自給自足的智能水產養(yǎng)殖/農業(yè)節(jié)點，由可再生能源供電，具有網狀網絡和先進的實時監(jiān)控傳感器

該項目背后的理念源于全球對糧食生產和環(huán)境保護的需求不斷增長，對水產養(yǎng)殖和農業(yè)領域可持續(xù)和高效解決方案的需求日益增長。當我們展望未來時，很明顯，傳統(tǒng)的農業(yè)和水產養(yǎng)殖方法已不足以應對氣候變化、資源枯竭和人口增長的挑戰(zhàn)。

針對這些挑戰(zhàn)，本項目旨在打造智能水產養(yǎng)殖節(jié)點設備，對水產養(yǎng)殖生態(tài)系統(tǒng)的水質、環(huán)境因素和整體健康狀況進行實時監(jiān)測和管理。該系統(tǒng)由兩個主要單元組成：一個安裝在池塘或水產養(yǎng)殖區(qū)，在那里各種探頭和傳感器不斷收集關鍵參數(shù)的數(shù)據，如溶解氧、pH值、氨、硝酸鹽、溫度等。第二個單元位于陸地上，在那里它接收這些數(shù)據并將其傳輸?shù)街醒肟刂圃O備以進行進一步分析和決策(盡管控制設備不在當前范圍內)。在大規(guī)模養(yǎng)殖領域，系統(tǒng)可以擴展到支持數(shù)百甚至數(shù)千個節(jié)點設備，實現(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)的一個關鍵特點是nRF9151DK，它支持使用DECT NR+技術的網狀網絡，使其成為該項目的理想解決方案。DECT NR+(新無線電DECT)標準是下一代無線通信技術，提供高質量、低延遲的長距離通信，使其成為遠程水產養(yǎng)殖系統(tǒng)的完美選擇。憑借其網狀網絡功能，該系統(tǒng)可以支持部署在大型水產養(yǎng)殖場的數(shù)百或數(shù)千個節(jié)點之間的無縫通信，即使在基礎設施有限的挑戰(zhàn)性環(huán)境中也能確?？煽康臄?shù)據傳輸。網狀網絡確保每個設備不僅可以直接與主節(jié)點通信，還可以與其他相鄰設備通信，從而創(chuàng)建一個自修復網絡，可以適應節(jié)點故障或環(huán)境干擾等動態(tài)變化。這使得系統(tǒng)健壯且可伸縮，無論部署的大小或復雜性如何，都能提供一致且可靠的數(shù)據。此外，藍牙Mesh、Thread和Zigbee等可選協(xié)議為將系統(tǒng)集成到現(xiàn)有設置中提供了靈活性。

該系統(tǒng)的設計是環(huán)保和自我維持的。電力來自可再生能源，如利用水產養(yǎng)殖系統(tǒng)循環(huán)水能量的渦輪機。在功率不足的情況下，多臺渦輪機級聯(lián)，以確保連續(xù)發(fā)電。2500毫安時或更大的電池存儲收集的能量，為系統(tǒng)提供可靠的電力，使其真正實現(xiàn)自我維持和環(huán)保意識。

該項目不僅解決了監(jiān)測和管理水產養(yǎng)殖系統(tǒng)的迫切需要，而且提出了一種可適用于農業(yè)環(huán)境的模式。通過更換傳感器探頭，該系統(tǒng)可用于測量關鍵土壤參數(shù)，進一步提高了其通用性和適用范圍。對于農業(yè)應用，該系統(tǒng)可以由太陽能電池板而不是渦輪機供電，有效地利用來自陽光的能量，無論是來自開闊的田野還是溫室的受控環(huán)境。最終目標是創(chuàng)建一個解決方案，幫助優(yōu)化水產養(yǎng)殖和農業(yè)實踐，同時最大限度地減少對環(huán)境的影響，確保這兩個行業(yè)的未來更加可持續(xù)。

nRF9151DK包括SIM卡支持、LTE連接和GNSS功能等關鍵功能，所有這些都在該項目中發(fā)揮著至關重要的作用。由于支持LTE- m和NB-IoT，該系統(tǒng)可以通過LTE網絡發(fā)送傳感器數(shù)據，從而實現(xiàn)遠程監(jiān)控和控制。這使得操作人員或管理人員無需現(xiàn)場就可以訪問水產養(yǎng)殖場或農田的實時數(shù)據，并做出明智的決策。GNSS功能為每個節(jié)點提供準確的位置跟蹤，這在跨廣闊水產養(yǎng)殖領域的大規(guī)模部署中特別有用，可以確保設備的精確定位并幫助進行數(shù)據的地理標記。在未來，nRF9151DK的NTN(非地面網絡)更新將使連接在更偏遠的地區(qū)，傳統(tǒng)的蜂窩或Wi-Fi網絡可能不可用。這種能力可以提供全球覆蓋，使該系統(tǒng)更適合在近海水產養(yǎng)殖場或偏遠農業(yè)區(qū)等孤立環(huán)境中進行監(jiān)測。

原型系統(tǒng)設計

硬件設計

原型機的硬件設計側重于利用nRF9151DK的功能，并集成必要的傳感器模塊和電源系統(tǒng)，以確保無縫功能。以下是關鍵組件及其相互關系：

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模塊的輸入來自循環(huán)水養(yǎng)殖系統(tǒng)(RAS)中的渦輪機，確保通過水的循環(huán)產生環(huán)保的電力。如果需要，多個渦輪機可以級聯(lián)以產生足夠的電力。水循環(huán)在所有水產養(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產生的輸入或傳統(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)測水產養(yǎng)殖環(huán)境的關鍵參數(shù)，例如：

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

?TDS(總溶解固體)：重力：模擬TDS傳感器/儀表V1.0連接測量水中溶解固體的濃度，提供水質的明確指標。

?濁度：重力：模擬濁度傳感器通過測量懸浮顆粒的量來監(jiān)測水的清晰度，幫助檢測污染或沉積物水平。

?溶解氧：重力：模擬溶解氧傳感器套件測量水中的氧氣濃度，這是維持水生生物的關鍵參數(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)測水的氧化特性，這可以表明有機污染的水平。

?溫度：重力：防水DS18B20溫度傳感器提供準確的溫度讀數(shù)，對于維持理想的水產養(yǎng)殖條件至關重要。

?電導率(鹽度)：重力：模擬電導率傳感器測量水的鹽度，這對于特定物種的水產養(yǎng)殖要求至關重要。

溝通和網絡：

?nRF9151DK作為主要的通信樞紐，利用其DECT NR+網狀網絡能力將數(shù)據從水產養(yǎng)殖領域的多個節(jié)點設備傳輸?shù)郊锌刂葡到y(tǒng)。

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

數(shù)據傳輸和位置跟蹤：

?nRF9151DK的LTE-M和NB-IoT功能允許實時數(shù)據傳輸?shù)竭h程監(jiān)測站，而內置的GNSS模塊提供單個節(jié)點的精確位置跟蹤。

?未來的非地面網絡(NTN)將使偏遠或網絡稀缺地區(qū)的連接成為可能，進一步提高系統(tǒng)的可靠性。

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

機械設計

原型系統(tǒng)的機械結構設計用于容納兩個不同的單元：

1. 土地單位

?該單元容納控制板，包括nRF9151DK和其他關鍵電子設備。

?外殼設計緊湊，堅固，確保防止環(huán)境因素，如灰塵和水分(在原型的可能程度上)。

?機械外殼有一個單獨的開口，用于傳感器電纜和電源線。這降低了水或灰塵進入的風險，同時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，確保一個整潔和有組織的設置。線束分成兩支：1。傳感器連接：該分支連接淹沒在水產養(yǎng)殖水體中的各種傳?感器探頭。電源連接：該分支在單個插孔中終止，允許靈活的電源輸入。千斤頂設計用于支持直接直流電源連接或從渦輪機輸入，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，測量各種參數(shù)。

?外殼的設計是為了確保探頭直接接觸水，同時提供足夠的保護，防止水生生物造成的物理損壞。

?為了保護傳感器，采用了防護格柵或網罩設計，確保不間斷的功能，同時防止魚或碎片的損壞。

?水單元內的傳感器位置經過仔細規(guī)劃，以避免需要外部水位傳感器，因為水位可以從傳感器的位置推斷出來。

材料，原型和設計規(guī)格：

?陸地和水上單元都建議由ABS塑料制成，因為它具有耐用性，輕質性和對環(huán)境條件的抵抗力(盡可能地)。

?這些外殼的原型是使用3D打印機完成的，允許具有成本效益和可定制的設計。

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

?機械設計確保了原型的功能性、耐用性和適應性，為將來過渡到成熟的產品設計提供了堅實的基礎。

最終產品集成

最終設計將所有單獨的模塊，如傳感器模塊、nRF9151DK和電源管理電路集成到一個緊湊的PCB中。TP4056模塊將被TI BQ25792模塊取代，后者支持雙電源輸入，可以同時連接直流電源和渦輪電源。系統(tǒng)的外殼將采用機械裝置設計，以無縫地容納這些連接。TI BQ25792 IC的集成增強了對設備運行狀況和電池性能的監(jiān)控。該功能將提供準確的電池狀態(tài)實時反饋，如充電百分比和健康指標，在需要時實現(xiàn)遠程監(jiān)控和及時干預。這些參數(shù)將與水產養(yǎng)殖場數(shù)據一起傳輸，確保系統(tǒng)運行狀態(tài)的全面可見性。

該設備將被設計為支持直接即插即用傳感器集成，允許用戶根據他們的監(jiān)測需求連接特定的傳感器模塊。例如，如果監(jiān)測某一特定參數(shù)對某一特定水產養(yǎng)殖品種至關重要，用戶可以直接插入相應的傳感器模塊，而省略不太相關的傳感器模塊。這種靈活性使該設備具有高度的通用性和適應性，適用于不同的用例。

土地單元外殼材料將由ABS塑料升級為透明材料，使內部充滿活力的PCB設計可見，增強美學吸引力。還將添加可編程LED指示燈，以指示網絡可用性，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)。

該設備將被設計得更加緊湊，確保在水產養(yǎng)殖和農業(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，外殼的設計將符合IP68/IP69標準，提供防水和防塵保護。

本文編譯自hackster.io