基于嵌入式的智能闭环反馈增氧系统设计

基于嵌入式的智能闭环反馈增氧系统设计

何结，张秀磊

广东科技学院 广东 东莞 523038

摘要：传统的水产养殖增氧方式已不能满足现代化与智能化养殖的需求，且现有的自动增氧系统控制方式过于简单、灵活性较差。本文在嵌入式的基础上提出了智能闭环反馈增氧系统，该系统可以根据鱼塘鱼类所需氧含量来设定上限值和下限值，达到下限值则自动补氧，溶氧量饱和时则自动关闭增氧机的智能控制，避免依靠落后手动控制增氧机而无法及时准确地判断溶氧含量，并且人工控制增氧机存在着盲目性，可能会导致出现大面积泛塘，电能的浪费。该系统的出现可以在降低养殖成本的同时快速达到的精细化、数字化的养殖程度。

关键词：  智能化养殖  自动增氧系统嵌入式  溶氧量

引言:国内现有水产养殖智能增氧系统技术比较落后，还没有达到全智能的一套完善可靠的系统，如：史兵等研究了基于无线传感网络的规模化水产养殖智能监控系统,以CC2530芯片为处理中心对养殖池塘的温度、溶解氧、p H等环境因子进行监测与控制;赵三琴等设计了根据不同养殖对象设定溶解氧阈值的鱼塘增氧控制系统。我们将基于前人的基础上，设计一种智能闭环反馈增氧系统用在水产养殖上。本系统集传感器、自动化控制、通讯、计算等技术于一体，通过开发嵌入式的智能闭环反系统，应用于水产养殖业，根据用户养殖对象对水的溶氧量、pH值、温度的上限值和下限值进行设定,并采集相关数据,对数据进行系列处理和判断,从而达到智能控制的目的，使监测数据更新及时,能够根据设定的控制参数,智能地判定池塘溶解氧状态并触发系统调水机制或增氧机制，稳定高效的控制效果降低了养殖风险,提高生产效益,具有广泛推广应用价值［1］。该系统还有备用电源，防止因断电导致增氧机无法工作的弊端，最大程度上优化鱼类养殖的增氧问题，实现智能化自动控制，保障了养殖者的基本利益。这样不仅提高了水质检测精度,还降低了检测误差,对水产养殖实现智能管理具有

重要意义。

1.系统主要硬件及其主要参数

我们设计的智能闭环反馈增氧系统主要是由溶解氧传感器、温度传感器、PH检测传感器、GPRS短信系统以及一个STM32微处理器五个部分组成。

1.1溶解氧传感器

本次设计的溶解氧传感器采用的是哈希LDOII溶解氧传感器，基于荧光猝熄原理进行溶解氧的测定。不同于传统的电流法和极谱法溶解氧传感器，荧光法溶解氧传感器不使用膜和电解液，维护率低，操作简便；同时荧光法溶解氧传感器不消耗氧气，测定时对水样流速和搅拌没有要求，也不受硫化物等物质的干扰，让溶解氧的测定变得更加简单。LDOII溶解氧传感器基于荧光猝熄原理。蓝光照射到荧光物质上激发出红光，由于氧分子可以带走能量，所以激发的红光的时间和强度与氧分子的浓度成反比。溶解氧测定仪通过测量激发红光与参比光的相位差，并与内部标定值对比，从而可计算

出氧分子的浓度。

1.2温度传感器

本次设计采用的是DS18B20型号的温度传感器，其输出的是数字信号，具有体积小，硬件开销低，抗干扰能力强，精度高的特点。该温度传感器可直接将温度转化成数字信号处理器处理。该温度传感器的相关参数如表1所示。

表1 温度传感器的相关参数

1.3 PH检测传感器

本次设计采用的是MW-pH101型传感器，MW-pH101型传感器为电化学型pH水质检测传感器，其基本原理为待测液中的H+通过与传感器的电极发生作用而产生电压信号，且电压信号的大小与H+的浓度呈一定的比例关系，通过测量电压信号的大小即可得溶液相应的pH值。

1.4GPRS短信系统

GPRS是一种基于GSM系统的无线分组交换技术，GSM模块采用的是NRF24L01无线通信模块，具有抗干扰能力强、低功率、低成本的特点。

1.5STM32微处理器

此次我们采用的是STM32里面的主流产品STM32F107，在具有低功耗、低电压的基础上具有高性能的特点。STM32F107器件采用Cortex-M3内核，CPU最高速度达72MHz。该微处理器具有64~256KB片上Flash存储器、64KB SRAM和14个通信接口。

2.实验结果与分析

为了测试该系统运行时的准确性与稳定性，2019年7月开始在广东省某淡水鱼塘里进行实地检测。测试鱼塘面积为0.1公顷，鱼塘平均深度达到2.7m，该鱼塘采取加州鲈与鲫鱼混养的方式，养殖密度为115380尾/公顷。本次试验进行24h不间断的检测，地点分为三点采集，传感器安放在与增氧机相对距离6m处，探头布置在水下0.7m处，传感器通过浮筒固定在鱼塘测量位置。表3是部分采集数据。鲈鱼的最适溶解氧浓度应大于3mg/L，最适pH值为7.7～8.4，最适温度为20～30℃［4］。

本次测试期间，溶解氧数据在4.41～6.18mg/L之间变化，均在最适溶解氧之上，pH值和温度都在最适值之内。要使鲈鱼达到进食与生存的最适条件，在处理数据后可通过系统交流继电器开启增氧机，使水中溶氧量维持在

4.0～5.5mg/L。如果pH值和温度偏离最适值，系统也会根据反馈发送紧急信息到渔民手机端。现场数据显示图、手机APP显示图、短信报警截图分别如图5、图6和图7所示。

表2系统测量试验数据结果

注：6:00、9:00、12:00等均为测量间。

图5现场数据显示图   图6 手机APP显示图

图7 短信报警截图

3.结论

本系统通过溶解氧传感器动态检测水中的溶解氧含量来控制增氧机的启停、温度传感器和PH传感器来实时监测水中的温度和酸碱度，将数据传送到微控制器中进行数据分析和计算，再通过微控制器将数据通过GPRS短信透传发送到移动客户端，如果温度、PH超出设置范围，系统将自动报警并进行换水，同时将警告信息发送给用户，从而达到实时监测的作用和提高了系统的安全性，减少了人力投入。试验结果表明，本系统达到了智能反馈实时检测数据并进行PID计算的目的，从而触发系统增氧机制。同时，检测数据及时更新，发送给客户端，一旦参数超出设定值，系统就会及时报警。系统运行稳定，满足了自动控制增氧系统的要求，降低了养殖风险，节省人力，节约电费，提高安全系数，具有广泛的应用价值。

［1］张淋江，刘志龙，唐国盘.水产养殖智能增氧系统分析［J］.内燃机与配件，2016（12）：135-137.

［2］侯作富，李超，吴文秀，等.基于机智云的工厂配电间远程监测系统［J］.内江科技，2018（8）：42-43.

［3］沈楠楠，袁永明，马晓飞.基于水产物联服务平台的智能增氧控制系统的开发［J］.农业现代化研究，2016（5）：981-987.

［4］周建春.生态养殖技术对加州鲈生长及养殖环境的影响［D］.苏州：苏州大学，2009.

陈本臻, 吕偿, 何锦辉,等. 基于嵌入式技术的智［5］能闭环反馈增氧系统设计[J].河南科技, 2019(20):4.

［6］张广, 陈锋, 余明,等. 基于ARDS肺保护性策略的智能闭环机械通气控制系统及方法:CN110812638A[P].2020.

［7］吕晓东, 邹军, 武广富,等. 基于经济环保性能的低氮燃烧智能闭环控制策略研制与应用[J]. 华东电力,2011,39(9):4.