基于云平台的增氧机智能控制系统

郑棉涛，夏润良，胡嘉怡，林晓冰，罗泽森

（华南农业大学，广州 510642）

0 引言

农业是国民经济的基础，水产养殖业是我国农业的重要组成部分，虽然近几年我国水产养殖业发展迅猛，但我国水产养殖业的主要生产方式与发达国家相比仍有差距，其中养殖业中常用到的增氧机还未达到智能监控水平，仍需要根据经验来控制增氧机的开启以及增氧时间的长短。如果没能准确判断增氧的时机，或者鱼塘管理者没有及时开启增氧机，就可能出现水体溶氧不足，造成鱼类死亡等状况；如果增氧机出现堵转而没能及时发现，可能会烧毁增氧机。所以，开发基于云平台的增氧机智能控制系统势在必行。

基于云平台的增氧机智能控制系统主要是基于水体中的溶氧量进行研究。利用物联网可自动监测鱼塘中的温度、pH 值、溶氧量等鱼塘水体参数，同时监控鱼塘中增氧机的运行情况。只要养殖户或管理者能上网，就能随时随地掌控鱼塘养殖水体的状况。

1 系统总体设计

系统总体架构如图1所示，首先通过置于鱼塘底部的多个氧探头采集到水中溶氧量信号，再通过信号采集转换电路，将数据送往STM32处理器，处理器对数据进行处理和分析，并在鱼塘旁边电箱中PCB板的数码管上显示，在传输层中通过GPRS模块将数据发送至云服务端，用户可以随时在手机移动端查看鱼塘中溶氧量浓度，随时开启或关闭增氧机，也可以通过设置水体中溶氧量的上限和下限来实现对增氧机的自动控制。

图1 系统架构

2 系统硬件设计

2.1 硬件总体设计

系统硬件总体结构框架如图2所示，该系统由传感器信号采集转换电路、处理器控制电路、数码管显示电路、继电器驱动模块和增氧机组成。

图2 系统结构框架图

2.2 感应层电路

2.2.1 信号采集转换电路

溶氧量传感器和温度传感器所得到的模拟量的值较小，需要对信号进行放大，将放大后的信号传送至控制器的AD转换器，如图3所示。

2.2.2 增氧机控制电路

如图4所示，系统设计的增氧机控制电路利用继电器的开关作用，由单片机发送指令，通过继电器控制增氧机开启和关闭，并用D1二极管来释放反向电压。本设计不仅可以满足快速开启或关闭增氧机的需求，并且可以防止增氧机由于高压供电导致的对其他电路的干扰。增氧机的整体控制如图5所示，ZYJ1～ZYJ4表示有4台增氧机工作，Km1～Km4是人为总开关，系统正常运行状态下这4个开关处于闭合状态，Ks1～Ks4是继电器开关，由控制器控制增氧机，Fu是保险丝，防止由于增氧机发生堵转等突发现象而发生危险。

图3 信号采集放大电路

图4 增氧机控制电路

图5 增氧机系统架构

2.3 嵌入式处理层电路

嵌入式处理层以STM32单片机系统为核心，利用数码管作为参数设定的显示单元，同时可以通过其实时监控水温和溶氧量等。该系统设置有按键控制系统，可实现自动和手动模式控制增氧机，同时兼有自检和校准功能。外置的LED灯，用以指示增氧器的运行状态，蜂鸣器用以故障报警。另外，单片机系统时钟信息由日历芯片提供。单片机系统将传感器采集到的溶氧量以及增氧机的运行状态实时传送到运输层的通信模块上。

2.4 云端服务层和应用层

系统的终端是用户的移动端APP，云端服务层作为传输层和应用层之间的桥梁，其作用在于用云服务器监测、接收并记录传输层上传的数据，与设定的参数进行比较后，反馈信息到应用层的移动端APP。当增氧机出现故障或水体溶氧量不足等信息上传到云端服务层时，用户可通过手机移动端登录增氧机管理系统，在应用层移动端APP进行溶氧量的阀值设置等基本操作。

3 系统软件设计

系统的软件设计满足四个需求：

1）优先级最高的远程控制模式程序。该模块用于及时调整增氧机状态。

2）定时控制模式程序。该模块用于设定增氧机自动开启和关闭时间。

3）自动控制模式程序。养殖户提前设定参数，增氧机微处理器接受到满足参数条件的信息后，开启相应的功能。

4）运行状态相关信息的查询模式程序。该模式用于反馈信息，便于用户了解增氧机的运行状态以及增氧效果。

系统的软件设计流程如图6所示。首先，用户进入设定程序，先设定好溶氧量上下限，然后开始进行现场数据采集，进入传感器数据采集程序。第一步先判断鱼塘是否缺氧，如果缺氧，根据具体情况选择调整模式，开启增氧机。如果溶氧量充足，则进行第二步，对鱼塘溶氧量变化趋势进行推测。若溶氧量没有下降，则设定检测时间，重回第一步判断是否缺氧。若溶氧量持续下降，则进入第三步判断是否到达溶氧量下限，若到达下限，则立刻开启增氧机；若未到达，则重回第二步对溶氧量变化趋势进行推测。

为了能够实时监控增氧机运行状态，用户与增氧机之间运用GPRS通讯模块实现信息交互。用户在云平台上可以实现数据信息传送以及发布调控信息。

图6 系统软件设计

4 试验结果与分析

为了测试本系统的可靠性及稳定性，2017年11月开始在广东省番禺区某鱼塘进行安装测试。考虑到氧探头会被鱼塘中鱼的排泄物或者剩余饲料的附着，我们采用对照实验，将岸边水箱和鱼塘中某一采样点实验数据进行对比，11月04日池塘中溶氧量的变化如图7所示，鱼塘水中溶解氧的含量和岸边水箱溶解氧含量都有大幅度的变化，且两者的曲线变化趋势相近。在全天24 h中，下午14: 00 时鱼塘水中溶解氧的含量达到最大值；上午7: 00和8: 00鱼塘水中溶解氧含量和水箱中的溶解氧含量都达到最小值。鱼塘水中的溶解氧含量和水箱中的溶解氧含量从上午8: 00到下午15: 00呈不断增加的趋势，下午15: 00到第二天早上7: 00呈逐渐减小的趋势。

由实验结果可看出，在早晨水中溶氧量浓度较低时应开启增氧机，同时通过设置溶氧量参数，使其达到鱼类生活的最佳要求。通过试验，在使用该系统的情况下，鱼类生长状况较好。

图7 试验鱼塘溶氧量变化

5 结束语

本文设计的基于云平台的增氧机智能控制系统。系统采用云平台作为服务平台，使用STM32单片机作为系统的核心微控制器，可实现鱼塘中溶氧量的实时监控、报警、自动控制增氧机等功能，从而帮助养殖户对水体的参数进行更加有效的监控，系统能耗低，性能稳定，同时能有效降低生产成本，提高水产品质量，对实现水产养殖现代化具有推动作用。