錢平，鮮學豐，顧才東，彭喜鈺，羅文煜

（1.蘇州市職業(yè)大學計算機工程學院，蘇州215104；2.江蘇省現(xiàn)代化企業(yè)信息化應用支撐軟件工程技術(shù)研究開發(fā)中心，蘇州215000）

0 引言

中國是世界上最大的水產(chǎn)品消費國和生產(chǎn)國，太湖片區(qū)的鱸魚養(yǎng)殖規(guī)模龐大，僅蘇州市范圍內(nèi)2018 年數(shù)據(jù)統(tǒng)計全市加州鱸魚池塘養(yǎng)殖面積達到3.6 萬畝，年產(chǎn)量超過2.5 萬噸，年產(chǎn)值超過7 億元，已成為蘇州市致富漁農(nóng)的主要水產(chǎn)養(yǎng)殖品種之一[1]。然而由于養(yǎng)殖戶對魚塘水質(zhì)監(jiān)測不到位，在水質(zhì)發(fā)生變化的時候未能及時發(fā)現(xiàn)，導致大量的鱸魚死亡，造成嚴重的經(jīng)濟損失。所以建立安全的魚塘遠程水質(zhì)環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)是一項重要的工作。

如果魚塘水質(zhì)發(fā)生變化，超過鱸魚的可承受范圍就會導致大面積的死亡或得病。因此針對鱸魚較為敏感的三個水質(zhì)參數(shù)及溫度、pH 值、溶解氧進行監(jiān)測。隨著物聯(lián)網(wǎng)通信技術(shù)、移動互聯(lián)技術(shù)的不斷發(fā)展，通過無線方式實時地采集魚塘水質(zhì)環(huán)境，并能提供實時地預警信號。采用這種方式滿足我國農(nóng)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整改革要求[2]，與以往采用人工水質(zhì)實驗分析方式比較，遠程自動水質(zhì)監(jiān)測大大減少了人力成本的投入，對減小鱸魚養(yǎng)殖風險及提高產(chǎn)品品質(zhì)和產(chǎn)量有著重要意義。

1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

遠程水質(zhì)監(jiān)測系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)如圖1 所示，該監(jiān)測系統(tǒng)包括檢測層、傳輸層以及監(jiān)測層[3]。檢測層主要是水質(zhì)檢測的各類傳感器將檢測到的數(shù)據(jù)交由STM32單片機處理，然后通過RS-485 通信傳輸?shù)?G-DTU模塊；傳輸層主要是通過4G 信號將數(shù)據(jù)傳輸?shù)酵競髟浦练?wù)器端；監(jiān)測層主要是已經(jīng)開發(fā)好的服務(wù)器端通過監(jiān)測軟件實現(xiàn)PC 端和手機端的參數(shù)設(shè)置、遠程監(jiān)控、數(shù)據(jù)管理等功能。

2 系統(tǒng)硬件構(gòu)成

本文鱸魚養(yǎng)殖數(shù)值監(jiān)測系統(tǒng)的底層硬件主要是如圖1 所示整體系統(tǒng)中的檢測層，主要包括溫度、pH 值、溶解氧在內(nèi)的水質(zhì)參數(shù)采集模塊，STM32 單片機數(shù)據(jù)處理模塊以及4G-DTU 無線傳輸模塊。水質(zhì)參數(shù)通過三個傳感器進行數(shù)據(jù)采集，并通過單片機進行數(shù)據(jù)的相應處理，通過RS-485 通信傳輸給4G-DTU 模塊。

圖1 遠程水質(zhì)監(jiān)測系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)圖

2.1 水質(zhì)參數(shù)采集模塊

水溫檢測采用溫度傳感器DS18B20，溫度傳感器選擇DS18B20 在于它獨特的單總線接口方式[4]，DS18B20 在與微處理器連接時僅需要一條口線即可實現(xiàn)微處理器與DS18B20 的雙向通訊，大大提高了系統(tǒng)的抗干擾性。測試范圍可高達125℃低至-55℃，精度為±0.5℃，并且使用時不需要任何外圍元件。

pH 檢測模塊選用了量程為0-14、低功耗、穩(wěn)定時間短、可串口輸出酸堿度采集模塊。該模塊由pH 電極和數(shù)據(jù)處理模塊組成，使用前可通過串口調(diào)試助手發(fā)送相關(guān)AT 指令與標準pH 試劑配合進行模塊數(shù)據(jù)校準，可與單片機進行串口通信。

溶解氧檢測模塊由原電池溶解氧電極和溶解氧變送器模塊組成。電池溶解氧電極檢測原理是氧在銀陰極上被還原為氫氧根離子，并同時向外電路獲得電子；鉛陽極被氫氧化鉀溶液腐蝕，生成鉛酸氫鉀，同時向外電路輸出電子。接通外電路之后，便有信號電流通過，其值與溶氧濃度成正比。以此測定溶液中氧氣的含量和變化。由于電流信號的變化量比較微弱，因此采用需要連接溶解氧變送器模塊，該模塊輸出為0-5V，可通過單片機進行模數(shù)轉(zhuǎn)換后測得數(shù)據(jù)。

2.2 4G-DTU無線傳輸模塊

4G-DTU 無線傳輸模塊主要負責單片機處理后的數(shù)據(jù)無線傳輸至遠程的“透傳云”服務(wù)器。該模塊是一種物聯(lián)網(wǎng)無線數(shù)據(jù)傳輸終端設(shè)備，提供了RS-485、TTL等通訊接口，內(nèi)嵌TCP/IP 協(xié)議，實現(xiàn)機器與機器之間的透明傳輸，支持各運營商的4G 網(wǎng)絡(luò)，提高了水質(zhì)數(shù)據(jù)傳輸?shù)母咝院徒M網(wǎng)的靈活性。本模塊可以發(fā)送心跳包與服務(wù)器保持連接，保證水質(zhì)數(shù)據(jù)監(jiān)測的穩(wěn)定性和完整性。

2.3 STM32單片機數(shù)據(jù)處理模塊

控制核心芯片選用STM32 系列STM32F103ZET6芯片，該芯片性能優(yōu)越，滿足本系統(tǒng)的功能要求[5]。本系統(tǒng)的主要硬件結(jié)構(gòu)圖如圖2 所示。

圖2 主控板硬件結(jié)構(gòu)圖

溫度傳感器通過板載上拉電阻直接與單片機I/O口連接；pH 傳感器經(jīng)過數(shù)據(jù)處理后與單片機串口3 連接；溶解氧傳感器經(jīng)過變送器后得到相應電壓值與單片機A/D 外設(shè)連接。三種參數(shù)經(jīng)過單片機串口輸出、模數(shù)轉(zhuǎn)化處理實時顯示于LCD 顯示屏，方便操作人員查看。測得并處理后的水質(zhì)參數(shù)數(shù)據(jù)通過單片機RS-485 外設(shè)與4G-DTU 連接，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的無線傳輸。

2.4 硬件模塊程序設(shè)計

系統(tǒng)硬件模塊程序主要包括各個水質(zhì)參數(shù)采集模塊數(shù)據(jù)分析處理過程和數(shù)據(jù)傳輸發(fā)送過程。水質(zhì)參數(shù)采集程序主要包含溫度、pH 值、溶解氧在內(nèi)的三種參數(shù)的處理[6]，主要針對DS18B20 的初始化和溫度轉(zhuǎn)換函數(shù)，pH 值讀取初始化和STM32 單片機的串口3 接收和發(fā)送數(shù)據(jù)初始化函數(shù)，溶解氧值讀取初始化和STM32 單片機的ADC 函數(shù)初始化。還有針對STM32單片機的LCD 顯示屏函數(shù)初始化以及延時函數(shù)等基本函數(shù)的初始化。系統(tǒng)開機時循環(huán)讀取三種水質(zhì)參數(shù)的數(shù)據(jù)并進行處理現(xiàn)實于ADC 顯示屏。數(shù)據(jù)傳輸發(fā)送程序主要包含STM32 單片機的RS-485 函數(shù)初始化以及傳輸數(shù)據(jù)格式的定義，并通過RS-485 接口循環(huán)填充發(fā)送緩存區(qū)，并由4G-DTU 設(shè)備不斷讀取數(shù)據(jù)。圖3 為硬件系統(tǒng)編程流程圖。

圖3 硬件系統(tǒng)編程流程圖

3 系統(tǒng)軟件應用

3.1 遠程通信設(shè)計

本監(jiān)測系統(tǒng)中的4G-DTU，支持3 大運營商的APN，內(nèi)嵌TCP/IP 協(xié)議棧，可實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)透傳模式，工作性能穩(wěn)定可靠，組網(wǎng)簡單靈活，數(shù)據(jù)傳輸延時小，支持斷線自動重連、自動重啟，確保水質(zhì)參數(shù)傳輸?shù)姆€(wěn)定性和連續(xù)性。本監(jiān)測系統(tǒng)采用4G-DTU 配套的“透傳云”，透傳云可實現(xiàn)多個DTU 終端連接。也可使用相關(guān)串口調(diào)試工具對DTU 內(nèi)部參數(shù)進行設(shè)置，USB 串口信息固定波特率為115200、無校驗、8 位數(shù)據(jù)位、1 位停止位，方便后續(xù)配置。通訊串口設(shè)置完成后，配置DTU系列參數(shù)，包括序列號、服務(wù)器地址、心跳包內(nèi)容、心跳包上報時間、數(shù)據(jù)格式等內(nèi)容[7]。

本監(jiān)測系統(tǒng)具體利用TCP 協(xié)議連接遠程服務(wù)器平臺，首先添加設(shè)備并命名為水質(zhì)監(jiān)測設(shè)備，填寫水質(zhì)參數(shù)上報周期為120 秒，添加3 種傳感器分別命名為溫度、pH 值、溶解氧，數(shù)據(jù)類型均為數(shù)值型，并保留兩位小數(shù)，添加對應的數(shù)據(jù)單位。本DTU 采用RS-485 與STM32 連接，所以單片機程序中發(fā)送的數(shù)據(jù)協(xié)議標簽必須與DTU 接收的數(shù)據(jù)協(xié)議標簽保持一致。采用的數(shù)據(jù)協(xié)議格式定義如表1 所示。

表1 傳輸數(shù)據(jù)洗衣格式

符合數(shù)據(jù)格式的水質(zhì)參數(shù)信息經(jīng)過DTU 通過運營商4G 網(wǎng)絡(luò)傳輸至遠程服務(wù)器，通過上位機軟件實現(xiàn)查看、統(tǒng)計等操作。

3.2 監(jiān)測軟件應用

水質(zhì)監(jiān)測系統(tǒng)軟件功能主要分為系統(tǒng)管理、數(shù)據(jù)查詢、實時顯示、數(shù)據(jù)下載、閾值設(shè)置五個模塊。軟件系統(tǒng)功能模塊圖如圖4 所示。

圖4 軟件系統(tǒng)功能模塊圖

系統(tǒng)管理主要是包括用戶賬號管理、角色管理和數(shù)據(jù)備份管理。數(shù)據(jù)查詢主要可實現(xiàn)按時間查詢或按參數(shù)查詢，可以柱狀圖或曲線圖呈現(xiàn)直觀走勢。數(shù)據(jù)下載包括選參下載或選時下載，形成Excel 數(shù)據(jù)表格。實時顯示包括實時數(shù)字顯示和實時曲線顯示，圖5 為系統(tǒng)測試手機端實時顯示界面。閾值設(shè)置主要包括閾值設(shè)定和報警處理，圖6 為pH 值在設(shè)定規(guī)定閾值之外觸發(fā)的報警微信通知測試界面[8]。

4 實地測試與應用

系統(tǒng)的實地測試選在蘇州市吳江區(qū)的某養(yǎng)殖戶，該養(yǎng)殖戶共有兩個魚塘，面積分別為12 畝和10 畝。鱸魚養(yǎng)殖過程中對水質(zhì)監(jiān)測的重點時期為每年的4 月至10 月，期間每天的水質(zhì)變化比較大，養(yǎng)殖戶面臨繁重的巡查工作[9]。因此在魚塘遠離增氧機角落位置分別放入檢測設(shè)備，圖7、圖8、圖9 分別為2019 夏某天24 小時的溶解氧變化曲線圖，pH 值變化曲線圖，水溫變化曲線圖。

圖5 手機端數(shù)據(jù)實時監(jiān)測界面

圖6 微信設(shè)備報警通知

圖7 魚塘24小時溶解氧含量變化曲線圖

鱸魚對溶解氧含量極為敏感，這也是重點監(jiān)測該參數(shù)的原因，鱸魚對溶解氧含量的適宜范圍為5-8mg/L，小于1.8mg/L 左右便開始浮頭，大于13mg/L 左右時鱸魚容易的氣泡病。從圖7 可以看出20 點至次日8點受到氣壓降低等影響，溶解氧比較低，下午兩點左右由于受到藻類光合作用的影響達到峰值。

鱸魚最適宜在中性或微堿性水中生長，在pH 值為6-9 內(nèi)屬于安全范圍，當pH 值小于6 時鱸魚容易患各種魚病，偏酸性水也易導致藻類繁殖對鱸魚產(chǎn)生危害，當pH 值大于9 時，魚鰓受到腐蝕，出現(xiàn)不正常的血絲，保持pH 值穩(wěn)定也是至關(guān)重要。從圖8 可以看出當天pH 值較為穩(wěn)定。

圖8 魚塘24小時pH值變化曲線圖

圖9 魚塘24小時水溫變化曲線圖

鱸魚最適宜在水溫為20-30℃環(huán)境中生長，水溫在10℃以上開始進食，溫度較低時開始進入冬眠狀態(tài)。從圖9 看出監(jiān)測當天為夏天溫度適宜鱸魚的生產(chǎn)。水溫環(huán)境的監(jiān)測也是整個系統(tǒng)的輔助監(jiān)測參數(shù)。

通過實時的水質(zhì)監(jiān)測可以隨時關(guān)注水質(zhì)變化，避免鱸魚浮頭等產(chǎn)生的損失。通過每天的數(shù)據(jù)觀測和曲線走勢經(jīng)過長期的觀測可以總結(jié)出相對完善的養(yǎng)殖經(jīng)驗，提高養(yǎng)殖效率和養(yǎng)殖質(zhì)量。

5 結(jié)語

本文以無線傳輸為目標，采用4G-DTU 無線傳輸模塊，設(shè)計基于STM32F103ZET6 單片機的無線鱸魚養(yǎng)殖水質(zhì)監(jiān)測系統(tǒng)。整個系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，可擴展性強，成本低。系統(tǒng)滿足鱸魚對水質(zhì)環(huán)境敏感的基本參數(shù)的監(jiān)測，具有較高的穩(wěn)定性和可靠性。系統(tǒng)實現(xiàn)了魚塘水質(zhì)的遠程實時監(jiān)測和報警功能，大大減少了人力成本和時間成本的投入，減少養(yǎng)殖戶因水質(zhì)監(jiān)測不到位導致的經(jīng)濟損失。同時可以收集長期的水質(zhì)周期性變化，可根據(jù)歷史數(shù)據(jù)豐富養(yǎng)殖經(jīng)驗，提高養(yǎng)殖效率，有利于鱸魚質(zhì)量的提升，在鱸魚養(yǎng)殖領(lǐng)域有著廣闊的應用前景。