時(shí)間:2019年03月07日 分類(lèi):農(nóng)業(yè)論文 次數(shù):
摘要:針對(duì)傳統(tǒng)光照強(qiáng)度采集器精度低、系統(tǒng)集成困難的問(wèn)題,結(jié)合自主研發(fā)的水產(chǎn)物聯(lián)網(wǎng)測(cè)控平臺(tái),設(shè)計(jì)了一種基于STM32的無(wú)線光照強(qiáng)度采集節(jié)點(diǎn)。該節(jié)點(diǎn)可實(shí)現(xiàn)光照強(qiáng)度的自動(dòng)采集、處理、無(wú)線傳輸功能。試驗(yàn)證明,該無(wú)線光照強(qiáng)度采集節(jié)點(diǎn)可與水產(chǎn)物聯(lián)網(wǎng)測(cè)控平臺(tái)對(duì)接,并且精度高,可應(yīng)用于海產(chǎn)養(yǎng)殖等多種領(lǐng)域。
關(guān)鍵詞:海產(chǎn)貝類(lèi),物聯(lián)網(wǎng),光照強(qiáng)度
光是生物生長(zhǎng)發(fā)育中不可或缺的重要因素之一,在水產(chǎn)貝類(lèi)養(yǎng)殖中,光照與水體溫度、溶解氧、pH值、鹽度等同等重要,是影響其生長(zhǎng)的重要因素。劉小霞等研究了光照對(duì)不同規(guī)格番紅硨磲氧、氨氮及活性磷酸鹽代謝的影響,指出光照顯著影響番紅硨磲生理代謝[1];宋昌斌等在水產(chǎn)養(yǎng)殖車(chē)間LED光環(huán)境設(shè)計(jì)研究中指出水產(chǎn)動(dòng)物索餌、繁殖、捕食等行為均與光照有著密切聯(lián)系[2]。因此,光照強(qiáng)度的監(jiān)測(cè)對(duì)海產(chǎn)貝類(lèi)養(yǎng)殖、災(zāi)害防護(hù)等都有重要意義。
為實(shí)現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在海產(chǎn)貝類(lèi)養(yǎng)殖中的應(yīng)用,本研究團(tuán)隊(duì)研發(fā)出產(chǎn)物聯(lián)網(wǎng)測(cè)控平臺(tái),可實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)采集、管理和分析,并根據(jù)數(shù)據(jù)分析結(jié)果實(shí)現(xiàn)對(duì)執(zhí)行器節(jié)點(diǎn)的遠(yuǎn)程調(diào)控。光照強(qiáng)度采集器是平臺(tái)多種采集節(jié)點(diǎn)之一。近年來(lái)有較多光照強(qiáng)度采集器的研究[3-9],但大都未提及監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)誤差;另外,通信協(xié)議閉塞,無(wú)法與本研究團(tuán)隊(duì)研發(fā)的水產(chǎn)物聯(lián)網(wǎng)測(cè)控平臺(tái)進(jìn)行對(duì)接。為實(shí)現(xiàn)光照強(qiáng)度采集能夠與平臺(tái)對(duì)接,本研究團(tuán)隊(duì)研發(fā)了基于STM32的光照強(qiáng)度無(wú)線采集器。
1光照強(qiáng)度采集器總體設(shè)計(jì)
本光照強(qiáng)度采集節(jié)點(diǎn)由主控模塊、電源模塊、數(shù)據(jù)采集處理模塊、存儲(chǔ)模塊、通信模塊組成。主控模塊是整個(gè)系統(tǒng)的核心,實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的總體控制;數(shù)據(jù)采集處理模塊主要由傳感器及信號(hào)處理電路組成,主要負(fù)責(zé)光照強(qiáng)度的實(shí)時(shí)感知及傳輸;存儲(chǔ)模塊用于存儲(chǔ)感知光照強(qiáng)度數(shù)據(jù)處理模型的參數(shù);通信模塊用于光照強(qiáng)度采集器與水產(chǎn)物聯(lián)網(wǎng)測(cè)控平臺(tái)雙向通信,實(shí)現(xiàn)光照強(qiáng)度的無(wú)線傳輸;電源模塊用于為各個(gè)模塊供電,以滿足系統(tǒng)對(duì)電源的需求。
2光照強(qiáng)度采集器硬件設(shè)計(jì)
2.1主控模塊
主芯片采用高性能、低成本、低功耗的STM32F103單片機(jī)。它基于超低功耗的ARMCortex-M3處理器內(nèi)核,時(shí)鐘頻率最高為72MHz,片上集成32KB的Flash存儲(chǔ)器,6KB的SRAM存儲(chǔ)器;它擁有強(qiáng)大的軟件支持,豐富的技術(shù)文檔,極大地降低了用戶開(kāi)發(fā)使用難度。
2.2信號(hào)處理模塊
信號(hào)處理單元實(shí)現(xiàn)對(duì)光照強(qiáng)度傳感器采集的模擬信號(hào)的處理。信號(hào)處理單元通過(guò)四路雙向模擬開(kāi)關(guān)(CD4066)及高精度運(yùn)算發(fā)大器(ICL7650)將光照強(qiáng)度傳感器采集的模擬信號(hào)進(jìn)行調(diào)整,使得輸出穩(wěn)定在0~3.3V范圍內(nèi),方便后續(xù)應(yīng)用于構(gòu)建的模型之中。
2.3電源模塊
光照強(qiáng)度采集器內(nèi)部使用5、3.3V兩種電壓類(lèi)型,系統(tǒng)中主控模塊及存儲(chǔ)模塊為3.3V供電,信號(hào)處理模塊及通信模塊為5V供電。為滿足系統(tǒng)對(duì)電源的需求,系統(tǒng)采用LM2575降壓開(kāi)關(guān)型集成穩(wěn)壓電路將24V直流電源調(diào)整至5V,并通過(guò)REG1117降壓到3.3V。
3模型設(shè)計(jì)
3.1數(shù)據(jù)預(yù)處理
為避免數(shù)據(jù)采集過(guò)程中因偶然因素引起的波動(dòng)干擾,采集數(shù)據(jù)需經(jīng)過(guò)濾波算法進(jìn)行處理。光照強(qiáng)度采集器中使用中位值濾波算法。所謂中位值濾波算法即為連續(xù)采樣N(N為奇數(shù))次,將這N個(gè)數(shù)據(jù)按從小到大的順序排列,取中間的數(shù)據(jù)作為有效值[10]。在程序編寫(xiě)過(guò)程中,我們采樣9次并進(jìn)行中位值濾波選取中間值作為有效值。
3.2數(shù)據(jù)模型構(gòu)建
數(shù)據(jù)經(jīng)預(yù)處理后需分析系統(tǒng)采集值(電壓值)與光照強(qiáng)度的對(duì)應(yīng)關(guān)系,經(jīng)過(guò)大量試驗(yàn)表明,兩者存在一定的線性關(guān)系。為提高光照強(qiáng)度數(shù)據(jù)采集的精度,將量程分為四個(gè)區(qū)間分別構(gòu)建線性模型,所劃分區(qū)間為[0,200)、[200,2000)、[2000,20000)、[20000,200000]。
4對(duì)比試驗(yàn)情況
為測(cè)試數(shù)據(jù)采集準(zhǔn)確性,在光照箱中放置高精度手持測(cè)量?jī)x及本研究設(shè)計(jì)的無(wú)線光照強(qiáng)度采集器,調(diào)節(jié)光照箱中光照強(qiáng)度值,在同一時(shí)刻采集不同光照強(qiáng)度下兩者的測(cè)量數(shù)值,并對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比分析。手持測(cè)量?jī)x的數(shù)據(jù)可直接讀出,本研究設(shè)計(jì)的無(wú)線光照強(qiáng)度采集器則可將獲取數(shù)據(jù)傳輸至水產(chǎn)物聯(lián)網(wǎng)測(cè)控平臺(tái),通過(guò)平臺(tái)可將數(shù)據(jù)導(dǎo)出。
其中對(duì)比值為高精度手持測(cè)量?jī)x采集,監(jiān)測(cè)值為本研究設(shè)計(jì)的無(wú)線光照強(qiáng)度采集器采集。結(jié)果顯示,本研究設(shè)計(jì)的無(wú)線光照強(qiáng)度采集器采集的數(shù)據(jù)可實(shí)時(shí)傳至水產(chǎn)物聯(lián)網(wǎng)測(cè)控平臺(tái),實(shí)現(xiàn)與平臺(tái)的無(wú)縫對(duì)接;與高精度光照強(qiáng)度手持測(cè)量?jī)x測(cè)量的數(shù)據(jù)相比,誤差在2%范圍內(nèi),表明本研究設(shè)計(jì)的無(wú)線光照強(qiáng)度采集器數(shù)據(jù)采集精度較高。
結(jié)論
針對(duì)傳統(tǒng)光照強(qiáng)度采集器精度低、系統(tǒng)集成困難的問(wèn)題,結(jié)合本研究團(tuán)隊(duì)自主研發(fā)的水產(chǎn)物聯(lián)網(wǎng)測(cè)控平臺(tái),我們研究設(shè)計(jì)了一種基于STM32的無(wú)線光照強(qiáng)度采集器,并通過(guò)試驗(yàn)對(duì)其數(shù)據(jù)采集精度及能否與水產(chǎn)測(cè)控平臺(tái)進(jìn)行對(duì)接進(jìn)行驗(yàn)證。結(jié)果表明,該無(wú)線光照強(qiáng)度采集器可與水產(chǎn)物聯(lián)網(wǎng)測(cè)控平臺(tái)無(wú)縫對(duì)接,且數(shù)據(jù)采集精度較高。今后,結(jié)合光照強(qiáng)度采集器的使用情況可進(jìn)一步優(yōu)化數(shù)據(jù)處理模型以及硬件電路,以便提高光照強(qiáng)度采集器的穩(wěn)定性。
參考文獻(xiàn):
[1]劉小霞,李樂(lè),鄭興,等.光照對(duì)不同規(guī)格番紅硨磲(Tridacnacrocea)氧、氨氮及活性磷酸鹽代謝的影響[J].漁業(yè)科學(xué)進(jìn)展,2017,38(5):92-99.
[2]宋昌斌,劉立莉,盧鵬志,等.水產(chǎn)養(yǎng)殖車(chē)間LED光環(huán)境設(shè)計(jì)研究[J].大連海洋大學(xué)學(xué)報(bào),2018,33(2):145-150.
[3]姜進(jìn),王鑫,楊慧中.基于MSP430單片機(jī)的無(wú)線環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)[J].江南大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版),2011,10(1):45-48.
[4]楊文奇,劉希光,郭彥克,等.溫室環(huán)境物聯(lián)網(wǎng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)[J].中國(guó)農(nóng)機(jī)化學(xué)報(bào),2017,38(4):105-108,140.
[5]余剛,黃建清,高家寶,等.基于BH1750的熱帶花卉光照強(qiáng)度實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].農(nóng)業(yè)網(wǎng)絡(luò)信息,2016(6):54-57.
[6]劉許堯,劉俊峰,馮曉靜.基于MSP430蘋(píng)果微域溫度和光照監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].農(nóng)機(jī)化研究,2014,36(4):79-82.
[7]黃釗禮,魏亞?wèn)|.光照強(qiáng)度實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].東莞理工學(xué)院學(xué)報(bào),2009,16(1):70-74.
[8]黃勇,郭山山.基于無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的光照強(qiáng)度實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)研究[J].湖北民族學(xué)院學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版),2014,32(4):457-459.
農(nóng)業(yè)方向期刊推薦:《農(nóng)機(jī)化研究》(月刊)創(chuàng)刊于1979年,由中國(guó)農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)會(huì)農(nóng)業(yè)機(jī)械化分會(huì)、黑龍江省農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)會(huì)、黑龍江省農(nóng)業(yè)機(jī)械工程科學(xué)研究院主辦。自創(chuàng)刊以來(lái),歷屆編委及編審人員以交流大農(nóng)業(yè)概念下(包括農(nóng)、林、牧、副、漁)的機(jī)械化、電氣化、自動(dòng)化的學(xué)術(shù)、科研成果以及與之相關(guān)的綜合性述評(píng)為辦刊宗旨,嚴(yán)把質(zhì)量關(guān),使本刊的知名度與學(xué)術(shù)地位日漸提高。