基于傳感器技術(shù)的智慧漁業(yè)飼養(yǎng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)*

饒湘日，伍鵬坤，匡 杰，丁 琳

（南華大學(xué)，湖南 衡陽(yáng) 420000）

0 引言

我國(guó)是世界上最大的水產(chǎn)養(yǎng)殖生產(chǎn)國(guó)，而且漁業(yè)養(yǎng)殖規(guī)模仍在不斷擴(kuò)大，在2022 年，我國(guó)水產(chǎn)品總產(chǎn)量達(dá)6 865.91 萬(wàn)t，比上一年增長(zhǎng)2.62%。然而，我國(guó)現(xiàn)有的水產(chǎn)養(yǎng)殖方式多是傳統(tǒng)化、粗放式養(yǎng)殖，需要消耗大量的人力、物力和財(cái)力，主要有三大弊端：水質(zhì)全憑感覺(jué)、喂養(yǎng)全憑經(jīng)驗(yàn)、增氧全憑手控。而智慧化、集約化水產(chǎn)養(yǎng)殖模式可以解決以上三大問(wèn)題，以智慧化水產(chǎn)養(yǎng)殖模式取代傳統(tǒng)水產(chǎn)養(yǎng)殖模式勢(shì)在必行，今后應(yīng)用傳感器相關(guān)技術(shù)對(duì)水產(chǎn)飼養(yǎng)系統(tǒng)來(lái)說(shuō)已成為主流的發(fā)展方向。中華人民共和國(guó)財(cái)政部在2022 年11 月發(fā)布了一系列文件[1]，其中著重指出，要以高質(zhì)量發(fā)展為主題，持續(xù)深化改革，促進(jìn)漁業(yè)高質(zhì)高效、漁區(qū)宜居宜業(yè)、漁民富裕富足。

傳感器技術(shù)是指能夠?qū)χ車(chē)h(huán)境或者特殊物質(zhì)進(jìn)行感知，將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，之后交給中央處理器進(jìn)行處理，最終形成各種有效數(shù)據(jù)并顯示出來(lái)的技術(shù)[2]。隨著傳感器技術(shù)的迅速發(fā)展，國(guó)內(nèi)許多學(xué)者對(duì)智慧水產(chǎn)養(yǎng)殖做了很多的研究。史兵等[3]于2011 年研制出一套基于無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的大型水產(chǎn)養(yǎng)殖智能監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，可有效地提高水質(zhì)指標(biāo)的控制準(zhǔn)確度。2014 年中國(guó)科技大學(xué)的胡曉波研究小組[4]，結(jié)合ZigBee 和嵌入式ARM，研發(fā)出一套水產(chǎn)養(yǎng)殖水體實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)與控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)養(yǎng)殖水體水質(zhì)參數(shù)采集和系統(tǒng)分析同步進(jìn)行，并根據(jù)相應(yīng)的分析結(jié)果進(jìn)行自動(dòng)調(diào)整，以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控與自動(dòng)控制，實(shí)現(xiàn)智能化科學(xué)養(yǎng)殖。

但過(guò)去的研究主要是針對(duì)單一指標(biāo)控制、WSN信息采集等方面，缺少系統(tǒng)性與整體性，且所開(kāi)發(fā)的監(jiān)控與控制系統(tǒng)具有精度與智能化水平不高、缺少系統(tǒng)間的協(xié)作與操作能力不足等弊端，使得其推廣與應(yīng)用效果不佳。本文針對(duì)以上問(wèn)題，設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)了一套高度一體化的智慧漁業(yè)飼養(yǎng)系統(tǒng)，可提高養(yǎng)殖戶的養(yǎng)殖效率，以實(shí)現(xiàn)科學(xué)養(yǎng)殖。系統(tǒng)以傳感器技術(shù)為核心、結(jié)合LoRa 無(wú)線通信模塊、無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)模塊、PLC 控制器模塊等，實(shí)現(xiàn)對(duì)魚(yú)塘pH、TEM 溫度等指標(biāo)進(jìn)行實(shí)時(shí)精確監(jiān)測(cè)和智能調(diào)節(jié)，養(yǎng)殖戶可隨時(shí)通過(guò)Android 端查看水質(zhì)狀況并遠(yuǎn)程控制調(diào)控裝置，同時(shí)，該系統(tǒng)還具有可查詢國(guó)家漁業(yè)養(yǎng)殖大數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)平臺(tái)中的數(shù)據(jù)等功能。

1 基于傳感器技術(shù)的智慧漁業(yè)飼養(yǎng)系統(tǒng)總體框架

1.1 系統(tǒng)物聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)

智慧漁業(yè)飼養(yǎng)系統(tǒng)采用物聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)[5-8]的四層結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，即感知層、傳輸層、平臺(tái)層和應(yīng)用層，如圖1 所示。采用分層、分布式形式分析系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，此分析法能更好地優(yōu)化系統(tǒng)管理結(jié)構(gòu)，提高生產(chǎn)效率，降低養(yǎng)殖成本，使系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)一體化管理，且有助于提高系統(tǒng)可擴(kuò)展性。

圖1 系統(tǒng)物聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)

感知層是整個(gè)物聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。通過(guò)部署大量水質(zhì)傳感節(jié)點(diǎn)，如DO 溶解氧傳感節(jié)點(diǎn)、TEM溫度傳感節(jié)點(diǎn)，進(jìn)行數(shù)字化、自動(dòng)化控制和監(jiān)控，再將采集到的數(shù)據(jù)通過(guò)ZigBee 發(fā)送給匯聚節(jié)點(diǎn)。同時(shí)接收匯聚節(jié)點(diǎn)發(fā)來(lái)的控制信息，控制三大調(diào)控裝置工作。感知層相當(dāng)于人體的感覺(jué)器官。

傳輸層主要負(fù)責(zé)傳遞和處理感知層的信息。匯聚節(jié)點(diǎn)接收經(jīng)ZigBee 轉(zhuǎn)發(fā)來(lái)的感知層采集信息，進(jìn)行數(shù)據(jù)融合等處理后通過(guò)ZigBee 傳輸?shù)桨哆叺闹悄芫W(wǎng)關(guān)，智能網(wǎng)關(guān)再通過(guò)LoRa 無(wú)線通信模塊將信息及時(shí)、高效地傳輸?shù)狡脚_(tái)層。同時(shí)接收平臺(tái)層的數(shù)據(jù)指令，再向下控制感知層的設(shè)備。傳輸層相當(dāng)于人體的傳輸神經(jīng)。

平臺(tái)層的功能是實(shí)現(xiàn)底層的管控一體化，并為上層提供統(tǒng)一接口，起到承上啟下的作用。通過(guò)數(shù)據(jù)挖掘、云計(jì)算、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、濾波處理等方法對(duì)下層的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，為上層提供系統(tǒng)管理、數(shù)據(jù)查看、遠(yuǎn)程控制、報(bào)警處理等功能。平臺(tái)層相當(dāng)于人體的神經(jīng)中樞。

應(yīng)用層的主要任務(wù)是對(duì)信息進(jìn)行處理與決策。通過(guò)數(shù)據(jù)挖掘等方法，找到有價(jià)值的信息，并將其合理運(yùn)用于智慧漁業(yè)，創(chuàng)造更多社會(huì)價(jià)值。應(yīng)用層是物聯(lián)網(wǎng)的最終目標(biāo)。

1.2 系統(tǒng)總體框架

本項(xiàng)目智慧漁業(yè)飼養(yǎng)系統(tǒng)由水質(zhì)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)、智能調(diào)控系統(tǒng)、遠(yuǎn)程管控平臺(tái)三部分組成，系統(tǒng)總體框架如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)總體框架圖

水質(zhì)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)基于無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)，由水質(zhì)監(jiān)測(cè)傳感節(jié)點(diǎn)、匯聚節(jié)點(diǎn)和ZigBee 通信模塊三部分組成。各水質(zhì)傳感器節(jié)點(diǎn)均勻分布于養(yǎng)殖場(chǎng)，通過(guò)自組織多跳的方式構(gòu)成無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)，全覆蓋監(jiān)測(cè)水質(zhì)環(huán)境，得到養(yǎng)殖場(chǎng)的DO 溶解氧、TEM 溫度等實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，并通過(guò)ZigBee 將數(shù)據(jù)集中發(fā)送至匯聚節(jié)點(diǎn)，在匯聚節(jié)點(diǎn)進(jìn)行數(shù)據(jù)融合處理后再轉(zhuǎn)發(fā)至智能網(wǎng)關(guān)。

智能調(diào)控系統(tǒng)由智能增氧機(jī)、智能投料機(jī)、水泵、PLC 控制器[9]等組成。在增氧方面，PLC 控制器可將預(yù)設(shè)值與當(dāng)前水質(zhì)溶解氧數(shù)值進(jìn)行比較后判斷是否進(jìn)行智能調(diào)控，當(dāng)檢測(cè)到含氧量低于正常值時(shí)開(kāi)啟裝置工作。也可通過(guò)App 手動(dòng)對(duì)PLC 控制器進(jìn)行實(shí)時(shí)或定時(shí)調(diào)控，進(jìn)而控制不同增氧機(jī)的工作強(qiáng)度。投料、換水與增氧類似，當(dāng)PLC 控制器接收到指令后可以修改智能投料機(jī)內(nèi)重量傳感器數(shù)值，從而實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)投料。當(dāng)系統(tǒng)監(jiān)測(cè)的TUR 水體渾濁度數(shù)值高于設(shè)定值時(shí)，即可通知養(yǎng)殖戶控制水泵進(jìn)行換水操作。

遠(yuǎn)程管控平臺(tái)由Android 端、智能網(wǎng)關(guān)、LoRa 通信模塊等組成。Android 端接收經(jīng)LoRa 通信模塊轉(zhuǎn)發(fā)來(lái)的智能網(wǎng)關(guān)數(shù)據(jù)，養(yǎng)殖戶可通過(guò)App 查看監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)信息，查找國(guó)家漁業(yè)養(yǎng)殖大數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)平臺(tái)中的魚(yú)群生命周期信息，接收系統(tǒng)檢測(cè)異常時(shí)的報(bào)警信息，也可發(fā)送遠(yuǎn)程控制指令到智能網(wǎng)關(guān)，最終實(shí)現(xiàn)控制相關(guān)硬件裝置的啟停等操作。

2 硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 水質(zhì)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1.1 DO含氧量傳感器設(shè)計(jì)

溶解氧（DO）指的是在1 L 水中以毫克為單位計(jì)算的溶解的氧氣，是衡量水質(zhì)優(yōu)劣的重要指標(biāo)。單紅[10]的研究表明，溶解氧是維持魚(yú)群生理功能的基礎(chǔ)，影響魚(yú)的活性，在一定范圍內(nèi)含氧量越高，魚(yú)群越活躍，攝食欲望越強(qiáng)烈。

溶解氧的檢測(cè)方法有碘量法、膜電極法和熒光檢測(cè)法[11]三種。碘量法是利用氧分子將錳離子從二價(jià)氧化成四價(jià)，碘離子還原成碘分子，再用淀粉滴定，根據(jù)滴定量測(cè)出水體中的溶解氧含量。膜電極法[11]是利用氧分子在膜上擴(kuò)散的特性，并結(jié)合電解池的氧化還原反應(yīng)，使溶解氧的濃度與電子移動(dòng)數(shù)成正比，測(cè)出電流即可得出溶解氧濃度。熒光檢測(cè)法是利用熒光猝熄效應(yīng)，即熒光物質(zhì)與溶解氧反應(yīng)導(dǎo)致熒光強(qiáng)度減弱，而熒光強(qiáng)度減弱程度與溶解氧濃度呈線性關(guān)系。

由于碘量法測(cè)量需耗費(fèi)大量化學(xué)試劑且檢測(cè)時(shí)間長(zhǎng)，而熒光檢測(cè)法傳感膜制作困難、成本高，綜合考慮，本系統(tǒng)選用的是更適合實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)的三電極型溶解氧膜電極法。曾永權(quán)等[12]的研究表明，三電極型體系具有穩(wěn)定性好、精度高、量程廣等特點(diǎn)。工作電極為金，輔助電極為鉑，參比電極為銀-氯化銀。加入?yún)⒈入姌O可以使傳感器快速達(dá)到平衡狀態(tài)。

參比電極和輔助電極間的電流值與參比電極和工作電極間流過(guò)的電流值相等，調(diào)節(jié)參比電極電位可使電子移動(dòng)快速達(dá)到平衡。得出的電流值進(jìn)行溫度補(bǔ)償后即可算出溶解氧濃度。此方法能準(zhǔn)確測(cè)量含氧量，并且具有使用維護(hù)方便、穩(wěn)定性好等優(yōu)點(diǎn)。

2.1.2 TEM 溫度傳感器設(shè)計(jì)

魚(yú)類是變溫動(dòng)物，溫度不僅影響它們的生長(zhǎng)發(fā)育，同時(shí)也影響魚(yú)類的成熟和產(chǎn)卵，淡水魚(yú)適宜的水溫一般在15 ℃~25 ℃[13]。中國(guó)水產(chǎn)科學(xué)研究院淡水漁業(yè)研究中心的習(xí)丙文等[14]在2021 年的研究報(bào)告中表明，當(dāng)水溫適宜時(shí)，魚(yú)的運(yùn)動(dòng)機(jī)能最強(qiáng)，食欲旺盛。

目前農(nóng)業(yè)測(cè)溫主要使用的是銅熱電阻和鉑熱電阻，原理是利用材料電阻值隨溫度的變化而呈函數(shù)式變化的特性，從而測(cè)出溫度。由于銅電阻有體積大、穩(wěn)定性較差、測(cè)量精度不高等缺點(diǎn)，而鉑電阻有穩(wěn)定性強(qiáng)、靈敏度高、測(cè)量精確等優(yōu)點(diǎn)，所以鉑是當(dāng)前農(nóng)業(yè)中較理想的材料。本系統(tǒng)采用四引線制鉑電阻PT100 作為溫度傳感器材料。測(cè)量范圍為-200℃~+500 ℃，其阻值隨溫度變化呈近似線性關(guān)系[11]。

溫度范圍在-200 ℃~0 ℃時(shí)，其阻值隨溫度的變化關(guān)系如下：

溫度范圍為0 ℃~500 ℃時(shí)，其阻值隨溫度的變化關(guān)系如下：

式中，Rt為t℃下鉑電阻的阻值，R0為0 ℃下鉑電阻的阻值，A、B、C均為溫度常數(shù)，其中A=3.908 3×10-3，B=-5.775×10-7，C=-4.183×10-12。

由于熱電阻的引線電阻也會(huì)隨溫度變化而變化，從而對(duì)測(cè)量結(jié)果有影響，胡鵬程等[15]的研究表明四引線制電路可以消除此影響，所以本系統(tǒng)采用四引線制測(cè)量鉑熱電阻的電阻值，電路圖如圖3 所示，四線分別接在電流和電壓回路處，r1、r4引起的電壓不會(huì)影響測(cè)量，r2、r3導(dǎo)線上近似短路，無(wú)電流通過(guò)，所以四根導(dǎo)線的電阻對(duì)測(cè)量都沒(méi)有影響，鉑熱電阻的阻值可由測(cè)得的電壓和電流求出，即：

圖3 四線制電路圖

2.1.3 pH酸堿度傳感器設(shè)計(jì)

pH 值也是魚(yú)塘中一項(xiàng)必須監(jiān)測(cè)的水質(zhì)指標(biāo)，杭州農(nóng)業(yè)局的唐黎標(biāo)[16]的研究表明，pH 值對(duì)魚(yú)的生長(zhǎng)、發(fā)育和繁殖等有著不同程度的影響，pH 值為7.5~8.5 是魚(yú)類生存的最佳條件。溶液pH 的常用測(cè)量方法有電位分析法和光學(xué)檢測(cè)法，電位分析法[17]是利用原電池的電動(dòng)勢(shì)變化進(jìn)行測(cè)量。由于指示電極的電位與待測(cè)離子濃度有關(guān)，則電動(dòng)勢(shì)的變化由待測(cè)溶液的離子濃度決定。光學(xué)檢測(cè)法[18]是根據(jù)特定的指示劑與待測(cè)溶液發(fā)生顯色反應(yīng)，通過(guò)生成物顏色深淺判斷溶液pH值。

由于光學(xué)檢測(cè)法無(wú)法準(zhǔn)確實(shí)時(shí)檢測(cè)pH 值，電位分析法具有能實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)且測(cè)量精確的優(yōu)點(diǎn)，所以本系統(tǒng)采用電位分析法實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)pH。用玻璃電極作為指示電極，甘汞電極作為參比電極形成電池的兩極，通過(guò)測(cè)量電動(dòng)勢(shì)的大小來(lái)進(jìn)行pH 的測(cè)量。參比電極的作用是提供穩(wěn)定的電動(dòng)勢(shì)參考點(diǎn)，用于校正和補(bǔ)償玻璃電極的測(cè)量誤差，使測(cè)量更精確。甘汞電極內(nèi)充飽和氯化鉀溶液，由能斯特方程可知，當(dāng)氯離子濃度和溫度一定時(shí)，參比電極電位En一定。玻璃膜由SiO2和Na2O 組成，其中鈉離子可以進(jìn)行電荷的傳導(dǎo)，當(dāng)玻璃電極與水溶液接觸時(shí)，玻璃膜中的鈉離子與水中氫離子發(fā)生交換反應(yīng)，使玻璃膜的內(nèi)外分別形成了E1和E2兩個(gè)電位，從而產(chǎn)生電位差，此時(shí)玻璃電極的電位可以表示為：

再由能斯特方程可得：

式中，Em為玻璃電極的電位，R、T、F均為常數(shù)，C(H+)為待測(cè)溶液的氫離子濃度，E(T)是玻璃電極內(nèi)電壓隨溫度變化的函數(shù)。

Em值由C(H+)和溫度決定。玻璃電極電位與參比電極電位相減即可得到絕對(duì)電壓，絕對(duì)電壓不受溫度影響，只與溶液的氫離子濃度相關(guān)，再由能斯特方程可得待測(cè)溶液中準(zhǔn)確的pH值。

電池的絕對(duì)電位為：

2.1.4 TUR 水體渾濁度傳感器設(shè)計(jì)

水體渾濁度表示水中懸浮物與膠狀物質(zhì)對(duì)光線透過(guò)時(shí)所產(chǎn)生的阻塞程度，是衡量水體環(huán)境的重要指標(biāo)之一，寧波大學(xué)的陳偉等[19]的研究表明，水中懸浮顆粒物和有機(jī)物質(zhì)的積累可能導(dǎo)致水中氧氣含量下降，使魚(yú)缺氧，進(jìn)而影響魚(yú)群的呼吸和生長(zhǎng)。

常見(jiàn)的水體渾濁度檢測(cè)方法有散射法和透射法。散射法[20]基于米氏散射定律和瑞利散射定律，即光在媒介中傳播時(shí)，介質(zhì)中的電子在光子作用下受迫振動(dòng)并向外輻射出與入射光頻率相同的光波，測(cè)出散射光的強(qiáng)度即可算出溶液的濁度值。透射法[21]基于朗伯-比爾定律，即當(dāng)光通過(guò)介質(zhì)時(shí)，部分輻射被介質(zhì)吸收，而吸收程度與溶液濁度有關(guān)，測(cè)出散射強(qiáng)度即可算出渾濁度。散射法更適合低渾濁度溶液檢測(cè)，透射法更適合測(cè)量高渾濁度溶液。

由于魚(yú)群生活的水質(zhì)濁度不會(huì)太高，透射法能很好地滿足本系統(tǒng)需求。所以本系統(tǒng)利用散射法檢測(cè)水體渾濁度。選擇90°角度上的散射光進(jìn)行測(cè)量，因?yàn)槠渚哂芯€性度好等優(yōu)點(diǎn)[22]。選用波長(zhǎng)為0.85 μm且不易受到溶液色度影響的紅外光作為發(fā)射光源，硅制光敏二極管作為水體渾濁度傳感器接收器，硅制材料的光譜響應(yīng)峰值在0.85 μm 附近，光敏二極管能利用光生伏特效應(yīng)產(chǎn)生電動(dòng)勢(shì)，且具有單向?qū)щ娦裕苁闺娐分邪惦娏鬏^小，光電流較大，提高測(cè)量精確度。散射法工作模型如圖4 所示，由米氏散射定律可知，散射光強(qiáng)度與溶液顆粒物濃度成正比，公式如下：

圖4 散射法工作模型

式中，Is為散射光強(qiáng)度，Ks為散射系數(shù)，T為樣品濁度。

再由光強(qiáng)與電流的關(guān)系式和光敏二極管響應(yīng)電流與輸出電流的關(guān)系式可測(cè)得光電流的實(shí)際大小。綜合式（7）、式（8）、式（9），再經(jīng)過(guò)溫度補(bǔ)償即可得出溶液渾濁度。

式中，Is為散射為光強(qiáng)度，K為響應(yīng)比例系數(shù)，I響為光敏二極管的響應(yīng)電流，C為輸出比例系數(shù)，I輸為光敏二極管的輸出電流。

2.2 智能調(diào)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

水產(chǎn)養(yǎng)殖過(guò)程中，當(dāng)水中溶解氧含量低于5 mg/L時(shí)，如果未能及時(shí)采取增氧措施，魚(yú)類會(huì)因缺氧窒息而死亡。增氧機(jī)主要有葉輪式增氧機(jī)、水車(chē)式增氧機(jī)[23-24]等，本系統(tǒng)采用葉輪式增氧機(jī)的機(jī)械聯(lián)動(dòng)方式增氧，利用機(jī)械部件攪動(dòng)水體，使上下層對(duì)流并向四周擴(kuò)散以形成小范圍的富氧圈。實(shí)際操作過(guò)程中，養(yǎng)殖戶通過(guò)App 設(shè)置養(yǎng)殖水池的溶解氧閾值，PLC 控制器實(shí)時(shí)比較溶解氧濃度和閾值，當(dāng)溶解氧濃度低于設(shè)定值時(shí)，PLC 控制器會(huì)通過(guò)RS-485 通信協(xié)議與智能增氧機(jī)建立串口通信，以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)增氧，養(yǎng)殖戶也可以通過(guò)遠(yuǎn)程控制，實(shí)現(xiàn)手動(dòng)實(shí)時(shí)增氧或定時(shí)增氧。

除了增氧外，魚(yú)群還需要定期投喂飼料，如未及時(shí)投喂飼料則會(huì)導(dǎo)致魚(yú)群發(fā)育不良，甚至死亡。投料機(jī)主要有離心式投料機(jī)、風(fēng)送式投料機(jī)等，本系統(tǒng)采用風(fēng)送式投料機(jī)[25-26]。其工作原理是內(nèi)部閥門(mén)開(kāi)啟，風(fēng)機(jī)產(chǎn)生氣流將飼料從前端料箱送到末端，最終實(shí)現(xiàn)全方位拋撒。投料前，內(nèi)置單片機(jī)搭載的重量傳感器對(duì)料盤(pán)進(jìn)行測(cè)重并比較預(yù)設(shè)值，若不足則通知養(yǎng)殖戶，整個(gè)投料過(guò)程自動(dòng)化。與智能控制增氧機(jī)類似，當(dāng)需要進(jìn)行投料時(shí)，PLC 控制器會(huì)接收App 的控制指令，控制智能投料機(jī)工作，養(yǎng)殖戶可手動(dòng)及時(shí)控制或定時(shí)控制。

當(dāng)魚(yú)塘水體遭遇異常情況導(dǎo)致水質(zhì)指標(biāo)顯著偏離正常值時(shí)，魚(yú)群會(huì)生病甚至死亡。常規(guī)的調(diào)控方式效果有限且會(huì)浪費(fèi)大量資源，此時(shí)需系統(tǒng)開(kāi)啟水泵及時(shí)換水，并通知養(yǎng)殖戶，以降低損失。常見(jiàn)的水泵[27]有離心泵、軸流泵等，本系統(tǒng)采用離心泵，其工作原理是利用葉輪高速旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的離心力將水從低壓區(qū)域送到高壓區(qū)域。控制方式與增氧類似，通過(guò)接收來(lái)自PLC 控制器的指令，可實(shí)時(shí)或定時(shí)控制水泵進(jìn)行換水操作。

3 軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.1 智慧漁業(yè)飼養(yǎng)系統(tǒng)遠(yuǎn)程管控平臺(tái)功能設(shè)計(jì)

遠(yuǎn)程管控平臺(tái)[28]主要是指智能終端可視化設(shè)計(jì)及云平臺(tái)設(shè)計(jì)，作為用戶與設(shè)備進(jìn)行信息傳遞的平臺(tái)，其是智慧漁業(yè)系統(tǒng)的重要組成部分。本系統(tǒng)平臺(tái)開(kāi)發(fā)以簡(jiǎn)潔、美觀、方便作為設(shè)計(jì)理念，采用C/S 架構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)，能有效保障數(shù)據(jù)流轉(zhuǎn)的有效性和完整性，軟件閾值設(shè)置界面如圖5所示。

圖5 軟件閾值設(shè)置界面

遠(yuǎn)程管控平臺(tái)由監(jiān)測(cè)模塊、遠(yuǎn)程調(diào)控模塊、數(shù)據(jù)庫(kù)模塊、閾值提醒和系統(tǒng)管理五大模塊構(gòu)成。

1）查看監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)：養(yǎng)殖戶可以實(shí)時(shí)查看當(dāng)前魚(yú)塘的水質(zhì)情況，利于養(yǎng)殖戶對(duì)當(dāng)前水質(zhì)的異常變化進(jìn)行調(diào)整，也有利于專家對(duì)魚(yú)塘進(jìn)行改善和研究調(diào)查水質(zhì)情況。

2）數(shù)據(jù)庫(kù)存儲(chǔ)：①?gòu)膰?guó)家水質(zhì)監(jiān)測(cè)網(wǎng)和國(guó)家漁業(yè)養(yǎng)殖大數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)平臺(tái)的數(shù)據(jù)中選擇相關(guān)的參數(shù)，構(gòu)成不同的數(shù)據(jù)庫(kù)，方便養(yǎng)殖戶參考使用，有利于養(yǎng)殖戶更好地了解各類魚(yú)群在不同的生長(zhǎng)期內(nèi)，隨著水質(zhì)參數(shù)變化時(shí)的攝入量，從而實(shí)現(xiàn)精細(xì)化喂養(yǎng)；②將水質(zhì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)和調(diào)控裝置的啟停信息等進(jìn)行存儲(chǔ)，利于專家對(duì)水質(zhì)進(jìn)行調(diào)查研究，使養(yǎng)殖戶對(duì)魚(yú)塘過(guò)去變化更加了解。

3）遠(yuǎn)程控制：若獲取的水質(zhì)指標(biāo)異常，養(yǎng)殖戶可手動(dòng)實(shí)時(shí)遠(yuǎn)程操控調(diào)控裝置工作，或定時(shí)控制調(diào)控裝置工作，使魚(yú)塘水質(zhì)恢復(fù)至正常范圍。

4）閾值提醒：養(yǎng)殖戶手動(dòng)設(shè)置魚(yú)塘各指標(biāo)的閾值，若魚(yú)塘水質(zhì)異常，App 發(fā)出預(yù)警信息，養(yǎng)殖戶可以及時(shí)響應(yīng)。

5）系統(tǒng)管理：包括用戶管理、后臺(tái)維護(hù)、設(shè)備管理等，實(shí)現(xiàn)用戶登錄驗(yàn)證，并對(duì)設(shè)備和后臺(tái)進(jìn)行維護(hù)等相關(guān)操作。

3.2 系統(tǒng)通信方式和通信函數(shù)設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)智能調(diào)控系統(tǒng)中使用的是串口通信[29]，選用STM32F103ZET6 型單片機(jī)，其有144 個(gè)引腳，提供了5 個(gè)USART，它不但可以運(yùn)行異步串口通信協(xié)議，如RS-485 通信協(xié)議，還可以運(yùn)行同步串口通信協(xié)議，如SPI 通信協(xié)議。水質(zhì)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)使用的是ZigBee 通信協(xié)議，將32 單片機(jī)的串口接收（RX）引腳與ZigBee 模塊的發(fā)送（TX）引腳相連，串口發(fā)送引腳與ZigBee 模塊的接收引腳相連，地（GND）引腳接地。當(dāng)一個(gè)串口完成接收或發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)，就需要用軟件來(lái)清空一個(gè)結(jié)束標(biāo)志位。以下是該系統(tǒng)串口通信的主要函數(shù)：

1）串口初始化函數(shù)：USART_init(u32 bound)；

2 ）串口數(shù)據(jù)發(fā)送函數(shù)：USART _SendData(USART_TypeDef* USARTx, unsigned int Data)；

3 ）串口數(shù)據(jù)接收函數(shù)：USART _ReceiveData(USART_TypeDef * USARTx, unsigned int Data)；

4 ）串口標(biāo)志位清除函數(shù)：USART _ClearFlag(USART_TypeDef * USARTx, unsigned int FLAG)；

5）ADC 數(shù)據(jù)采集函數(shù)：GetADCData(void)。

4 結(jié)語(yǔ)

本研究設(shè)計(jì)了一款基于傳感器技術(shù)的智慧漁業(yè)飼養(yǎng)系統(tǒng)，解決了傳統(tǒng)水產(chǎn)養(yǎng)殖過(guò)度依賴養(yǎng)殖戶個(gè)人經(jīng)驗(yàn)的問(wèn)題，同時(shí)引入了數(shù)字化、專業(yè)化、現(xiàn)代化的養(yǎng)殖模式，不僅能夠提高水產(chǎn)品的品質(zhì)，還能降低養(yǎng)殖成本，實(shí)現(xiàn)利益最大化。如今水產(chǎn)養(yǎng)殖現(xiàn)代化轉(zhuǎn)型是大勢(shì)所趨，隨著人工智能等其他技術(shù)相繼進(jìn)入水產(chǎn)養(yǎng)殖領(lǐng)域，科技終將改變漁業(yè)，水產(chǎn)養(yǎng)殖將越來(lái)越智慧化，這對(duì)未來(lái)中國(guó)漁業(yè)的發(fā)展具有重要意義。