基于物聯網的智能水產養殖監測系統的研究

摘要：隨著全球水資源環境的惡化和水資源短缺，水質問題日益突出，對人們的日常生活和社會發展產生嚴重影響。因此，對水資源進行監測和控制是有利于人類健康與社會發展。目前，關于水質監測的研究已取得許多成果，窄帶物聯網（NarrowBandInternetofThings，NB-IoT）作為一種新興技術，被廣泛應用于水質監測領域。在過去的生產生活養殖方式中，養殖人員主要是依靠人為經驗和天氣情況進行養殖，不確定因素帶來的損失巨大。現如今養殖方式講求智能化，來保障批量生產水產品的質量與速度有所提升。當下可以將無線技術，人工智能，機械設備等技術應用于智慧水產養殖方面，來體現簡單化、高效化。

關鍵詞：物聯網水產養殖A/D轉換NB-IoT傳輸

中圖分類號：S951.2;TP274

ResearchonIntelligentAquacultureMonitoring

SystembasedonInternetofThings

KOUFuMAZhanjunWANGShuo

DalianOceanUniversity，Dalian，LiaoningProvince，116023China

Abstract：Withthedeteriorationofglobalwaterresourcesandthescarcityofwaterresources，waterqualityissueshavebecomeincreasinglyprominent，seriouslyaffectingpeople'sdailylivesandsocialdevelopment.Therefore，monitoringandcontrollingwaterresourcesisbeneficialforhumanhealthandsocialdevelopment.Atpresent，researchonwaterqualitymonitoringhasachievedmanyresults，andNarrowbandInternetofThings（NBIoT），asanemergingtechnology，iswidelyusedinthefieldofwaterqualitymonitoring.Inthepastproduction，life，andbreedingmethods，breedersmainlyreliedonhumanexperienceandweatherconditionsforbreeding，andthelossescausedbyuncertainfactorswereenormous.Nowadays，aquaculturemethodsemphasizeintelligencetoensurethequalityandspeedofmassproductionofaquaticproductshavebeenimproved.Currently，wirelesstechnology，artificialintelligence，mechanicalequipmentandothertechnologiescanbeappliedtosmartaquaculturetodemonstratesimplicityandefficiency.

Keywords：InternetofThings，Aquaculture，A/DConversion，NBIoTTransmission

1999年，美國麻省理工學院的凱文·阿什頓首次提出了物聯網這一概念。經過二十多年的發展，如今物聯網技術已經具備了實際應用的可能性[1]。物聯網是指利用射頻識別技術、電子代碼等技術，在互聯網基礎上構建一個能夠實現全球物品信息實時共享的實物互聯網[2]。在當前的研究過程中，物聯網技術根據有效傳輸距離的不同，劃分出了短距離無線、中距離無線、長距離無線以及有線技術。通過模擬仿真實驗，考慮到使用環境和這些通信技術的特點，本文將采用窄帶物聯網（NarrowBandInternetofThings，NB-IoT）傳輸技術，該技術具有簡單高效地將器件連接到移動網絡，處理少量數據。其優勢包括超低功耗、廣覆蓋、易部署、安全性和低成本。

2以NB-IOT為例的硬件設計

在調研過程中，選擇用意法半導體（STMicroelectronics）公司推出的STM32F103C8T6作為主控制器。該處理器具有64KFLASH，20K的SＲAM;工作溫度在－40～85℃之間，工作頻率為72MHz，供電電壓為3～3.6V。NB-IoT通信模塊包括天線、SIM存儲卡、串口及供電等，圖1為系統設計框圖。NB-IoT主芯片選用目前使用較廣泛的BC95-B5，采用無引腳封裝，其最小系統包括復位電路、晶振電路、電容濾波電路及數模轉換等外圍電路，能夠滿足環境數據的處理需求。SIM存儲卡選用可以直接焊接在M2M模組上貼片式物聯網卡，實現可靠物理連接與通信接口，天線選用ipex轉sma多頻全向高增益方便裝天線。

2.1數據采集模塊

在水下部分最主要的是采集數據，數據采集采用多參傳感器，這些采集的數據將收集的中央控制處理器，通過處理和計算，然后在終端顯示并且同時保存下來；另一種是采集水下情況實時錄像，將數據保存在云端以便于后續能夠將視頻在終端隨時播放。

2.2終端顯示

Web終端功能強大，可以實現各種復雜的應用，而且，Web終端可以適應不同的操作系統和設備，無須額外安裝軟件，使用起來更加便捷。移動終端則具有更高的靈活性和便攜性，及時發現問題并進行調整。綜合來看，將Web終端和移動終端結合在一起，可以實現功能的互補，提高用戶的體驗，滿足現代養殖業對智能化、信息化、自動化管理的需求。

3系統硬件總體結構

本次設計的系統硬件要包含多個功能，如氧含量、pH值、溫度變化等。所以設計到電路中要設計到多個方面，包括但不限于傳感器數據采集電路、NB-IoT通信電路、SD卡接口電路、MCU及其外圍電路等。而硬件電路中的具體電路不是簡單的堆砌，要通過嵌入式處理器進行整合達到完整統一。

下位機的控制核心可以選擇STM32L475VET6處理器。這個處理器可以將數據由中央控制系統控制下行系統或者由NB-IoT模塊傳輸至中央控制系統。并且在收集到信息的同時及時對數據進行簡單處理，從而保證對數據進行篩選，減少了工作量。外圍電路選擇SWD調試電路、看門狗電路、單片機系統電路等。而具體的電路負荷功能也不相同，如GPS電路保證機器設備的定位情況，SD卡電路保證存儲本地監測數據內容，供電電路將降壓電源電壓按需分配給各個芯片和必要外部設備，如圖2所示。

3.1采集溫度模塊

在實驗過程中發現DS18B20數字溫度傳感器有著多種優點，比如傳統條件下設計簡單，體積小，價格便宜，很適合進行多次實驗等。最主要是精度高和抗干擾能力強。DS18B20溫度傳感器可以把數據經過中央控制器，進行記錄和分析，在數據分析的同時也會將結果告知控制方，從而可以派遣工作人員將溫度進行調節，維持溫度穩定。

3.2采集水位模塊

在實驗過程中發現HC-SR04超聲波傳感器和JXB-3001-YL系列雨量傳感器有助于水位高度和降雨量進行測量。HC-SR04超聲波傳感器測距原理：利用發射器與接收器計算發射到接收超聲波的時間t，然后根據公式S=340t/2計算出與障礙物間的距離S[3]，選擇超聲波的一大原因是接收發射信號快，可以隨時根據極端天氣水位變化進行測量，尤其在水位暴漲情況下，使得在緊急情況下迅速掌握情況提出策略降低損失。JXB3001-YL系列ABS雨量傳感器最大的特點是可以將數據存儲并且長期保存，而且面對復雜環境也不會失效，續航能力強。

3.3采集渾濁度模塊

在實驗中已知WAX-ZD渾濁度傳感器由紅外對管組成，一般進行測試水體渾濁度的方式是通過光的照射，光穿過水，相應感光接收器接收光源，接收到光越多則水質越好，渾濁度越小。同時，接收器會將接收到光的多少轉換成對應的電壓和電流，將這些信息以電信號的形式進行傳遞與記錄，光線越暗則電信號越小。渾濁度等級劃分見表2所列。當將傳感器放在工作水域中進行工作之時，若發現水質渾濁，就會通過電信號通知中央檢測系統，將水質具體情況與相關數據進行上報與保存，這樣用戶就可以通過通知工作人員對水質進行手動換水保持水質干凈。

3.4采集含氧量模塊

本系統水體含氧量檢測采用水質熒光法溶解氧傳感器（JXSZ1001-DOY），量程范圍為0～20mg/L，分辨率達0.02mg/L，已被廣泛用于火電、化工、食品和自來水等含氧量的檢測[4]。使用這個傳感器最大的特點是可以連續長時間進行測量，而且比傳統測量方法更加準確，當用熒光法測量結束水中的含氧量之后，就會將相應的電信號及時傳輸到中央控制器，并且在數據上傳過程中一方面將數據記錄保存，另一方面會將新的數據源源不斷進行檢測分析，這樣數據就能保持時效性，來讓工作人員分析水域的氧氣變化情況以及對應措施，一旦控制器得到的水體含氧量數據較低，便能指揮工作人員打開水泵人為制造氧氣。

3.5采集PH值模塊

在實驗過程中，本文選用pH復合電極測量pH值。pH復合電極可以分為測量電極和參比電極，整個復合電極包括絕緣帽、玻璃桿、Ag-AgCL電極、甘汞電極、HCl溶液、KCl溶液、多孔物質、玻璃膜。其中測量電極材料為玻璃，參比電極材料為甘汞[5]。

玻璃電極主要由玻璃膜、玻璃桿、Ag-AgCL電極、HCl和KCl溶液構成，而甘汞電極則由甘汞金屬構成，以此組成的pH復合電極與被測溶液構成原電池，通過電化學可以測得兩者電極間的電動勢，根據能特斯方程可以得到電動勢與被測溶液pH值之間的數學關系，能特斯方程如下：

由能斯特方程推導出pH值的計算公式：

能夠通過上述計算公式看出，溫度是影響測量pH值的一個重要關鍵因素，但是溫度與電壓呈現非線性關系，因此可以將溫度設置為合適的確定值，如18℃，或者將溫度設定為準備養殖水產品適應溫度，這樣測出來的pH值才更為準確。在選擇具體公司的pH電極，可以將穩定性、精準度、傳輸數據速度、使用壽命長、價格便宜等作為選擇標準[6]。

在實驗過程中，調查數據可以發現，pH值與電信號，尤其是電壓存在線性關系，可以將pH值通過電信號計算得出。

式（4）中，電壓的大小在0～3V；式（5）中，電壓的大小在0～5V。

在采集數據過程中，傳感器并不是直接顯示出pH值，而是通過轉換公式進行換算得到，一旦發現pH值不符合所需要的pH值范圍，就會將相關情況上報，從而及時讓工作人員通過手動改變水質pH值的方式，如添加必需藥品，將pH值控制在具體范圍內。

當前根據實驗數據分析，可以將已得的實驗數據進行修復，而修復的辦法有多種，我們選擇性地將以下幾種方式進行分析。

（1）線性插值法：實驗數據時間間隔較短，而且有部分內容缺少，就可以依據此方法，將實驗數據進行短期修改，將誤差性降低。

（2）均值平滑法：可采用如下均值平滑法進行水平處理。

當數據發現有較大異常時，可以通過前后正常數據來進行比較，這要求變化范圍不能超過±10%，若不在，則認為該數據存在問題不能使用。此時就可以根據本次方法來減小誤差。

上式中和分別為相鄰數據誤差的閾值。天氣情況在水質監測過程中起到特殊的作用。實驗中發現，天氣情況相似的時候很大概率水質情況也會類似，實驗得到數據也會十分接近。將這一信息進行推廣，如果在某一天的前幾天的實驗數據與這一天實驗數據的誤差在±1%之外，就可以認為部分數據存在實驗問題，進而選擇處理。

4總結與應用前景

智慧養殖是水產養殖行業的發展趨勢。在過去的“十三五”期間，我國已經在水產養殖方面取得了一些成果，如水體監控、餌料自動投喂等技術的集成應用。然而，與發達國家相比，我國在水產養殖的精準化、科學化管理以及高效養殖基地管理等方面還有待提高。

利用物聯網、大數據、人工智能等新興技術，可以有效解決這些問題。物聯網水產養殖智能控制系統可以通過智能傳感、通信、水質環境參數收集、智能聯網、遠程自控等技術手段，實現對水產養殖的系統化、集約化、高產高效化、安全發展等進行升級改進。

此外，發展物聯網下的智能水產養殖監測系統對于推動我國水產養殖業的現代化具有重要意義。這不僅有助于提高養殖產量和品質，降低養殖成本，還可以減少對環境的污染，促進可持續發展。

因此，我國應該加大對物聯網智能水產養殖技術的研究和推廣力度，助力水產養殖業的轉型升級。同時，政府、企業和科研機構應加強合作，共同推動我國水產養殖業的繁榮發展。

我們有理由相信，將物聯網智能水產養殖檢測系統應用于水產養殖行業，可以讓養殖技術與養殖方式有質的飛躍與發展。

參考文獻

• 王軍，胡剛雨，肖晶晶.基于NB-IoT的水質監測系統研究[J].現代電子技術，2022，45（16）：50-54.
• 陳琦.高等院校國有資產仿互聯網的搭建研究[J].無線互聯科技，2017（2）：27-28.
• 洗鋰東，龍祖連.基于物聯網技術智慧水產養殖系統的研究設計[J].物聯網技術，2022，12（2）：65-68.
• 陳思超.基于NB-IoT的漁業水質監控系統設計與實現[D].南昌：東華理工大學，2022

[5] 湯朝婧.基于物聯網技術的水產養殖系統設計[J].物聯網技術，2024，14（2）：82-85.

[6] 歐陽兆彰，張俊良，吳煥轉.基于物聯網技術的水產養殖智能控制系統[J].現代農機，2023（5）：73-75.