基于云平臺的漁業養殖投喂與監測裝置設計與實現

陳蔚然，張華珺，潘 博

（皖西學院電氣與光電工程學院，安徽 六安 237000）

引言

隨著國家政策的鼓勵與支持以及漁業養殖具有的良好利潤前景，越來越多的人選擇進入漁業養殖這一行業。但事實上我國淡水魚產業一直處于散點發展狀態，是產業秩序混亂，缺乏產業組織，缺乏產業發展，進而缺乏產業競爭力的弱質產業。面對當前魚類的養殖，出現養殖品種質量下降、養殖捕撈產量降低、養殖收益較低等問題。水產養殖過程中，飼料投喂是主要工作之一，投飼技術的發展對提高產業的生產效率具有重要作用。早期人力成本相對較低，養殖業采用傳統粗放式的管理模式，主要依賴人工投喂，效率低。隨著養殖業的發展，養殖規模增大，人力成本越來越高，人工投喂逐漸不能滿足生產需要[1]。同時，良好的水質對魚類的養殖起著決定性作用，不同的魚類有不同的水質要求，在適合的水質中飼養合適的魚才可將養殖戶的利益最大化。有效調節水質可在一定程度上保證水產品養殖數量和養殖質量[2]。因此，本文對一種基于云平臺的漁業養殖投喂與監測裝置做出了相關研究和設計。物聯網（Internet of Thing）技術是互聯網的重要部分，現代生活諸多場景都運用物聯網技術。物聯網中的深度學習研究主要應用在人工智能、技術與管理和流媒體領域。由此可以看出，根據需求推動發展，對基于信息技術發展智能化、信息化要求較高的領域是物聯網中的深度學習相關研究的推動者和成果應用者[3]。其應用已延伸到生活的各個方面，在現代的物聯網控制應用當中，主要強調的是智能監管[4]。該設計基于云平臺現有的表達方式和運算的規律，完成互聯網與機器的相應連接，將傳感器檢測的各類數據通過MQTT 協議上傳至云端服務器，云端解析后傳輸到用戶的手機APP 中，實現遠程讀取水質數據，遠程控制飼料投喂等操作。

1 系統整體方案設計

1.1 系統組成

本產品的系統包括一個上位機監控和一個控制終端，上位機監控指用戶手機APP 中對飼料的定量投喂設置以及對魚類養殖環境的監測，控制終端主要分為飼料分料系統、飼料投喂系統、水質監測系統、控制系統4大部分。系統組成結構見圖1。上位機與控制終端的連接為通過物聯網MQTT通信協議在用戶手機間發送和接收相關信息，將水質、溫度等信息反饋給用戶。控制分料的步進電機由Arduino板與驅動模塊對其進行控制與設定，ESP8266 連接WiFi來接收相關消息，通過串口輸出的高低電平給予繼電器來控制風機的啟動與關閉以此控制飼料的投喂。利用風機將通過管道與分料系統分料的定量飼料拋灑至池塘。

1.2 系統工作原理

基于云平臺的漁業養殖投喂與監測裝置接入云平臺，由用戶設定數值，投料裝置開始工作。分料裝置分料，落入風送裝置中，利用風送裝置將飼料從管道中拋出，飼料投喂完成后，傳感器通過互聯網將數據反饋至用戶手機APP 客戶端。同樣，水質檢測功能也通過云平臺進行，通過用戶在手機APP 中設置水溫閾值和水渾濁度閾值進行實現，閾值設置之后機器對應的水溫模塊與水渾濁度模塊開始工作，模塊對魚塘水質進行相應的閾值判斷，系統判斷是否超過閾值，若未超過閾值，則水質安全，繼續工作，若超過閾值，模塊將數據反饋到用戶手機APP 客戶端。用戶還可自行設置未來水溫與水渾濁度的閾值，此功能利于幫助用戶改變魚類養殖環境，使養殖環境更加適合所養殖魚類。

1.3 操作可行性分析

系統控制流程見圖2。

飼料投喂量（S）=魚種放養量（W）×凈增重量倍數（E）×飼料系數（R）。

本團隊測得全價配合飼料的飼料系數（R）為2～2.5，對于混合飼料的飼料系數（R）為3～3.5。魚種凈增重量倍數（E）為4～5。

飼料投喂量（S）=魚種放養量（W）×3.25（E）×2.75（R）（不同放養量結果會有差異）

對于送料裝置，外部外圈直徑（D）：22 cm ；內部內圈直徑(r）：3 cm ；裝置高（H）：10 cm。

飼料投喂量（S）=1/6×［（D/2）2-（r/2）2］×π×H=220 cm3。由上計算可得：機器飼料投喂量為220cm3，一般魚種放養的投喂量的范圍為218.2 cm3～223.3 cm3之間，因此由上述計算可得，該機器飼料投喂量符合一般魚類飼料投喂量要求。

1.4 技術難點

（1） Arduino的精準性不足。由于Arduino是基礎的單片機智能控制系統，對信號的接收和發送會有較大的局限性，因此無法準確地測量魚塘的水質和水溫，出現一定的誤差。（2）飼料的精準定量。用戶利用手機APP 通過物聯網對ESP8266 進行通信傳遞，使機器接收到ESP8266 所發出的信號，繼而啟動分料裝置和吹料裝置。在此過程中可能會因為分料裝置的阻塞卡頓致使無法吹出定量飼料，從而影響魚的攝食。（3） 濁度傳感器與溫度傳感器靈敏度的調節。戶外池塘的環境變化較大，傳感器因部分其它因素的干擾導致監測不靈敏，監測數據有誤差。

2 系統硬件設計

整體硬件結構可分為環境監控和養殖管理兩大環節[5]。本設計的動力來源為外部供電，機械結構主要分為3 個部分，上部的儲料裝置、中部的分料裝置和底部的吹料裝置。

風送式飼料投喂裝置是產品主要的裝置之一，主要由鼓風機啟動后產生的強大風力將管道中的魚飼料吹出，達到播撒的目的。分料裝置——步進電機，以分料轉盤中心為軸承固定于光桿上，轉盤外部連接惰輪。利用惰輪上的傳送帶連接步進電機上的小惰輪，完成步進電機對分料轉盤的運行與控制。風送式飼料投喂的方式類似于人工拋灑飼料方式，其本質都是利用“力”將飼料拋灑出去。用戶可以將一天甚至多天的投喂量全部投入儲料裝置，飼料從中部的分料裝置因重力落入下方的投喂管道。在投喂管道的末端存在有220 V 5 A的鼓風機，當機器啟動，中部分料裝置的飼料落入底部管道，5 v 的Arduino 板將信號傳遞給分料電機，ESP8266利用所得的高低電平信號來控制繼電器，Arduino 將接收到的信號傳遞至驅動器，驅動器對分料電機進行控制飼料的定量下落，并使繼電器對主要大型部件220 V 鼓風機進行定時開啟與關閉指令的執行，控制鼓風機啟動。裝置整體建模，見圖3。

3 系統監測界面設計

該設計利用ESP8266 芯片連接Wi-Fi 接入阿里云平臺，完成互聯網與機器的連接。ESP8266-WiFi 無線模塊將控制信號傳輸到繼電器中，繼電器對位于風送裝置的鼓風機進行控制，之后由Arduino對分料驅動器進行控制，使分料電機進行轉動，從而根據用戶的需求進行調節，以此達到飼料定量投喂的目的。同時，為提高機器的使用壽命，用戶可通過手機APP 自行設定本產品啟動與關閉的時間段，以此來減少產品在不需要投喂飼料時或在待機狀態下所造成額外的能源損耗，提高電源的使用時間，同時降低電源過度使用所增加的用戶自身養殖的成本。

水質監測功能同樣利用云平臺進行，通過用戶在手機APP 中設置水溫閾值和水渾濁度閾值實現，閾值設置之后機器相應的水溫模塊和水渾濁度模塊開始工作，模塊對魚塘水質進行相應的閾值判斷，系統判斷是否超過閾值，若未超過閾值，則水質安全，繼續工作，若超過閾值，模塊將數據反饋至用戶手機APP 客戶端，見圖4。

4 系統組裝與調試

4.1 系統硬件部分組裝

本研究所述產品的實物見圖5、圖6。

4.2 程序部分調試

軟件部分主要利用所編寫的語言程序來配合相應的硬件電路，控制所設計電路實現所預期的功能。Arduino單片機的程序可使用C 語言，也可使用匯編語言，或二者的結合，本設計使用C 語言編寫程序實現單片機對ESP8266 和步進電機的控制功能。

為應對程序控制過多的硬件造成的系統不穩定，我們采用ESP8266 對Arduino 進行控制，以此控制步進電機的驅動，利用兩部分控制可增加系統的穩定性，同時可降低控制的延遲，加強飼料投喂數量的精確控制。為實現飼料投喂的智能控制，本團隊增加了水溫的閾值設定。當水溫低于設定的閾值，即停止飼料的投喂，并通過移動端向用戶發送信息。

在本團隊的測試實驗中，發現系統的數據對速度有所限定，有短時間延遲，因此本團隊增加刷新控制，用戶只需點擊即可完成刷新指令的實行，快速完成數據的刷新，查看實時的數據信息。同時本團隊留有足夠的控制引腳滿足機器功能的開發，為面對不同的情況實現不同的功能留有足夠的功能選項，可根據用戶是否需要來決定是否啟用上述功能。我們在移動端留有debug窗口，可對命令的實行情況及工作信息有所了解，實現對系統的有效調試，滿足系統調試的需要。

5 結論

本研究所述產品整體結構設計合理，易于上手操作，人機交互性強，用戶只需將機器帶到指定工作地點即可運行工作。對飼料的投喂及魚塘水質的監測有精確的把控，節約人力物力，在一定程度上為智慧漁業的發展提供動力。