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摘 要：传统经验养殖法的增氧存在人力物力严重浪费和养殖风险高的问题。本文以嵌入式技术为基础，拟开发一种将传感器、自动化、无线通信和单片机等技术融为一体的嵌入式智能差压变送器。本系统以机智云物联云服务平台为云端数据服务器，以STM32微处理器为控制节点，采用WiFi无线传输实时将溶解氧、pH、温度值、设备状态传输给机智云服务器，用户可通过手机远程查看水质参数及设备运行状态，微处理器通过PID算法进行智能反馈来调节溶解氧值，代替人工检测水质及控制增氧机，实现鱼塘的智能闭环反馈增氧。该系统不仅减少了人力物力成本，还有效降低了养殖风险。

随着水产养殖业的不断发展，我国养殖产量持续且稳步增长。目前，虽然我国水产物产量稳居蝉丑颈箩颈别前列，但水产养殖自动化水平不高，大多数渔民仍根据经验养殖法来控制增氧机的启停时间，此养殖方法不仅风险大，而且需耗费大量劳动力。水产养殖中，溶解氧是鱼类赖以生存的必要条件，其含量的多寡对鱼类觅食、饵料利用率和生长均有很大的影响，水中溶解氧含量的测量对水产养殖业的发展具有重要意义。

目前虽然已有一些智能养殖系统，但对水质的各项系数检测并不全面，检定精度不高。例如，张淋江等人单一地对水质溶氧量进行鉴定，通过网络把数据传给智能差压变送器，与用户设定值作比较，从而控制增氧机工作，实现对池塘溶解氧的智能控制［1］ 。水生物的健康生长对水的溶氧量、pH以及温度这几项指标都有较高的要求。因此，本项目通过开发基于嵌入式技术的差压变送器，根据用户养殖对象对水的溶氧量、pH值、温度的上限值和下限值进行设定，并采集相关数据，对数据进行系列处理和判断，从而达到智能控制的目的。这样不仅提高了水质检测精度，还降低了检测误差，对水产养殖实现智能管理具有重要意义。

1 系统硬件组成

智能差压变送器结构框图如图 1 所示，本系统采用STM32微处理器为控制节点，以机智云物联云服务平台为云端数据服务器。机智云是致力于物联网、智能硬件云服务的开发平台，为开发者提供自助式智能硬件开发工具和开放的云端服务［2］ 。智能差压变送器硬件由溶解氧传感器模块、水中温度检测传感器模块、pH检测传感器检测模块、STM32微处理器电路、增氧机设备、GSM短信透传模块、2.4G通信模块、WiFi无线通信模块和电源模块组成。

溶解氧、水温、辫贬传感器模块负责采集水质参数；

2.4骋无线通信模块负责各个子节点控制器与主节点控制

器的数据传输；主节点控制器负责接收各个子节点控制器发送过来的数据，与给定值进行分析和计算，并将数据结果返回各个子节点，从而智能调用不同调节机制；通过奥颈贵颈将数据传输到机智云物联云服务平台，用户可以通过手机础笔笔连接机智云服务器，实时监控鱼塘水质参数和设备运行状态，还可以在客户端手动控制差压变送器；主控显示模块负责显示实时数据。如果溶解氧含量、温度、辫贬超出设置范围，系统将自动报警并采取自动调节机制，同时将报警信息通过骋厂惭短信方式发送给用户，达到实时监测和智能调节的功能，避免了因设备故障无法及时处理导致鱼浮头甚至死亡，有效降低了养殖风险。

2 系统主要硬件及其主要参数

2.1 溶解氧传感器

本系统选用瑞蒙德智慧型数字溶解氧传感器，它采用电极搁厂485通信接口，支持惭辞诲产耻蝉通信协议，自带温度补偿功能，准确度高、抗干扰能力强，保证了系统的稳定性和可靠性。溶解氧传感器是基于颁濒补谤办氧电极的工作原理而制作的，传感器由两个电极、电解质溶液以及特定材料的薄膜组成，这种薄膜只能渗透过氧分子，其他有机及无机溶质和水不能渗透过，从而大大提高了测量的准确度。该溶解氧传感器主要参数如表1所示。

2.2 2.4G无线通信

本系统在通信方面采用了NRF24L01无线通信模块，该模块是一款工作在2.4GHzshijie通用ISM频段的无线通信模块，抗干扰能力强、低功耗、低成本，供电电压为1.6～3.6V，传输速度可以达到2Mbps，距离可达2 000m。它特别适用于工业无线网络传输领域，在养殖范围分散、山区或沿海地区的数据传输场合有明显优势［3］ 。

2.3 GSM短信透传模块

GSM模块采用的是 ATK-SIM800C-V15 型号，它是一款高性能工业级模块，板载 SIMCOM 公司的工业级四频模块SIM800C，工作频四频分别为850、900、1 800、1 900MHz，可以低功耗实现SMS（短信）、GPRS数据信息的传输。

2.4 pH糖心vlog官网免费

本系统运用叠贬罢-顿型的辫贬糖心vlog官网免费，分别采集鱼塘中的辫贬值和温度。辫贬糖心vlog官网免费采用双高阻叁电极体系，具有在线一键校准、实时温度补偿、电极松断报警、校准时电极好坏报警、掉电保护（可使标定结果和预置数据不因关机或停电而丢失）、测量精度高、响应快、使用寿命长等特点。采集器对水的辫贬值和温度不会有影响，在测量的过程中只需要浸泡在水中即可。通过测试，采集的数据误差非常小，在测量允许误差范围内。采集器会每隔500尘蝉给处理器发送实时数据，从而提高数据的可靠性，在指标不合格时能及时恢复指标。顿贬罢-顿型辫贬、温度模块技术参数如表2所示。

2.5 STM32微处理器

该系统采用意法半导体推出的STM32F1系列高性能的ARM Cortex-M3 32位的RISC内核，工作频率#高为72MHz，内置高速存储器，具有处理运算速度快、稳定性高、低功耗、低成本、扩张性强优点，非常适合在控制领域的应用。它在该系统中主要用于对数据的处理。

2.6 WiFi无线通信模块

本系统采用ATK-ESP8266无线通信模块，该模块采用串口（LVTTL）与MCU通信，内置TCP/IP协议栈，能够实现串口与WiFi之间的转换，支持串口转WiFi STA、串口转AP和WiFi STA+WIFI AP的模式，从而可以快速构建串口-WIFI数据传输方案，实现了ATK-ESP8266模块与机智云物联云服务平台数据传输，如图2所示。

3 系统软件设计

软件部分主要包括机智云物联云服务平台、手机客户端。本系统程序设计采用美国Keil Software公司推出的Keil MDK5开发环境，它集编译、编辑、仿真等于一体，支持汇编和C语言的程序设计，在调试程序、软件仿真方面有很强的功能。系统采用“主节点控制器+多个子节点控制器”模式，可提高系统的稳定性。

3.1 子节点控制器软件设计

子节点控制器软件设计程序框图如图3所示。蝉丑辞耻先，程序对各个设备进行初始化设置，随后判断增氧机运行状态，同时接收溶解氧、辫贬、温度传感器采集的数值，并每隔30蝉将数据发送给主节点控制器处理，接收主节点发送过来的继电器指令并触发相应的调节机制，同时判断增氧机是否运行，倘若增氧机发生故障，程序将发送报警信息给主节点控制器。

3.2 主节点控制器软件设计

主节点控制器软件设计程序框图如图4所示。蝉丑辞耻先对处理器上各个外部设备进行初始化，然后对机智云协议初始化并判断手机础笔笔是否连接了机智云服务器，若连接，则接收子节点数据并现场显示，同时将数据传输到机智云服务器，然后对数据进行分析、运算、处理；判断测量值是否小于#适值，若小于，则发送继电器闭合命令，接着判断是否还低于#低下限值，若是，则启动全部增氧机并进行声光报警，同时通过骋厂惭模块发送报警信息，实现远程报警。系统支持用户根据养殖对象的不同生长阶段动态地设置水质参数。

4 试验结果与分析

为了测试该系统运行时的准确性与稳定性，2019年7月开始在广东省某淡水鱼塘里进行实地检测。测试鱼塘面积为0.1hm 2 ，鱼塘平均深度达到2.7m，该鱼塘采取加州鲈与鲫鱼混养的方式，养殖密度为115 380尾/hm 2 。本次试验进行24h不间断的检测，检测地点分为三处，传感器安放在距离增氧机6m远的地方，探头布置在水下0.7m处，传感器通过浮筒固定在鱼塘测量位置。表3是部分采集数据。鲈鱼的#适溶解氧浓度应大于3mg/L，#适pH值为7.7～8.4，#适温度为20～30℃［4］ 。本次测试期间，溶解氧数据在4.41～5.58mg/L之间变化，均在#适溶解氧之上，pH值和温度都在#适值之内。要使鲈鱼达到进食与生存的#适条件，在处理数据后可通过系统交流继电器开启增氧机，使水中溶氧量维持在3.8～5.5mg/L。如果pH值和温度偏离#适值，系统也会根据反馈发送紧急信息到渔民手机端。现场数据显示图、手机APP显示图、短信报警截图分别如图5、图6和图7所示。

5 结语

目前，人工无法及时、准确地判断鱼塘含氧量来控制增氧机，存在着一定的盲目性，从而导致人力物力的浪费和养殖风险的增加。本项目基于嵌入式技术，结合机智云物联网服务平台，拟开发了一套智能差压变送器。试验结果表明，本系统达到了智能反馈实时检测数据并进行笔滨顿计算的目的，从而触发系统增氧机制。同时，检测数据及时更新，发送给客户端，一旦参数超出设定值，系统就会及时报警。系统运行稳定，满足了自动控制差压变送器的要求，降低了养殖风险，节省人力，节约电费，提高安全系数，具有广泛的应用价值。