基于STM32的智能水产养殖技术分析

胡涛

（常州市金坛区、溧阳市长荡湖水产管理委员会管理处，江苏 常州 213224）

我国适合进行水产养殖的水域资源持续减少，水环境污染问题越来越严重，水产养殖监测技术的研发和运用越来越重要，传统的水产养殖监测技术需要较高的成本，无法满足水产养殖监测的实际需求。STM32微控制器可以将监测到的数据整合和转换，在ZigBee组网技术和G510物联网传输系统的应用中，将数据传输到电脑或手机平台上，水产养殖人员可以随时查看水环境情况，再根据具体情况对养殖环境进行调节，促进我国水产养殖业的发展。

1 智能水产养殖的监测技术

1.1 综合结构设计

智能监测技术的研发促进了水产养殖的智能化发展，为了提高水产养殖监测水平，需要对智能水产养殖监测技术的综合结构进行设计。在智能监测装置的设计和应用中，需要对不同种类的传感器进行运用，在传感器的帮助下采集水产养殖水体环境的样本，通过智能监测装置来分析水体样本的质量。监测和分析的过程需要对STM32控制运算系统进行运用，还要使用部分硬件电路，在系统和电路的支持下，将传感器采集到的水体样本放大并对其进行分析，利用强大的运算系统来转换模数。在计算和分析样本数据的过程中，需要使用STM32微控制器，以此为基础来计算样本数据，最后将数据计算和水质分析的结果传回客户端[1]。

系统包含多节点组网传输结构，信息传输的过程主要用到两种技术，一种是4G物联网传输技术，该技术能够让智能水产养殖检测结果更准确、更快速、更安全地传输到客户端上。另一种是ZigBee技术，该技术可以在近距离的情况下进行监测和控制，不同的传感器和控制设备通过ZigBee组网进行连接。在这两种技术的共同作用下，客户端处的工作人员能够很快收到监测数据以及水质监测的分析结果，既可以通过手机移动网进行监测和控制，也可以在PC端上进行监测和控制[2]。水产养殖人员可以根据水质监测结果来掌握水质情况，对水产养殖方案进行设计，根据水质环境来选择合适的养殖品种，或者根据养殖品种对水质环境的需求来改变水体环境，对水质监测结果进行分析并对有可能发生的养殖风险制定预防方案，提前预防水产养殖的风险，利用预警提醒功能对水产养殖人员进行警示。

系统包含单节点监测综合结构，在控制部分的设计中，主要运用了STM32微控制器。在系统监测部分的设计中，主要包含三个重要的装置：一是不同类型的传感器，如温度、溶解氧、pH值这几种传感器以及光敏电阻，利用感应装置来完成采样工作；二是前端放大器，对样本进行放大处理；三是A/D转换器，对样本数据进行转换；最后传输到主控系统中。在系统电力供应部分的设计中，综合运用了锂电池和新能源发电技术，一种为太阳能光伏发电技术，另一种为风力发电技术。在系统完成决策后控制部分的设计中，主要运用了继电器，加热、光照、增氧这三种设备由光电耦合组以及继电器组进行控制。

1.2 STM32F103C8T6微控制器

智能水产养殖监控系统中的STM32微控制器关系着整个系统的运行效率，需要对微控制器的型号和类型进行选择，对各种STM32微控制器的性能进行比较，综合分析之后，选择了STM32F103C8T6这个型号的微控制器，这个微控制器的内核采用的是ARM Cortex-M。微控制器中包含程序存储器，微控制器的存储量是64KB,在运行状态中，微控制器的电压处于2 V～3.6 V，能够在-40℃～85℃的温度范围内正常运行。采样之后需要放大样本和转换模数，大量的模数会让转换过程耗费较长时间，而STM32F103C8T6微控制器包含两个12位的模数转换器，这个型号的微控制器还有16个输入通道，模数转换器和输入通道能够让模数转换更加快速，微控制器可以同时对大量的样本数据进行处理。另外，微控制器的两种通信接口也具有较好的性能，设置了3个USART通信接口，微控制器还包含2个I2C通信接口，微控制器的通信接口通过与G510相连接实现了无线数据传输的设计目标，工作人员可以使用通信接口进行调试，对各项参数进行调整，使用STM32F103C8T6微控制器时，需要对最小系统控制电路进行设计，保证微控制器能够正常运行[3]。

1.3 电源供电电路和双向信号传输电路

在智能水产养殖监控系统的电源供电电路设计中，对池塘区域的智能水产养殖设备以及靠近海边的水产养殖设备进行了研究，以解决供电问题为设计的主要目标。考虑到水产养殖区域的自然环境条件，决定对风力资源和太阳能资源进行利用，利用锂电池来存储风力发电的电能和太阳能光伏发电的电能，如果风力较小或者光照不充足，工作人员可以对锂电池进行运用，通过人工充电解决设备的供电问题，保证智能水产养殖设备能够稳定运行和正常使用。

对智能水产养殖监控系统的双向信号传输电路进行设计时，主要运用了G510窄带物联网，电路由G510芯片构成，芯片组合之后会产生超小型移动电话的功能，可以被应用在数据传输系统中。将G510运用到智能水产养殖的通信系统中，可以提高信息传输的速率，让通信系统具备更强的通信能力。G510窄带物联网中的基带XCPU能够产生312MHz的核心主频，在集成之后，可以根据命令对数据进行缓存，让数据处理功能更加丰富、数据处理能力更加强大。通信系统对G510进行运用，有着能耗低、占地小、价格低的优点，还可以在通信系统中利用G510来控制信号，同时设置不同的内容，在很多方面都具有较高的应用价值。在双向信号传输电路的设计中，主要运用了G510 GPRS模块，在模块中下达AT命令，根据指令要求来进行设置，或者按照指令进行双向控制。

1.4 传感器的选择和设计

智能水产养殖监控系统的温度传感器选择了PT100温度传感器，这种传感器能够将温度转变成可传输的仪表，PT100温度传感器包含热电阻。对温度传感器的电路进行设计，信号处理电路主要包含三个部分，第一个部分是测量单元，第二个部分是信号放大电路，第三个部分是A/D转换电路。缩短前两个部分的间距，能够防止信号受到干扰，保证水产养殖监测数据的准确性。

在投入式溶氧电极的基础上，对水溶氧度测量以及对应的电路进行设计，其中的阴极部分使用了铂金，阳极部分使用了Ag/AgCl，运行状态下，增加675mV的极化电压，阴极和阳极的氧分压在同等状态下会逐渐平衡，检测出水体中的含氧量和氧气的浓度，结合温度检测结果进行温度补偿。

在pH传感器的应用中，可以对水环境中的氢离子含量和浓度进行检测，传感器包含两个部分：第一个部分是化学部分，能够将化学能转变成电能，在电极电位中包含参比电极和测量电极；第二个部分是信号传输部分，可以将pH值的检测数据传输到电脑和手机上。

光敏电阻能够对水产养殖环境的光照情况进行检测，当光照较强时，光敏电阻值较低，两者为负相关的关系。光敏电阻能够准确反映出水中的光线情况，在没有光照的情况下，会呈现出高阻状态，水产养殖人员可以根据光敏电阻的数值来判断是否需要额外进行补光。

1.5 控制输出电路设计

智能水产养殖监控系统的控制输出电路包含三个部分，其中最重要的就是继电器，另外两个装置分别是压敏电阻和光电转换器。在最初的传感器监测中，如果监测到的数据比预定的数值大，STM32微控制器就会将数据信息通过G510窄带物联网传输到PC端上或者手机上，同时，在控制输出部分的作用下，让继电器吸合，调整水环境里对应物质的含量，使其满足含量标准。

2 智能水产养殖的软件程序设计

2.1 软件程序设计

对软件程序进行设计时需要注意STM32微控制器的应用，微控制器收到样本模拟值后，通过A/D来转换模拟数值，根据特定的算法进行运算，最终计算出样本监测数据的真实数值，判断真实数值是否在设定数值之下，再分析真实数值和设定数值之间的差异，根据真实数值的情况采用不同的操作方式。对样本界定值进行设置的时候，应当在PC端或者无线APP中操作。通过合理的设计降低智能水产养殖监控系统软件程序的复杂程度，加强软件程序的便捷性。

2.2 APP/PC软件的设计

智能水产养殖监控系统的软件设计主要包含三个类型的上机位，第一个是PC端，PC端电脑可以利用ZigBee与监测系统进行通信，将监测系统监测到的数据传输到电脑上，比较适合在养殖企业中使用。第二个是APP端，智能水产养殖监控系统可以将数据上传到云平台中，在联网的情况下，可以在手机APP上查看数据，还可以对参数进行调整，对系统设备进行远程控制。第三个是Web端，Web端以云平台为基础，与APP端的开发模式相同，都是通过二次开发进行查看和控制。

3 结论

水产养殖在智能化的发展中对STM32进行了运用，通过硬件系统和软件程序的设计实现水产养殖的监测和控制，形成智能水产养殖监控系统，利用不同传感器监测水产养殖的水体情况，对水环境的温度、光照度、酸碱度等情况进行监测，将监测到的数据转化和上传后，养殖人员可以通过手机或电脑来查看水产养殖的环境情况，对水产养殖进行智能化监测和自动化控制。