基于ARM9及Android的水产养殖监控系统设计

王鸿雁， 孟祥印， 赵　阳， 陶　涛

(西南交通大学机械工程学院，四川 成都 610031)



基于ARM9及Android的水产养殖监控系统设计

王鸿雁， 孟祥印， 赵阳， 陶涛

(西南交通大学机械工程学院，四川 成都 610031)

为促进水产养殖的技术更新，提高生产过程的自动化水平，设计了一种基于ARM9处理器和Android操作系统的水产养殖自动监测控制系统。采用STM32微处理器实时采集养殖场水温、pH、溶氧、水位4项参数，用ZigBee节点技术进行综合，并以无线方式传输数据至Android终端，实现水质参数的自动调节与控制。当溶氧浓度和水位超出预定阈值时，系统根据检测结果自动控制增氧机与补排水泵的开启与关闭；当pH与水温超出阈值时，系统会通过终端及现场报警提醒人工干预，减少环境对水产养殖产量的影响。测试结果显示，可控制溶氧、水位在合理误差范围内(分别为±0.4 mg/L、±2 cm)，可以满足水产养殖远程监控的要求。

水产养殖；监测控制；ARM9；Android；STM32；ZigBee

集约化水产养殖模式是我国水产养殖的发展方向，其中水质监控是实现水产养殖现代化的关键[1]。建立设备配套性能完好、技术先进、自动化程度高、系统连续稳定运行的自动控制系统，能够为水产养殖提供可靠的水质和生态条件[2]。基于无线传感器网络的水产养殖水质监测系统[3-5]和基于物联网Android平台的水产养殖远程监控系统[6-8]的研究应用，实现了水质监测与无线传输以及利用手机对水质环境进行实时监控、跟踪[6-8]，但也存在监测数据与何种终端匹配的问题以及缺少智能决策与预测预警功能。本文基于ARM9处理器和Android操作系统，设计了一种新型水产养殖环境监测控制系统，用于实时监测养殖水体的温度、pH、溶氧和水位。系统功耗低、体积小，方便安装与应用，为水产养殖环境的监测提供了一种新的方法。

1　系统总体设计

该系统由上、下位机和控制系统组成(图1)。其中，下位机由STM32控制，负责采集pH、水温、水位和溶氧(DO)，然后经ZigBee模块发送出去；上位机终端可以是平板或手机等Android设备，主要负责对池塘的监测；控制系统核心为ARM9，当ZigBee模块接收到上下位机的信号后通过串口传输给ARM9控制器，控制器根据预定程序作出决策。

图1　系统总体设计

当系统工作时，ARM9控制器将从传感器获得的参数与系统设定阈值相比较，自行判断并作出决策，逐次比较数据并实时输出控制参数；根据决策结果决定通知上位机或直接控制下位机；当决策自动控制水流和增氧两个动作时，将信号通过ZigBee传输至下位机以控制增氧机与补排水泵；当需要报警提醒时，通过ZigBee发送信号给下位机以发出现场警报信号，同时通过远程传输方式通知上位机，在系统终端显示报警信号。

2　系统硬件设计

2.1硬件组成

硬件部分主要由传感器模块、处理器模块、无线通信模块和继电器模块组成(图2)。传感器模块包括水质传感器和信号调理电路。处理器模块、无线通信模块和继电器模块构成主控板。

图2　硬件设计

处理器模块采用意法半导体公司的STM32F103，在电路板设计中搭配使用LM817光耦隔离芯片[9-11]，保证采集数据时不会受到外界干扰。适用于自动控制和远程控制的ZigBee模块通过串口与STM32连接[12-13]，可嵌入各种设备。通过LM2576s和ASM117-3.3芯片组成的电路将电源电压转换为5 V和3.3 V，能直接为ZigBee模块和继电器供电。

2.2水温调理电路

为减少系统开发成本，温度采集采用PT100传感器，调理电路(图3)采用3.3 V供电的差动电桥电路和±5 V供电的两级反向运算放大电路，差动电桥输出的电压经过前级放大器反向跟随电路输出至二级放大电路的同向端，根据集成运放虚短虚断原理，得到：

(1)

式中：R1、R2、R4、R11、R17为固定电阻 ，Ω;Vin为输入电压，V。

图3　水温调理电路

2.3溶氧调理电路

溶氧传感器与水位传感器均输出4～20 mA电流信号，STM32只能接受0～3.3 V电压信号，调理电路需要将传感器电流信号转化为电压信号，在电流电压转换电路设计时需充分考虑电流转化为电压中的线性度，选用线性光耦隔离芯片HCNR201能够满足工作区域绝对线性要求。如图4所示。

图4　溶氧调理电路

溶氧调理电路输出电压与电流关系为：

(2)

式中：K3为常数1；R17为可调电阻，Ω；R22、R18为固定电阻,Ω。

3　系统软件设计

3.1ARM9程序开发

系统选用Sumsing2440控制芯片，Linux操作系统，具有低功耗、高性能、低价格、多扩展的优点[14-15]。通过串口与ZigBee和DTU连接。2440通过外部总线接口与NandFlash和SDRAM连接以扩展，SDRAM主要用来存储Uboot、Linux-kernal和Application。嵌入式平台需要对Linux进行裁剪；并根据硬件制作Uboot；编写驱动程序。Linux裁剪后制作Uboot，然后运行环境变量bootcmd中的命令以启动内核，开发并运行驱动程序[16]。

3.2总体软件设计

系统总体软件设计基于keil uvision5集成环境开发，采用面向硬件开发的C语言编程开发，辅以Source Insight与SrcureCRT软件开发驱动程序。系统初始化后，开始接收传感器检测到的各项数据，依次获取溶氧、水位、pH、温度4个参数，将获取值与设定阈值比较。当溶氧和水位不满足要求时分别做出相应的动作从而实现自动控制；当4个参数超过设定报警值时，系统首先发送报警信号至手机端，然后控制打开报警继电器实现自动预警报警；当各项数据均正常时，系统将数据存入数组，以无线网的方式发送至手机端，再进入下一轮数据采集过程。程序流程如图5所示。

图5　系统总体软件设计

3.3监测终端设计

上位机终端可以选择平板或者手机两种方式，安装在手机或平板上的APP均基于Android操作系统。本系统APP开发时服务器采用VB+SQL+SOCKET实现，APP采用JAVA程序语言开发，利用其本身数据库SQLite实现数据存储，与SOCKET结合完成网络通信[17-18]。程序编译之后打包生成APK文件，直接安装在Android手机上，相比传统的有线或者GPRS水产养殖监控系统，使用Android操作系统开发的程序不受时间、距离、环境等限制，用户直接通过手机APP远程监控，方便灵活。

系统通过Android脚本语言实现界面设计，主要包含登录界面、主控界面和视频监控界面。通过登录界面进入主控界面后，可实时查看各池塘的pH、温度、水位和溶氧4个参数。当系统异常时，会通过弹窗的方式提醒用户查看数据，在需要查看历史数据时，分别点击历史按钮进入相应历史界面查看各项参数的变化情况。

4　系统测试

2015年9月16日，利用本系统在成都安靖水产养殖基地的3个鱼塘(标记为池塘A、B、C)进行实地验证。每个塘口约25 m×10 m，为避免环境的影响，3个塘均进行清淤处理。每个池塘配备3套系统，分别放置于池塘(长边)的上中下与(宽边)中点交汇处，鱼塘水深约2.5 m，试验中选取距塘底相对高度约为2.1 m处为水位测量点。pH和温度传感器直接与系统用排线相连，并放置于系统下方水面下10 cm处。水中的溶氧与鱼的生长和水质密切相关，故对其测量和控制尤其重要，在设计放置时充分考虑溶氧监测需求。给每个系统配备3个溶氧传感器，分别放置于离水面30、50和100 cm处。2台1.5 kW增氧设备分别放置在上、下两处，实现均衡增氧。补排水泵和报警装置直接和继电器连接并由程序控制。3套系统实时采集数据后，剔除误差较大的值，并相加求平均值，利用该系统对水位和溶氧进行自动控制。

系统设定池塘A、B、C的溶氧值和水位分别为7.9 mg/L和210 cm、8.1 mg/L和199 cm、8.0 mg/L和205 cm。对系统进行为期1周的24 h不间断测试，每隔2 h记录一次数据。表1为早上8点至晚上8点的测试数据。由表1可知，通过基于ARM9和Android控制系统的实时检测控制，在获取温度、pH、溶氧、水位参数的同时，对溶氧和水位进行自动控制，对温度和pH进行实时监控。3个池塘在10 h内各参数均保持稳定，池塘A中溶氧和水位稳定在7.9 mg/L和210 cm。池塘B和池塘C的温度、pH、溶氧与池塘A大致相同，水位分别控制在199 cm和205 cm。综上，该系统能保证溶氧和水位的精确度控制在0.4 mg/L和2 cm之内，能够满足水产养殖的需求，且系统具有较强的实时性，能够在超出报警阈值时及时通过手机终端或现场报警提醒。

表1　系统测试结果

5　结论

系统充分利用了ARM9的硬件性能和Android操作系统的开发优势，搭配高性价比的STM32控制器和ZigBee模块，可以快速实现多个鱼塘联合管理。根据养殖现场要求，提出了远程监控的设计模式，并通过系统硬件、软件的设计以实现监控目的。实际测试表明，系统能够实时对温度、pH、水位、溶氧4个参数远程监控。随着水质监测技术的发展和智能技术应用的普及，该系统具有广阔的应用空间和市场。

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Design and implementation of aquaculture monitoring system based on ARM9 and Android

WANG Hongyan, MENG Xiangyin, ZHAO Yang, TAO Tao

(SchoolofMechanicalEngineering,SouthwestJiaotongUniversity,Chengdu610031,China)

In order to accelerate fishery modernization, promote aquaculture technology updating and improve production automation level, a new type of aquaculture monitoring and control system was designed based on ARM9 processor and Android operating system. STM32 microprocessor was used to collect data on water temperature, pH, dissolved oxygen (DO) concentration and water level in real time, the data were then synthesized using ZigBee technology and transferred to Android terminal through wireless network mode, realizing the automatic adjusting and control of water quality parameters. When DO concentration and water level exceed a predetermined threshold, the system would automatically regulate the aerator and the opening and closing of the pump for water supply and drainage; when pH value and water temperature exceed the threshold value, the system would warn for artificial intervention through its terminal and on-site alerting, thus to reduce the impact of environment on aquaculture output. The system has been tested in an aquaculture farm for its field application, and the results show that the errors of dissolved oxygen (±0.4mg/L) and water level (±2cm) remain in reasonable range, and the system could satisfy the remote monitoring requirement of aquaculture.

aquaculture; monitoring and control; ARM9; Android; STM32; ZigBee

10.3969/j.issn.1007-9580.2016.04.003

2016-05-08

2016-07-20

四川省科技支撑计划项目(2016GZ0194)

王鸿雁(1991—)，男，硕士，研究方向：嵌入式与智能控制。E-mail：946227679@qq.com

孟祥印(1979—)，男，副教授，博士，研究方向：嵌入式系统开发。E-mail：289520664@qq.com

S931.3；TP39

A

1007-9580(2016)04-011-05