基于實時水質參數的智能養殖裝備設計

盛 平, 王英杰, 倪冬瑋

(1 江蘇大學計算機科學與通信工程學院，江蘇 鎮江 212013;2 江蘇科茂信息技術有限公司，江蘇 鎮江 212001)

基于實時水質參數的智能養殖裝備設計

盛 平1, 王英杰1, 倪冬瑋2

(1 江蘇大學計算機科學與通信工程學院，江蘇 鎮江 212013;2 江蘇科茂信息技術有限公司，江蘇 鎮江 212001)

針對現有水產設備機械化和自動化程度較低，增氧機作用范圍有限和投飼機無法自適應投飼的問題，研究設計了一種新型的基于實時水質參數的智能養殖裝備。該裝備硬件上利用傳感器對水質參數進行實時監測，采用太陽能與交流電源混合供電。其中，移動式太陽能增氧機使用超聲波測距進行避障，可隨機行走、增大增氧機的工作范圍；太陽能智能投飼機使用稱重傳感器進行飼料稱重，以實現精確定量投飼。該裝備軟件上支持個人計算機和手機等多個平臺客戶端，實現實時水質參數查詢、遠程增氧、遠程投飼、遠程智能控制等功能。池塘應用試驗結果表明，該裝備的監測水質數據可信度高，實時通訊丟包率低于0.2%，在保證增氧能力的情況下，增氧機作用范圍比傳統水車式增氧機提高10%；能夠在良好的水質環境中完成精確定量投飼。研究表明，該裝備的應用有助于推進水產設備智能化、自動化的發展，實現節能降耗、綠色環保的目標。

智能養殖裝備；水質監測；智能增氧；精確投飼

隨著計算機技術和智能控制理論的發展，養殖裝備作為設施農業的重要組成部分，其自動化控制和管理技術不斷提高。水產養殖裝備[1-2]性能的優劣會直接影響養殖水體的水質，也間接影響養殖系統的水處理效果，進而影響養殖產量和經濟效益。用于池塘增氧的傳統型增氧機[3-4]是定點式的，增氧不夠均勻且作用范圍有限。傳統的投飼機[5-6]只能根據設置好的機械狀態投喂固定的飼料量，無法根據水質情況進行適時投飼。通常在養殖過程中需要對水質進行實時監測分析，并對水質參數進行調節控制，在此基礎上實施投飼，以達到保持良好水環境、促進養殖對象生長的目的。

我國太陽能資源非常豐富，對太陽能資源的利用，可以充分發揮池塘自身的生態優勢，符合“節能、環保”的生產理念。設計了一種基于實時水質參數的智能養殖裝備，包括移動式太陽能增氧機和太陽能智能投飼機。裝備均采用太陽能和交流電源相結合的智能養殖裝備供電，選用溶氧、溫度和pH傳感器完成實時水質數據采集，根據水質數據對智能養殖裝備進行自適應控制。

1 總體設計

總體設計目標是開發一種具有智能化設備控制算法并具有特定功能的智能養殖裝備。總體設計策略如圖1所示。

圖1 智能養殖裝備總體設計圖

智能養殖裝備感知層主要由嵌入式控制模塊、溶氧傳感器、pH傳感器、移動式太陽能增氧機和太陽能智能投飼機組成，負責接收遠程智能控制系統服務端的指令，獲取實時水質參數或控制增氧機和投飼機，并將操作結果發回服務端。每5 min采集1次水質數據，并將數據上傳到養殖環境監測系統服務端。傳輸層主要由路由器等組成，提供穩定的網絡環境。應用層主要由遠程智能控制系統服務端和養殖環境監測系統服務端組成，前者負責用戶層和感知層之間的實時通信，自適應控制；后者負責接收感知層上傳的水質數據并存儲到數據庫中，提供查詢接口給客戶端。用戶層主要在各平臺上實現客戶端系統。

2 硬件設計

2.1 智能電源管理系統

智能電源管理系統[7-9](圖2)實時監測蓄電池的荷電狀態和工作狀態，通常情況下由光伏電池供電，光伏充電器具有最大功率點跟蹤(MPPT)功能，能夠使光伏電池一直以最大輸出功率給蓄電池充電，最大限度地利用太陽能發電。

如果蓄電池荷電量低于額定電壓時，智能電源管理系統自動切換為智能充電器給蓄電池充電，為移動式增氧機和智能投飼機提供動力，保證系統正常工作。當蓄電池的荷電量達到工作電壓時，智能充電器自動斷開，智能電源管理系統切換為光伏充電器進行供電。

2.2 傳感器系統

溶氧是水中魚類賴以生存的必要條件，也是衡量水質好壞的重要指標。采用美國哈希LDO Ⅱ AQ熒光法無膜溶氧傳感器采集水體的溶氧和溫度參數，適用于淡水養殖。由于探頭使用熒光技術，無需更換膜片和電解質溶液，使用方便。傳感器12 V供電，溶氧測量范圍0～20 mg/L，測量精度為±0.2 mg/L；溫度測量范圍0～50℃，測量精度為±0.2℃。pH對魚類的生長、發育和繁殖有著直接或間接的影響，是水質的另一個重要指標。本裝備選用聯測的SIN-PH8010高精度復合pH電極，適用于淡水養殖，測量范圍pH 0～14，測量精度±0.1。

本裝備核心板的單片機模塊與溶氧、pH傳感器通過RS485連接并進行數據通信，實現對養殖水域部分水質參數的釆集和處理。

2.3 移動式太陽能增氧機

本智能養殖裝備搭配了一種移動式太陽能增氧機[10](圖3)。

圖3 移動式太陽能增氧機的結構示意圖和樣機

該機由太陽能動力裝置、增氧裝置和行走裝置3部分組成。太陽能動力裝置選擇的是3塊XG-60W型號的太陽能電板，工作電壓12 V，功率60 W，電池容量36 AH，電池充滿電需要8 h。為了確保太陽能電池板能接收到陽光，裝置采用“梯子”三面型，將太陽能電板以4°～8°的角度安放在裝置上[11-12]，使太陽能電板充電達到最好效果。該機裝有4組葉輪電機用于增氧并裝備了水下測距和超聲波測距兩個模塊，可隨機行走且不會擱淺和碰壁，與傳統水車式增氧機工作面積約25%左右相比，移動式增氧機的增氧范圍達到35%左右，相比較提升增氧面積10%左右，并且綠色環保，不需消耗傳統電網電能。

2.4 太陽能智能投飼機

智能投飼機(圖4)由太陽能板、傳感器模塊、投飼模塊、攝像機模塊和嵌入式核心模塊組成[13-15]。

圖4 智能投飼機的結構示意圖和樣機

太陽能模塊選擇的是1塊XG-60W型號的太陽能電板，電池容量36 AH，當蓄電池的荷電量低于額定電壓時，電源管理自動切換為外接智能充電器供電。傳感器模塊包括稱重、溶氧、pH三種模塊。投飼模塊中的儲料盒放置在稱重傳感器上，其下方的輸料管連接拋食器，拋食器位于出食口的后方，通過拋食器的高轉速電機將食物在出食口拋出。攝像機模塊位于出食口的正上方，通過云臺控制可以實時查看或遠程回放投飼機和增氧機的工作情況。嵌入式核心模塊選擇上海漢楓科技有限公司提供的HF-LPB100 WIFI模組作為嵌入式處理器。通過HF-LPB100模組傳統的低端串口或MCU控制，設備都能快捷地接入WIFI網絡，實現物聯網控制和管理。嵌入式核心模塊中的單片機模塊(STM8L051F3)通過串口與嵌入式處理器相連，嵌入式處理器負責接收服務器端的控制指令，再與單片機進行交互。當客戶端選擇投飼量發送給服務端，服務端將命令轉發給核心模塊中的嵌入式處理器，單片機模塊通過稱重傳感器進行稱重，并將食物通過輸料管送到拋食口。溶氧和pH傳感器配合自適應控制系統進行智能投飼控制。

3 軟件設計

3.1 養殖環境監測系統服務端

養殖環境監測系統服務端由兩部分組成：基于C/S構架(客戶機和服務器結構)的數據采集服務端和基于B/S[16](瀏覽器和服務器結構)構架的遠程數據查詢服務端。前者的數據采集系統主要負責接收每5 min嵌入式模塊上傳的養殖環境參數，將環境參數存儲到數據庫中，并開展超限報警等工作；后者則是提供養殖監測環境的歷史數據查詢接口，該接口可根據用戶需求提供每小時、每天、每月、每季度的歷史數據。客戶端根據查詢接口提供的數據形成養殖環境折線圖。

3.2 遠程智能控制系統服務端

遠程智能控制系統服務端主要負責客戶端系統和嵌入式模塊之間的實時通信，以及根據養殖環境參數隨時精準調控智能養殖裝備的專家系統，實現自動化[17-18]、智能化控制。本養殖裝備飼養專家系統模型采用自適應控制方式[19-21]，該控制模型是Smith算法的改進型[22-24]，對有延時的數據變化進行預先估算，根據運算結果再進行補償。該設計在Smith算法中加入自適應回路，構成一種新的自適應Smith算法，既保留Smith算法能克服純滯后時間的優點，又發揮自適應算法應對參數失配能力強的優勢。系統開發以Smith算法為核心，結合MySql數據庫，封裝了一個專家系統模型，根據具體設施內的對象，將適應該對象的最佳環境參數范圍輸入專家系統模型接口中，由智能養殖裝備啟動自適應控制。根據改進Smith算法進行比對分析，然后及時、精準地調控具體動作。

3.3 多平臺系統客戶端系統

客戶端系統[25]支持PC、Android和iOS三個平臺。客戶端的主要功能有實時水質參數查詢、遠程增氧、遠程投飼、遠程智能控制和歷史數據查詢。客戶端與遠程智能控制系統服務端的建立基于TCP協議的Socket，以實現上述功能。客戶端通過HTTP協議，發送POST請求獲取養殖水質的歷史數據。

4 現場測試

4.1 測試條件與方法

2016年8月23日，天氣晴朗，氣溫29.6℃，水溫25.2℃，風力1～2級，最大光照強度85 391 Lx，選擇在鎮江某養殖實驗基地進行試驗，時間為9:00—17:00。該養殖水域面積200 m2，水深約1.5 m，魚種放養密度30～40尾/m3，預計總產量約200 kg。測試通訊性能、傳感器穩定性、增氧機智能控制以及整個智能養殖裝備的運行效果。

4.2 試驗結果

(1)通訊性能試驗。通過“網絡調試助手”模擬客戶端對整個通訊流程進行測試，統計發送和接收的數據包個數。模擬客戶端每1 min請求1次傳感器實時數據，每 5 min控制1次設備，連續通訊8 h。測試結果表明，整個通訊過程平均丟包率小于0.2%，系統運行穩定可靠。

(2)傳感器穩定性試驗。對無膜溶氧傳感器和高精度復合pH電極進行穩定性測量。用所設計的系統檢測水質參數，每5 min測量1次，重復測量10次。傳感器穩定性試驗結果如圖5所示。由圖可知，傳感器測量數據穩定、誤差較小，未出現異常數據，數據可信度高。

圖5 傳感器穩定性試驗結果

(3)增氧機性能與智能投飼試驗。增氧機工作電壓和容量分別是12 V和36 AH，增氧機自動開啟前，水體溶氧3.6 mg/L，增氧機運行30 min后，溶氧提高至6.7 mg/L。根據標準[26]規定，計算得增氧機增氧能力為1.34 kg/h。由于采用移動式增氧機，選擇兩個固定測試點和一個移動增氧機上的水質監測點進行試驗。兩個固定測試點分別放置在池塘兩側，距離岸邊1.5 m以上。試驗結果如圖6所示。

圖6 水體溶氧量日變化

移動監測點的溶氧量增加迅速，而固定監測點的變化不大，但一定時間后，溶氧量基本保持在5 mg/L以上，增氧效果較好。智能投飼機工作電壓和容量分別是12 V和20AH，遠程智能控制系統服務端根據水質的變化進行自適應控制，智能投飼機在3個測試點的溶氧量達到5.5 mg/L的時候，接收到遠程智能控制系統服務端的控制命令，開啟自動投飼，利用稱重傳感器實現精準投飼，一般1次投飼在3 kg左右，1 d投飼不超過3次。

5 結論

基于實時水質參數的智能養殖裝備的設計與試驗表明：采用太陽能和交流電結合為系統供電，功耗較低；監測水質數據可信度高，滿足實際需求；實時通訊丟包率低于0.2%；較傳統水車式增氧機作用范圍提升10%，能夠在良好的水質環境中完成精確定量投飼。相比于傳統的養殖裝備，本裝備推進水產設備智能化、自動化的發展，有助于實現節能降耗、綠色環保的目標。

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Design of intelligent aquaculture equipment based on real-time water quality monitoring

SHENG Ping1，WANG Ying jie1，NI Dong wei2

(1SchoolofComputerScienceandCommunicationEngineering,JiangsuUniversity,Zhenjiang212013,China;2JiangsuKeMaoInformationTechnologyCompanyLimited,Zhenjiang212001,China)

In view of the limitations of current aquaculture equipment such as low level of mechanization and automation,limited working scope of aerators and low adaptability of feeding machines,a new intelligent aquaculture equipment based on real-time water quality parameters monitoring is designed and researched in this paper.The equipment hardware is powered by solar energy and AC power,and it monitors water quality parameters by sensors in real time.The mobile solar aerator uses ultrasonic ranging to avoid obstacles,and in this way,it can walk randomly and expand the working scope.The smart solar-energy feeder uses weighing sensors for weighing feed,realizing precise quantitative feeding.The equipment software supports personal computers,mobile phones and other platform clients,realizing many functions such as real-time water quality parameters checking,remote aerating,remote feeding,and remote intelligent controlling.The pond application tests show that the equipment has higher reliability in water parameters monitoring and an instance messaging packet loss rate of lower than 0.2%;while guaranteeing the aerating capacity,it has an aerating area that is 10% larger than that of traditional aerators;besides,it can realize precise quantitative feeding in good water environment.The research shows that the application of this equipment would promote the development of intelligentization and automation in aquatic equipment,and the realization of energy saving and environmental protection.

intelligent aquaculture equipment;water quality monitoring;intelligent oxygen;accurate feeding

10.3969/j.issn.1007-9580.2017.01.001

2016-12-07

2017-02-05

江蘇省產學研聯合創新資金項(BY2014123-03)；鎮江市科技創新資金項目(NY2016010)

盛平(1957—)，男，研究員，研究方向：計算機應用及農業物聯網。E-mail：pingsheng@ujs.edu.cn

S969.31+1

A

1007-9580(2017)01-001-06