智能水產養殖系統的設計

馬海亮 冉衛凌 趙虎

摘 要：水產養殖需要投入大量的人力和物力，由于養殖的環境比較復雜，因此還存在很多安全隱患，對養殖戶而言極不方便。基于此，本文就智能水產養殖系統進行研究，將水產養殖與信息技術相結合，利用Cortex內核的STM32微控制器實現水產養殖的自動化控制。首先就智能水產養殖系統的設計現狀進行分析，然后根據現實情況，對水產養殖系統進行創新設計，從而提高水產養殖的智能化水平。

關鍵詞：智能化系統；水產養殖；無線傳感器

中圖分類號：F326.4 文獻標識碼：A 文章編號：1004-7344（2018）21-0341-01

引 言

傳統水產養殖技術比較落后，養殖規模難以拓展，在生產和實踐中需要投入大量的人力資源和物力資源，導致水產養殖的成本較高。另外，養殖戶在水產養殖過程中會面臨比較復雜的生產環境，如果缺乏專業的養殖技術和豐富的養殖經驗，很容易發生危險。為了改善這一現狀，必須對智能化技術進行有效結合。當前智能化生產已經成為社會發展的必然趨勢，因此探究水產養殖智能系統的設計是很有必要的。

1 智能水產養殖系統的設計概述

1.1 智能水產養殖系統的研究動態

近年來我國農業技術水平不斷提升，水產養殖也逐漸拋棄落后的養殖模式和技術手段，向著更加智能化和自動化的方向發展。傳統水產養殖主要依靠人力進行種植和生產，由于對勞動力的需求較大，因此投入的成本相對較高，同時也限制著水產養殖規模的擴大。另外，傳統養殖技術雖然有可取之處，但是生產效率較低，無法對水域進行系統控制，因此國內外針對智能水產養殖系統進行研究和設計，主要從提高經濟效益和保護生態環境相結合的角度出發，利用Zigbee無線通訊技術實現水域間的智能化管理，并且為魚類生存環境進行調節，實現集約化和現代化的科學養殖。

1.2 智能水產養殖系統的項目創新點

本項目對智能水產養殖系統的設計主要利用Cortex內核的STM32微控制器實現水產養殖的自動化控制，利用Zigbee無線通訊技術實現數據的傳輸和接收，利用STM32構建水產養殖水質監控系統，實現水質的調節和優化，并且能夠用XBee協調器接收水產養殖的相關數據信息，從而實現水域的數據查詢和實時監控，為后續的生產養殖提供可靠參考。另外，運用于水產養殖項目中的水質監測系統，同樣也能夠應用于其他領域的水質監測，從而實現更高的社會價值和市場價值。

2 智能水產養殖系統的具體設計

2.1 Zigbee無線通訊技術的可行性

Zigbee無線通訊技術是近年來興起的一種通訊技術，能夠實現短距離內數據的傳輸，但是傳輸的效率較低，傳輸內容也比較簡單，因此適用于周期較長的生產領域，不僅節能省電，而且操作簡便。當系統處于非工作狀態時，Zigbee無線通訊技術就會促使系統進入休眠狀態，當再次激活系統只需要很短的時間。Zigbee無線通訊技術能夠構建起不同形式的網絡，常見的網絡形式有樹形文網絡、星形網絡等，Zigbee無線通訊技術可以通過調節節點加入或減少設備，因此網絡形式較為靈活，可以實現動態的轉變。根據水產養殖的特點，基于Zigbee無線通訊技術選擇樹形網絡組合方式，將終端設備、節電設備、傳感器和路由器相連接[1]。

2.2 智能水產養殖系統的結構設計

根據Zigbee無線通訊技術的樹形網絡組合方式，可得出智能水產養殖系統的整體結構。整個系統最核心的結構為監控中心，監控系統與協調器相連接，下接承擔三個功能的路由器設備，分別為負責溫度監測的路由器、負責光照監測的路由器和負責pH值監測的路由器，而在溫度、光照和pH值的路由器下分別設置采集節點和控制節點，對溫度傳感器、光照傳感器和pH傳感器相連接。智能水產養殖系統的設計主要從水域的監測控制出發，對生物繁衍生產的環境進行調節，根據水產養殖的特點，必須從水域溫度、水量位置、光照強度、水域氧量、空氣質量和PH值進行結構設計，但是在系統設計中還必須考慮意外安全問題，例如火災、地震的發生，因此在系統的節點利用Zigbee無線通訊技術設置報警系統，加強水產養殖的安全性和穩定性。

2.3 智能水產養殖系統的控制方法

在智能水產養殖系統的結構設計中，溫度、光照和pH值的路由器下分別設置采集節點和控制節點，而控制節點下設S7200執行機構和EM231傳感器，由EM231傳感器對水產養殖中的水域溫度、水量位置、水域氧量和pH值進行控制。

就水域溫度的控制而言，智能水產養殖系統主要利用PT100傳感器進行水溫控制。對水域溫度的控制主要為加溫、降溫和保溫三種。根據生物對環境的要求，以自動注入熱水的方式進行加溫，以自動增強對流的方式進行降溫，以搭建大棚的形式實現保溫。

就水量位置的控制而言，主要采用浮球液位控制器進行水位測量，在智能水產養殖系統中設置最高值和最低值，然后通過觸發電磁閥的方式對水位進行控制，實現水產養殖區域內的自動出水和進水。

就水域含氧量的控制而言，要根據水產養殖中生物所需的標準環境條件進行相應的調節。對于水產養殖的魚類而言，對水域含氧量的要求必須超過4～5mg/L，由于環境的影響，水域含氧量會發生變化，智能水產養殖系統主要利用PID控制模塊對水域含氧量進行檢測，從而對增氧機進行調節。

就水域pH值的控制而言，對于水產養殖的魚類而言，對水域pH值的要求必須控制在6.8～7.5以內，利用智能水產養殖系統中的PID功能模塊，可以對水域的酸堿值進行監控，然后調整中和劑的比例。

另外，還要通過S7200執行機構對水泵、電磁閥、投飼機、增氧機和波位進行自動控制。通過葉輪增氧機旋轉攪水的方式進行增氧，波浪越大含氧量越大；自動投飼機主要保證水產養殖的安全和經濟，以水體為標志進行飼料投放，以5mg/L為標準，在超過這一標準后停止飼料投放；利用變頻調速技術控制增氧機的運作，在降低功率的情況下避免增氧機反復啟動和停用而發生故障[2]。

3 結 論

綜上所述，針對智能水產養殖系統設計的探究是很有必要的。本文主要從國內外研究現狀出發，在智能水產養殖系統的發展基礎上進行創新設計。研究可得，智能水產養殖系統利用Zigbee無線通訊技術實現水產養殖的自動化控制，基于STM32實現養殖環境的水質監控，并且能夠一次查看多個水域的數據參數，實現全面化的系統控制。希望本文可以為研究智能水產養殖系統設計的相關人員提供參考。

項目基金：大學生創新項目“基于STM32與uCOS系統的智能水產養殖系統”（QJCX-2017-002）。

參考文獻

[1]楊金明，劉鵬航.基于物聯網技術的水產養殖智能管理系統設計[J].湖北農業科學，2016，55（16）：4276～4279.

[2]許濤濤，陳 鋒.嵌入式水產養殖智能檢測系統的研究與設計[J].儀表技術，2014（09）：21～23.

收稿日期：2018-6-25

指導老師：趙 虎