基于nRF9151DK打造智能水产养殖节点设备

自给自足的智能水产养殖/农业节点，由可再生能源供电，具有网状网络和先进的实时监控传感器

该项目背后的理念源于全球对粮食生产和环境保护的需求不断增长，对水产养殖和农业领域可持续和高效解决方案的需求日益增长。当我们展望未来时，很明显，传统的农业和水产养殖方法已不足以应对气候变化、资源枯竭和人口增长的挑战。

针对这些挑战，本项目旨在打造智能水产养殖节点设备，对水产养殖生态系统的水质、环境因素和整体健康状况进行实时监测和管理。该系统由两个主要单元组成：一个安装在池塘或水产养殖区，在那里各种探头和传感器不断收集关键参数的数据，如溶解氧、pH值、氨、硝酸盐、温度等。第二个单元位于陆地上，在那里它接收这些数据并将其传输到中央控制设备以进行进一步分析和决策(尽管控制设备不在当前范围内)。在大规模养殖领域，系统可以扩展到支持数百甚至数千个节点设备，实现大面积的综合监控，确保养殖管理的最佳条件。

该系统的一个关键特点是nRF9151DK，它支持使用DECT NR+技术的网状网络，使其成为该项目的理想解决方案。DECT NR+(新无线电DECT)标准是下一代无线通信技术，提供高质量、低延迟的长距离通信，使其成为远程水产养殖系统的完美选择。凭借其网状网络功能，该系统可以支持部署在大型水产养殖场的数百或数千个节点之间的无缝通信，即使在基础设施有限的挑战性环境中也能确保可靠的数据传输。网状网络确保每个设备不仅可以直接与主节点通信，还可以与其他相邻设备通信，从而创建一个自修复网络，可以适应节点故障或环境干扰等动态变化。这使得系统健壮且可伸缩，无论部署的大小或复杂性如何，都能提供一致且可靠的数据。此外，蓝牙Mesh、Thread和Zigbee等可选协议为将系统集成到现有设置中提供了灵活性。

该系统的设计是环保和自我维持的。电力来自可再生能源，如利用水产养殖系统循环水能量的涡轮机。在功率不足的情况下，多台涡轮机级联，以确保连续发电。2500毫安时或更大的电池存储收集的能量，为系统提供可靠的电力，使其真正实现自我维持和环保意识。

该项目不仅解决了监测和管理水产养殖系统的迫切需要，而且提出了一种可适用于农业环境的模式。通过更换传感器探头，该系统可用于测量关键土壤参数，进一步提高了其通用性和适用范围。对于农业应用，该系统可以由太阳能电池板而不是涡轮机供电，有效地利用来自阳光的能量，无论是来自开阔的田野还是温室的受控环境。最终目标是创建一个解决方案，帮助优化水产养殖和农业实践，同时最大限度地减少对环境的影响，确保这两个行业的未来更加可持续。

nRF9151DK包括SIM卡支持、LTE连接和GNSS功能等关键功能，所有这些都在该项目中发挥着至关重要的作用。由于支持LTE- m和NB-IoT，该系统可以通过LTE网络发送传感器数据，从而实现远程监控和控制。这使得操作人员或管理人员无需现场就可以访问水产养殖场或农田的实时数据，并做出明智的决策。GNSS功能为每个节点提供准确的位置跟踪，这在跨广阔水产养殖领域的大规模部署中特别有用，可以确保设备的精确定位并帮助进行数据的地理标记。在未来，nRF9151DK的NTN(非地面网络)更新将使连接在更偏远的地区，传统的蜂窝或Wi-Fi网络可能不可用。这种能力可以提供全球覆盖，使该系统更适合在近海水产养殖场或偏远农业区等孤立环境中进行监测。

原型系统设计

硬件设计

原型机的硬件设计侧重于利用nRF9151DK的功能，并集成必要的传感器模块和电源系统，以确保无缝功能。以下是关键组件及其相互关系：

电源管理:

•TP4056 1A锂离子电池充电模块用于为2500mAh或更大的锂离子电池充电，作为nRF9151DK的主要电源。

•TP4056模块的输入来自循环水养殖系统(RAS)中的涡轮机，确保通过水的循环产生环保的电力。如果需要，多个涡轮机可以级联以产生足够的电力。水循环在所有水产养殖系统中都是必不可少的，尽管循环的频率各不相同。

•外部插孔提供了连接涡轮机产生的输入或传统的直流电源备份的灵活性。

传感器集成:

•nRF9151DK连接了多种传感器，用于监测水产养殖环境的关键参数，例如：

•pH监测：重力：7/24工业模拟pH计套件探头通过模拟引脚连接，以提供连续的pH值更新。

•TDS(总溶解固体)：重力：模拟TDS传感器/仪表V1.0连接测量水中溶解固体的浓度，提供水质的明确指标。

•浊度：重力：模拟浊度传感器通过测量悬浮颗粒的量来监测水的清晰度，帮助检测污染或沉积物水平。

•溶解氧：重力：模拟溶解氧传感器套件测量水中的氧气浓度，这是维持水生生物的关键参数。

•压力：重力：水压力传感器跟踪水系统的压力变化，帮助流量管理和系统优化。

•ORP(氧化还原电位)：重力：ORP传感器套件监测水的氧化特性，这可以表明有机污染的水平。

•温度：重力：防水DS18B20温度传感器提供准确的温度读数，对于维持理想的水产养殖条件至关重要。

•电导率(盐度)：重力：模拟电导率传感器测量水的盐度，这对于特定物种的水产养殖要求至关重要。

沟通和网络：

•nRF9151DK作为主要的通信枢纽，利用其DECT NR+网状网络能力将数据从水产养殖领域的多个节点设备传输到集中控制系统。

•包括蓝牙Mesh、Thread和Zigbee等可选通信协议，以便在需要时与现有设置集成。

数据传输和位置跟踪：

•nRF9151DK的LTE-M和NB-IoT功能允许实时数据传输到远程监测站，而内置的GNSS模块提供单个节点的精确位置跟踪。

•未来的非地面网络(NTN)将使偏远或网络稀缺地区的连接成为可能，进一步提高系统的可靠性。

这种硬件架构确保了一个自我维持、生态友好的系统，可以收集、处理和传输水产养殖的关键环境数据，并提供电力冗余和大规模部署的可扩展性。

机械设计

原型系统的机械结构设计用于容纳两个不同的单元：

1. 土地单位

•该单元容纳控制板，包括nRF9151DK和其他关键电子设备。

•外壳设计紧凑，坚固，确保防止环境因素，如灰尘和水分(在原型的可能程度上)。

•机械外壳有一个单独的开口，用于传感器电缆和电源线。这降低了水或灰尘进入的风险，同时保持易于连接和电源管理。这些电缆被分组成线束或扭曲电缆组件，确保一个整洁和有组织的设置。线束分成两支：1。传感器连接：该分支连接淹没在水产养殖水体中的各种传•感器探头。电源连接：该分支在单个插孔中终止，允许灵活的电源输入。千斤顶设计用于支持直接直流电源连接或从涡轮机输入，具体取决于电源的可用性。

2. 水单元

•该装置采用传感器探头和传感元件，将其浸入养殖水体中，测量各种参数。

•外壳的设计是为了确保探头直接接触水，同时提供足够的保护，防止水生生物造成的物理损坏。

•为了保护传感器，采用了防护格栅或网罩设计，确保不间断的功能，同时防止鱼或碎片的损坏。

•水单元内的传感器位置经过仔细规划，以避免需要外部水位传感器，因为水位可以从传感器的位置推断出来。

材料，原型和设计规格：

•陆地和水上单元都建议由ABS塑料制成，因为它具有耐用性，轻质性和对环境条件的抵抗力(尽可能地)。

•这些外壳的原型是使用3D打印机完成的，允许具有成本效益和可定制的设计。

•两种装置的设计都具有最大的紧凑性，以确保易于安装和维护。模块化设计允许简单的组装、拆卸和更换组件，这在原型测试和迭代期间尤为重要。

•机械设计确保了原型的功能性、耐用性和适应性，为将来过渡到成熟的产品设计提供了坚实的基础。

最终产品集成

最终设计将所有单独的模块，如传感器模块、nRF9151DK和电源管理电路集成到一个紧凑的PCB中。TP4056模块将被TI BQ25792模块取代，后者支持双电源输入，可以同时连接直流电源和涡轮电源。系统的外壳将采用机械装置设计，以无缝地容纳这些连接。TI BQ25792 IC的集成增强了对设备运行状况和电池性能的监控。该功能将提供准确的电池状态实时反馈，如充电百分比和健康指标，在需要时实现远程监控和及时干预。这些参数将与水产养殖场数据一起传输，确保系统运行状态的全面可见性。

该设备将被设计为支持直接即插即用传感器集成，允许用户根据他们的监测需求连接特定的传感器模块。例如，如果监测某一特定参数对某一特定水产养殖品种至关重要，用户可以直接插入相应的传感器模块，而省略不太相关的传感器模块。这种灵活性使该设备具有高度的通用性和适应性，适用于不同的用例。

土地单元外壳材料将由ABS塑料升级为透明材料，使内部充满活力的PCB设计可见，增强美学吸引力。还将添加可编程LED指示灯，以指示网络可用性，电源状态和各种其他状态指示灯等参数。专用电源LED将用于快速直观地参考电路板的电源状态。

该设备将被设计得更加紧凑，确保在水产养殖和农业环境中易于部署。为了确保在这些地区典型的恶劣环境条件下的耐久性，外壳的设计将符合IP68/IP69标准，提供防水和防尘保护。

本文编译自hackster.io