智慧生態(tài)水質(zhì)pH值監(jiān)測(cè)系統(tǒng)模型的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

陳淑嫻，何文斌，張妥香，黃琦增

（廣西農(nóng)業(yè)職業(yè)技術(shù)大學(xué)，廣西 南寧530007）

1 設(shè)計(jì)背景

在中國的國民產(chǎn)業(yè)中，水產(chǎn)養(yǎng)殖業(yè)占據(jù)著重要的地位，它不僅可以繁榮農(nóng)村經(jīng)濟(jì)，同時(shí)也為保護(hù)生態(tài)環(huán)境維持生態(tài)和諧發(fā)揮著重要的作用。在農(nóng)業(yè)水產(chǎn)養(yǎng)殖中，魚苗的孵化、生長、培育都離不開水，因此水質(zhì)是重要的環(huán)境要素之一。它的好壞決定了生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定與否。適宜的生存環(huán)境和條件是水產(chǎn)品生產(chǎn)的基礎(chǔ)，不僅能有效縮短生物的養(yǎng)殖周期，還能減少養(yǎng)殖成本，從而獲得更大的經(jīng)濟(jì)利益[1]。

然而，以中國目前的漁業(yè)行情來看，對(duì)于一般的水產(chǎn)養(yǎng)殖戶來說，主要的水產(chǎn)養(yǎng)殖方式仍然以經(jīng)驗(yàn)判斷和決策為主，即通過觀察水的顏色、渾濁程度、散發(fā)的氣味以及測(cè)量的水溫來判斷水質(zhì)的好壞[2]。如若養(yǎng)殖戶對(duì)水體的參數(shù)或環(huán)境的判斷存在偏差，或是不能及時(shí)洞悉水質(zhì)的變化規(guī)律，將會(huì)影響作物的生長效率，嚴(yán)重的甚至?xí)斐杉膊☆l發(fā)，導(dǎo)致資源的浪費(fèi)和巨大的經(jīng)濟(jì)損失。因此，對(duì)水質(zhì)參數(shù)的實(shí)時(shí)有效監(jiān)測(cè)尤為重要，亟需使智能化和信息化的養(yǎng)殖方式取代傳統(tǒng)的養(yǎng)殖模式，使其成為水產(chǎn)業(yè)發(fā)展的主要方向。

近年來，隨著鄉(xiāng)鎮(zhèn)振興戰(zhàn)略的大力開展以及國家對(duì)于農(nóng)業(yè)信息化現(xiàn)代化建設(shè)的高度重視，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)逐步走進(jìn)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的各個(gè)環(huán)節(jié)，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的不斷發(fā)展也為水產(chǎn)養(yǎng)殖水質(zhì)的在線監(jiān)測(cè)提供了很大的幫助。為此，本文將基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的應(yīng)用，研究設(shè)計(jì)一款智能生態(tài)水質(zhì)pH值監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的簡(jiǎn)易模型，為助力鄉(xiāng)村振興建設(shè)，提高農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的時(shí)效性，改善養(yǎng)殖農(nóng)戶的工作方式提供建議。

2 設(shè)計(jì)任務(wù)

針對(duì)國內(nèi)外水質(zhì)pH值監(jiān)測(cè)系統(tǒng)未來的發(fā)展趨勢(shì)，本設(shè)計(jì)根據(jù)要實(shí)現(xiàn)的功能和要求，主要需完成如下工作內(nèi)容：①傳感檢測(cè)搭建。根據(jù)水質(zhì)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的實(shí)際需求，利用無線傳感技術(shù)，完成傳感器元件選型，實(shí)現(xiàn)對(duì)水質(zhì)pH值參數(shù)的采集和監(jiān)測(cè)。②硬件設(shè)計(jì)和制作。對(duì)該系統(tǒng)中涉及到的電源、物聯(lián)網(wǎng)控制器、傳感元件等硬件設(shè)備進(jìn)行電路設(shè)計(jì)、實(shí)物組裝調(diào)試。③軟件功能和組網(wǎng)設(shè)置。通過傳感檢測(cè)設(shè)備、物聯(lián)網(wǎng)控制器與手機(jī)APP的無線通訊連接，實(shí)現(xiàn)水質(zhì)數(shù)據(jù)資源實(shí)時(shí)共享和用戶在線查看，同時(shí)包含非常態(tài)自動(dòng)報(bào)警設(shè)計(jì)、手機(jī)遠(yuǎn)程遙控功能和水體自動(dòng)調(diào)節(jié)功能。

3 物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)簡(jiǎn)介

3.1 物聯(lián)網(wǎng)的技術(shù)定義

本設(shè)計(jì)內(nèi)容是基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的應(yīng)用之一。物聯(lián)網(wǎng)，英文簡(jiǎn)稱IOT（Internet Of Things）。2005年，國際電信聯(lián)盟組織在發(fā)布的報(bào)告中，正式給出了“物聯(lián)網(wǎng)”的概念和涵義，即物聯(lián)網(wǎng)是通過二維碼識(shí)讀設(shè)備、射頻識(shí)別（RFID）裝置、紅外感應(yīng)器、全球定位系統(tǒng)等信息傳感設(shè)備，按照約定的協(xié)議，把任何物品與互聯(lián)網(wǎng)相連接，進(jìn)行信息交換和通信，以實(shí)現(xiàn)智能化識(shí)別、定位、跟蹤、監(jiān)控和管理的一種網(wǎng)絡(luò)[3]。

3.2 物聯(lián)網(wǎng)的層級(jí)架構(gòu)

在人體系統(tǒng)結(jié)構(gòu)中，五官接收外界信息，神經(jīng)系統(tǒng)傳遞信息至大腦，由大腦分析后發(fā)出相應(yīng)的指令，來驅(qū)使人們完成相應(yīng)的動(dòng)作。物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)其實(shí)與人體結(jié)構(gòu)相似，也包含了信息感知、信息傳遞、信息應(yīng)用3個(gè)層級(jí)。由于物體本身不具備與人相同的感官能力，這就需要借助外部的傳感器設(shè)備來進(jìn)行信息的采集和識(shí)讀。通過在物體上放置不同種類的傳感器節(jié)點(diǎn)，則賦予了物體不同類型的感官。例如，光敏傳感器可識(shí)別光線，等同于人類的視覺；聲敏傳感器可識(shí)別環(huán)境聲音，等同于人類的聽覺等。通過互聯(lián)網(wǎng)把這些大數(shù)據(jù)傳輸至相應(yīng)的應(yīng)用設(shè)備，通過能力超級(jí)強(qiáng)大的中心計(jì)算機(jī)群，對(duì)其中的人、機(jī)器、設(shè)備進(jìn)行處理。這就實(shí)現(xiàn)人類與物理系統(tǒng)的整合與交流。因此，一個(gè)完整的物聯(lián)網(wǎng)體系，可以劃分為感知層、網(wǎng)絡(luò)層和應(yīng)用層3個(gè)層級(jí)[3]。物聯(lián)網(wǎng)的層級(jí)結(jié)構(gòu)如圖1所示，這3個(gè)層級(jí)形成了目前正普遍使用的基本架構(gòu)。物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)現(xiàn)已廣泛應(yīng)用于生活生產(chǎn)建設(shè)各個(gè)領(lǐng)域。

圖1 物聯(lián)網(wǎng)體系結(jié)構(gòu)

3.3 物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在農(nóng)業(yè)中的應(yīng)用

隨著電子信息技術(shù)的不斷發(fā)展，信息化技術(shù)在農(nóng)業(yè)方面的應(yīng)用也越來越受到廣泛重視。為了解決農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過程當(dāng)中的效率低下、利用率低、信息化和產(chǎn)業(yè)化能力不足等問題，智慧農(nóng)業(yè)技術(shù)的理念應(yīng)運(yùn)而生。智慧農(nóng)業(yè)的發(fā)展離不開物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的應(yīng)用。通過物聯(lián)網(wǎng)中的各類傳感器等，廣泛地采集農(nóng)業(yè)生產(chǎn)養(yǎng)殖運(yùn)輸過程中的信息，信息經(jīng)處理后利用網(wǎng)絡(luò)傳輸通道進(jìn)行可靠傳輸，最終控制各項(xiàng)終端，實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過程中的智能化管理過程。目前，物聯(lián)網(wǎng)在農(nóng)業(yè)中的應(yīng)用包含了大田種植、果園種植、農(nóng)產(chǎn)品物流、畜禽養(yǎng)殖、溫室種植、農(nóng)產(chǎn)品安全溯源等方面。

4 整體設(shè)計(jì)方案

4.1 整體結(jié)構(gòu)方案

智慧生態(tài)水質(zhì)pH值監(jiān)測(cè)系統(tǒng)通過傳感器對(duì)水質(zhì)pH值進(jìn)行采集，并通過網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行上傳至智能控制終端，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)養(yǎng)殖水質(zhì)的監(jiān)控和管理。在物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的控制下，當(dāng)pH值高于或低于正常值時(shí)，及時(shí)通過智能手機(jī)將報(bào)警信息通知相關(guān)人員，并且自動(dòng)開啟水泵裝置進(jìn)行加水調(diào)節(jié)，它同樣也具備物聯(lián)網(wǎng)的3層體系架構(gòu)：感知層、網(wǎng)絡(luò)層和應(yīng)用層[4]。在感知層，對(duì)魚塘pH值進(jìn)行實(shí)時(shí)全面采集與監(jiān)測(cè)；在網(wǎng)絡(luò)層，通過移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)傳輸方式對(duì)信息進(jìn)行傳輸與匯集；在應(yīng)用層，則是對(duì)采集到的信息進(jìn)行處理，對(duì)水泵等設(shè)備進(jìn)行調(diào)節(jié)管控，在用戶端實(shí)現(xiàn)水質(zhì)的綜合管理[5]。系統(tǒng)架構(gòu)如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)架構(gòu)

經(jīng)過分析，可知該系統(tǒng)各層級(jí)所對(duì)應(yīng)的具體設(shè)備如表1所示。

表1 監(jiān)測(cè)系統(tǒng)主要設(shè)備表

4.2 整體設(shè)計(jì)思路

該設(shè)計(jì)實(shí)施采用的思路如圖3所示，首先是軟件功能的設(shè)計(jì)與驗(yàn)證，通過在物聯(lián)網(wǎng)設(shè)計(jì)平臺(tái)上進(jìn)行檢測(cè)系統(tǒng)的搭建進(jìn)行該系統(tǒng)的驗(yàn)證，而后對(duì)系統(tǒng)所需的硬件進(jìn)行安裝，并實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)連接，最終對(duì)產(chǎn)品的功能進(jìn)行調(diào)試驗(yàn)證可行性[6-7]。

圖3 設(shè)計(jì)思路

5 系統(tǒng)設(shè)計(jì)過程

5.1 設(shè)計(jì)工具簡(jiǎn)介

本次系統(tǒng)模型設(shè)計(jì)采用的輔助工具是機(jī)智云物聯(lián)網(wǎng)開發(fā)平臺(tái)。該平臺(tái)是由機(jī)智云物聯(lián)網(wǎng)公司面向廣大用戶推出的零門檻自助式開發(fā)平臺(tái)。通過使用平臺(tái)提供的工具，則可快速實(shí)現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)產(chǎn)品的設(shè)計(jì)開發(fā)、搭建、調(diào)試等服務(wù)，幫助使用者更快的進(jìn)行學(xué)習(xí)的同時(shí)，降低了開發(fā)的成本，提高開發(fā)的速度。

5.2 產(chǎn)品設(shè)計(jì)過程

為了更好地驗(yàn)證該智慧水質(zhì)pH值監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的可行性，需通過“機(jī)智云”物聯(lián)網(wǎng)開發(fā)平臺(tái)進(jìn)行產(chǎn)品的搭建和虛擬驗(yàn)證。具體的設(shè)計(jì)步驟如下所示。

5.2.1 注冊(cè)并登錄“機(jī)智云”平臺(tái)

首先，登錄“機(jī)智云”官方網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)，進(jìn)入個(gè)人開發(fā)者中心進(jìn)行賬號(hào)的注冊(cè)并登錄，如圖4所示。

圖4 “機(jī)智云”網(wǎng)頁登錄界面

5.2.2 創(chuàng)建設(shè)計(jì)產(chǎn)品

登錄網(wǎng)頁后則開始進(jìn)行產(chǎn)品的創(chuàng)建。在產(chǎn)品創(chuàng)建界面，需要定義產(chǎn)品的分類、名稱以及使用的網(wǎng)絡(luò)技術(shù)方案等。產(chǎn)品的分類選擇“農(nóng)林業(yè)生態(tài)”下方的“農(nóng)業(yè)檢測(cè)”條目，并將產(chǎn)品名稱定義“智慧生態(tài)水質(zhì)pH值監(jiān)測(cè)系統(tǒng)”，技術(shù)方案選擇“移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)方案”，即可完成產(chǎn)品創(chuàng)建。“機(jī)智云”創(chuàng)建產(chǎn)品界面如圖5所示。

圖5 “機(jī)智云”創(chuàng)建產(chǎn)品界面

5.2.3 創(chuàng)建設(shè)備功能

完成產(chǎn)品的創(chuàng)建后，接著進(jìn)入數(shù)據(jù)點(diǎn)的創(chuàng)建界面，進(jìn)行設(shè)備功能的創(chuàng)建。在該頁面中，需要依次創(chuàng)建該系統(tǒng)具備的功能，例如讀取pH值參數(shù)、報(bào)警功能驗(yàn)證等。具體的操作步驟為：點(diǎn)擊“新建數(shù)據(jù)點(diǎn)”，并輸入相應(yīng)的信息。“機(jī)智云”創(chuàng)建設(shè)備功能界面如圖6所示，pH值參數(shù)名稱設(shè)為pH_DATE，讀寫類型為只讀型，數(shù)據(jù)類型為數(shù)值型，數(shù)據(jù)范圍是0～14；報(bào)警參數(shù)名稱設(shè)為alarm，讀寫類型為報(bào)警，數(shù)據(jù)類型為布爾型。

圖6 “機(jī)智云”創(chuàng)建設(shè)備功能界面

5.2.4 系統(tǒng)功能驗(yàn)證

最終是所創(chuàng)建產(chǎn)品的功能驗(yàn)證。即先通過手機(jī)下載機(jī)智云APP，并將手機(jī)與前述所創(chuàng)建的虛擬設(shè)備進(jìn)行連接，即通過手機(jī)掃描界面提供的虛擬設(shè)備二維碼實(shí)現(xiàn)綁定。接著再通過在電腦界面上拖動(dòng)條模擬pH值為7.8，并將alarm（報(bào)警）設(shè)為1，點(diǎn)擊推送，檢驗(yàn)手機(jī)PP是否實(shí)時(shí)接收，用以驗(yàn)證產(chǎn)品的功能[8]。“機(jī)智云”網(wǎng)頁功能驗(yàn)證界面如圖7所示，“機(jī)智云”APP接收界面如圖8所示。

圖7 “機(jī)智云”網(wǎng)頁功能驗(yàn)證界面

圖8 “機(jī)智云”APP接收界面

6 系統(tǒng)安裝與調(diào)試

根據(jù)上一章節(jié)在“機(jī)智云”平臺(tái)的設(shè)計(jì)驗(yàn)證結(jié)果，可進(jìn)行硬件的組裝與調(diào)試。

6.1 硬件組裝及組網(wǎng)設(shè)置

6.1.1 系統(tǒng)硬件搭建

將電源線、pH值傳感器、水泵組件、蜂鳴器等連接至物聯(lián)網(wǎng)控制器，將系統(tǒng)上電運(yùn)行，并確保接線正確和運(yùn)行正常。安裝接線圖9所示，安裝實(shí)物如圖10所示[9-10]。

圖9 系統(tǒng)安裝接線示意圖

圖10 安裝實(shí)物圖

6.1.2 手機(jī)APP獲取

下載與物聯(lián)網(wǎng)控制器相配套的手機(jī)APP，并完成手機(jī)APP賬號(hào)注冊(cè)及登錄。

6.1.3 系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)連接

登錄手機(jī)APP，在“添加設(shè)備”界面掃碼設(shè)置，實(shí)現(xiàn)手機(jī)APP與物聯(lián)網(wǎng)控制器的網(wǎng)絡(luò)連接與綁定，并在手機(jī)界面設(shè)置添加對(duì)應(yīng)的傳感器型號(hào)，實(shí)現(xiàn)手機(jī)界面對(duì)傳感器采集參數(shù)的實(shí)時(shí)顯示和監(jiān)測(cè)。添加傳感器設(shè)備界面如圖11所示。

圖11 添加傳感器設(shè)備界面

6.2 系統(tǒng)運(yùn)行調(diào)試

6.2.1 pH值矯正

在對(duì)該系統(tǒng)進(jìn)行功能驗(yàn)證之前，首先需要進(jìn)行pH值矯正，即通過使用標(biāo)準(zhǔn)酸堿溶液試劑（pH=4、pH=7、pH=9.18）對(duì)pH值測(cè)量值進(jìn)行誤差矯正，調(diào)整手機(jī)APP顯示的pH值與標(biāo)準(zhǔn)試劑實(shí)際pH值相符，確保手機(jī)顯示無偏差。標(biāo)準(zhǔn)酸堿溶液試劑如圖12所示。

圖12 標(biāo)準(zhǔn)酸堿溶液試劑

6.2.2 報(bào)警功能調(diào)試

根據(jù)魚塘養(yǎng)殖的水質(zhì)pH值要求為7～8.5，將手機(jī)上的pH值正常范圍設(shè)置在此區(qū)間。驗(yàn)證當(dāng)pH值超出此范圍時(shí)，是否即可發(fā)出報(bào)警通知。pH值范圍設(shè)置如圖13所示。

圖13 pH值范圍設(shè)置

6.2.3 水質(zhì)自動(dòng)調(diào)節(jié)功能調(diào)試

利用酸性溶液模擬酸雨進(jìn)行添加，驗(yàn)證當(dāng)水質(zhì)pH值低于7時(shí)，控制器可發(fā)送指令驅(qū)使水泵啟停，實(shí)現(xiàn)對(duì)魚塘水質(zhì)的自動(dòng)調(diào)節(jié)效果。

6.2.4 手機(jī)遠(yuǎn)程控制功能測(cè)試

將手機(jī)帶至室外，通過APP上的控制按鈕對(duì)水泵的開關(guān)進(jìn)行遠(yuǎn)程控制調(diào)節(jié)，驗(yàn)證遠(yuǎn)程通信控制功能的可行性。

6.2.5 運(yùn)行結(jié)果反饋

通過對(duì)上述各項(xiàng)功能進(jìn)行一一驗(yàn)證，結(jié)果反饋，當(dāng)在正常范圍的水池里滴入酸性試劑使得水質(zhì)的pH值低于7或是滴入堿性試劑使得pH值高于8.5時(shí)，報(bào)警蜂鳴器可即刻響起，且同時(shí)發(fā)送報(bào)警信息至手機(jī)APP，并能自動(dòng)啟動(dòng)水泵加水以調(diào)節(jié)水質(zhì)。當(dāng)pH值恢復(fù)至正常值范圍后，水泵自動(dòng)停止加水。在加水的過程中，也可通過手機(jī)APP遠(yuǎn)程遙控水泵的啟停實(shí)現(xiàn)智能化控制。

7 結(jié)語

該設(shè)計(jì)模型通過手機(jī)實(shí)現(xiàn)對(duì)水體環(huán)境數(shù)據(jù)的監(jiān)測(cè)和調(diào)控，將物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)與農(nóng)業(yè)生產(chǎn)相結(jié)合，測(cè)試功能良好，除此之外采用移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)技術(shù)可實(shí)現(xiàn)無線傳輸，具有功耗低、無需布線、傳輸速率高、健康安全等特點(diǎn)。但該設(shè)計(jì)僅針對(duì)水產(chǎn)養(yǎng)殖中pH值一項(xiàng)參數(shù)進(jìn)行監(jiān)控。其實(shí)水產(chǎn)養(yǎng)殖中還涉及溶解氧、水溫等多項(xiàng)系數(shù)的監(jiān)測(cè)，后續(xù)希望對(duì)該設(shè)計(jì)系統(tǒng)加以完善，提升其功能性并加以推廣。