基于嵌入式技术的智能差压变送器设计

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，虽然我国水产品产量稳居世界前列，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 。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、pH传感器模块负责采集水质参数；

2.4G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WiFi将数据传输到机智云物联云服务平台，用户可以通过手机APP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、pH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GSM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RS485通信接口，支持Modbus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Clark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2.4GHz世界通用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。

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温度变送器

本系统运用BHT-D型的pH温度变送器，分别采集鱼塘中的pH值和温度。pH温度变送器采用双高阻三电极体系，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pH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500ms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。DHT-D型pH、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，工作频率非常高为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。首先，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、pH、温度传感器采集的数值，并每隔30s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。首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APP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非常适值，若小于，则发送继电器闭合命令，接着判断是否还低于非常低下限值，若是，则启动全部增氧机并进行声光报警，同时通过GSM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。鲈鱼的非常适溶解氧浓度应大于3mg/L，非常适pH值为7.7～8.4，非常适温度为20～30℃［4］ 。本次测试期间，溶解氧数据在4.41～5.58mg/L之间变化，均在非常适溶解氧之上，pH值和温度都在非常适值之内。要使鲈鱼达到进食与生存的非常适条件，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值和温度偏离非常适值，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。

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PID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。