劉永軍田志新宋妙龍陳銳徐震

(1.上海綠椰農(nóng)業(yè)種植專業(yè)合作社，上海 201715；2.上海工程技術(shù)大學(xué)，上海 201620；3.青浦區(qū)水產(chǎn)技術(shù)推廣站，上海 201799)

引言

我國對魚菜共生監(jiān)測控制系統(tǒng)研究起步較晚，發(fā)展緩慢[1]，國內(nèi)現(xiàn)有的魚菜共生農(nóng)業(yè)生產(chǎn)方式仍是以人工觀測和經(jīng)驗判斷為主，耗費人力、時間，而且出錯率比較高。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展和物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的興起，數(shù)字化養(yǎng)殖應(yīng)運而生，將互聯(lián)網(wǎng)、物聯(lián)網(wǎng)、通信技術(shù)等新興技術(shù)結(jié)合起來，讓智能化、信息化、機械化逐漸取代人工，保證農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量安全的前提下大大提高了生產(chǎn)效率，從而提高了農(nóng)業(yè)經(jīng)濟效益。楊世鳳等[2]設(shè)計了一套控制系統(tǒng)，實現(xiàn)了溶氧監(jiān)測的同時具有自動調(diào)控功能；但其僅能調(diào)控單參數(shù)，多參數(shù)下還是需要手工調(diào)控，對于多參數(shù)管理性能較差。趙月玲等[3]設(shè)計出一種基于傳感器技術(shù)的低功耗的魚菜共生系統(tǒng)實現(xiàn)對pH數(shù)據(jù)進行監(jiān)測與調(diào)控。

本文設(shè)計的智能監(jiān)測與聯(lián)動控制系統(tǒng)從魚菜共生系統(tǒng)的水質(zhì)參數(shù)入手，實時獲取到水質(zhì)參數(shù)信息，運行穩(wěn)定可靠。保證食用魚的正常生活環(huán)境。實現(xiàn)魚菜共生系統(tǒng)的多參數(shù)智能化調(diào)控管理，對于規(guī)?；B(yǎng)殖有十分重要的意義。

1 系統(tǒng)設(shè)計

系統(tǒng)功能由3個關(guān)鍵模塊組成，通信模塊，UPS模塊，報警模塊。系統(tǒng)流程如圖1所示。

圖1 實驗流程圖

1.1 通信模塊設(shè)計

考慮到需要用到多個串口進行數(shù)據(jù)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(shè)計的聯(lián)動控制系統(tǒng)主機需要用到3個串口進行數(shù)據(jù)通信。以水體溶解氧、水溫、pH值3個參數(shù)為例，實現(xiàn)聯(lián)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(shù)輸出到串口1，從而可以通過串口調(diào)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(lián)走485總線，數(shù)據(jù)通信協(xié)議為Modbus協(xié)議。傳感器地址默認為01，為了防止地址沖突造成數(shù)據(jù)讀取失敗，將溶解氧傳感器的地址設(shè)置為02。Modbus協(xié)議是一種國際標準的通訊協(xié)議，每臺從機由用戶設(shè)定地址以實現(xiàn)訪問操作，地址范圍為0～255[4]。標準的Modbus協(xié)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(shè)備。同一時間，主設(shè)備只能和1臺從設(shè)備進行通信。從機接收完畢后，生成接收數(shù)據(jù)(CRC碼除外)的CRC校驗碼，并與主機發(fā)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(shù)據(jù)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(shù)據(jù)為0x41、0xC6、0x47、0xBC。需要將這4個數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為浮點數(shù)，在計算機中，浮點數(shù)的存儲均采用4字節(jié)的iEEE754格式。下位機應(yīng)答數(shù)據(jù)式如表1所示。

表1 接收數(shù)據(jù)包格式

表2 IEEE754格式

將ABCD數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為二進制形式，第1位為符號位s，1表示負數(shù)，0表示正數(shù)，第23～30位是階碼n，第0～22位是尾數(shù)。轉(zhuǎn)換為浮點數(shù)的計算公式：

(-1)s×2n-127×(1+m)

(1)

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

(2)

式中，j為各個位的數(shù)值。如表2所示數(shù)據(jù)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(shù)為(-1)0×2131-127×(1+0.5491)=24.7856，所以數(shù)據(jù)最終的結(jié)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(jiān)測水體參數(shù)，將數(shù)據(jù)存儲至寄存器，主機通過485總線向各個傳感器發(fā)送Modbus指令碼，實現(xiàn)對各個傳感器數(shù)據(jù)寄存器的數(shù)據(jù)讀取，在主程序內(nèi)可以進行輪詢周期的設(shè)置，從而達到對各參數(shù)的實時查詢。

從傳感器讀到的數(shù)據(jù)發(fā)送至NB模塊，NB模塊通過AT指令將數(shù)據(jù)進行打包處理，發(fā)送至云平臺或服務(wù)器進行數(shù)據(jù)遠程監(jiān)測。本文設(shè)計的聯(lián)動控制系統(tǒng)，數(shù)據(jù)上傳到阿里云物聯(lián)網(wǎng)平臺。主機通過串口3向NB模塊發(fā)送AT指令，進行NB模塊的初始化入網(wǎng)配置，并通過AT指令配置模塊MQTT協(xié)議版本，通過MQTT協(xié)議連接至阿里云平臺。

1.2 UPS模塊設(shè)計

考慮到系統(tǒng)在停電時需要持續(xù)運行，需要給系統(tǒng)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(zhuǎn)12VDC的開關(guān)電源，12VDC下游接1個電壓轉(zhuǎn)換模塊，可以將12VDC轉(zhuǎn)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(dāng)主電斷開時，電壓由3.3V降到0V，此刻，在主程序里可以設(shè)定當(dāng)電壓值小于0.5V時，判定主電源斷電，并發(fā)出報警信息。電壓轉(zhuǎn)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(xiàn)在主電斷電的時候，切換到鋰電池供電，從而實現(xiàn)不間斷供電。

圖3 UPS不間斷供電模塊

1.3 語音報警模塊設(shè)計

設(shè)備在運行過程中，難免會監(jiān)測到異常數(shù)據(jù)，此時需要通過語音報警功能提醒工作人員，一旦設(shè)備聯(lián)動控制出現(xiàn)故障，工作人員可以在第一時間進行人工干預(yù)，從而將風(fēng)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(fā)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(shè)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(yīng)的報警音頻，按照要求各市存放在TF儲存卡內(nèi)，通過向引腳發(fā)送低電平來觸發(fā)報警音頻。

2 實驗測試與結(jié)果分析

本文選用的傳感器為瑞蒙德廠家生產(chǎn)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(tǒng)原理圖以及流程圖將主機與傳感器設(shè)備以及打氧泵，加熱棒等連接好進行實驗測試，測試發(fā)現(xiàn)主機給設(shè)備發(fā)送指令碼后讀取不到設(shè)備數(shù)據(jù)，通過使用別的廠家設(shè)備進行收發(fā)數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)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(lián)的匹配電阻有關(guān)。在RS485通信中，有一種阻抗不連續(xù)現(xiàn)象。為了消除這種阻抗不連續(xù)現(xiàn)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(xù)[6]。這種阻抗不連續(xù)現(xiàn)象往往在遠距離傳輸或者多設(shè)備傳輸時產(chǎn)生，考慮到本文使用的傳感器只有10m左右，設(shè)備數(shù)不超過3臺，加裝匹配電阻反而會拉低設(shè)備接入時的電平，導(dǎo)致數(shù)據(jù)無法正常接收。

后續(xù)將STM32開發(fā)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(shù)據(jù)。

故障排除后，設(shè)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(jié)束后，系統(tǒng)進入主界面，實時顯示傳感器的收發(fā)數(shù)據(jù)信息，并將數(shù)據(jù)結(jié)果以及各個參數(shù)報警信息顯示在LCD屏上，供工作人員現(xiàn)場查看，如圖10所示。

溫度預(yù)設(shè)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(guān)閉加熱器。溶解氧預(yù)設(shè)值為10.5mg·L-1，當(dāng)測得溶氧值低于該值時，系統(tǒng)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(guān)閉打氧泵。如圖11所示為設(shè)備正常運行狀態(tài)。

圖7 打氧泵 圖8 加熱器

圖9 系統(tǒng)初4始化

圖10 數(shù)據(jù)顯示界面

圖11 控制設(shè)備啟動

阿里云物聯(lián)網(wǎng)平臺是一個為開發(fā)人員推出的設(shè)備管理平臺，該平臺可以實現(xiàn)傳感器設(shè)備、嵌入式設(shè)備等終端與云端的雙向數(shù)據(jù)通信[7]。設(shè)備接入物聯(lián)網(wǎng)平臺流程如圖12所示。

圖12 阿里云接入流程

終端設(shè)備與云端通過MQTT協(xié)議進行通信，在MQTT協(xié)議下，平臺作為消息代理，終端設(shè)備作為消息發(fā)布者，而電腦或者移動端作為消息訂閱者。創(chuàng)建設(shè)備最后得到了設(shè)備認證三元組信息，通過三元組信息，建立設(shè)備與物聯(lián)網(wǎng)平臺的連接，將數(shù)據(jù)通過BC20上發(fā)給阿里云物聯(lián)網(wǎng)平臺，實時監(jiān)控數(shù)據(jù)，監(jiān)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(tǒng)開發(fā)的完整性，聯(lián)動控制系統(tǒng)數(shù)據(jù)同時上傳到自建服務(wù)器。NB-IoT支持4種常用協(xié)議TCP、MQTT、COAP、UDP，采用MQTT協(xié)議或者COAP協(xié)議可以對接阿里云平臺、電信云平臺等平臺。而采用TCP協(xié)議或者UDP協(xié)議與自建服務(wù)器進行數(shù)據(jù)通信。

UDP(User Datagram Protocol)用戶數(shù)據(jù)包協(xié)議，簡稱UDP。IP通過IP地址信息把數(shù)據(jù)包發(fā)送給指定的電腦，然后UDP協(xié)議通過端口號就能把數(shù)據(jù)包發(fā)送給指定的程序。

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

對比了2種協(xié)議優(yōu)缺點，在傳感器數(shù)據(jù)收發(fā)過程中，需要保證數(shù)據(jù)的完整性和可靠性，因此考慮使用TCP協(xié)議建立連接。

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

圖16為花生殼軟件進行內(nèi)網(wǎng)穿透的結(jié)果。

圖16 利用花生殼進行內(nèi)網(wǎng)穿透

本機地址為127.0.0.1，端口號為8081，映射公網(wǎng)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(shè)備間的聯(lián)動控制與報警實現(xiàn)功能運行正常，UPS不間斷供電運行正常，數(shù)據(jù)上傳下發(fā)功能正常，云平臺數(shù)據(jù)收發(fā)正常，使得工作人員可以遠程監(jiān)控，節(jié)約人力成本，較好地實現(xiàn)了對魚菜共生系統(tǒng)的智能化管理，同時，在此系統(tǒng)基礎(chǔ)上可以開發(fā)更多的參數(shù)監(jiān)測以及聯(lián)動控制，而不局限于水質(zhì)參數(shù)的監(jiān)測。對將來的集成化、規(guī)?；?、智能化發(fā)展具有十分重要的意義。

圖17 建立TCP連接

3 結(jié)論

本文設(shè)計的智能監(jiān)測與聯(lián)動控制系統(tǒng)從魚菜共生系統(tǒng)的水質(zhì)參數(shù)入手，實時獲取到水質(zhì)參數(shù)信息，運行穩(wěn)定可靠。從以下幾個方面實現(xiàn)了魚菜共生系統(tǒng)的智能化管理，對于規(guī)模化養(yǎng)殖有十分重要的意義。

3.1 關(guān)鍵參數(shù)監(jiān)測模塊化設(shè)計

針對魚菜共生系統(tǒng)需要監(jiān)測的關(guān)鍵參數(shù)，利用stm32單片機，利用RS485總線傳輸，進行了模塊化設(shè)計，即分成水質(zhì)參數(shù)監(jiān)測、云平臺數(shù)據(jù)交互、語音報警、LCD彩屏顯示、設(shè)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(fā)。

3.2 數(shù)據(jù)參數(shù)的遠程監(jiān)控

利用STM32和NB-IoT，對魚菜共生系統(tǒng)中所需的參數(shù)進行監(jiān)測，實現(xiàn)了遠程監(jiān)測。

3.3 多參數(shù)融合下設(shè)施設(shè)備的智能聯(lián)動控制

通過對關(guān)鍵參數(shù)的監(jiān)測，對影響魚菜共生系統(tǒng)涉及的設(shè)施設(shè)備運行的參數(shù)進行了融合，基于STM32和物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，實現(xiàn)了多參數(shù)融合下設(shè)施設(shè)備的智能聯(lián)動控制。

3.4 數(shù)據(jù)監(jiān)測與聯(lián)動控制一體化

市面上的DTU設(shè)備只考慮到數(shù)據(jù)監(jiān)測，沒有實現(xiàn)數(shù)據(jù)的分析與聯(lián)動控制。本系統(tǒng)針對魚菜共生系統(tǒng)中比較重要的幾個參數(shù)入手，不但實現(xiàn)數(shù)據(jù)檢測，同時實現(xiàn)聯(lián)動控制。

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