自給自足的智能水產(chǎn)養(yǎng)殖/農(nóng)業(yè)節(jié)點(diǎn)，由可再生能源供電，具有網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)和先進(jìn)的實(shí)時(shí)監(jiān)控傳感器

該項(xiàng)目背后的理念源于全球?qū)Z食生產(chǎn)和環(huán)境保護(hù)的需求不斷增長(zhǎng)，對(duì)水產(chǎn)養(yǎng)殖和農(nóng)業(yè)領(lǐng)域可持續(xù)和高效解決方案的需求日益增長(zhǎng)。當(dāng)我們展望未來(lái)時(shí)，很明顯，傳統(tǒng)的農(nóng)業(yè)和水產(chǎn)養(yǎng)殖方法已不足以應(yīng)對(duì)氣候變化、資源枯竭和人口增長(zhǎng)的挑戰(zhàn)。

針對(duì)這些挑戰(zhàn)，本項(xiàng)目旨在打造智能水產(chǎn)養(yǎng)殖節(jié)點(diǎn)設(shè)備，對(duì)水產(chǎn)養(yǎng)殖生態(tài)系統(tǒng)的水質(zhì)、環(huán)境因素和整體健康狀況進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和管理。該系統(tǒng)由兩個(gè)主要單元組成：一個(gè)安裝在池塘或水產(chǎn)養(yǎng)殖區(qū)，在那里各種探頭和傳感器不斷收集關(guān)鍵參數(shù)的數(shù)據(jù)，如溶解氧、pH值、氨、硝酸鹽、溫度等。第二個(gè)單元位于陸地上，在那里它接收這些數(shù)據(jù)并將其傳輸?shù)街醒肟刂圃O(shè)備以進(jìn)行進(jìn)一步分析和決策(盡管控制設(shè)備不在當(dāng)前范圍內(nèi))。在大規(guī)模養(yǎng)殖領(lǐng)域，系統(tǒng)可以擴(kuò)展到支持?jǐn)?shù)百甚至數(shù)千個(gè)節(jié)點(diǎn)設(shè)備，實(shí)現(xiàn)大面積的綜合監(jiān)控，確保養(yǎng)殖管理的最佳條件。

該系統(tǒng)的一個(gè)關(guān)鍵特點(diǎn)是nRF9151DK，它支持使用DECT NR+技術(shù)的網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)，使其成為該項(xiàng)目的理想解決方案。DECT NR+(新無(wú)線電DECT)標(biāo)準(zhǔn)是下一代無(wú)線通信技術(shù)，提供高質(zhì)量、低延遲的長(zhǎng)距離通信，使其成為遠(yuǎn)程水產(chǎn)養(yǎng)殖系統(tǒng)的完美選擇。憑借其網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)功能，該系統(tǒng)可以支持部署在大型水產(chǎn)養(yǎng)殖場(chǎng)的數(shù)百或數(shù)千個(gè)節(jié)點(diǎn)之間的無(wú)縫通信，即使在基礎(chǔ)設(shè)施有限的挑戰(zhàn)性環(huán)境中也能確保可靠的數(shù)據(jù)傳輸。網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)確保每個(gè)設(shè)備不僅可以直接與主節(jié)點(diǎn)通信，還可以與其他相鄰設(shè)備通信，從而創(chuàng)建一個(gè)自修復(fù)網(wǎng)絡(luò)，可以適應(yīng)節(jié)點(diǎn)故障或環(huán)境干擾等動(dòng)態(tài)變化。這使得系統(tǒng)健壯且可伸縮，無(wú)論部署的大小或復(fù)雜性如何，都能提供一致且可靠的數(shù)據(jù)。此外，藍(lán)牙Mesh、Thread和Zigbee等可選協(xié)議為將系統(tǒng)集成到現(xiàn)有設(shè)置中提供了靈活性。

該系統(tǒng)的設(shè)計(jì)是環(huán)保和自我維持的。電力來(lái)自可再生能源，如利用水產(chǎn)養(yǎng)殖系統(tǒng)循環(huán)水能量的渦輪機(jī)。在功率不足的情況下，多臺(tái)渦輪機(jī)級(jí)聯(lián)，以確保連續(xù)發(fā)電。2500毫安時(shí)或更大的電池存儲(chǔ)收集的能量，為系統(tǒng)提供可靠的電力，使其真正實(shí)現(xiàn)自我維持和環(huán)保意識(shí)。

該項(xiàng)目不僅解決了監(jiān)測(cè)和管理水產(chǎn)養(yǎng)殖系統(tǒng)的迫切需要，而且提出了一種可適用于農(nóng)業(yè)環(huán)境的模式。通過(guò)更換傳感器探頭，該系統(tǒng)可用于測(cè)量關(guān)鍵土壤參數(shù)，進(jìn)一步提高了其通用性和適用范圍。對(duì)于農(nóng)業(yè)應(yīng)用，該系統(tǒng)可以由太陽(yáng)能電池板而不是渦輪機(jī)供電，有效地利用來(lái)自陽(yáng)光的能量，無(wú)論是來(lái)自開闊的田野還是溫室的受控環(huán)境。最終目標(biāo)是創(chuàng)建一個(gè)解決方案，幫助優(yōu)化水產(chǎn)養(yǎng)殖和農(nóng)業(yè)實(shí)踐，同時(shí)最大限度地減少對(duì)環(huán)境的影響，確保這兩個(gè)行業(yè)的未來(lái)更加可持續(xù)。

nRF9151DK包括SIM卡支持、LTE連接和GNSS功能等關(guān)鍵功能，所有這些都在該項(xiàng)目中發(fā)揮著至關(guān)重要的作用。由于支持LTE- m和NB-IoT，該系統(tǒng)可以通過(guò)LTE網(wǎng)絡(luò)發(fā)送傳感器數(shù)據(jù)，從而實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控和控制。這使得操作人員或管理人員無(wú)需現(xiàn)場(chǎng)就可以訪問(wèn)水產(chǎn)養(yǎng)殖場(chǎng)或農(nóng)田的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，并做出明智的決策。GNSS功能為每個(gè)節(jié)點(diǎn)提供準(zhǔn)確的位置跟蹤，這在跨廣闊水產(chǎn)養(yǎng)殖領(lǐng)域的大規(guī)模部署中特別有用，可以確保設(shè)備的精確定位并幫助進(jìn)行數(shù)據(jù)的地理標(biāo)記。在未來(lái)，nRF9151DK的NTN(非地面網(wǎng)絡(luò))更新將使連接在更偏遠(yuǎn)的地區(qū)，傳統(tǒng)的蜂窩或Wi-Fi網(wǎng)絡(luò)可能不可用。這種能力可以提供全球覆蓋，使該系統(tǒng)更適合在近海水產(chǎn)養(yǎng)殖場(chǎng)或偏遠(yuǎn)農(nóng)業(yè)區(qū)等孤立環(huán)境中進(jìn)行監(jiān)測(cè)。

原型系統(tǒng)設(shè)計(jì)

硬件設(shè)計(jì)

原型機(jī)的硬件設(shè)計(jì)側(cè)重于利用nRF9151DK的功能，并集成必要的傳感器模塊和電源系統(tǒng)，以確保無(wú)縫功能。以下是關(guān)鍵組件及其相互關(guān)系：

電源管理:

?TP4056 1A鋰離子電池充電模塊用于為2500mAh或更大的鋰離子電池充電，作為nRF9151DK的主要電源。

?TP4056模塊的輸入來(lái)自循環(huán)水養(yǎng)殖系統(tǒng)(RAS)中的渦輪機(jī)，確保通過(guò)水的循環(huán)產(chǎn)生環(huán)保的電力。如果需要，多個(gè)渦輪機(jī)可以級(jí)聯(lián)以產(chǎn)生足夠的電力。水循環(huán)在所有水產(chǎn)養(yǎng)殖系統(tǒng)中都是必不可少的，盡管循環(huán)的頻率各不相同。

?外部插孔提供了連接渦輪機(jī)產(chǎn)生的輸入或傳統(tǒng)的直流電源備份的靈活性。

傳感器集成:

?nRF9151DK連接了多種傳感器，用于監(jiān)測(cè)水產(chǎn)養(yǎng)殖環(huán)境的關(guān)鍵參數(shù)，例如：

?pH監(jiān)測(cè)：重力：7/24工業(yè)模擬pH計(jì)套件探頭通過(guò)模擬引腳連接，以提供連續(xù)的pH值更新。

?TDS(總?cè)芙夤腆w)：重力：模擬TDS傳感器/儀表V1.0連接測(cè)量水中溶解固體的濃度，提供水質(zhì)的明確指標(biāo)。

?濁度：重力：模擬濁度傳感器通過(guò)測(cè)量懸浮顆粒的量來(lái)監(jiān)測(cè)水的清晰度，幫助檢測(cè)污染或沉積物水平。

?溶解氧：重力：模擬溶解氧傳感器套件測(cè)量水中的氧氣濃度，這是維持水生生物的關(guān)鍵參數(shù)。

?壓力：重力：水壓力傳感器跟蹤水系統(tǒng)的壓力變化，幫助流量管理和系統(tǒng)優(yōu)化。

?ORP(氧化還原電位)：重力：ORP傳感器套件監(jiān)測(cè)水的氧化特性，這可以表明有機(jī)污染的水平。

?溫度：重力：防水DS18B20溫度傳感器提供準(zhǔn)確的溫度讀數(shù)，對(duì)于維持理想的水產(chǎn)養(yǎng)殖條件至關(guān)重要。

?電導(dǎo)率(鹽度)：重力：模擬電導(dǎo)率傳感器測(cè)量水的鹽度，這對(duì)于特定物種的水產(chǎn)養(yǎng)殖要求至關(guān)重要。

溝通和網(wǎng)絡(luò)：

?nRF9151DK作為主要的通信樞紐，利用其DECT NR+網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)能力將數(shù)據(jù)從水產(chǎn)養(yǎng)殖領(lǐng)域的多個(gè)節(jié)點(diǎn)設(shè)備傳輸?shù)郊锌刂葡到y(tǒng)。

?包括藍(lán)牙Mesh、Thread和Zigbee等可選通信協(xié)議，以便在需要時(shí)與現(xiàn)有設(shè)置集成。

數(shù)據(jù)傳輸和位置跟蹤：

?nRF9151DK的LTE-M和NB-IoT功能允許實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)傳輸?shù)竭h(yuǎn)程監(jiān)測(cè)站，而內(nèi)置的GNSS模塊提供單個(gè)節(jié)點(diǎn)的精確位置跟蹤。

?未來(lái)的非地面網(wǎng)絡(luò)(NTN)將使偏遠(yuǎn)或網(wǎng)絡(luò)稀缺地區(qū)的連接成為可能，進(jìn)一步提高系統(tǒng)的可靠性。

這種硬件架構(gòu)確保了一個(gè)自我維持、生態(tài)友好的系統(tǒng)，可以收集、處理和傳輸水產(chǎn)養(yǎng)殖的關(guān)鍵環(huán)境數(shù)據(jù)，并提供電力冗余和大規(guī)模部署的可擴(kuò)展性。

機(jī)械設(shè)計(jì)

原型系統(tǒng)的機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)用于容納兩個(gè)不同的單元：

1. 土地單位

?該單元容納控制板，包括nRF9151DK和其他關(guān)鍵電子設(shè)備。

?外殼設(shè)計(jì)緊湊，堅(jiān)固，確保防止環(huán)境因素，如灰塵和水分(在原型的可能程度上)。

?機(jī)械外殼有一個(gè)單獨(dú)的開口，用于傳感器電纜和電源線。這降低了水或灰塵進(jìn)入的風(fēng)險(xiǎn)，同時(shí)保持易于連接和電源管理。這些電纜被分組成線束或扭曲電纜組件，確保一個(gè)整潔和有組織的設(shè)置。線束分成兩支：1。傳感器連接：該分支連接淹沒在水產(chǎn)養(yǎng)殖水體中的各種傳?感器探頭。電源連接：該分支在單個(gè)插孔中終止，允許靈活的電源輸入。千斤頂設(shè)計(jì)用于支持直接直流電源連接或從渦輪機(jī)輸入，具體取決于電源的可用性。

2. 水單元

?該裝置采用傳感器探頭和傳感元件，將其浸入養(yǎng)殖水體中，測(cè)量各種參數(shù)。

?外殼的設(shè)計(jì)是為了確保探頭直接接觸水，同時(shí)提供足夠的保護(hù)，防止水生生物造成的物理?yè)p壞。

?為了保護(hù)傳感器，采用了防護(hù)格柵或網(wǎng)罩設(shè)計(jì)，確保不間斷的功能，同時(shí)防止魚或碎片的損壞。

?水單元內(nèi)的傳感器位置經(jīng)過(guò)仔細(xì)規(guī)劃，以避免需要外部水位傳感器，因?yàn)樗豢梢詮膫鞲衅鞯奈恢猛茢喑鰜?lái)。

材料，原型和設(shè)計(jì)規(guī)格：

?陸地和水上單元都建議由ABS塑料制成，因?yàn)樗哂心陀眯裕p質(zhì)性和對(duì)環(huán)境條件的抵抗力(盡可能地)。

?這些外殼的原型是使用3D打印機(jī)完成的，允許具有成本效益和可定制的設(shè)計(jì)。

?兩種裝置的設(shè)計(jì)都具有最大的緊湊性，以確保易于安裝和維護(hù)。模塊化設(shè)計(jì)允許簡(jiǎn)單的組裝、拆卸和更換組件，這在原型測(cè)試和迭代期間尤為重要。

?機(jī)械設(shè)計(jì)確保了原型的功能性、耐用性和適應(yīng)性，為將來(lái)過(guò)渡到成熟的產(chǎn)品設(shè)計(jì)提供了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

最終產(chǎn)品集成

最終設(shè)計(jì)將所有單獨(dú)的模塊，如傳感器模塊、nRF9151DK和電源管理電路集成到一個(gè)緊湊的PCB中。TP4056模塊將被TI BQ25792模塊取代，后者支持雙電源輸入，可以同時(shí)連接直流電源和渦輪電源。系統(tǒng)的外殼將采用機(jī)械裝置設(shè)計(jì)，以無(wú)縫地容納這些連接。TI BQ25792 IC的集成增強(qiáng)了對(duì)設(shè)備運(yùn)行狀況和電池性能的監(jiān)控。該功能將提供準(zhǔn)確的電池狀態(tài)實(shí)時(shí)反饋，如充電百分比和健康指標(biāo)，在需要時(shí)實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控和及時(shí)干預(yù)。這些參數(shù)將與水產(chǎn)養(yǎng)殖場(chǎng)數(shù)據(jù)一起傳輸，確保系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)的全面可見性。

該設(shè)備將被設(shè)計(jì)為支持直接即插即用傳感器集成，允許用戶根據(jù)他們的監(jiān)測(cè)需求連接特定的傳感器模塊。例如，如果監(jiān)測(cè)某一特定參數(shù)對(duì)某一特定水產(chǎn)養(yǎng)殖品種至關(guān)重要，用戶可以直接插入相應(yīng)的傳感器模塊，而省略不太相關(guān)的傳感器模塊。這種靈活性使該設(shè)備具有高度的通用性和適應(yīng)性，適用于不同的用例。

土地單元外殼材料將由ABS塑料升級(jí)為透明材料，使內(nèi)部充滿活力的PCB設(shè)計(jì)可見，增強(qiáng)美學(xué)吸引力。還將添加可編程LED指示燈，以指示網(wǎng)絡(luò)可用性，電源狀態(tài)和各種其他狀態(tài)指示燈等參數(shù)。專用電源LED將用于快速直觀地參考電路板的電源狀態(tài)。

該設(shè)備將被設(shè)計(jì)得更加緊湊，確保在水產(chǎn)養(yǎng)殖和農(nóng)業(yè)環(huán)境中易于部署。為了確保在這些地區(qū)典型的惡劣環(huán)境條件下的耐久性，外殼的設(shè)計(jì)將符合IP68/IP69標(biāo)準(zhǔn)，提供防水和防塵保護(hù)。

本文編譯自hackster.io