智慧蝦稻養殖管理系統的設計與實現

姚 毅，謝東輝，李裕衛，付佳威，朱文勇，藍 嵐，肖藝嘉，楊宗英

（1.南昌市農業科學院 南昌市農業物聯網智能裝備集成開發重點實驗室，江西 南昌 330038；2.江西悅濃智能科技股份有限公司，江西 南昌 330038；3.中國聯通南昌市分公司，江西 南昌 330038）

0 引 言

如何實現按漁業養殖品種生長需求進行漁業養殖環境的有效調控，類似的一系列問題在傳統漁業生產模式下一直被“模糊”處理?，F在，應用物聯網（Internet of Things, IoT）、3S（GIS地理信息系統、GPS全球定位系統和RS遙感技術）、云計算（Cloud Computing）和大數據（Big Data）代表的新一代信息及控制技術已能實現養殖環境參數實時獲取，遠程自動化控制漁業養殖設備運行。項目組基于利用上述技術開發的稻蝦綜合智慧蝦稻養殖系統對傳統經驗型蝦稻綜合養殖模式進行技術改造升級，實現精準漁業養殖，解決現有養殖痛點問題，進而實現蝦稻養殖模式的產業升級。

1 物聯網智慧蝦稻養殖系統的總體架構

本系統包括蝦稻環境監測終端子系統、蝦稻設備遠程控制終端子系統、蝦稻視頻監控子系統。蝦稻環境監測和設備遠程控制終端子系統采用cat.1（LTEUE-Category1）和WiFi無線通信技術，主控芯片采用兆易創新研發的專用于工業和農業物聯網設備、型號為GD32F103RCT6的集成芯片，可應用于農業環境數據采集終端和農業物聯網控制終端。通過環境數據采集終端板載SN65LBC184D芯片采集傳感器數值。環境監測和控制終端多個節點連接，既可以通過WiFi傳輸模式構成局域群體式無線通信網，又可以通過cat.1傳輸方式構成廣域無線通信網。系統還會將數據信息傳輸到南昌市農業物聯網智能裝備集成開發重點實驗室自建的農業邊緣云平臺。農業科研人員和蝦稻綜合種養殖戶等相關人員可以通過移動端和PC端進入管理界面，實時觀測蝦稻養殖相關參數，開展有針對性的農業設備遠程自動化控制。環境監測和設備遠程控制采用的有線通信方式有兩種：一種是RS 485，用于讀取傳感器數據；另一種是串口（UART），用于與IoT模組通信。

為便于用戶使用該系統，在農業環境數據采集終端和農業物聯網控制設備端增加了HMI串口觸摸屏模塊，對蝦稻養殖水體溫度、pH值、溶解氧、氣壓、濕度、光照等數據進行直觀顯示，可以在蝦稻養殖現場實現人機交互功能。通過場地內布設的視頻監控球機，可以遠程直觀地了解蝦稻養殖場地實時現場狀況和養殖過程。

本系統業務功能包含三個部分：（1）蝦稻環境數據檢測采集部分；（2）農業設備遠程自動化控制部分；（3）蝦稻視頻監控部分。蝦稻綜合智慧養殖系統架構如圖1所示。

圖1 蝦稻綜合智慧養殖系統架構

2 系統硬件涉及的終端設備器件選型

2.1 主控單元模塊設計

本系統分別采用STM32F407VET6和GD32F103RCT6集成芯片作為數據處理和控制中心。GD32F103RCT6集成芯片是基于ARM Cortex-M3內核的GD32系列32位通用MCU產品，主頻為108 MHz，具有出色的處理性能。片內閃存（FLASH）為1 024 KB，RAM為96 KB，供電電壓范圍為2.6～3.6 V，內核的供電電壓為1.2 V，I/O口可承受5 V電平，內嵌實時時鐘（RTC）和2個看門狗（WDG），具有掉電復位（PDR）、上電復位（POR）及電壓監測（LVD）功能。提供多達3個12位ADC、最多2個12位DAC、最多10個通用16位定時器、2個基本定時器和2個PWM高級定時器，以及標準和高級通信接口：最多3個SPI、2個 I2C、3個 USART、2個 UART、2個 I2S、1個 USBD、1個CAN和1個SDIO。幾種節能模式使喚醒延遲和功耗之間的最大優化更加靈活，在低功耗應用中尤其重要。GD32F103RCT6能滿足系統的設計要求。芯片典型應用電路及供電模塊部分設計如圖2、圖3、圖4所示。

圖2 STM32F407典型應用電路

圖3 GD32F103典型應用電路

圖4 供電模塊設計

485通信電路采用SN65LBC184D芯片、RS 485總線和傳感器進行通信，不僅可發揮該總線協議傳輸距離遠、抗干擾能力強的優勢，也可以根據實際需要增減傳感器數量，使系統的靈活性和可擴展性大大增強，可滿足多場景和個性化需求。設計如圖5所示。

圖5 485通信電路模塊設計

2.2 蝦稻水質監測終端接入的傳感器類型和主要參數

2.2.1 水溫傳感器集成開發

小龍蝦屬于水生變溫動物，體溫隨養殖水體環境溫度的變化而變化，它可以在江西省自然越冬，一般生存水溫為1～40 ℃，水溫低于15 ℃時生長較慢，水溫為25～30 ℃時生長較快。蝦稻養殖水溫的變化主要是隨氣溫的變化而變化[1]。在整個小龍蝦養殖周期內，前期因為水草生長需要充足的陽光照射，養殖水體水位維持在25～50 cm；養殖中后期，夏季陽光照射強度加大，通過逐漸加深養殖水位到1 m左右，將養殖水溫保持在25～30 ℃的范圍內，并可采用定量換水的方法，保障小龍蝦在合適的水溫下生長。

采用DS18B20水溫傳感器并集成在pH和溶解氧傳感器中。DS18B20測量溫度范圍寬，為-55～125 ℃；測量精度高，在-10～85 ℃范圍內精度為±0.5 ℃。該傳感器具有經濟性好、抗干擾能力強、使用方便等優點，適合于惡劣環境的現場溫度測量。

2.2.2 氣壓、氣溫、大氣濕度傳感器集成開發

蝦稻養殖水溫和區域氣溫有很好的一致性，年、季、月、日變化規律也比較一致，氣溫的變化對水溫的變化有很強的指向性[2]。研究認為，持續高溫時，各種病毒、細菌等病原微生物迅速繁殖，小龍蝦養殖疾病暴發，容易造成小龍蝦大量死亡[3-5]。氣壓、大氣濕度也是蝦稻養殖環境監測的關鍵參數。上述三組參數傳感器采用集成壁掛方式掛載在養殖環境監測終端上，采用12～24 V DC直流供電，最大功率為0.4 W，輸出信號為RS 485，溫度范圍為-40～80 ℃，相對濕度范圍為0～100%，濕度分辨率為0.1，響應時間為≤15 s（風速為1 m/s）。

2.2.3 pH值傳感器集成開發

經研究分析，水體pH值（即酸堿度）是水質的重要指標[6-8]。在養殖水體中，pH值十分直觀地反映著水質的變化，比如藻類的活力、二氧化碳的存在狀態等，都可以通過pH值的大小和日變化量來推斷是否在正常范圍內。pH值也是影響蝦生長的重要指標，在養殖早期，特別是放苗的時候，pH值若太高，則放入塘的蝦苗就會蛻殼十分困難或蛻不了殼，鰓絲腫脹，造成小龍蝦采食差、爬邊上岸，影響蝦的正常生長。

本系統采用的探頭由pH玻璃電極和氯化銀參比電極復合組成，信號穩定、精度高、測量范圍寬、線性度好、防水性能好、使用方便、便于安裝，可進行pH值的測量，具有溫度自動補償功能。供電電源為12～24 V-DC直流，耗電≤0.15 W（12 V-DC，25 ℃），測量精度為±0.5，pH值量程為0～14，測量分辨率為0.01，響應速度≤15 s。

2.2.4 養殖水體溶解氧傳感器集成開發

研究顯示，水體溶解氧是小龍蝦養殖的重要指標參數[9-12]，水體溶解氧低于2 mg/L時，小龍蝦產量下降明顯；當低于0.5 mg/L時，如果沒有攀爬物輔助其浮出水面呼吸，易造成其大量死亡。小龍蝦養殖水體中溶解氧的含量一般應高于3 mg/L。

本系統使用水質熒光法溶解氧傳感器對養殖水體溶解氧進行監測。該傳感器采用的是熒光淬滅原理進行測量，熒光法能夠克服傳統經典測量方法不能在線連續測量的缺點，具有不消耗氧氣和探頭、不受磁場干擾、靈敏度高、檢出限低、壽命長、可持續在線監測等優點，獲得了廣泛的應用。水質熒光法溶解氧傳感器可以廣泛應用于火電、化工化肥、冶金、環保、制藥、生化、食品等領域對溶液中溶解氧進行連續監測。連續監測數據通過RS 485接口進行數字化整定分析后轉換為標準的RS 485信號，通過ModBus-RTU協議連入蝦稻環境監測終端，實現監控與記錄。供電電源為9～24 V-DC直流，耗電≤0.15 W（12 V-DC，25 ℃），測量精度為±3.0%，量程為0～20 mg/L。

2.3 蝦稻物聯網控制終端設計開發

繼電器部分設計為4路繼電器，如圖6所示。

圖6 繼電器模塊設計

3 蝦稻綜合管理系統視頻監控部分設計與實現

如圖7所示，通過布設有線和無線視頻監控系統，在PC端和手機客戶端隨時隨地遠程查看蝦稻生產情況、各漁業設備的運行狀態、生產情況，管理人員可以遠程輕松監控、管理作業生產，大大減輕工作負擔，同時為后期農產品溯源提供視頻依據。

圖7 視頻監控子系統架構

4 系統軟件設計

4.1 系統軟件設計流程

基于物聯網技術的智慧蝦稻養殖系統軟件開發部分的程序流程如圖8所示。

圖8 軟件程序流程

4.2 系統采用的主要通信方式和程序設計函數

系統開機初始化后便會通過IoT模組連接服務器，然后通過狀態機循環讀取傳感器數據，到設定時間后打包數據拷貝到發送緩沖區，主循環檢測到發送緩沖區中有數據便會發送至服務器；服務器下發指令會被拷貝到接收緩沖區，如接收緩沖區有數據便被MCU解析并執行相應指令，以下是本系統的主要設計函數：

（1）處理IoT發送緩沖區函數：void TxDataBuf_Deal（unsigned char *data，int size）；

（2）處理服務器下發數據函數：void MQTT_DealPushdata_Qs0（unsigned char *redata）；

（3）IoT模組連接服務器函數：unsigned char WiFi_Connect_IoTServer（void）；

（4）獲取傳感器狀態機數據函數：u8 get_sensor_info_process（const int64_t c_ms，sensor_info_t* p_psg）。

5 結 語

本文針對蝦稻綜合種養模式下克氏原鰲蝦（小龍蝦）生長階段特異化水質調控需求，開發了一套物聯網環境監測和設備控制終端及養殖水質調控管理系統。后續將開展自動化調節養殖水體深度進而調節養殖水溫的試驗，主要是根據蝦稻養殖水體的實際水溫，加深養殖水體深度，調節水體溫度。通過將遠程自動化水泵納入管理云平臺，根據實時水溫參數實現水泵自動化開關，提升蝦稻管理的效率。另外，還考慮應用無人旋翼機潑灑顆粒增氧劑的方式，提升蝦稻養殖溶解氧調控能力。