基于物聯網技術的智能漁業監控系統設計

潘春霖

摘 要： 利用現有的物聯網技術，結合天津當地水產的實際設計實現了一套智能漁業監控養殖系統。該系統利用STC12C5A60AD/S2單片機設計了采集控制終端，用于采集水產養殖池塘的氨氮、pH、溶解氧等水質信息，使用球機采集養殖水域的圖形信息，這些信息經過初步處理之后通過構造的局域網上傳給控制決策中心的服務器；控制決策中心的大屏實時顯示養殖水域信息并根據具體情況作出對應的控制決策，將控制指令發送至采集控制終端，進而控制投料機喂食和增氧機增氧，保障養殖水域的水質，提高產量和品質。在嚴重異常情況發生時作出報警，防止巨大的財產損失，確保養殖安全。該系統經過現場的實際使用，具有很好的適應性和可靠性。

關鍵詞： 單片機；傳感器；物聯網；數據采集，智能漁業

中圖分類號：TP391.4 文獻標識碼：A DOI 編碼：10.3969/j.issn.1006-6500.2017.12.007

Abstract： Using the existing IoT technology， combined with the actual design of local aquatic products in Tianjin to achieve a set of intelligent fisheries monitoring and breeding system. The system used STC12C5A60AD / S2 SCM designed acquisition control terminal， used to collect aquaculture pond ammonia， pH， dissolved oxygen and other water quality information， the use of the ball machine to capture farming waters of the graphical information， after the initial treatment of these information through the structure of the local area network upload to the control decision-making center server； control decision-making center big screen real-time display of farming waters information and make corresponding control decision-making according to the specific circumstances， the control instructions sent to the collection and control terminal， and then control the feeding machine feeding and aerator aerobics， protect the quality of aquaculture water， improve yield and quality. In the case of serious anomalies to make an alarm to prevent the huge loss of property to ensure the safety of farming. The system after the actual use of the scene， with good adaptability and reliability.

Key words：microcontroller； sensor； internet of things； data acquisition； intelligent fishery

物聯網（Internet of Things，IoT）這個概念最早由Ashton教授在1999年于麻省理工學院所提出[1]。近些年來，傳感器技術、移動互聯網技術和物聯網技術的快速發展，制約農業和水產信息化和現代化發展的問題逐步得到解決[2]。伴隨著國家農村土地承包流轉等一系列新政策的出臺[3]，實現農業和水產養殖的大規模智能化生產成為可能。

類比于物聯網體系結構的劃分，農業物聯網一樣可分為信息感知層、通信與網絡傳輸層以及應用服務層三個主要的層次[4]。

美國、歐洲、日本等發達國家得益于其先進的科技，相繼做出了農業物聯網應用的研究和嘗試，形成了一批先進的系統和生產模式，對新型產業的發展起到了促進作用[5-8]。物聯網技術的應用對于節約資源、改善生態環境、提高作物和養殖產品的產量、提高管理水平、降低人力成本具有重大的意義。我國農業和漁業相對于發達國家而言，現有的技術標準比較零散、缺失，標準不統一[1]，設備的自動化水平較低、投入成本較高，收回周期較長?？傮w上我國的農業物聯網發展還處于初級階段。

近幾十年來，水產養殖的規模不斷擴大，據統計，2012年我國水產總量進出口貿易順差突破100億元，全國水產品總量達5 906萬t，同比增長5.4%[5]。雖然水產養殖業已經得到了迅猛發展，但隨著養殖規模的不斷擴大和高密度養殖的發展，由養殖水域水質引發的水產品生長遲緩甚至大面積死亡的問題也越來越多，造成了大量的經濟損失[10]。由此更加說明了建立水質監測系統的重要性、廣闊的市場前景和重要的經濟和社會價值。

2012年天津市被農業部列為農業物聯網區域試驗工程試點?。ㄊ校瑢⒋罅ν七M農業物聯網技術和設備的引進和示范應用。天津正躍水產儲養有限公司是一個集水產養殖、銷售為一體的企業。本文所設計的基于物聯網技術的天津智能漁業監控系統設計是和天津農委及正躍公司合作，結合了天津當地的實際情況。經過實際檢驗，能夠實現水產科學養殖，提高產量與品質，節省勞動力成本， 達到增產、節能、減輕工人勞動強度的效果。endprint

1 系統概述

本系統總體分成4個部分（圖1）：（1）由增氧機、投料機、水泵、球機、傳感器所構成的底層感知和調節設備；（2）由采集控制終端、網橋、交換機等設備構成的局域網信息傳播通信系統；（3）由控制中心服務器和軟件構成的云處理決策系統；（4）由PC、筆記本、手機等組成的顯示和人工決策系統[11]。

整個系統通過智能農業傳感網絡建設，實現自動調度養殖設備的開關閉合，實現水體參數監控，實現科學養殖，優化投食、疾病診斷和智能控制等決策支持服務。并通過水面魚群浮頭自動識別系統建設，實現第一時間自動報警并且自動打開增氧設備，增加水體含氧量，降低魚的死亡率。主要建設和實現如下功能。

（1）建立監測系統控制器終端。通過自行接收智能決策和控制系統發出指令并通過智能農業傳感網絡具體執行該指令，自動調度養殖設備的開關閉合，從而實現無人值守功能。并且將執行成功與否結果回傳智能決策與控制系統，還可通過手機短信的方式通知養殖管理者。

（2）建立智能農業傳感網絡與信息傳輸。構建無線傳感網絡，并與移動網絡、互聯網絡互聯互通，實現智能農業無線傳感網與移動網、寬帶網絡無縫接入。

（3）建立智能決策和控制系統。實現水體參數的實現監控，與專家知識庫中的知識結合，為用戶提供科學養殖，優化投食、疾病診斷和智能控制等決策支持服務。包括自動增氧機、自動投餌機的遠程手動或自動控制。

（4）建立魚群浮頭識別系統。系統一旦識別出有魚浮頭，第一時間自動報警并且自動打開增氧機，增加水體含氧量，降低魚的死亡率。同時，該系統還可以通過水面魚群活動水波情況，做出是否關停投餌機的決策。

（5）建立養殖場視頻監控系統。增加若干個標清或高清紅外攝像頭和本地監控終端，用于24小時觀察魚場水面情況和實時監控圖面的本地化顯示。

其中數據感知層由各智能水質傳感器和攝像機組成，完成對各水質參數和現場視頻的感知，是整個系統的基礎；無線傳感網絡組成系統的網絡層，分散在漁場中的各無線終端節點經過中繼節點，在匯聚節點處經GPRS、WiFi等網絡形式，接入互聯網，完成感知層與數據處理層間數據、指令等信息的傳輸；數據處理層完成對采集數據綜合分析、浮頭識別和日常生產的智能決策。用戶層提供簡潔、明了的系統界面，方便用戶使用。

2 監測系統的硬件組成和實現

2.1 傳感器和控制機構

水質關系著養殖產品的質量和安全，若水質控制不當，將會嚴重威脅養殖產品，帶來嚴重的經濟損失。氨氮、pH值和水溫關系直接關系著水產品的養殖安全，光照度能感知白天黑夜，便于水質按照時間做出不同的控制。

控制機構包括增氧機、投料機和水泵。投料機可根據系統設定，按照圖像信息和養殖經驗自動或手動打開，對養殖產品進行喂食。增氧機則根據溶解氧、水溫、浮頭監測的數據保證養殖水域水體中溶解氧含量穩定，不因過高或過低而造成漁業生產的重大事故。水泵則和溫度、pH傳感器結合在一起來保證水質在養殖產品要求的合理范圍內。

2.2 數據采集控制終端

對于傳感器感知的數據和對調節機構的控制，是由一個設計的STC12C5A60S2單片機最小系統為核心[12]的采集控制終端負責的（圖2）。

用戶通過PC、智能終端發送的指令，經網絡經發送至數據服務器，數據服務器對指令進行編碼、壓縮后再由以太網發送至主控芯片，主控芯片接收到指令解壓后，通過驅動電路驅動繼電器的閉合實現對增氧機、投料機和水泵等養殖設備的遠程控制（圖3）。

2.3 局域網系統的搭建

局域網的穩定運行是整個漁業監控系統正常運行所必不缺少的條件。由于養殖水域面積大，為了便于施工，結合實際，局域網內之間的通信通過無線網橋的方式實現數據通信連接。在決策中心處放置網關網橋節點統一接收采集設備和攝像頭傳遞的數據和圖像信息（圖4）。

整個系統由局域網中的相關設備構成了物聯網監控決策的整個對象體系，是整個系統的底層主體（圖5）。

2.4 視頻監控采集

在養殖基地內安裝了4套標清或高清紅外攝像頭和本地監控終端，用于24小時觀察魚場水面情況和實時監控圖面的本地化顯示。此外，還為相關系統提供視頻圖像（如魚群浮頭識別系統）和指令動作結果的確認工作，比如：魚類在池中浮頭則較輕，周邊浮頭則為重，需要在池中至少架設2個攝像頭，全方位了解池中水體缺氧情況。同時，接入天津市農業物聯網平臺，實現上下聯動，遠程控制，有利于及時觀察，發現問題，互通信息（圖6）。

2.5 控制決策中心

控制決策中心安服務器和大屏顯示設備，在這里可以遠程控制整個系統，實時看到系統的運行狀態、環境信息等數據，通過運行的軟件去對養殖過程做出自動或人工決策，節省了人力物力（圖7）。采集的數據經數據庫軟件處理后進入數據庫以備追溯查詢。

3 監控系統的軟件實現

監控系統的軟件包含傳感器的校準測試軟件、水質采集控制終端的采集控制軟件、網絡數據傳輸單元配置軟件、服務器端數據接收決策測試軟件、浮頭監測軟件等組成部分。

3.1 傳感器校正軟件

水質監測系統采用了pH值、溶解氧、光照度、水溫4種傳感器負責水質信息的采集，pH值傳感器和溶解氧傳感器需要在使用之前和長時間的使用之后進行校準。所使用的校準軟件是傳感器公司自帶的校準軟件，具體的使用配置見其產品配置說明。

3.2 水質采集控制終端軟件

系統的軟件分為數據采集主程序和中斷處理程序兩部分構成，程序分為測試模式和工作模式兩個模式，兩個模式的區別在于兩次數據采集間隔的差別。為了降低功耗，對環境信息的采集控制使用中斷處理。采集控制終端在采集時間到來后啟動傳感器數據采集程序，在接收到上層的控制指令后啟動控制調節程序。endprint

3.3 網絡數據傳輸單元配置軟件

網絡數據傳輸單元是水質采集控制終端和網絡服務決策中心進行數據通信的中間橋梁，為了保障數據能夠準確無誤地在終端和數據中心之間進行通信，需要對傳輸單元的通信波特率、外網地址、端口等做出正確的配置，具體的配置見服務商的配置軟件和說明。

3.4 數據服務決策中心軟件

數據服務決策中心軟件運行在一臺網絡服務器上，負責將采集到的水質監測數據進行存儲分析決策顯示等功能。該軟件負責將采集到的數據顯示給用戶并發送指令控制采集終端的使用模式和控制增氧機和投料機設備。

3.5 浮頭監控軟件

如圖8所示，部署在漁場的攝像頭將采集的水面視頻數據通過網絡傳輸至浮頭識別系統服務器。由識別系統完成浮頭畫面的去燥、特征提取、比對和識別，并由機器學習系統根據歷史特征數據優化浮頭識別算法，保證識別結果的準確性和穩定性。

4 系統運行實驗驗證

采集控制終端的軟件采用Keil4[13]進行編寫，通過232串口進行程序的下載[14]。采集控制終端使用的是POE供電的方式[15]。設備經組裝調試并配置好數據傳輸單元和服務器后，將看到數據已經被正確傳輸并最終控制增氧機和投料機的運行；對于魚群的浮頭監測也在正常運行[16]。

4.1 浮頭監控軟件的運行

浮頭監控能夠識別魚頭是否喂飽結果，自動停止投餌，做到精準投料，避免魚餌投放過多，造成餌料浪費以及養殖水域的污染（圖9）。

4.2 展示控制軟件的運行

為了便于直觀的展示系統和方便使用者進行決策控制，實時了解養殖產品的狀況，分別設計了網頁、手機客戶端和VC界面來展示整個系統，每個軟件具有簡單、明了、易操作等特點，非常適合公司養殖人員進行養殖水域的日常管理（圖10，圖11）。

4.3 視頻監控的運行

在養殖水域的四周安裝了攝像頭球機以便于監控養殖水域，實時了解養殖水域的狀況（圖12）。

5 結 語

本文中所設計的智能漁業監控系統運用物聯網的相關技術，將水溫、溶解氧、pH值、光照度等環境數據做實時在線檢測，通過構造的局域網上傳至服務器做信息決策，以實時保障水質符合養殖產品的要求。通過浮頭監測養殖產品的喂食情況，達到節省餌料、保護環境的目的。整個系統總體上實現了預期的效果，并且具有較好通用性。

所設計的系統經過了現場的實際驗證，實現了對養殖用水、魚病的及時監測，降低了發病率，減少用藥次數，能帶來可觀的經濟和環境價值，滿足了設計和用戶的要求，系統可靠性強，能為我國水產養殖的信息化和產業化作出貢獻。

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