業合作社，上海 201715；2.上海工程技術大學，上海 201620；3.青浦區水產技術推廣站，上海 201799)

引言

我國對魚菜共生監測控制系統研究起步較晚，發展緩慢[1]，國內現有的魚菜共生農業生產方式仍是以人工觀測和經驗判斷為主，耗費人力、時間，而且出錯率比較高。隨著科學技術的發展和物聯網技術的興起，數字化養殖應運而生，將互聯網、物聯網、通信技術等新興技術結合起來，讓智能化、信息化、機械化逐漸取代人工，保證農產品質量安全的前提下大大提高了生產效率，從而提高了農業經濟效益。楊世鳳等[2]設計了一套控制系統，實現了溶氧監測的同時具有自動調控功能；但其僅能調控單參數，多參數下還是需要手工調控，對于多參數管理性能較差。趙月玲等[3]設計出一種基于傳感器技術的低功耗的魚菜共生系統實現對pH數據進行監測與調控。

本文設計的智能監測與聯動控制系統從魚菜共生系統的水質參數入手，實時獲取到水質參數信息，運行穩定可靠。保證食用魚的正常生活環境。實現魚菜共生系統的多參數智能化調控管理，對于規模化養殖有十分重要的意義。

1 系統設計

系統功能由3個關鍵模塊組成，通信模塊，UPS模塊，報警模塊。系統流程如圖1所示。

圖1 實驗流程圖

1.1 通信模塊設計

考慮到需要用到多個串口進行數據通信，主控芯片部分選用STM32F103ZET6，芯片共有144個引腳，包括5個串行接口，本文設計的聯動控制系統主機需要用到3個串口進行數據通信。以水體溶解氧、水溫、pH值3個參數為例，實現聯動控制。

串口1用于PC端與STM32主機之間進行通信，串口3和BC20模塊之間通信信息可以通過printf函數輸出到串口1，從而可以通過串口調試助手在PC端查看到BC20模塊的初始化以及運行信息。傳感器并聯走485總線，數據通信協議為Modbus協議。傳感器地址默認為01，為了防止地址沖突造成數據讀取失敗，將溶解氧傳感器的地址設置為02。Modbus協議是一種國際標準的通訊協議，每臺從機由用戶設定地址以實現訪問操作，地址范圍為0～255[4]。標準的Modbus協議采用2種模式進行通信，ASCII模式和RTU模式[5]。

相比于ASCII模式，RTU模式在同等速率下能夠傳輸更多的信息，所占空間小，傳輸時間短，因此選取RTU模式進行傳輸。

地址幀編碼為1～255，1個主機可接255臺從設備。同一時間，主設備只能和1臺從設備進行通信。從機接收完畢后，生成接收數據(CRC碼除外)的CRC校驗碼，并與主機發送的CRC碼比較，若相同則認為接收正確。

STM32主機通過485總線接收到的數據采用iEEE754格式，CDAB換順序為ABCD，以溫度測量值為例，順序交換后的數據為0x41、0xC6、0x47、0xBC。需要將這4個數據轉換為浮點數，在計算機中，浮點數的存儲均采用4字節的iEEE754格式。下位機應答數據式如表1所示。

表1 接收數據包格式

表2 IEEE754格式

將ABCD數據轉換為二進制形式，第1位為符號位s，1表示負數，0表示正數，第23～30位是階碼n，第0～22位是尾數。轉換為浮點數的計算公式：

(-1)s×2n-127×(1+m)

(1)

式中，s=0，n化成十進制數為131，偏移量為127，尾數m需要各個位乘以權重再相加，每個位的權重系數為2i-23，如第22位的權重系數為2-1，第0位的權重系數為2-23。計算公式：

(2)

式中，j為各個位的數值。如表2所示數據計算得：

m=1×2-1+0×2-2+...+0×2-23=0.5491

(3)

代入公式得最后的浮點數為(-1)0×2131-127×(1+0.5491)=24.7856，所以數據最終的結果為24.7856℃。同理，取到pH值為4.2018，溶解氧的值為10.9103mg·L-1。

各個傳感器實時監測水體參數，將數據存儲至寄存器，主機通過485總線向各個傳感器發送Modbus指令碼，實現對各個傳感器數據寄存器的數據讀取，在主程序內可以進行輪詢周期的設置，從而達到對各參數的實時查詢。

從傳感器讀到的數據發送至NB模塊，NB模塊通過AT指令將數據進行打包處理，發送至云平臺或服務器進行數據遠程監測。本文設計的聯動控制系統，數據上傳到阿里云物聯網平臺。主機通過串口3向NB模塊發送AT指令，進行NB模塊的初始化入網配置，并通過AT指令配置模塊MQTT協議版本，通過MQTT協議連接至阿里云平臺。

1.2 UPS模塊設計

考慮到系統在停電時需要持續運行，需要給系統加裝UPS不間斷供電電源，如圖2所示。

圖2 UPS不間斷供電流程圖

主電源是一個220V轉12VDC的開關電源，12VDC下游接1個電壓轉換模塊，可以將12VDC轉換為3.3V、5V等，可以通過MCU的GPIO引腳接在3.3V輸出的引腳上，時刻檢測電壓值，當主電斷開時，電壓由3.3V降到0V，此刻，在主程序里可以設定當電壓值小于0.5V時，判定主電源斷電，并發出報警信息。電壓轉換模塊12V接口接UPS不間斷供電模塊，該模塊另一路接12VDC鋰電池，可以實現在主電斷電的時候，切換到鋰電池供電，從而實現不間斷供電。

圖3 UPS不間斷供電模塊

1.3 語音報警模塊設計

設備在運行過程中，難免會監測到異常數據，此時需要通過語音報警功能提醒工作人員，一旦設備聯動控制出現故障，工作人員可以在第一時間進行人工干預，從而將風險降到最低。

圖4 語音模塊

語音模塊IO0-IO7 8個引腳可以選擇為組合模式或者獨立模式，獨立模式下0～7引腳每個引腳可以通過低電平觸發1首MP3音頻，而組合模式可以通過0～7引腳組合電平，可以播放0～255首MP3音頻。由于設備報警信息少，因此選擇獨立模式即可滿足功能需求。事先錄制好每個報警信息對應的報警音頻，按照要求各市存放在TF儲存卡內，通過向引腳發送低電平來觸發報警音頻。

2 實驗測試與結果分析

本文選用的傳感器為瑞蒙德廠家生產的智慧型傳感器如圖5、圖6所示。

圖5 PH傳感器 圖6 溶解氧傳感器

按照系統原理圖以及流程圖將主機與傳感器設備以及打氧泵，加熱棒等連接好進行實驗測試，測試發現主機給設備發送指令碼后讀取不到設備數據，通過使用別的廠家設備進行收發數據正常，排除代碼錯誤的可能。通過萬用表電壓檔和電阻檔通過測量485信號線AB間的電壓，測量數據如表3所示。

表3 485傳感器測試電壓電阻值

通過對比，猜想可能跟主機電路板485接口AB間并聯的匹配電阻有關。在RS485通信中，有一種阻抗不連續現象。為了消除這種阻抗不連續現象，需要在電纜的末端跨接1個與電纜的特性阻抗大小相等的匹配電阻，使電纜的阻抗連續[6]。這種阻抗不連續現象往往在遠距離傳輸或者多設備傳輸時產生，考慮到本文使用的傳感器只有10m左右，設備數不超過3臺，加裝匹配電阻反而會拉低設備接入時的電平，導致數據無法正常接收。

后續將STM32開發板的485接口AB線間的跨接電阻去掉后，傳感器可以正常傳輸數據。

故障排除后，設備正常運行，初始化界面顯示BC20 is initializing...，字體不斷變色，等待BC20的初始化配置，如圖9所示。

初始化結束后，系統進入主界面，實時顯示傳感器的收發數據信息，并將數據結果以及各個參數報警信息顯示在LCD屏上，供工作人員現場查看，如圖10所示。

溫度預設值為20～25℃，溫度低于20℃會自動開啟加熱器，使水升溫，溫度達到25℃后，自動關閉加熱器。溶解氧預設值為10.5mg·L-1，當測得溶氧值低于該值時，系統自動啟動打氧泵，使水中溶解氧升高，到達10.5mg·L-1后自動關閉打氧泵。如圖11所示為設備正常運行狀態。

圖7 打氧泵 圖8 加熱器

圖9 系統初4始化

圖10 數據顯示界面

圖11 控制設備啟動

阿里云物聯網平臺是一個為開發人員推出的設備管理平臺，該平臺可以實現傳感器設備、嵌入式設備等終端與云端的雙向數據通信[7]。設備接入物聯網平臺流程如圖12所示。

圖12 阿里云接入流程

終端設備與云端通過MQTT協議進行通信，在MQTT協議下，平臺作為消息代理，終端設備作為消息發布者，而電腦或者移動端作為消息訂閱者。創建設備最后得到了設備認證三元組信息，通過三元組信息，建立設備與物聯網平臺的連接，將數據通過BC20上發給阿里云物聯網平臺，實時監控數據，監控界面如圖13～15所示。

圖13 溫度曲線

圖14 溶氧量曲線

圖15 pH曲線

為了保證系統開發的完整性，聯動控制系統數據同時上傳到自建服務器。NB-IoT支持4種常用協議TCP、MQTT、COAP、UDP，采用MQTT協議或者COAP協議可以對接阿里云平臺、電信云平臺等平臺。而采用TCP協議或者UDP協議與自建服務器進行數據通信。

UDP(User Datagram Protocol)用戶數據包協議，簡稱UDP。IP通過IP地址信息把數據包發送給指定的電腦，然后UDP協議通過端口號就能把數據包發送給指定的程序。

TCP(Transmission Control Protocol，傳輸控制協議)是一種面向連接的、可靠的、基于字節流的傳輸層通信協議。相比于UDP而言，TCP協議是一種面向連接的、可靠的、基于字節流的傳輸層通信協議[8]。

對比了2種協議優缺點，在傳感器數據收發過程中，需要保證數據的完整性和可靠性，因此考慮使用TCP協議建立連接。

測試階段，由于NB-Io T模塊與自建服務器進行通信時，只能通過公網IP地址和端口號與自建服務器建立連接，而PC端是通過路由網關連接到Internet網絡的，此時給電腦分配的IP地址稱為內網IP，NB-Io T模塊不能通過內網IP來與自建服務器進行連接的。想要進行通信必須將自建服務器的IP地址和端口號映射到公網上，將內網中的PC端IP地址映射到公網中的過程被稱為內網穿透，又稱NAT穿透[9]。PC端上安裝“花生殼”軟件，可以實現把內網IP地址和端口號映射到云端。

圖16為花生殼軟件進行內網穿透的結果。

圖16 利用花生殼進行內網穿透

本機地址為127.0.0.1，端口號為8081，映射公網IP為103.46.128.49，端口號為56430，如圖17所示。

通過實驗測試，各個設備間的聯動控制與報警實現功能運行正常，UPS不間斷供電運行正常，數據上傳下發功能正常，云平臺數據收發正常，使得工作人員可以遠程監控，節約人力成本，較好地實現了對魚菜共生系統的智能化管理，同時，在此系統基礎上可以開發更多的參數監測以及聯動控制，而不局限于水質參數的監測。對將來的集成化、規模化、智能化發展具有十分重要的意義。

圖17 建立TCP連接

3 結論

本文設計的智能監測與聯動控制系統從魚菜共生系統的水質參數入手，實時獲取到水質參數信息，運行穩定可靠。從以下幾個方面實現了魚菜共生系統的智能化管理，對于規模化養殖有十分重要的意義。

3.1 關鍵參數監測模塊化設計

針對魚菜共生系統需要監測的關鍵參數，利用stm32單片機，利用RS485總線傳輸，進行了模塊化設計，即分成水質參數監測、云平臺數據交互、語音報警、LCD彩屏顯示、設備控制等模塊，在每一個模塊中，同時方便增刪單個傳感器，方便以后的二次開發。

3.2 數據參數的遠程監控

利用STM32和NB-IoT，對魚菜共生系統中所需的參數進行監測，實現了遠程監測。

3.3 多參數融合下設施設備的智能聯動控制

通過對關鍵參數的監測，對影響魚菜共生系統涉及的設施設備運行的參數進行了融合，基于STM32和物聯網技術，實現了多參數融合下設施設備的智能聯動控制。

3.4 數據監測與聯動控制一體化

市面上的DTU設備只考慮到數據監測，沒有實現數據的分析與聯動控制。本系統針對魚菜共生系統中比較重要的幾個參數入手，不但實現數據檢測，同時實現聯動控制。

本文中涉及到的是養殖水體的pH值、溶解氧、溫度等參數，在這個模式的基礎上可以進一步開發，將蔬菜生長環境參數，如溫濕度、光照度、CO2濃度、氣壓等重要參數考慮進去，從而實現魚菜共生的多參數智能化監測與聯動控制。