一种用于鱼塘增氧管理的智能浮标设计

王建，温嘉威，钟礼浩，谢家兴

（华南农业大学工程学院，广东广州510642）

我国的渔业取得了较大发展，但大部分个体养殖户对于鱼塘的管理存在一定的盲目性，鱼塘节能减排问题的研究较少。鱼塘环境是鱼类赖以生存和生长发育的基础，鱼塘环境变坏会导致鱼类缺氧、中毒，严重的还会造成死亡。养鱼户通常是靠肉眼及经验判断鱼塘环境状况，来决定是否给鱼塘增氧，往往导致增氧机开关时间没有明确界限，造成电能、塘水浪费。实际应用中也有部分是借助溶氧计测量水体的含氧量，判断何时增氧，但由于溶氧计较昂贵，功能单一，且不能很好的适应鱼塘复杂的环境，尚没有得到推广使用。利用了“三开两不开”[1]的经验理论，实时检测鱼塘水温、溶解氧等有利于养鱼者及时掌握鱼塘信息，还能对鱼塘增氧时机给出参考，有利于鱼生长[2-3]。

1 系统硬件设计方案

1.1 智能浮标模块

智能浮标主要由太阳能板、锂电池、nRF24L01无线通信器件[4]、MMA7361三轴加速度传感器、TSL230光照测量器件、DHT11温湿度传感、激光与光敏电阻模块和DS18B20温度传感器等组成，整个器件放在轻质密封塑料盒中，框图如图1所示，图2是浮标实物图。

nRF24L01无线通信器件用于与上位机进行通信，该无线模块功耗较低，且该器件成本相对低廉，但保持了在空旷范围一定距离内传输信号的可靠性，适用于鱼塘较为空旷的环境通信；可编程光/频转换器TSL230用于鱼塘光照度测量；DHT11是用于测量空气中的温度和湿度；DS18B20测量的是水温；激光与光敏电阻构成水的透明度测量电路，检测水质清晰度。三轴传感器MMA7361是测量鱼塘水波震荡的状况的关键器件，具有三个重力传感器，分别处于三维直角坐标系的x，y，z轴，当水面波动导致浮标震荡，三轴传感器输出xyz三个变化电压信号，将信号送给STM32F103主控器进行处理，分析信号的变化规律是否符合鱼儿浮头情况，通过各个模块对鱼塘的环境信息测量，将所得信息进行处理，参照“三开两不开”原则。判断是否开启增氧机。

图1 浮标控制模型Fig.1 Control model of the buoy

图2 浮标实物图Fig.2 The buoy entity

1.2 上位机主控器模块

上位机安放在鱼塘岸边，主站控制模块由液晶显示、电流电压检测、无线接收模块、BUCK降压电路和增氧机等组成。STM32F103C8T6微控制器自身包括72 MHz的高频处理单元，其12位精度的A/D能够更好地测出三轴传感器的微小电压变量；内置电流低于2 μA的睡眠模式有助于节省功耗，适合鱼塘无人管理的环境；且成本相对其他同系列型号低廉。

主控制器功能如下：1）接收智能浮标的信号，控制是否开启增氧机，将鱼塘的信息显示在液晶上，同时通过指示灯与蜂鸣器提醒用户鱼塘所处的状态；2）通过主机的按键与开关进行人机操作；3）太阳能充放电管理。

图3 主控制器模快Fig.3 Main controller module

1.3 太阳能充电模块

LTC3105是一款专用太阳能为单节锂电池充电芯片，含高效DC/DC转换器、最大功率点控制MPPT和同步整流，低启动电压，低静态电流。图4为采用太阳能充电的增氧机电路[4]。

图4 太阳能充电增氧机电路Fig.4 Power circuit of aerator supplied by solar panel

2 主要系统算法设计

三轴加速度传感器MMA7361是一种可以对物体运动过程中的加速度进行测量的电子设备，在浮标设计中起到关键作用，系统主要软件算法如图5所示。

图5 浮标组成器件图Fig.5 Devices composition of the buoy

图6 数据采集处理算法Fig.6 Data collection and processing algorithm

考虑到实际应用中会有风和落叶等使鱼塘水面产生起伏，对系统检测鱼浮头现象产生干扰，这种干扰通过算法优化以后排除，排除算法主要根据以下几点实现：

1）浮标有一定的重量，微风和落叶虽然会在水面产生水波纹，但对浮标产生的振动较少，即不会出现大振幅，而鱼浮头对浮标产生的振动振幅会较大；

2）风和落叶等造成水面起伏的频率是规则的，而鱼浮头触动水面的振荡是不规律的；

3）使用记忆算法，采集一段时间的浮动数据进行分析，并与前一段时间的数据进行比对，如果出现鱼浮头的现象，两组数据会有明显不同。

3 结束语

设计了搭载多种传感器智能浮标，以光伏电池作为浮标电源，通过检测鱼儿浮头的持续时间、水清晰度和水层温度等，判断是否换水和鱼儿的健康情况，实现了鱼塘环境检测和增氧管理的自动化，替代使用成本较高的溶氧计。通过在鱼塘水面布置多个智能浮标，可更加全面掌握鱼塘管理情况，能达到节电、节水和减排的目的，同时避免频繁巡视鱼塘的繁琐工作，具有良好的应用前景。

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