基于物聯網的水產養殖池塘智能管控系統設計

李新成，林德峰，王勝濤，員玉良

（青島農業大學機電工程學院，山東 青島 266109）

國務院《關于加快推進水產養殖業綠色發展的若干意見》指出，我國水產養殖業存在養殖環境不達標、養殖布局和產業結構不合理等問題，應加快推進水產養殖業綠色發展，促進產業轉型升級。水產生態養殖、綠色科學養殖及水質管控，對推進水產養殖業的供給側結構改革具有重要的意義[1]。因此，有必要管控養殖池塘環境以確保水質健康，提高養殖池塘水質質量，促進水產養殖業綠色發展[2]。

世界自動化漁業設備已出現多年，我國設備先進程度和操作人員技術水平都有提高余地[3,4]。1980年日本世界首個自動化鮭魚養殖場出現，此養殖場采用攝像機與旋轉投餌裝置。德國使用自動連續水產養殖系統，特別是各種高效水凈化裝置，養殖密度可達100kg/m3。美國的魚類人工繁殖和幼苗培育也已實現了工業化，養殖場的大部分工作可由計算機自動控制。丹麥一個2000m3的虹鱒養殖場年產量不低于42t，但只需一人即可完成管理。

影響水產養殖生產的因素有很多，傳統經驗難以復制先進的水產養殖模式，更無法實現精細水產養殖。目前，水產養殖環境的監測和控制大多由人工完成，經驗性強，實時性差，無法保證及時有效管控池塘環境。物聯網技術發展迅速，為漁業的轉型提供了強有力的技術支撐。水產養殖與物聯網技術的整合將是我國漁業轉型升級的關鍵之一[5-9]。

本研究提出一種以物聯網技術為基礎，單片機為控制核心，集云計算、水質傳感檢測以及無線網絡等技術于一體的水產養殖池塘智能管控系統[8]。該系統對養殖生產過程中的水體溫度、pH、鹽度、溶解氧和氨氮含量等水質指標實時監控與處理，上位機、下位機與App 三者配合對池塘漁業進行全方位、自動化、智能化、移動式管控，實現水產養殖池塘全天24h 的監控與管理[10-12]。

1 系統概述

1.1 系統總體設計

本系統主要由下位機、上位機以及App 三部分組成。下位機包括主控CPU、傳感器模塊、無線通信模塊、電源模塊與電氣設備模塊等，實現數據的采集、發送以及下發指令的執行；上位機署于Windows系統的阿里云服務器，主要對下位機上傳的數據進行存儲、判斷與下發控制下位機的指令；App 運行于Android 操作平臺，主要進行數據的實時顯示與過往數據追溯以及發出控制下位機設備的指令。系統組成示意如圖1 所示。

1.2 系統下位機設計

系統下位機完成水質參數的采集、處理、上傳及控制各種執行機構的啟停。水質參數主要由溫度傳感器、pH 傳感器、鹽度傳感器、溶解氧傳感器與氨氮傳感器等采集完成；數據經無線通信模塊上傳；執行機構主要包括投餌機、水泵與增氧泵（圖2）。

1.2.1 主控CPU

考慮到傳感器種類及數量較多，CPU 要具有較高的數據處理能力與較快的運行速度；主控CPU 還需承擔上位機指令的解析與手機模塊大量的數據交換工作，所以系統采用意法半導體（ST）公司出品的STM32F103ZET6 單片機作為主控CPU。該單片機性價比高，運算能力強，符合本系統的需求。

1.2.2 傳感器模塊

傳感器模塊主要測量養殖池水體的溫度、pH、濁度、鹽度、溶解氧與氨氮含量等水質參數，以此判斷養殖池塘水質是否達標。當參數超過了設置閾值的正常范圍，上位機會發出警告，并發送指令至下位機執行相應操作。為了使測得的水產養殖池溏水質參數更準確，根據國標《漁業水質標準》（標準號GB11607-89），比較了同類傳感器的多種型號，最終選擇了以下六種傳感器。與國內外的同類傳感器相比，該傳感器可靠性高，穩定性和重復性好。傳感器的具體信息如表1 所示。

表1 傳感器信息Tab.1 Information on the sensors used in the system

系統目前只采用了溫度傳感器、pH 傳感器與濁度傳感器。其中pH 傳感器的電路原理如圖3 所示。

1.2.3 無線通信模塊

多數水產養殖池塘遠離居民區，網絡還未達到全面普及，本系統選擇2G 空中網絡作為下位機與上位機通信的方案。SIM800A 的工作頻率分為GSM與GPRS 兩種，性能穩定，外觀小巧，故選用SIM800A手機模塊作為通訊的硬件設備。

1.2.4 電氣設備控制

系統下位機的電氣設備主要有三種，分別為增氧機、投餌機與水泵，均為220V 供電，由繼電器控制電器設備的開關。當收到上位機或者App 發送的指令，下位機控制相應電氣設備開關。

1.2.5 系統供電電路

系統的穩定運行需要安全穩定的電源，本系統需要的電源電壓為+3.3V、+5.0V、+12.0V 和交流220V。根據系統的設計需求，采用220V 市電供電，利用開關電源提供+5V 供電，LM2596 穩壓電源模塊為系統提供+3.3V 電壓，XL6009 升壓模塊可將+5V 升至+12.0V 電壓。

1.3 系統上位機設計

上位機是整個系統的數據中樞，負責將系統各個部分有機地串聯到一起，其功能主要分為參數設置、數據通信、判斷、存儲、實時顯示以及指令生成等部分。上位機軟件使用C++語言在Qt Creater 平臺進行開發。程序運行流程圖如圖4 所示。

上位機數據處理包括三部分：上位機對下位機上傳數據的處理，對App 請求數據的處理以及轉發App 給下位機的指令。數據處理所需的閾值可通過界面中的警報參數設置功能進行設置。

1.4 系統App 設計

用Android App 查看養殖池水質參數，并實現手機控制電氣設備。Android App 的運行平臺為安卓智能手機，主要完成下位機的遠程控制、數據的實時瀏覽以及過往數據追溯等功能[13-16]，運行流程如圖5 所示。

2 結果與分析

本系統選用40cm×40cm×50cm 的魚缸模擬水產養殖池塘環境，在實驗室進行了大量的模擬實驗。為使實驗變量唯一，在魚缸的一側標定了放置傳感器的位置，將所有的傳感器定點放置（圖6）。

2.1 通信模塊測試

首先調試下位機的手機模塊。經過測試，水質參數的上傳成功率為100%。由于實驗在室內進行，手機模塊2G 網絡延時在300ms 左右，加上下位機的數據處理時間，傳輸耗時不超過800ms，上位機發出相應指令控制電氣設備開關或者查看水質參數約1s。

2.2 傳感器模塊測試

溫度傳感器采用DS18B20，精度可達±0.5℃。將水銀溫度計插入水中。結果表明兩者測量結果在誤差允許范圍之內。調試過程中發現，pH 傳感器受溫度影響較為微弱，測試環境穩定時，pH 基本不變。為了證明pH 傳感器的測量靈敏，精度較高，從實驗結果中選取10 組數據，水質參數趨勢如圖7所示。

由圖7 可知，池塘模擬環境溫度穩定不變，第四組數據的pH 和濁度突然增加，是此時加入了少量含有酵母粉的弱堿性魚餌。

2.3 電氣設備測試

增氧機、投餌機與水泵等電氣設備接收到相應的指令后均能正常工作。測試中設備運行24h 發現，期間有兩次下位機與上位機斷開連接的情況，但能自動及時恢復連接。主要是因為程序內加入了手機模塊連接狀態判斷：當手機模塊串口收到數據發送失敗的指令后會重新初始化手機模塊進行連接，不影響系統的運行。筆者判斷兩次斷開連接的原因可能是2G 信號變弱導致。

2.4 Android App 測試

經測試表明，Android App 可以在任何時間連接阿里云服務器對下位機進行控制和模擬養殖池塘水質參數的查看。手機App 的工作界面如圖8 所示。

2.5 上位機測試

上位機部署于阿里云服務器，測試結果顯示，上位機工作正常，可以在任何時間查看模擬養殖池水質參數，控制、接收下位機電氣設備，并執行手機App 的指令。上位機工作界面如圖9 所示。

綜上所述，所研制的基于物聯網的水產養殖池塘智能管控系統上位機、下位機及Android App 三個部分均能正常工作，且運行穩定。

3 結論

基于物聯網技術的水產養殖池智能管控系統，分別開發了上位機、下位機及Android App，實現了養殖池塘水質的24h 不間斷調控與遠程控制。具體包括以下幾項工作：

（1）完成了一臺性能穩定的下位機，可用來檢測與調控水質的溫度、pH 和濁度等參數；

（2）完成了Android App 程序的編寫，可進行簡單的數據查看與指令發送；

（3）完成了作為數據中轉與數據判斷的上位機，可保證三者有機的結合。

模擬試驗顯示，該系統運行穩定、可靠性高、響應速度快，對后續現場試驗積累了經驗，奠定了技術基礎，具有一定的現實意義。