基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)智慧水產(chǎn)養(yǎng)殖系統(tǒng)的研究設(shè)計(jì)

冼鋰東，龍祖連

（廣西水利電力職業(yè)技術(shù)學(xué)院，廣西 南寧 530023）

0 引 言

我國作為糧食消費(fèi)大國，解決糧食短缺問題一直是社會(huì)關(guān)注的焦點(diǎn)。科技是第一生產(chǎn)力，想要解決糧食短缺問題，必須依靠科技創(chuàng)新推動(dòng)糧食生產(chǎn)和發(fā)展。物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)應(yīng)用已經(jīng)滲透在生活和生產(chǎn)中的各個(gè)方面，例如：智慧家居、智慧醫(yī)療、智慧電力、智慧城市以及工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)等概念都是基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)提出的，并且隨著5G通信技術(shù)的發(fā)展應(yīng)用，又將會(huì)給物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)發(fā)展帶來新的變革。在水產(chǎn)養(yǎng)殖方面亦是如此，首先，傳統(tǒng)的水產(chǎn)養(yǎng)殖模式需要大量的勞動(dòng)力投入；其次，傳統(tǒng)的水產(chǎn)養(yǎng)殖模式在養(yǎng)殖水產(chǎn)品的過程中，水質(zhì)污染問題不能及時(shí)得到解決，使水產(chǎn)品生長發(fā)育受到嚴(yán)重威脅；再次，在傳統(tǒng)的水產(chǎn)養(yǎng)殖模式中，存在養(yǎng)殖戶未能及時(shí)掌握水體環(huán)境各項(xiàng)數(shù)據(jù)是否適合水產(chǎn)品生長等一系列弊端。現(xiàn)基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)設(shè)計(jì)的智慧水產(chǎn)養(yǎng)殖系統(tǒng)著重解決以上傳統(tǒng)水產(chǎn)養(yǎng)殖模式下存在的問題，并且物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在水產(chǎn)養(yǎng)殖方面的應(yīng)用必定會(huì)為水產(chǎn)養(yǎng)殖開創(chuàng)新的養(yǎng)殖模式。

1 物聯(lián)網(wǎng)智慧水產(chǎn)養(yǎng)殖系統(tǒng)的總體架構(gòu)

本系統(tǒng)采用ZigBee無線通信技術(shù)，主控芯片采用TI研發(fā)的專用于無線傳感網(wǎng)絡(luò)，型號為CC2530F256的集成芯片，讓每個(gè)控制設(shè)備或者傳感器與單個(gè)ZigBee模塊連接，構(gòu)成一個(gè)數(shù)據(jù)處理控制節(jié)點(diǎn)，形成多個(gè)節(jié)點(diǎn)聯(lián)接，構(gòu)成局域群體式無線通信網(wǎng)，并通過加入無線網(wǎng)絡(luò)WiFi將數(shù)據(jù)信息傳輸?shù)絆neNET物聯(lián)網(wǎng)云平臺，養(yǎng)殖戶可以通過電腦或者手機(jī)遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)觀察數(shù)據(jù)和控制設(shè)備。另外，在系統(tǒng)中增加OLED串口觸摸屏模塊，將水體的溫度、液體高度、渾濁度、pH值、溶氧量和降雨量數(shù)據(jù)進(jìn)行直觀顯示，實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互控制和物聯(lián)網(wǎng)智慧水產(chǎn)養(yǎng)殖系統(tǒng)局域自動(dòng)檢測控制及遠(yuǎn)程控制功能。

本系統(tǒng)功能主要包括兩大方面，一方面為數(shù)據(jù)采集部分，另一方面為控制設(shè)備動(dòng)作部分。其中，數(shù)據(jù)采集單元主要包括水體溫度數(shù)據(jù)、水位高度數(shù)據(jù)、水體渾濁度數(shù)據(jù)、水體氧氣含量數(shù)據(jù)、雨量檢測數(shù)據(jù)、pH值檢測數(shù)據(jù)。控制設(shè)備動(dòng)作單元主要包括抽水換水單元、投食單元、水體消毒單元、淤泥清除單元、夜光照明單元、水體增氧單元。物聯(lián)網(wǎng)智慧水產(chǎn)養(yǎng)殖系統(tǒng)架構(gòu)如圖1所示。

圖1 物聯(lián)網(wǎng)智慧水產(chǎn)養(yǎng)殖系統(tǒng)架構(gòu)

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)及設(shè)備器件選型

2.1 主控單元模塊設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)采用CC2530F256集成芯片作為ZigBee模塊數(shù)據(jù)處理和控制中心。CC2530F256芯片內(nèi)核由一個(gè)8位單周期增強(qiáng)型8051CPU構(gòu)成，擁有多達(dá)18個(gè)中斷源，內(nèi)置256 KB非易失性程序存儲器，具有不同的運(yùn)行模式，且切換時(shí)間短，適應(yīng)超低功耗的要求，外設(shè)資源豐富，具有強(qiáng)大的5通道DMA，IEEE802.5.4MAC定時(shí)器和通用定時(shí)器，8路輸入可配置12位ADC，以及2個(gè)支持多種串行通信協(xié)議的USART，21個(gè)通用I/O引腳，電池監(jiān)視器，溫度傳感器，看門狗定時(shí)器等片上外設(shè)資源。綜合以上功能，CC2530F256集成芯片完全能夠滿足系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求。芯片典型應(yīng)用電路如圖2所示。

圖2 CC2530典型應(yīng)用電路

2.2 溫度數(shù)據(jù)采集控制模塊設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)使用DS18B20數(shù)字溫度傳感器對水體溫度進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測。DS18B20溫度傳感器具有體積小、抗干擾能力強(qiáng)、精度高、電路接線簡單、硬件開銷低等優(yōu)勢，可以根據(jù)不同測試環(huán)境的測溫需要封裝其外觀，因此DS18B20溫度傳感器能夠適應(yīng)多種環(huán)境條件下的溫度監(jiān)測，包括水環(huán)境溫度監(jiān)測。DS18B20溫度傳感器將采集的溫度數(shù)據(jù)傳送給ZigBee模塊和終端控制單元，經(jīng)過數(shù)據(jù)處理分析后，相應(yīng)的控制器采取對應(yīng)溫度調(diào)節(jié)措施，保證水環(huán)境溫度穩(wěn)定。DS18B20硬件電路如圖3所示。

圖3 DS18B20硬件電路

2.3 液位和雨量數(shù)據(jù)采集控制模塊設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)使用HC-SR04超聲波傳感器和JXB-3001-YL系列雨量傳感器分別對水位高度和降雨量進(jìn)行測量。HC-SR04超聲波傳感器測距原理：利用發(fā)射器與接收器計(jì)算發(fā)射到接收超聲波的時(shí)間t，然后根據(jù)公式S=340t/2計(jì)算出與障礙物間的距離S。超聲波指向性強(qiáng)，響應(yīng)速度快，測量精度能夠達(dá)到工業(yè)級要求，完全滿足本系統(tǒng)水位監(jiān)測的要求。JXB-3001-YL系列ABS雨量傳感器是一款能夠自動(dòng)檢測和存儲參數(shù)的儀器，具有靈敏度高、功耗低、操作使用簡單等特點(diǎn)，能夠在野外環(huán)境下長期工作并記錄雨量數(shù)據(jù)。另外，JXB-3001-YL系列雨量傳感器與ZigBee模塊采用RS 485通信方式，只需在兩者之間增加一片MAX485低功耗收發(fā)芯片即可實(shí)現(xiàn)通信功能，便于數(shù)據(jù)處理控制單元根據(jù)傳感器測量的水位和降雨量數(shù)據(jù)及時(shí)進(jìn)行分析處理，確保水位處于平衡狀態(tài)。HC-SR04超聲波傳感器和JXB-3001-YL系列雨量傳感器硬件電路如圖4、圖5所示。

圖4 HC-SR04超聲波傳感器硬件電路

圖5 JXB-3001-YL系列雨量傳感器硬件電路

2.4 水體渾濁度數(shù)據(jù)采集控制模塊設(shè)計(jì)

水體渾濁度是衡量水體環(huán)境的重要指標(biāo)之一。本系統(tǒng)使用的WAX-ZD渾濁度傳感器由紅外對管組成，當(dāng)發(fā)射端光線穿過水體時(shí)，光線的透過量取決于水體的渾濁程度，水體越渾濁，透過的光就越少。接收端將透過的光強(qiáng)度轉(zhuǎn)化為對應(yīng)的電流，透過光越多，電流越大，反之則電流越小。同時(shí)，傳感器將得到的電流信號轉(zhuǎn)換為電壓信號，通過ZigBee模塊A/D采集通道便可以得到當(dāng)前水體渾濁度數(shù)據(jù)。渾濁度傳感器硬件電路如圖6所示，渾濁度等級劃分見表1所列。一旦傳感器檢測到水體渾濁度超過了預(yù)設(shè)的正常值，控制器便會(huì)啟動(dòng)排水/換水功能，以保持水環(huán)境的良好狀態(tài)，同時(shí)用戶也可以通過手機(jī)或者OLED屏通知相關(guān)人員進(jìn)行間隔性手動(dòng)換水。

圖6 渾濁度傳感器硬件電路

表1 渾濁度等級劃分

2.5 水體含氧量數(shù)據(jù)采集控制模塊設(shè)計(jì)

氧氣是生物生存的重要環(huán)境因素之一，水體的含氧量受很多因素的影響，如：日照強(qiáng)度、生物數(shù)量、水體溫度等，因此確保水體氧氣含量正常，才能保證養(yǎng)殖物正常生長。本系統(tǒng)水體含氧量檢測采用水質(zhì)熒光法溶解氧傳感器（JXSZ-1001-DOY），量程范圍為0～20 mg/L，分辨率達(dá)0.02 mg/L，已被廣泛用于火電、化工、食品和自來水等含氧量的檢測。該傳感器采用熒光法檢測水中的含氧量，能夠克服傳統(tǒng)經(jīng)典測量方法無法連續(xù)測量的缺點(diǎn)，可以連續(xù)監(jiān)測數(shù)據(jù)并輸出到協(xié)調(diào)器和控制器，一旦控制器得到的水體含氧量數(shù)據(jù)較低，控制器便會(huì)自動(dòng)啟動(dòng)水體增氧單元（水泵）對水體補(bǔ)氧。解氧傳感器硬件電路如圖7所示。

圖7 溶解氧傳感器（JXSZ-1001-DOY）硬件電路

2.6 pH值數(shù)據(jù)采集控制模塊設(shè)計(jì)

為了與渾濁度傳感器互補(bǔ)，該系統(tǒng)增加了檢測水體pH值傳感器，pH值傳感器彌補(bǔ)了渾濁度傳感器無法測量水體可見條件下酸堿度的缺陷，渾濁度傳感器則彌補(bǔ)了pH值傳感器檢測水體渾濁度的盲點(diǎn)。本系統(tǒng)pH值檢測使用的是E-201-C可沖式pH值傳感器，該傳感器價(jià)格低廉，測量精度高，測量范圍為0～14，使用前需校準(zhǔn)，根據(jù)檢測水體pH數(shù)值的不同，輸出0～5 V或0～3 V模擬電壓。ZigBee模塊中的CC2530芯片自帶ADC外設(shè)，可直接采集pH值傳感器輸出的模擬電壓。pH值與電壓值間的轉(zhuǎn)換公式有如下兩種情況。

情況一：輸出電壓在0～3 V的條件下，pH值與輸出電壓的關(guān)系見式（1）：

情況二：輸出電壓在0～5 V的條件下，pH值與輸出電壓的關(guān)系見式（2）：

ZigBee模塊采集的傳感器輸出模擬電壓根據(jù)轉(zhuǎn)換公式計(jì)算得到水體pH值，并將數(shù)據(jù)傳送給協(xié)調(diào)器與控制器，一旦pH值超標(biāo)，控制器將會(huì)自動(dòng)啟動(dòng)調(diào)節(jié)裝置，將水體pH值控制在水生物生活的正常范圍內(nèi)。pH值傳感器硬件電路如圖8所示。

圖8 pH值傳感器硬件電路

2.7 其他控制模塊設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)除了上述主要功能模塊外，還增加了夜光照明單元、消毒單元、清除淤泥單元、投食單元等，它們均受控制器控制，用戶可以在控制器中定時(shí)啟動(dòng)相應(yīng)單元工作，無需人員參與，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的自動(dòng)化工作流程；也可以通過手機(jī)/電腦或者OLED屏幕手動(dòng)控制相應(yīng)單元工作，實(shí)現(xiàn)人性化不定時(shí)工作。控制模塊型號見表2所列。

表2 控制模塊型號

3 系統(tǒng)軟件流程設(shè)計(jì)

3.1 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)流程

針對基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)開發(fā)的智慧水產(chǎn)養(yǎng)殖系統(tǒng)軟件開發(fā)部分的程序流程如圖9所示。

圖9 軟件程序流程

3.2 系統(tǒng)主要的通信方式和程序設(shè)計(jì)函數(shù)

系統(tǒng)中主要用到的通信協(xié)議是串口通信，串口通信端口主要由2部分組成，即接收數(shù)據(jù)輸入端（RX）和發(fā)送數(shù)據(jù)輸出端（TX）。CC2530單片機(jī)提供了2個(gè)串行通信接口UART0和UART1，能夠分別運(yùn)行在異步UART工作模式和同步SPI工作模式，并且在串口接收數(shù)據(jù)或發(fā)送數(shù)據(jù)成功后，需要軟件清除完成標(biāo)志位，以下是該系統(tǒng)中的主要函數(shù)：

（1）串口數(shù)據(jù)發(fā)送函數(shù)：UartTXDatastring（unsigned char *TData，int Tlen）；

（2）串口數(shù)據(jù)接收函數(shù)：UartRXDatastring（unsigned char *RData，int Rlen）；

（3）ADC數(shù)據(jù)采集函數(shù)：int8 GetAdcData（void）；

（4）請求與協(xié)調(diào)器連接函數(shù)：uint8 ZMacActeReq（ZMacAciateReq_t *pData）。

4 結(jié) 語

本次研究設(shè)計(jì)的基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)智慧水產(chǎn)養(yǎng)殖系統(tǒng)，突破了傳統(tǒng)水產(chǎn)養(yǎng)殖模式的桎梏，引入了更加智能化、自動(dòng)化、專業(yè)化的現(xiàn)代養(yǎng)殖模式，不僅保證了水產(chǎn)品的生存環(huán)境，而且能夠大大提高水產(chǎn)品的產(chǎn)量和品質(zhì)。同時(shí)，隨著智能數(shù)字化技術(shù)的引入，可實(shí)現(xiàn)大規(guī)模養(yǎng)殖生產(chǎn)。系統(tǒng)開發(fā)成本低，操作簡單，人機(jī)交互良好，易維護(hù)，系統(tǒng)可二次開發(fā)，切合振興鄉(xiāng)村現(xiàn)代化養(yǎng)殖政策要求。