基于STM32和阿里云IoT的水產(chǎn)養(yǎng)殖水質(zhì)監(jiān)測系統(tǒng)設計與實現(xiàn)

摘 要 針對水產(chǎn)養(yǎng)殖產(chǎn)業(yè)傳統(tǒng)水質(zhì)監(jiān)測方法存在人工依賴性強、難以實時獲取水質(zhì)環(huán)境參數(shù)等問題，設計了一套基于STM32和阿里云IoT平臺的水產(chǎn)養(yǎng)殖水質(zhì)監(jiān)測系統(tǒng)。系統(tǒng)基于阿里云IoT平臺開發(fā)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(shù)的水質(zhì)檢測傳感器組成數(shù)據(jù)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(tǒng)不僅能夠?qū)崿F(xiàn)水質(zhì)數(shù)據(jù)的實時采集，還能夠?qū)?shù)據(jù)遠程傳輸?shù)接脩舳耍⑸蓺v史數(shù)據(jù)曲線，從而實現(xiàn)了全面的水質(zhì)監(jiān)測。此外，系統(tǒng)還能夠主動響應數(shù)據(jù)異常，并觸發(fā)聲光報警，減少了對人工干預的需求，提高了監(jiān)測的及時性和準確性。

關鍵詞 水產(chǎn)養(yǎng)殖；水質(zhì)監(jiān)測；物聯(lián)網(wǎng)；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(nóng)業(yè)現(xiàn)代化建設取得了顯著進展，具備了由農(nóng)業(yè)大國邁向農(nóng)業(yè)強國的基本條件[1]。在農(nóng)業(yè)領域，水產(chǎn)養(yǎng)殖作為一個重要產(chǎn)業(yè)一直呈現(xiàn)出良好的發(fā)展態(tài)勢，其產(chǎn)品產(chǎn)量逐年上升[2]。水產(chǎn)養(yǎng)殖業(yè)逐漸呈現(xiàn)出大規(guī)模和工廠化的趨勢，密集養(yǎng)殖和相對封閉的水體養(yǎng)殖成為主要特點。這一趨勢對于水產(chǎn)養(yǎng)殖行業(yè)的未來發(fā)展具有重要意義。

養(yǎng)魚首要考慮的是水質(zhì)[3]，因為水質(zhì)對養(yǎng)殖的影響至關重要。養(yǎng)殖過程不僅需要確保水體中的養(yǎng)分充足，還需要維持水質(zhì)環(huán)境的穩(wěn)定性[4]。水質(zhì)環(huán)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(fā)生頻率[5]。

水質(zhì)環(huán)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(yǎng)殖水體的惡化[7]，增加了養(yǎng)殖水質(zhì)管理的難度，因此，為了成功養(yǎng)魚，必須注重水質(zhì)管理，以確保水質(zhì)環(huán)境的穩(wěn)定性和適宜性。

傳統(tǒng)的水質(zhì)管理方法通常涉及設置水質(zhì)監(jiān)測點[8]，選擇適當?shù)乃w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(zhì)參數(shù)等問題。為了應對這一挑戰(zhàn)，本文設計了一套基于STM32和阿里云IoT平臺的水產(chǎn)養(yǎng)殖水質(zhì)參數(shù)監(jiān)測系統(tǒng)。該系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)水質(zhì)參數(shù)的采集、傳輸和顯示，為養(yǎng)殖區(qū)的水質(zhì)監(jiān)測提供了一種全面的、自動化的解決方案。

1 "系統(tǒng)總體設計

物聯(lián)網(wǎng)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(chǎn)養(yǎng)殖水質(zhì)監(jiān)測系統(tǒng)的設計基于這一體系架構，主要由3個部分構成：數(shù)據(jù)采集端、微控制單元和用戶端。系統(tǒng)整體構架如圖1。

數(shù)據(jù)采集端位于系統(tǒng)最底層，主要負責感知養(yǎng)殖現(xiàn)場水質(zhì)的理化指標。感應器件包含各種水質(zhì)檢測傳感器及其數(shù)字信號接口，用于采集水質(zhì)理化指標后并將其轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號，然后發(fā)送給微控制單元。

微控制單元位于系統(tǒng)的中間層，為系統(tǒng)的核心。主要功能是協(xié)調(diào)數(shù)據(jù)采集端和用戶端之間的數(shù)據(jù)傳輸，還包括系統(tǒng)調(diào)試、實時數(shù)據(jù)顯示及聲光報警的控制。系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸采用了混合網(wǎng)絡技術，包括RS485總線網(wǎng)絡和Wi-Fi網(wǎng)絡。微控制單元的主要組件包括串口屏接口、串口RS485轉(zhuǎn)換模塊、串口USB轉(zhuǎn)換模塊和ESP8266無線網(wǎng)絡模塊。

用戶端位于系統(tǒng)的頂層，主要用于提供用戶與系統(tǒng)的交互界面，以實現(xiàn)水質(zhì)數(shù)據(jù)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(tǒng)實現(xiàn)水質(zhì)數(shù)據(jù)的完整監(jiān)測、遠程傳輸和用戶友好的可視化呈現(xiàn)，同時還能實時響應數(shù)據(jù)異常，觸發(fā)聲光報警。

2 "系統(tǒng)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(wěn)定性高、價格實惠等優(yōu)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(tǒng)開發(fā)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(tǒng)調(diào)試。

在本系統(tǒng)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(zhuǎn)換芯片。CH330N是一款低成本的USB轉(zhuǎn)串口芯片，內(nèi)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(shù)據(jù)采集端將水質(zhì)理化指標數(shù)據(jù)發(fā)送至總線網(wǎng)絡后由RS485接口進入微控制單元。

本系統(tǒng)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(fā)送引腳（USART3_TXD），接口使用SP3072E芯片。SP3072E是一款雙向RS232轉(zhuǎn)換器芯片，適用于RS485通信，同時將PH8引腳作為發(fā)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(fā)送功能，當PH8為低電平時允許接收數(shù)據(jù)，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(tài)時RS485總線維持邏輯1，將USART3的TTL電平信號轉(zhuǎn)化成RS485的差分信號。

系統(tǒng)配置了現(xiàn)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(fā)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(fā)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(tǒng)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(jù)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(tǒng)采用STM32F407的UART4外設作為物聯(lián)網(wǎng)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(fā)送引腳（UART4_TXD），同時PC6作為ESP8266模塊的復位引腳。為了實現(xiàn)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(shù)據(jù)采集端硬件選型和通信網(wǎng)絡設計

數(shù)據(jù)采集端包括多路水質(zhì)檢測傳感器，用于監(jiān)測水產(chǎn)養(yǎng)殖的關鍵水質(zhì)參數(shù)，包括水溫、pH值、溶解氧和鹽度等。水溫作為最基本的水質(zhì)參數(shù)之一，通常情況下，較低的水溫會導致水生生物體內(nèi)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(zhì)參數(shù)。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(chǎn)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(shù)的監(jiān)測對于水產(chǎn)養(yǎng)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(tǒng)采用了多種水質(zhì)檢測傳感器作為數(shù)據(jù)采集端的一部分。本系統(tǒng)所選用的水質(zhì)檢測傳感器的規(guī)格：水溫0 ～ 100 ℃，pH值0 ～ 14，溶解氧0 ～ 1 000 mg·L-1，鹽度0 ～ 50 PPT。

數(shù)據(jù)采集端的傳感器通信網(wǎng)絡采用了上海清淼公司的水質(zhì)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(tǒng)長距離和多節(jié)點的需求。數(shù)據(jù)傳輸采用了Modbus-RTU協(xié)議格式。系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集端包括多個監(jiān)測點，每個監(jiān)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(tǒng)的用戶端配置了現(xiàn)場顯示屏、Web應用和聲光報警器，以實現(xiàn)水質(zhì)監(jiān)測現(xiàn)場的數(shù)據(jù)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(zhì)數(shù)據(jù)實現(xiàn)現(xiàn)場顯示。此外，系統(tǒng)還支持遠程數(shù)據(jù)顯示，通過連接到阿里云IoT平臺的web應用，用戶可以遠程監(jiān)控水質(zhì)數(shù)據(jù)。

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(zhì)數(shù)據(jù)超過預設閾值時觸發(fā)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(xù)閃爍。當水質(zhì)數(shù)據(jù)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(zhì)數(shù)據(jù)超出閾值時，系統(tǒng)會觸發(fā)聲光報警機制，確保及時的報警和提醒。

3 "系統(tǒng)軟件設計

3.1 "系統(tǒng)開發(fā)環(huán)境搭建

本系統(tǒng)的微控制單元軟件開發(fā)基于Keil MDK-ARM V5集成開發(fā)環(huán)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(fā)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(fā)效率。為了提高開發(fā)效率，ST公司將各寄存器的功能封裝成函數(shù)，并組成了函數(shù)庫，用戶可以通過調(diào)用這些函數(shù)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(fā)軟件。通過STM32CubeMX的可視化界面，開發(fā)者可以輕松配置引腳參數(shù)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(tǒng)開發(fā)提供了極大的便利。這一綜合開發(fā)環(huán)境使得在STM32上進行軟件開發(fā)更加高效和便捷。

用戶端Web應用借助阿里云IoT平臺開發(fā)。首先，在阿里云網(wǎng)站上注冊并登錄，然后進入物聯(lián)網(wǎng)控制平臺，創(chuàng)建IoT產(chǎn)品并添加設備。創(chuàng)建產(chǎn)品過程依次進行產(chǎn)品命名、設置網(wǎng)絡連接方式、設置數(shù)據(jù)格式及添加物模型TSL操作。系統(tǒng)設置網(wǎng)絡連接方式為Wi-Fi，設置數(shù)據(jù)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(chǎn)品創(chuàng)建。產(chǎn)品創(chuàng)建成功后為其添加設備，設備會繼承產(chǎn)品的屬性和特性，同時生成MQTT連接參數(shù)，包含clientId、username、passwd、mqttHostUrl及其port，記錄這些參數(shù)，隨后在系統(tǒng)接入IoT平臺設備時使用。最后，在阿里云IoT studio創(chuàng)建Web應用，將其與之前創(chuàng)建的產(chǎn)品和設備關聯(lián)，并添加對應物模型參數(shù)，完成用戶端Web應用開發(fā)。

3.2 "設置系統(tǒng)初始化流程

系統(tǒng)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(tǒng)滴答定時器，配置系統(tǒng)時鐘，初始化串口并設置串口中斷優(yōu)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(wǎng)絡配置程序，使ESP8266模塊能夠成功連接到Wi-Fi網(wǎng)絡并獲取分配的IP地址；接著，系統(tǒng)配置MQTT參數(shù)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(shù)據(jù)采集端發(fā)送問詢報文，等待應答報文，并解析其中包含的水質(zhì)參數(shù)數(shù)據(jù)。這些數(shù)據(jù)隨后被同步到用戶界面，包括Web應用和現(xiàn)場顯示屏。如果系統(tǒng)檢測到水質(zhì)參數(shù)異常，將觸發(fā)異常報警（見圖8）。

3.3 "讀取數(shù)據(jù)采集端水質(zhì)參數(shù)

數(shù)據(jù)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(xié)議命令進行通信。通信配置：波特率 9 600 bps，數(shù)據(jù)位 8位，停止位 1位，無校驗位。

系統(tǒng)運行時，不同監(jiān)測點的水質(zhì)檢測傳感器會主動采集水質(zhì)數(shù)據(jù)。微控制單元STM32以不間斷的方式向數(shù)據(jù)采集端的水質(zhì)傳感器發(fā)送問詢報文。數(shù)據(jù)采集端將采集到的水質(zhì)參數(shù)打包成Modbus-RTU數(shù)據(jù)格式。這些數(shù)據(jù)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(jù)需要來調(diào)整監(jiān)測點的數(shù)量和傳感器的種類，以滿足不同的監(jiān)測需求。

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

每個監(jiān)測點的水質(zhì)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(jiān)測點中，使用Modbus-RTU協(xié)議的功能碼進行傳感器的訪問和數(shù)據(jù)采集。唯一的Modbus地址確保了系統(tǒng)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(fā)生通信沖突。

水質(zhì)監(jiān)測點傳感器作為從機應答回復16進制問詢報文，以單個監(jiān)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(jié)16進制水質(zhì)數(shù)據(jù)解析，例如0x40 0xCA 0xB2 0xEC解析后，將pH參數(shù)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(xié)議，其中MQTT是一種輕量級、發(fā)布與訂閱型的消息傳遞協(xié)議，適用于物聯(lián)網(wǎng)設備之間的通信。其優(yōu)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(tǒng)中，微控制單元通過向ESP8266模塊發(fā)送AT指令連接到阿里云IoT平臺，完成主題發(fā)布與訂閱及數(shù)據(jù)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(fā)送AT+MQTT格式的指令，以執(zhí)行主題的發(fā)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(fā)送指令來連接到Wi-Fi網(wǎng)絡并獲取IP地址。一旦成功，STM32會依次發(fā)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(fā)布設置，使STM32能夠與阿里云IoT平臺進行數(shù)據(jù)交換。

4 "系統(tǒng)測試與結論

本文基于阿里云IoT平臺和STM32設計了一套水產(chǎn)養(yǎng)殖水質(zhì)監(jiān)測系統(tǒng)。系統(tǒng)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(jiān)測點，以監(jiān)測點為單位收集監(jiān)測數(shù)據(jù)并通過RS485總線將水質(zhì)環(huán)境數(shù)據(jù)傳輸?shù)轿⒖刂茊卧蒞i-Fi網(wǎng)絡模塊將水質(zhì)環(huán)境數(shù)據(jù)發(fā)送至阿里云IoT平臺。系統(tǒng)基于阿里云IoT平臺開發(fā)了Web應用，Web應用實現(xiàn)養(yǎng)殖水質(zhì)環(huán)境參數(shù)的實時顯示，從而實現(xiàn)養(yǎng)殖水質(zhì)環(huán)境參數(shù)的遠程監(jiān)測。

系統(tǒng)可以根據(jù)現(xiàn)場情況調(diào)整監(jiān)測點位置或數(shù)量，以便于養(yǎng)殖現(xiàn)場情況發(fā)生變化時做出調(diào)整。多監(jiān)測點水質(zhì)監(jiān)測結果互相參照，增加系統(tǒng)監(jiān)測結果的可靠性。該系統(tǒng)運行時，用戶可以通過現(xiàn)場顯示屏或用戶端Web應用實時掌握養(yǎng)殖現(xiàn)場水質(zhì)參數(shù)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(zhì)參數(shù)回歸正常值，從而確保養(yǎng)殖水質(zhì)環(huán)境參數(shù)穩(wěn)定可控（見圖9）。系統(tǒng)還可以為水產(chǎn)養(yǎng)殖科學水質(zhì)管理設施研究與開發(fā)提供一定借鑒。

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（責任編輯：敬廷桃）