基于物聯網的水產智能養殖環境監控系統設計

王韻琪 尤文杰 李呈祥 陸磊

蘇州市職業大學 江蘇蘇州 215000

隨著我國經濟飛速發展，老百姓日常生活質量不斷提高，水產品消費總量每年跨越式增長，強大的市場消費需求拉動了水產品產量的增長[1]。水產養殖行業智能化技術越來越普及，尤其是基于物聯網的水產智慧養殖監控系統應用越來越廣泛，具有非常好的市場發展和應用前景。

本系統通過物聯網技術實現傳統水產養殖過程中的水質環境在線監測[2]。以物聯網技術為基礎，MCU處理器為核心，融合傳感器采集模塊、運動控制模塊、無線傳輸模塊及電源管理模塊等各類模塊，通過傳感技術、無線網絡技術、智能信息處理、智能裝備與系統等技術，對水產養殖水質環境中的溫濕度、pH值、溶解氧等指標進行實時監測，實現水產智能養殖監控系統、養殖機械智能聯動控制、自動化養殖等功能，具有過程精細管理，實時預防疾病，操控作業自如等優點，推進了水產養殖轉型升級。

1 系統概述

1.1 系統總體設計

本系統由APP、云平臺和控制器三部分構成。通過物聯網技術對水產養殖水質環境中的溫濕度、溶解氧和pH值等進行實時監測，并將監測到的溫濕度、溶解氧及pH等數據與水產養殖生態環境的標準數據范圍進行比對，若監測數據超出閾值則通過終端層人機界面報警，并通過無線傳輸模塊發出控制信號控制增氧電機和伺服電機等設備運行，實現增氧機運行監控、投餌機運行監控和水泵運行監控。

圖1 系統總體結構圖

本系統采用MCU處理器+采集模塊+運動驅動模塊+無線傳輸模塊硬件結構，實現水產養殖系統的增氧和精準投喂等功能。軟件部分利用模塊化編程思想，實現信號數據采集、濾波處理、運動控制等功能，并且通過模塊或子函數調用方式提供接口，方便進行軟件的二次開發和功能擴展。通過反復驗證系統穩定性，不斷修正硬件結構和軟件算法，直至系統達到最優控制狀態。

1.2 水產養殖水質環境監測系統典型結構

典型的水產養殖水質環境監測系統通常采用物聯網的五層架構體系，即感知層、傳輸層、處理層、應用層和終端層。五層架構體系如圖2所示。

圖2 系統典型架構

感知層是水產養殖水質環境監測系統的基礎架構層，是通過溫濕度傳感器、溶解氧傳感器和pH傳感器等各類傳感器設備實現對水產養殖現場環境中的水質參數和各類數據的采集。

傳輸層是通過無線Wi-Fi模塊傳輸感知層得到的各類傳感器采集的數據，并將這些實時數據及時、高效地傳送到控制中心。

處理層是指利用數據分析，濾波處理、數據處理、機器學習等方法對傳輸層傳送到控制中心的采集數據進行預處理，并根據預測控制參數對預處理后的各類數據進行閾值比較。

應用層能夠對數據進行查看，分析與評價，對數據進行診斷，判斷是否符合閾值要求。對不符合閾值要求的模塊，利用伺服驅動設備進行控制，實現增氧，投餌等功能。

終端層是指個人計算機(PC)、平板、手機等各類顯示與控制設備，從而實現水產養殖智能監控與處理。

1.3 系統控制器設計

系統控制器主要完成水產養殖環境中水質參數(溫濕度、溶解氧和pH等)的采集、預處理、上傳及控制各類執行機構，并將各類水質參數連接上傳至云平臺，從而實現數據存儲，通過OLED顯示模塊顯示預處理后的實時數據；所有采集到的參數均由無線Wi-Fi通信模塊上傳至云平臺，執行機構由投餌機、增氧機與水泵組成等，通過伺服機構實現增氧與投喂食精確配比控制，運行流程圖如圖3所示。

圖3 系統控制器運行流程圖

1.3.1 計算機(CPU)

由于CPU需要數據處理能力強，運行速度快，并且承擔云平臺指令的解析與APP中的數據交換工作，所以主控CPU考慮STM32系列開發板，本系統選用的是中等容量增強型STM32F103C8T6，該芯片是32位基于ARM核心的帶64K字節閃存的MCU微控制器[3]。它結合了一個高性能的RISE核心，高速嵌入式存儲器和外部連接兩個APB總線。包含USB、CAN、7個定時器、2個ADC、9個通信接口。該CPU性價比高，運算速度快，數據處理強，具有更高的性能、更好的編碼密度、更快的中斷響應以及所有領先的工業功耗。卓越的實時性能、卓越的效率和全新的外圍設備可以最大限度地實現管腳之間的集成、外圍設備和軟件的兼容性，非常適合本系統。

1.3.2 傳感器模塊

傳感器模塊是由溫濕度傳感器、溶解氧傳感器和pH傳感器等各類傳感器組成。分布在養殖水池環境中，用于采集溫濕度、溶解氧和pH等數據，通過Wi-Fi無線網絡將數據實時發送至計算機云端。

溫濕度傳感器型號為DHT11，可以檢測周圍環境的溫度和濕度。濕度測量范圍：20%～95%，測量誤差為±5%。溫度測量范圍：0～50℃，測量誤差為±2℃。工作電壓為3.3V[4]。

溶解氧傳感器型號選用RDO-206，此傳感器基于物理學中特定物質對激發熒光的猝熄原理，利用相位差計算氧分子的濃度。量程范圍0～20mg/L，精度±2%。具備反應快速，測量精準，免維護，成本低等特征。

pH傳感器選用pH-4502c，用于衡量溶液的酸堿度。量程范圍為pH0～14，精度為0.1。pH過高時會出現鰓出血現象，pH過低會出現窒息現象。

1.3.3 無線Wi-Fi模塊

由于水產養殖環境在遠離普通住宅的地方，所以傳統的鋪設電纜和4G不適于本系統，我們選擇具有低成本、低功耗的無線通信方式控制水質[5]。本系統選用的是ESP8266芯片，該款芯片工作電壓為3.3V直流電源，基于物聯網的ROM能夠通過命令控制ESP的部分GPIO，也可以采集溫濕度、pH、溶解氧等數據，發送至云平臺。

1.3.4 伺服驅動控制

系統電氣設備有三種：水泵、投餌機與增氧機，由繼電器控制水泵、投餌機與增氧機的開關，利用軟件算法處理采集信號，當收到云平臺或者APP發送的指令時，控制器通過繼電器控制相應電氣設備，從而實現自動調節增氧機運行，通過伺服機構實現投喂食料精確配比控制。

1.3.5 電源

本系統需要+3.3V、+5.0V、+12V和220V安全穩定電源電壓[6]。本系統水泵、投餌機與增氧機采用市政220V供電，利用LM7812提供+5V與+12V電源，利用LM317模塊為系統提供+3.3V電壓。

1.4 系統云平臺設計

云平臺是整個系統的數據中心，它的主要任務是將系統各個模塊整合到一起，云平臺數據采集的類型包括：溫濕度、溶解氧與pH值等。云平臺對系統數據的處理包括三個部分：云平臺對APP請求數據的處理，對控制器上傳數據的處理以及轉發APP給控制器的指令。數據處理中涉及的閾值可通過云平臺中的參數設置功能進行設置。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。

圖4 云平臺程序運行流程圖

1.5 系統APP設計

通過手機APP對水產智能養殖環境進行遠程控制，方便實現水產養殖產業各種需求。本系統的APP建立在Android系統上，APP內可以查看養殖池水質參數，并實現安卓手機控制水產養殖系統的增氧和精準投喂等功能。APP監控圖如圖5所示。

圖5 系統APP監控圖

從系統APP監控圖中可以看出，水產智能養殖環境監測系統可以方便實時查看水產環境中的溫度、濕度、pH值等。系統根據事先設定的環境閾值進行比對，若有差異自動報警。控制器通過繼電器控制相應電氣設備，實現自動調節增氧機運行，通過伺服機構實現投喂食料精確配比控制。同時，終端層能夠實現手動和自動控制模式選擇。

2 結果與分析

本系統選用魚缸模擬，分別調試了通信模塊與傳感器模塊。經過測試，水產養殖水質環境中的各類參數(溫濕度、pH、溶解氧)能夠100%上傳云平臺，增氧機，水泵與投餌機等電氣設備在接收到云平臺下發給控制器的指令后都可以有效地工作，Android APP可以在任何時間、任何地點連接云服務器，并能夠實時監測與查看各類參數，通過事先設定的水產養殖環境監測閾值，比較水質參數是否符合要求。

結語

基于物聯網的水產智能養殖環境監測系統，通過系統環境監測數據能夠隨時隨地了解水產養殖環境變化，及時監測預警，并利用伺服驅動接口實現了自動調整環境參數水平，實現了增氧和精準投餌，完成了由以往的傳統人工養殖技術到現代智能養殖技術的推進，使水產養殖環境監測不需要憑經驗開啟增氧機，節省電費，減少投喂數量，改善水質環境，從而增強水產品體質，減少用藥。系統能夠根據監測環境要求不同更換、增加或減少傳感器種類與數量，對中小規模室內水池養殖環境調節具有快速高效的特點。同時，本系統具有較高的實用性和廣泛的適用性，可以推廣向其他養殖產品。