基于NB-IoT 的水产养殖增氧机智能控制器设计

王诗涵，姚天灏，沈玥，黄家炜，苏雨薇

（江南大学 物联网工程学院，江苏无锡，214000）

0 引言

近年来，中国的水产养殖业飞速发展，带动了农业的发展。然而，水产养殖环境受到工业和人工污染的影响，造成水产养殖水域的污染。大量养殖产品的非正常死亡给整个水产养殖业带来了巨大的经济损失，使得水产养殖业的发展受到阻碍。因此,水质监测起着至关重要的作用。况且，传统水质监控系统采用有线传输方式传输水质相关数据信息，不仅水下难以布线，线路也易于受到水底生物的破坏。针对这些问题，本项目通过在水里投放水产养殖增氧机，实时监测水产养殖的水质,收集各种水产养殖的相关数据,并且根据环境变化及时调控，可以在一定程度上避免养殖产品死亡。本项目还研制了一款水产养殖增氧机智能控制器，选取STM32 微控制器作为核心控制器,利用温度传感器、PH 值传感器、溶解氧传感器采集水质信息[1],通过增氧机驱动模块（DC-AC 逆变）和NBIOT 通信模块传输数据信息，通过光储供电模块不间断地为系统供电,借助OneNet 物联网平台并对接APP，实现增氧机工作参数的远程调控,可以根据季节、天气的变化对增氧机实现灵活控制。研究成果对于水产养殖，智能控制、精准农业等具有重要意义，同时，在我国这样一个农业大国，具有广阔的市场前景。

1 研究现状

水产养殖业是全球农业发展的重点研究产业之一，具有广阔的发展前景。其中，水质对产业发展有着不可忽视的影响，受到了水产养殖业的密切关注。我们对水产养殖业的发展状况和水质监测系统的研究状况进行分析和总结，一定程度上提高了研究价值，为本项目的主要研究依据打下了较为坚实的基础。

■1.1 水质监测方面

已有研究大多选取STM32 单片机微处理器为研究对象，通过其强大的功能来控制与水质检测有关的传感器。选择各种PH、温度以及溶解氧的传感器型号，以测量准确性为核心，通过分析各引脚的不同功能设计连接线路，将采集的数据与标准值进行对比分析，得到采集精度的结果。

■1.2 系统供电方面

在海外研究的基础上，国内开发了一个太阳能供电模块，其中包括支持电能存储的锂电池和一个太阳能充放电控制器。测试结果表明，该模块提供的电源可以维持三个雨天。但是，如果超过三天没有太阳，系统将无法正常供电。因此，仍然需要进一步完善系统供电功能模块[2]。

■1.3 无线传输方面

选用GPRS 模块作为无线传输模块，通过Intemet 网络进行数据传输，可有效支持远程传输，并可实现2000 米以内的同等数据传输精度，有效降低开发成本。根据水产养殖基地的区域分布，为了满足覆盖区域的需要设置了上百个监测点。该模块的数据传输主要是根据核心控制器的控制功能来编写相应的程序，设计控制电路。除此之外,为了便于用户查看数据实时信息,设计了双向通信系统,即由现场采集终端向远程监控终端发送数据信息,同时向用户手机发送数据信息[3]。

综上所述，现有水产养殖水质监测系统主要在水质监测、系统供电和无线传输三个方面有研究成果。但是由于电池能量存储较小的特点,并不能满足部分地区水质监测系统长期工作的供电需求。水质监测系统开发的首选工具是GPRS 无线传输模块，针对此系统，水质信息采集方面的已有研究较多，但由于工作现场任务大，数据传输的实时性受到干扰。本项目将在已有研究基础上,采用光伏与储能电池互补供电的模式,解决大面积水域供电困难的难题;采用NB-IoT 与APP 相结合的方式实现增氧机工作参数的远程设置。可以根据季节、天气的变化实现对增氧机的灵活控制;根据当前的水质参数进行数据挖掘推送养殖决策指令。

2 研究内容、研究目标及拟解决的关键问题

■2.1 研究内容

研发的智能控制器的结构框图如图1 所示。

图1 控制器体统整体结构框架图

(1)基于“一线总线”的水质参数监测：含氧量、温度、浊度等是水质的重要参数，研究通过“一线总线”接口下挂溶解氧传感器、温度传感器、浊度传感器等，同时测量多个水质参数，一线总线结构简洁且经济，可以使系统抗干扰能力大大提高。

(2)基于NB-IoT 通信模块的无线数据传输：研究通过NB-IoT 无线通讯模式，将采集到的水质参数及时传输到A终端，实现远程显示及监控，为水产养殖的增氧最佳时机提供参考。

(3)基于光+储互补的系统供电：研究光伏+储能电池互补供电技术，将太阳能转化为化学能存储在蓄电池中，光照良好的情况下直接通过太阳能供电，光照不足时则通过蓄电池供电。

(4)移动控制终端APP 的设计：研究通过APP 终端实现各水质参数的远程显示及监控，既可以手动根据季节和天气变化对增氧机进行灵活控制，又可以自动根据当前反馈得到的水质参数进行挖掘推送养殖指令。

■2.2 研究目标

该设计以STM32 单片机为核心，借助OneNet 物联网平台并对接APP 而设计的水产养殖增氧机智能控制器，设计主要由硬件、软件、OneNet 物联网管理平台、APP 组成。可以同时检测多个水质参数，并将数据上传到移动控制终端APP，通过NB-IoT 与APP 相结合的方式实现增氧机工作参数的远程设置，并根据当前的水质参数进行数据挖掘推送养殖决策指令。

■2.3 拟解决的关键问题

2.3.1 大面积水域供电困难问题

由于增氧机须大面积安置在池塘中，并且为了不破坏水质，增氧机一经安装，应尽可能减少拆除次数，因此首要考虑问题的问题就是供电问题。为了延长供电时间，该设计采用了光伏与储能电池互补供电模式，在传感器测得水质参数数据正常无需供氧时，通过NB-IoT 通信控制模块使增氧机进入休眠或停止供电，尽可能减少电能的消耗。

2.3.2 APP 及决策推送模块的设计

移动控制终端APP 既需要通过NB-IoT 通信模块控制增氧机工作参数，又需要根据传感器采集的数据进行分析挖掘，推送养殖决策指令。只有保证决策推送模块的正确性与准确度才能使增氧机在无需人工调试的时间内正常工作。

3 硬件设计

本项目通过理论研究、硬件设计、软件设计等步骤进行研究，以期达到预设目标。下面围绕主要研究内容及关键问题进行详细技术方案的描述。

■3.1 含氧量测量

氧气检测调理单元收集、转换和放大信号并输出易于检测的电压信号，处理单元完成输入信号的模数转换、显示和串行输出三方面的实现。网络传输单元将串行输出转换为网络输出并传输到网络上[4]。远程处理显示单元实时显示从网络传输单元收到的网络数据。报警单元完成报警单元完成对超标浓度的报警任务，其报警值是由软件预设的。

图2 含氧量测量模块结构图

■3.2 温度测量

通过使用STM32 主控芯片的温度传感器进行实时温度检测和显示，可以快速检测环境温度，并能根据需求设置报警温度的上下限。

图3 温度测量模块结构图

用STM32 作为测控系统的核心来完成数据采集、处理、显示等功能，并用数字温度传感器对输出信号进行完全数字化处理，有利于单片机进行处理及控制。

■3.3 浊度测量

硅光电池作为传感器接受器，它能感受光信号，并将光信号转换成电信号，但是这个电流信号非常微弱，单片机不易识别，所以将转换得来的电流信号经过放大，然后将放大后的电流信号输入到A/D 转换器中进行模数转换，将A/D转换后得到的数字信号传输到单片机并进行计算以及存储，对测量得到的浊度值进行显示。

■3.4 参数标定

对检测到的不同含氧量、不同温度、不同浊度与该条件下测得的电压值进行曲线拟合，并且与该条件下的最优条件进行对比给APP 使用者推荐一个推荐值。

图4 浊度测量模块

图5 参数标定流程图

■3.5 数据传输

采集的数据通过NB-IoT 通信模块，传输到移动控制终端APP。顶层app 可以根据季节、天气的变化来完成对增氧机的灵活控制。顶层控制可以对系统的自动控制进行人工干预，从而达到一些特殊的需求。

■3.6 供电系统

本系统采用光伏+储能蓄电池互补的供电方式，并分别对单片机和增氧机进行供电。太阳能给系统供电的同时给储能电池充电，储能电池也能够直接外加电源进行充电，在没有光照的时候由蓄电池供电。在保证装置正常所需电能供给的同时，光伏电板的加入也能够体现本系统的环保意识。

图6 数据传输模块结构图

图7 STM32 供电模块结构图

图8 增氧机供电模块结构图

图9 是单片机电路原理图设计。

图9 主电路原理图设计

4 软件设计

网络通信程序是用C 语言编写的。源程序采用模块化编程，下位机每隔30 分钟采集一次数据，每次采集后立刻关闭电源来减少能源消耗；当发送时间到,服务器接收下位机采集的数据，随后直接存储到指定的数据库中。软件可以达到将接收的数据直接存储到指定数据库中的目的，下面是服务器端接收软件的部分源代码。

图10 网络通信程序设计

5 创新点

本项目有以下创新点：

(1)采用光伏与储能电池互补供电的模式，解决了大面积水域供电困难的难题。

传感器所安装的鱼塘水域面积大，遥控中心距离较远，在设备已经安装好的情况下，不适合定期拔出和更换电池，对水产养殖环境造成干扰。该项目采用光伏和电池互补的供电模式，并将传感器的耗电量降到最低，为实现长时间进行野外作业提供了可能性。该模式提高了远程数据采集的稳定性和连续性，解决了大面积水域供电困难的难题。

(2)采用NB-IoT 与APP 相结合实现增氧机工作参数的远程设置，可以根据季节、天气的变化对增氧机实现灵活控制。

本系统采用目前较先进的无线通信技术NB-IoT。与2G技术相比，NB-IoT 技术具有较低功耗、更广覆盖、更低成本等优势。主控制器会将采集到的传感器数值按照固定的协议打包，并经过NB 模块发送至云平台，然后平台解析出所接收到的数据，并且显示相应的参数。此外，NB 模块接收来自云平台或者APP 发送的控制命令通过串口传送给主控制器，达到实时且灵活多变地控制增氧机的效果[5]。

(3)根据当前的水质参数进行数据挖掘推送养殖决策指令。

信息传输无疑是精确渔业系统至关重要的组成部分。本项目设计的基于NB-IoT 的水产养殖增氧机可以实时监测水中氧度、温度、浊度等，决策人员通过远程服务器查看增氧机采集的水质参数，及时根据具体情况改善水质，提高水产养殖的工作效率，从而达到极大地提高渔业生产的效率和收益的目的。