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。

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　　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。