海产贝类养殖物联网平台光照强度采集器设计与实现

尚明华　穆元杰　李翠洁　刘淑云　秦磊磊

摘要：针对传统光照强度采集器精度低、系统集成困难的问题，结合自主研发的水产物联网测控平台，设计了一种基于STM32的无线光照强度采集节点。该节点可实现光照强度的自动采集、处理、无线传输功能。试验证明，该无线光照强度采集节点可与水产物联网测控平台对接，并且精度高，可应用于海产养殖等多种领域。

关键词：海产贝类； 物联网； 光照强度

中图分类号：S126 文献标识号：A 文章编号：1001-4942（2018）11-0154-05

Abstract In view of the problem of low precision and difficult system integration of traditional light intensity collector， a wireless light intensity acquisition node based on STM32 was designed， which combined the independent researched and developed IoT measurement and control platform. This node could realize the automatic acquisition， processing and wireless transmission of light intensity. The experiment showed that the wireless light intensity acquisition node could be seamlessly connected with the aquatic product IoT measurement and control platform， and had high precision， which could be used in many fields such as marine production and breeding.

Keywords Marine shellfish； Internet of Things（IoT）； Light intensity

光是生物生长发育中不可或缺的重要因素之一，在水产贝类养殖中，光照与水体温度、溶解氧、pH值、盐度等同等重要，是影响其生长的重要因素。刘小霞等研究了光照对不同规格番红砗磲氧、氨氮及活性磷酸盐代谢的影响，指出光照显著影响番红砗磲生理代谢[1]；宋昌斌等在水产养殖车间LED光环境设计研究中指出水产动物索饵、繁殖、捕食等行为均与光照有着密切联系[2]。因此，光照強度的监测对海产贝类养殖、灾害防护等都有重要意义。

为实现物联网技术在海产贝类养殖中的应用，本研究团队研发出产物联网测控平台，可实现数据的实时采集、管理和分析，并根据数据分析结果实现对执行器节点的远程调控。光照强度采集器是平台多种采集节点之一。

近年来有较多光照强度采集器的研究[3-9]，但大都未提及监测数据误差；另外，通信协议闭塞，无法与本研究团队研发的水产物联网测控平台进行对接。为实现光照强度采集能够与平台对接，本研究团队研发了基于STM32的光照强度无线采集器。

1 光照强度采集器总体设计

本光照强度采集节点由主控模块、电源模块、数据采集处理模块、存储模块、通信模块组成，如图1所示。主控模块是整个系统的核心，实现系统的总体控制；数据采集处理模块主要由传感器及信号处理电路组成，主要负责光照强度的实时感知及传输；存储模块用于存储感知光照强度数据处理模型的参数；通信模块用于光照强度采集器与水产物联网测控平台双向通信，实现光照强度的无线传输；电源模块用于为各个模块供电，以满足系统对电源的需求。

2 光照强度采集器硬件设计

2.1 主控模块

主芯片采用高性能、低成本、低功耗的STM32F103单片机。它基于超低功耗的ARM Cortex-M3处理器内核，时钟频率最高为72 MHz，片上集成32 KB的Flash存储器，6 KB的SRAM存储器；它拥有强大的软件支持，丰富的技术文档，极大地降低了用户开发使用难度。其最小系统电路如图2所示。

2.2 信号处理模块

信号处理单元实现对光照强度传感器采集的模拟信号的处理。信号处理单元通过四路双向模拟开关（CD4066）及高精度运算发大器（ICL7650）将光照强度传感器采集的模拟信号进行调整，使得输出稳定在0～3.3 V范围内，方便后续应用于构建的模型之中。

2.3 电源模块

光照强度采集器内部使用5、3.3 V两种电压类型，系统中主控模块及存储模块为3.3 V供电，信号处理模块及通信模块为5 V供电。为满足系统对电源的需求，系统采用LM2575降压开关型集成稳压电路将24 V直流电源调整至5 V，并通过REG1117降压到3.3 V。电源模块电路如图4所示。

3 模型设计

3.1 数据预处理

为避免数据采集过程中因偶然因素引起的波动干扰，采集数据需经过滤波算法进行处理。光照强度采集器中使用中位值滤波算法。所谓中位值滤波算法即为连续采样N（N为奇数）次，将这N个数据按从小到大的顺序排列，取中间的数据作为有效值[10]。在程序编写过程中，我们采样9次并进行中位值滤波选取中间值作为有效值。

3.2 数据模型构建

数据经预处理后需分析系统采集值（电压值）与光照强度的对应关系，经过大量试验表明，两者存在一定的线性关系。为提高光照强度数据采集的精度，将量程分为四个区间分别构建线性模型，所划分区间为[0，200）、[200，2000）、[2000，20000）、[20000，200000]，在各个区间上所拟合线性函数如图5所示。

4 对比试验情况

为测试数据采集准确性，在光照箱中放置高精度手持测量仪及本研究设计的无线光照强度采集器，调节光照箱中光照强度值，在同一时刻采集不同光照强度下两者的测量数值，并对数据进行对比分析。手持测量仪的数据可直接读出，本研究设计的无线光照强度采集器则可将获取数据传输至水产物联网测控平台（图6），通过平台可将数据导出。如表1所示共采集18组数据，其中对比值为高精度手持测量仪采集，监测值为本研究设计的无线光照强度采集器采集。

结果显示，本研究设计的无线光照强度采集器采集的数据可实时传至水产物联网测控平台，实现与平台的无缝对接；与高精度光照强度手持测量仪测量的数据相比，误差在2%范围内，表明本研究设计的无线光照强度采集器数据采集精度较高。

5 结论

针对传统光照强度采集器精度低、系统集成困难的问题，结合本研究团队自主研发的水产物联网测控平台，我们研究设计了一种基于STM32的无线光照强度采集器，并通过试验对其数据采集精度及能否与水产测控平台进行对接进行验证。结果表明，该无线光照强度采集器可与水产物联网测控平台无缝对接，且数据采集精度较高。今后，结合光照强度采集器的使用情况可进一步优化数据处理模型以及硬件电路，以便提高光照强度采集器的稳定性。

参 考 文 献：

[1] 刘小霞，李乐，郑兴，等.光照对不同规格番红砗磲（Tridacna crocea）氧、氨氮及活性磷酸盐代谢的影响[J]. 渔业科学进展，2017，38（5）：92-99.

[2] 宋昌斌，刘立莉，卢鹏志，等.水产养殖车间LED光环境设计研究[J]. 大连海洋大学学报，2018，33（2）：145-150.

[3] 姜进，王鑫，杨慧中. 基于MSP430单片机的无线环境监测系统的设计[J]. 江南大学学报（自然科学版），2011，10（1）：45-48.

[4] 楊文奇，刘希光，郭彦克，等.温室环境物联网监测系统的设计[J]. 中国农机化学报，2017，38（4）：105-108，140.

[5] 余刚，黄建清，高家宝，等.基于BH1750的热带花卉光照强度实时监测系统设计[J]. 农业网络信息，2016（6）：54-57.

[6] 刘许尧，刘俊峰，冯晓静.基于MSP430苹果微域温度和光照监测系统设计[J].农机化研究，2014，36（4）：79-82.

[7] 黄钊礼，魏亚东. 光照强度实时监测系统的设计与实现[J]. 东莞理工学院学报，2009，16（1）：70-74.

[8] 黄勇，郭山山. 基于无线传感器网络的光照强度实时监测系统研究[J]. 湖北民族学院学报（自然科学版），2014，32（4）：457-459.

[9] 徐显荣，高清维，李中一.一种用于农业环境监测的无线传感器网络设计[J]. 传感器与微系统，2009，28（7）：98-100.

[10]张龙青，陶娟娟，张羊鸿，等. 基于中位值平均滤波算法和OLED屏的PM2.5空气质量检测系统设计[J]. 信息通信，2016（12）：79-80.