吳祖獵，余童杰，陳厚正，陳柳江

（電子科技大學中山學院 電子信息學院，中山 528402）

基于物聯(lián)網(wǎng)的智能水產(chǎn)養(yǎng)殖管理系統(tǒng)的設計

吳祖獵，余童杰，陳厚正，陳柳江

（電子科技大學中山學院 電子信息學院，中山 528402）

目前水產(chǎn)養(yǎng)殖業(yè)較多依賴人工經(jīng)驗，不僅風險大，而且物資和人力資源浪費比較嚴重，致使水產(chǎn)養(yǎng)殖經(jīng)濟效益不高。充分利用物聯(lián)網(wǎng)的技術(shù)優(yōu)勢，并針對水產(chǎn)養(yǎng)殖業(yè)的特點對設備和養(yǎng)殖過程進行智能管理，與現(xiàn)有傳統(tǒng)養(yǎng)殖模式相比，能夠有效降低風險與能源消耗，提高水產(chǎn)品的品質(zhì)和生產(chǎn)效率，并可減少因使用藥物對環(huán)境造成的不良影響。

物聯(lián)網(wǎng)；水產(chǎn)養(yǎng)殖；遠程控制；無線組網(wǎng)

0 引言

我國是水產(chǎn)養(yǎng)殖大國，水產(chǎn)養(yǎng)殖產(chǎn)量占全世界的三分之二左右[1]。但多年來，我國水產(chǎn)養(yǎng)殖業(yè)主要沿用粗放經(jīng)營的傳統(tǒng)方式[1]。近年來，養(yǎng)殖模式和技術(shù)的落后、水域資源逐漸短缺、水體污染逐年加重、水產(chǎn)品食品安全問題時有發(fā)生等，使得傳統(tǒng)養(yǎng)殖模式受到重大挑戰(zhàn)。如何適應新形勢，建設智能水產(chǎn)養(yǎng)殖系統(tǒng)，方便、有效、實時地對水產(chǎn)養(yǎng)殖環(huán)境和養(yǎng)殖生物生長情況進行監(jiān)測、控制，已經(jīng)成為目前我國水產(chǎn)養(yǎng)殖現(xiàn)代化發(fā)展的熱點[1]。

國內(nèi)從事水產(chǎn)養(yǎng)殖管理系統(tǒng)研發(fā)的較少，而且多數(shù)都有一定局限性。目前市場上的產(chǎn)品，多數(shù)只能檢測溶解氧和溫度，只能獨立控制2路增氧機，只能有線傳回采集的數(shù)據(jù),而且大部分沒有接入互聯(lián)網(wǎng)，只是個現(xiàn)場控制器與報警器。有少部分接入了互聯(lián)網(wǎng)，但仍有平臺單一、模式單一、檢測能力和控制能力有限等不足。

目前我國水產(chǎn)養(yǎng)殖業(yè)正處于由傳統(tǒng)漁業(yè)向現(xiàn)代漁業(yè)轉(zhuǎn)變的歷史時期，抓住發(fā)展機遇，實現(xiàn)歷史性的跨越需要信息技術(shù)等高新技術(shù)作為技術(shù)支撐[2]。物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)是信息技術(shù)發(fā)展的一次革命，它是一種將所有物品連接互聯(lián)網(wǎng)，實現(xiàn)智能化識別管理的技術(shù)[3]。本文充分利用物聯(lián)網(wǎng)的技術(shù)優(yōu)勢，并針對水產(chǎn)養(yǎng)殖業(yè)的特點，設計了基于物聯(lián)網(wǎng)的智能水產(chǎn)養(yǎng)殖管理系統(tǒng)。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

1 總體設計

系統(tǒng)由水質(zhì)數(shù)據(jù)采集器、主機、電機控制器、移動客戶端等構(gòu)成，如圖1所示。

每個池塘中放一個浮箱，其中裝有溶解氧、溫度、PH值、鹽度等傳感器，各個傳感器采集數(shù)據(jù)后，由數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)打包，然后通過無線模塊傳輸至主機進行數(shù)據(jù)分析，并做出相應處理。比如，根據(jù)池塘中溶解氧的濃度，發(fā)送指令給機房控制器，打開或關閉增氧機。

用戶可用微信、APP、短信、主機、電機控制器共5種操作平臺來進行各種操作，查看溶解氧、溫度、PH值、鹽度、系統(tǒng)運行模式、電機運行狀態(tài)等，設置工作模式、定時,對增氧機等設備進行手動控制等。

2 下位機設計

2.1 主機

主機主要由主控電路、無線通信模塊、GSM模塊、7寸觸摸屏、電源電路等組成，如圖2、圖3所示。主控芯片采用增強型51單片機STC15F4K60S4，擁有4個完全獨立的串口。數(shù)據(jù)傳輸采用313-325.6MHz頻段的無線傳輸模塊，使用窄帶射頻傳輸，同時內(nèi)嵌FEC前向糾錯算法，能主動糾正被干擾的數(shù)據(jù)包，抗干擾能力強。GSM模塊采用工業(yè)級的SIM800C，支持4頻，全球使用。屏幕采用7寸增強型USART HMI串口屏，支持休眠和觸摸喚醒功能。主機能夠通過數(shù)字、表格或曲線等方式顯示水質(zhì)參數(shù)和設備狀態(tài)。遇到險情時，能夠立即彈出警報信息，并進行相應處理，如自動開啟相應設備、啟動警報器、撥打用戶電話等。主機程序程序框圖如圖4所示。

2.2 數(shù)據(jù)采集器（浮箱）

圖2 主機主控電路

圖3 主機電源電路

圖4 主機程序框圖

數(shù)據(jù)采集器（浮箱）由單片機、A/D轉(zhuǎn)換電路、多種傳感器、無線模塊和電源電路組成，如圖5所示。每個浮箱都有唯一的ID號，主機與浮箱通信時，根據(jù)不同的ID來確定數(shù)據(jù)來自哪口池塘。每個浮箱里裝有用于水質(zhì)檢測的傳感器，分別是：溶解氧傳感器（帶有溫度傳感器）、PH傳感器、鹽度傳感器。傳感器布置的深度取決于池塘養(yǎng)殖物活動水層，如果主養(yǎng)魚類為中上層魚類，可以將傳感器布置在距離水面50cm處[2]。浮箱采用太陽能供電，用鋰電池儲能，在連續(xù)陰天風雨天的情況下可以供電10天以上，另外也預留干電池槽和外加電源接口。能耗約束和能量均衡是數(shù)據(jù)采集器需要重點考慮和解決的問題[4]。為了減少節(jié)點能耗，網(wǎng)絡一般要采用節(jié)點休眠機制[5]。從功耗和可靠性綜合考慮，浮箱60秒采集一次數(shù)據(jù)并傳回主機，然后進入休眠狀態(tài)。無線模塊發(fā)送完數(shù)據(jù)后，也進入休眠狀態(tài)，等待下一次被喚醒。

2.3 電機控制器

一個負載控制箱可控制8路輸出，每路都包括、空氣開關、電機綜合保護器、交流接觸器，對電機提供過流、漏電、短路和缺相保護，特別是缺相，因為缺相很容易燒掉增氧機。電機控制器通過無線模塊收到來自主機的指令后，由單片機控制繼電器，再由繼電器控制交流接觸器，最后由交流接觸器在電機綜合保護器保護下啟動增氧機等設備。池塘的增氧機的功率一般為1000VA到4000VA。以4000VA估算，額定功率×U×I×cosφ，功率因素cosφ一般在0.7～0.9，按0.7算，綜合考慮成本和安全因素，每路輸出由一個額定電流12A的交流接觸器控制。當控制三相星形負載和三相三角型負載時，理論上最大可以控制視在功率以內(nèi)的三相感性負載，或額定功率P＝7800W以內(nèi)的三相阻性負載。當控制單相交流負載時，理論上最大可以控制視在功率S=380×12≈4500VA以內(nèi)的單相感性負載，或額定功率P＝4500W以內(nèi)的單相阻性負載。

3 上位機設計

手機的普及及無線網(wǎng)絡的發(fā)展壯大，使得操作終端越來越便捷，通過手機即可對水產(chǎn)養(yǎng)殖進行遠程控制，使得物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在水產(chǎn)養(yǎng)殖中應用方面的需求更加強烈[6]。上位機的部署環(huán)境為Window NT+PHP+Apache+Mysql，開發(fā)平臺為Webstorm+Zend Studio，使用Webstorm編輯HTML、CSS以及Javascript，使用Zend Studio來編輯PHP代碼。同時，本系統(tǒng)還引入了Mysql數(shù)據(jù)庫，利用該數(shù)據(jù)庫可以方便、有效地對用戶數(shù)據(jù)進行存儲，以免丟失。Mysql輕巧、免費、開源等特性非常適合本系統(tǒng)使用。Javascript的引入，使得前端交互性大大提升，使得網(wǎng)頁有了動態(tài)效果，數(shù)據(jù)可以后臺交互。CSS的引入，使得HTML代碼的樣式控制變得更加容易。PHP作為一種輕量級語言，大量的開源代碼也是它的優(yōu)勢所在，故而在本系統(tǒng)中，使用了PHP語言作為服務器后臺語言。狀態(tài)顯示界面如圖6所示，設置界面如圖7所示。

圖5 A/D轉(zhuǎn)換電路

圖6 狀態(tài)界面

圖7 設置界面

4 可靠性設計

4.1 “主機+副機”模式

本系統(tǒng)采用“主機+副機”模式，副機由電機控制器充當。電機控制器能夠在主機漏發(fā)或誤發(fā)指令的情況下及時發(fā)現(xiàn)問題。主機每30秒發(fā)一個心跳信號給電機控制器，表示正在正常運行。如果電機控制器超過30秒沒收到任何信息，則判定主機工作不正常，于是就啟動備用方案，即電機控制器充當主機來維持增氧系統(tǒng)的運行，同時給用戶相應的警報。這樣，即使主機出現(xiàn)故障無法正常工作，也不會使整個系統(tǒng)陷入癱瘓。另一方面，若溶解氧含量很低了，而主機仍發(fā)給它關閉增氧機的指令，那么電機控制器就會跟主機確認情況，如果還要關閉，那就主動去讀取水質(zhì)數(shù)據(jù)并分析，再做決定，以降低誤操作風險。

4.2 數(shù)據(jù)可靠度高

數(shù)據(jù)采集時，先連續(xù)采集兩次，若兩次數(shù)據(jù)的偏差超出允許范圍，則表示數(shù)據(jù)有誤，需要重新采集。若兩次數(shù)據(jù)的偏差在允許范圍內(nèi)，則求其平均值。數(shù)據(jù)上傳主機時也是傳兩次，若兩次數(shù)據(jù)不一樣，則表示出現(xiàn)誤包，于是主機就給采集系統(tǒng)返回一個指令，讓它重新傳輸。此外，主機傳指令給電機控制器也如此處理。數(shù)據(jù)和指令傳輸時采用循環(huán)冗余校驗（CRC），以便及時、準確發(fā)現(xiàn)誤包。CRC是由分組線性碼發(fā)展而來，其主要應用是二元碼組。由于檢錯能力強、誤判概率很低等優(yōu)點，被廣泛應用于工業(yè)測控和數(shù)據(jù)通信領域[4]。

5 結(jié)束語

水產(chǎn)養(yǎng)殖要想達到高產(chǎn)、高效，除了要有理想的池塘條件、優(yōu)質(zhì)的飼料、健康的魚種以及合理的放養(yǎng)密度外，還要具備良好的水質(zhì)[7]。本系統(tǒng)通過實時采集與智能控制手段，改善和控制水質(zhì)，為魚蝦等提供了最佳養(yǎng)殖環(huán)境，提高了水產(chǎn)品的品質(zhì)。應用該系統(tǒng)可以改變生產(chǎn)管理模式，為水產(chǎn)的大規(guī)模集約化生產(chǎn)提供技術(shù)保障，促進其向工業(yè)化和信息化轉(zhuǎn)型。

[1] 楊寧生,袁永明,孫英澤.物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在我國水產(chǎn)養(yǎng)殖上的應用發(fā)展對策[J].中國工程科學,2016,18(3):57-61.

[2] 陳浩成,袁永明,馬曉飛,等.基于物聯(lián)網(wǎng)的水產(chǎn)養(yǎng)殖水質(zhì)監(jiān)控集成技術(shù)[J].農(nóng)村經(jīng)濟學,2013(18):324-326.

[3] 楊金明,余情,朱紅飛,等.基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的水產(chǎn)養(yǎng)殖智能管理系統(tǒng)設計[J].湖北農(nóng)業(yè)科學,2016,55(16):4276-4279.

[4] 胡永利,孫艷豐,尹寶才.物聯(lián)網(wǎng)信息感知與交互技術(shù)[J].計算機學報,2012,35(6):1147-1163.

[5] 李曉珍,蘇建峰.循環(huán)冗余校驗CRC算法分析及實現(xiàn)[J].信息科技,2010(13):100-101.

[6] 郭玉環(huán).物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在水產(chǎn)生態(tài)養(yǎng)殖中的應用探究[J].河北漁業(yè),2016(10):54-55.

[7] 任芳.淺談物聯(lián)網(wǎng)水質(zhì)在線監(jiān)測系統(tǒng)在水產(chǎn)養(yǎng)殖中的應用[J].山西科技,2014,29(4):154-156.

Design of intelligent aquaculture management system based on internet of things

WU Zu-lie, YU Tong-jie, CHEN Hou-zheng, CHEN Liu-jiang

TP393

：B

1009-0134(2017)06-0019-04

2017-04-21

廣東省攀登計劃

吳祖獵（1992 -），男，廣東雷州人，本科，研究方向為嵌入式系統(tǒng)設計與開發(fā)。