一种stm32和nbiot水产养殖环境监控系统的设计与实现软件部分(附件)【字数：10276】
摘 要在当前市场中，智能水产养殖所占的市场份额尚不够多。随着信息技术和Internet技术的飞速发展，智能水产养殖技术在实现成本上大幅度降低，同时人们永不停步地追求生活智能化和舒适化，如果技术更加成熟、成本更加低廉，功能更加完美，其市场需求将会非常巨大。物联网作为近些年刚兴起的一种产业，他被誉为国家战略项目之一。智能水产养殖是以物联网为平台，利用综合布线技术、网络通信技术、自动控制技术将水产养殖有关的设备集成形成智能水产养殖系统的养殖环境。本设计提供了一种基于STM32L476和NB-IOT的水产养殖环境监控系统软件设计,包括传感模块，用来检测水产养殖环境中水质的各种参数；电机驱动模块，用于驱动增氧器和进行水质调节的机器；主控制模块，用于获取传感器所收集的电信号参数并判断是否超出预先设计的阈值，如果超出，则会自动发出命令控制所述电机驱动模块工作，以及接收来自客户端的下发控制命令以驱动所述电机驱动模块工作；以及NB-IoT模块，接收来自平台的数据命令和将传感器所测数据上传至网络平台。该系统通过设计及前期调试，已能对氧气、温度、PH值等做出数据监测和调整，并且大大降低了养殖成本，降低了水产养殖户的负担。该系统具有能耗低，待机时间长，能使用独立电源，性价比高，稳定等优点。给出了一种比较经济、智能的方案，具有很强的可操作性，适于进一步推广或研究，以便于促进水生物生长，降低成本，带来较好的社会经济效益。
目 录
一、引言 6
（一）课题研究的目标 6
（二）国内外的现状 6
1.国内外总体发展状况 6
2.国外发展 6
3.国内发展 7
4.我国智能水产养殖发展的问题 7
（三）课题研究意义 8
二、方案设计 8
（一）预选方案 8
（二）方案介绍 8
（三）方案选择 10
（四）系统总体构架 10
三、系统的软件环境介绍 11
（一）嵌入式开发环境选择 11
（二）选择嵌入式开发系统的依据 12
（三）使用平台的选择 13
（四）通信协议的比较和选择 13
（五）建立开发环境 14
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搭建软件开发环境 14
2.搭建上传至云端开发环境 14
四、系统软件的实现 15
（一）NBIoT模块的实现 16
（二）DS18B20温度检测模块的实现 19
（三）溶解氧检测模块的实现 23
（四）PH值检测模块的实现 23
（五）总程序实现 27
五、总结和展望 30
（一）总结 30
（二）展望 30
致 谢 31
参考文献 31
一、引言
（一）课题研究的目标
随着世界人口的不断增加和经济的不断发展，人类对动物性蛋白质的需求量日益增加，但是自然捕捞的量终究是有限的。今后单靠捕捞天然渔业资源将无法满足需求量，使得曾经被人们所不问津的大水面水产养殖重新回到水产养殖舞台上来，而水产养殖对于水质要求较高，这时候就需要一套科学的养殖系统，这样也可以减少管理者的工作量，提高效率，做到随时报警，随时解决，永远在问题严重之前提前解决。而进行水产养殖时水 的温度、溶氧度、PH值是水产物生长很重要的因素。科学地控制这些参数就可以提高水产物的产量。本课题就是以单片机控制为核心，集成温度传感器、水氧仪、PH值传感器作为检测元件，实现水产养殖智能管理系统。
智能水产养殖一般会采用PLC，WiFi，ZigBee，LoRa等通信技术，而PLC的信号一般且不稳定，WiFi有受控于距离上的限制，ZigBee，LoRa所工作的频谱非授权且成本高还需要建立维护网关，特别麻烦，近年来有一种新的覆盖范围广，功耗低的新物联网通信技术NBIoT迅速发展了起来，他跟蜂窝网络使用频谱差不多，它广泛用于低功耗市场，可以使用GSM和LTE网络，它低功耗，链接范围广，多连接，成本低的特点，使它在智能物联网行业中使用不断增多。因此，基于NBIoT的智能水产养殖监控系统设计具有很大的意义。
（二）国内外的现状
1.国内外总体发展状况
智能水产养殖的不断发展是将来水产养殖的必然趋势，它可以实现经济利益的最大化。目前使用的智能水产养殖策略有基于实际操作与理论两者结合。其控制水平分为三个层次，第一种就是全面智能化，这种对于软件硬件都有较高的技术要求，第二种就是半智能化，这种是目前最多的现象，第三种就是纯人工养殖，这种产能低效，且出现特殊情况容易造成大规模损失。
2.国外发展
世界上许多发达国家如日本、挪威、美国、以色列等国家大力发展的智能水产养殖产业，池塘内水的温度、水氧度、PH值实现了计算机控制，从品种选择、栽培管理到采收包装形成了一整套完整的规范化技术体系。
日本的主要出口和内销物就是海产品，也是将网络运用于养殖的主要国家之一。主要原因是日本有发达的设备制造技术，并且它的综合环境控制技能水平很高。以玛鲁哈日鲁养殖场为例，玛鲁哈日鲁在山形县游佐町设有陆地养殖场。鲑鱼的一种、樱鲑的幼鱼在大型水槽里游来游去。樱鲑被认为是可以生吃的鲑科中最美味的一种。
由于鱼类的进食量是随水温变化而变化的，所以管理起来并不是很方便。在陆地养殖场，收集水温和水质数据、在云端分析及投食作业全部实现了自动化。该自动化系统由玛鲁哈日鲁和大型阀门生产商KITZ等企业共同开发。智能水产养殖系统的使用给水产养殖者带来了一定的经济收益，提高了决策水平，减轻了人力管理、技术管理工作量，同时也为水产养殖带来了很大方便。
此外，国外的智能水产养殖正致力于向高科技方向发展。各种局域网技术已经应用于水产养殖的管理和监控，实现即使在很远的地方也能控制和监控养殖场的各种情况，这就是远程控制。另外该网络还连接有几个通讯平台，用户可以在很远的地点通过形象、直观的图形化界面和数字化界面控制和观看养殖场的现场情况，就像在现场操作一样，给人一种身临其境的感觉。
3.国内发展
我国的水产养殖业本就是我国农业的重要组成部分之一,我国是世界水产大国，人口也很多，对蛋白质需求巨大，所以进行智能化水产养殖有很大意义。
2017年1月10号，湖北省启动物联网水产养殖工程，湖北省与江苏中农物联网科技有限公司的正式签约,标志着湖北省的水产养殖将进入到物联网的管理之中。智能水产养殖系统的软件设计就是在智能监测，智能通信，智能控制的技术上开发的，这个系统最主要的功能就是实时检测水中的PH值、水氧气含量、温度等各种参数，然后上报至客户端，并具有自动警报，自动操作等功能。
目 录
一、引言 6
（一）课题研究的目标 6
（二）国内外的现状 6
1.国内外总体发展状况 6
2.国外发展 6
3.国内发展 7
4.我国智能水产养殖发展的问题 7
（三）课题研究意义 8
二、方案设计 8
（一）预选方案 8
（二）方案介绍 8
（三）方案选择 10
（四）系统总体构架 10
三、系统的软件环境介绍 11
（一）嵌入式开发环境选择 11
（二）选择嵌入式开发系统的依据 12
（三）使用平台的选择 13
（四）通信协议的比较和选择 13
（五）建立开发环境 14
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搭建软件开发环境 14
2.搭建上传至云端开发环境 14
四、系统软件的实现 15
（一）NBIoT模块的实现 16
（二）DS18B20温度检测模块的实现 19
（三）溶解氧检测模块的实现 23
（四）PH值检测模块的实现 23
（五）总程序实现 27
五、总结和展望 30
（一）总结 30
（二）展望 30
致 谢 31
参考文献 31
一、引言
（一）课题研究的目标
随着世界人口的不断增加和经济的不断发展，人类对动物性蛋白质的需求量日益增加，但是自然捕捞的量终究是有限的。今后单靠捕捞天然渔业资源将无法满足需求量，使得曾经被人们所不问津的大水面水产养殖重新回到水产养殖舞台上来，而水产养殖对于水质要求较高，这时候就需要一套科学的养殖系统，这样也可以减少管理者的工作量，提高效率，做到随时报警，随时解决，永远在问题严重之前提前解决。而进行水产养殖时水 的温度、溶氧度、PH值是水产物生长很重要的因素。科学地控制这些参数就可以提高水产物的产量。本课题就是以单片机控制为核心，集成温度传感器、水氧仪、PH值传感器作为检测元件，实现水产养殖智能管理系统。
智能水产养殖一般会采用PLC，WiFi，ZigBee，LoRa等通信技术，而PLC的信号一般且不稳定，WiFi有受控于距离上的限制，ZigBee，LoRa所工作的频谱非授权且成本高还需要建立维护网关，特别麻烦，近年来有一种新的覆盖范围广，功耗低的新物联网通信技术NBIoT迅速发展了起来，他跟蜂窝网络使用频谱差不多，它广泛用于低功耗市场，可以使用GSM和LTE网络，它低功耗，链接范围广，多连接，成本低的特点，使它在智能物联网行业中使用不断增多。因此，基于NBIoT的智能水产养殖监控系统设计具有很大的意义。
（二）国内外的现状
1.国内外总体发展状况
智能水产养殖的不断发展是将来水产养殖的必然趋势，它可以实现经济利益的最大化。目前使用的智能水产养殖策略有基于实际操作与理论两者结合。其控制水平分为三个层次，第一种就是全面智能化，这种对于软件硬件都有较高的技术要求，第二种就是半智能化，这种是目前最多的现象，第三种就是纯人工养殖，这种产能低效，且出现特殊情况容易造成大规模损失。
2.国外发展
世界上许多发达国家如日本、挪威、美国、以色列等国家大力发展的智能水产养殖产业，池塘内水的温度、水氧度、PH值实现了计算机控制，从品种选择、栽培管理到采收包装形成了一整套完整的规范化技术体系。
日本的主要出口和内销物就是海产品，也是将网络运用于养殖的主要国家之一。主要原因是日本有发达的设备制造技术，并且它的综合环境控制技能水平很高。以玛鲁哈日鲁养殖场为例，玛鲁哈日鲁在山形县游佐町设有陆地养殖场。鲑鱼的一种、樱鲑的幼鱼在大型水槽里游来游去。樱鲑被认为是可以生吃的鲑科中最美味的一种。
由于鱼类的进食量是随水温变化而变化的，所以管理起来并不是很方便。在陆地养殖场，收集水温和水质数据、在云端分析及投食作业全部实现了自动化。该自动化系统由玛鲁哈日鲁和大型阀门生产商KITZ等企业共同开发。智能水产养殖系统的使用给水产养殖者带来了一定的经济收益，提高了决策水平，减轻了人力管理、技术管理工作量，同时也为水产养殖带来了很大方便。
此外，国外的智能水产养殖正致力于向高科技方向发展。各种局域网技术已经应用于水产养殖的管理和监控，实现即使在很远的地方也能控制和监控养殖场的各种情况，这就是远程控制。另外该网络还连接有几个通讯平台，用户可以在很远的地点通过形象、直观的图形化界面和数字化界面控制和观看养殖场的现场情况，就像在现场操作一样，给人一种身临其境的感觉。
3.国内发展
我国的水产养殖业本就是我国农业的重要组成部分之一,我国是世界水产大国，人口也很多，对蛋白质需求巨大，所以进行智能化水产养殖有很大意义。
2017年1月10号，湖北省启动物联网水产养殖工程，湖北省与江苏中农物联网科技有限公司的正式签约,标志着湖北省的水产养殖将进入到物联网的管理之中。智能水产养殖系统的软件设计就是在智能监测，智能通信，智能控制的技术上开发的，这个系统最主要的功能就是实时检测水中的PH值、水氧气含量、温度等各种参数，然后上报至客户端，并具有自动警报，自动操作等功能。
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