王韻琪 尤文杰 李呈祥 陸磊

蘇州市職業(yè)大學(xué) 江蘇蘇州 215000

隨著我國經(jīng)濟飛速發(fā)展，老百姓日常生活質(zhì)量不斷提高，水產(chǎn)品消費總量每年跨越式增長，強大的市場消費需求拉動了水產(chǎn)品產(chǎn)量的增長[1]。水產(chǎn)養(yǎng)殖行業(yè)智能化技術(shù)越來越普及，尤其是基于物聯(lián)網(wǎng)的水產(chǎn)智慧養(yǎng)殖監(jiān)控系統(tǒng)應(yīng)用越來越廣泛，具有非常好的市場發(fā)展和應(yīng)用前景。

本系統(tǒng)通過物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)實現(xiàn)傳統(tǒng)水產(chǎn)養(yǎng)殖過程中的水質(zhì)環(huán)境在線監(jiān)測[2]。以物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)為基礎(chǔ)，MCU處理器為核心，融合傳感器采集模塊、運動控制模塊、無線傳輸模塊及電源管理模塊等各類模塊，通過傳感技術(shù)、無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、智能信息處理、智能裝備與系統(tǒng)等技術(shù)，對水產(chǎn)養(yǎng)殖水質(zhì)環(huán)境中的溫濕度、pH值、溶解氧等指標(biāo)進行實時監(jiān)測，實現(xiàn)水產(chǎn)智能養(yǎng)殖監(jiān)控系統(tǒng)、養(yǎng)殖機械智能聯(lián)動控制、自動化養(yǎng)殖等功能，具有過程精細管理，實時預(yù)防疾病，操控作業(yè)自如等優(yōu)點，推進了水產(chǎn)養(yǎng)殖轉(zhuǎn)型升級。

1 系統(tǒng)概述

1.1 系統(tǒng)總體設(shè)計

本系統(tǒng)由APP、云平臺和控制器三部分構(gòu)成。通過物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)對水產(chǎn)養(yǎng)殖水質(zhì)環(huán)境中的溫濕度、溶解氧和pH值等進行實時監(jiān)測，并將監(jiān)測到的溫濕度、溶解氧及pH等數(shù)據(jù)與水產(chǎn)養(yǎng)殖生態(tài)環(huán)境的標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)范圍進行比對，若監(jiān)測數(shù)據(jù)超出閾值則通過終端層人機界面報警，并通過無線傳輸模塊發(fā)出控制信號控制增氧電機和伺服電機等設(shè)備運行，實現(xiàn)增氧機運行監(jiān)控、投餌機運行監(jiān)控和水泵運行監(jiān)控。

圖1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)圖

本系統(tǒng)采用MCU處理器+采集模塊+運動驅(qū)動模塊+無線傳輸模塊硬件結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)水產(chǎn)養(yǎng)殖系統(tǒng)的增氧和精準(zhǔn)投喂等功能。軟件部分利用模塊化編程思想，實現(xiàn)信號數(shù)據(jù)采集、濾波處理、運動控制等功能，并且通過模塊或子函數(shù)調(diào)用方式提供接口，方便進行軟件的二次開發(fā)和功能擴展。通過反復(fù)驗證系統(tǒng)穩(wěn)定性，不斷修正硬件結(jié)構(gòu)和軟件算法，直至系統(tǒng)達到最優(yōu)控制狀態(tài)。

1.2 水產(chǎn)養(yǎng)殖水質(zhì)環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)典型結(jié)構(gòu)

典型的水產(chǎn)養(yǎng)殖水質(zhì)環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)通常采用物聯(lián)網(wǎng)的五層架構(gòu)體系，即感知層、傳輸層、處理層、應(yīng)用層和終端層。五層架構(gòu)體系如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)典型架構(gòu)

感知層是水產(chǎn)養(yǎng)殖水質(zhì)環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)的基礎(chǔ)架構(gòu)層，是通過溫濕度傳感器、溶解氧傳感器和pH傳感器等各類傳感器設(shè)備實現(xiàn)對水產(chǎn)養(yǎng)殖現(xiàn)場環(huán)境中的水質(zhì)參數(shù)和各類數(shù)據(jù)的采集。

傳輸層是通過無線Wi-Fi模塊傳輸感知層得到的各類傳感器采集的數(shù)據(jù)，并將這些實時數(shù)據(jù)及時、高效地傳送到控制中心。

處理層是指利用數(shù)據(jù)分析，濾波處理、數(shù)據(jù)處理、機器學(xué)習(xí)等方法對傳輸層傳送到控制中心的采集數(shù)據(jù)進行預(yù)處理，并根據(jù)預(yù)測控制參數(shù)對預(yù)處理后的各類數(shù)據(jù)進行閾值比較。

應(yīng)用層能夠?qū)?shù)據(jù)進行查看，分析與評價，對數(shù)據(jù)進行診斷，判斷是否符合閾值要求。對不符合閾值要求的模塊，利用伺服驅(qū)動設(shè)備進行控制，實現(xiàn)增氧，投餌等功能。

終端層是指個人計算機(PC)、平板、手機等各類顯示與控制設(shè)備，從而實現(xiàn)水產(chǎn)養(yǎng)殖智能監(jiān)控與處理。

1.3 系統(tǒng)控制器設(shè)計

系統(tǒng)控制器主要完成水產(chǎn)養(yǎng)殖環(huán)境中水質(zhì)參數(shù)(溫濕度、溶解氧和pH等)的采集、預(yù)處理、上傳及控制各類執(zhí)行機構(gòu)，并將各類水質(zhì)參數(shù)連接上傳至云平臺，從而實現(xiàn)數(shù)據(jù)存儲，通過OLED顯示模塊顯示預(yù)處理后的實時數(shù)據(jù)；所有采集到的參數(shù)均由無線Wi-Fi通信模塊上傳至云平臺，執(zhí)行機構(gòu)由投餌機、增氧機與水泵組成等，通過伺服機構(gòu)實現(xiàn)增氧與投喂食精確配比控制，運行流程圖如圖3所示。

圖3 系統(tǒng)控制器運行流程圖

1.3.1 計算機(CPU)

由于CPU需要數(shù)據(jù)處理能力強，運行速度快，并且承擔(dān)云平臺指令的解析與APP中的數(shù)據(jù)交換工作，所以主控CPU考慮STM32系列開發(fā)板，本系統(tǒng)選用的是中等容量增強型STM32F103C8T6，該芯片是32位基于ARM核心的帶64K字節(jié)閃存的MCU微控制器[3]。它結(jié)合了一個高性能的RISE核心，高速嵌入式存儲器和外部連接兩個APB總線。包含USB、CAN、7個定時器、2個ADC、9個通信接口。該CPU性價比高，運算速度快，數(shù)據(jù)處理強，具有更高的性能、更好的編碼密度、更快的中斷響應(yīng)以及所有領(lǐng)先的工業(yè)功耗。卓越的實時性能、卓越的效率和全新的外圍設(shè)備可以最大限度地實現(xiàn)管腳之間的集成、外圍設(shè)備和軟件的兼容性，非常適合本系統(tǒng)。

1.3.2 傳感器模塊

傳感器模塊是由溫濕度傳感器、溶解氧傳感器和pH傳感器等各類傳感器組成。分布在養(yǎng)殖水池環(huán)境中，用于采集溫濕度、溶解氧和pH等數(shù)據(jù)，通過Wi-Fi無線網(wǎng)絡(luò)將數(shù)據(jù)實時發(fā)送至計算機云端。

溫濕度傳感器型號為DHT11，可以檢測周圍環(huán)境的溫度和濕度。濕度測量范圍：20%～95%，測量誤差為±5%。溫度測量范圍：0～50℃，測量誤差為±2℃。工作電壓為3.3V[4]。

溶解氧傳感器型號選用RDO-206，此傳感器基于物理學(xué)中特定物質(zhì)對激發(fā)熒光的猝熄原理，利用相位差計算氧分子的濃度。量程范圍0～20mg/L，精度±2%。具備反應(yīng)快速，測量精準(zhǔn)，免維護，成本低等特征。

pH傳感器選用pH-4502c，用于衡量溶液的酸堿度。量程范圍為pH0～14，精度為0.1。pH過高時會出現(xiàn)鰓出血現(xiàn)象，pH過低會出現(xiàn)窒息現(xiàn)象。

1.3.3 無線Wi-Fi模塊

由于水產(chǎn)養(yǎng)殖環(huán)境在遠離普通住宅的地方，所以傳統(tǒng)的鋪設(shè)電纜和4G不適于本系統(tǒng)，我們選擇具有低成本、低功耗的無線通信方式控制水質(zhì)[5]。本系統(tǒng)選用的是ESP8266芯片，該款芯片工作電壓為3.3V直流電源，基于物聯(lián)網(wǎng)的ROM能夠通過命令控制ESP的部分GPIO，也可以采集溫濕度、pH、溶解氧等數(shù)據(jù)，發(fā)送至云平臺。

1.3.4 伺服驅(qū)動控制

系統(tǒng)電氣設(shè)備有三種：水泵、投餌機與增氧機，由繼電器控制水泵、投餌機與增氧機的開關(guān)，利用軟件算法處理采集信號，當(dāng)收到云平臺或者APP發(fā)送的指令時，控制器通過繼電器控制相應(yīng)電氣設(shè)備，從而實現(xiàn)自動調(diào)節(jié)增氧機運行，通過伺服機構(gòu)實現(xiàn)投喂食料精確配比控制。

1.3.5 電源

本系統(tǒng)需要+3.3V、+5.0V、+12V和220V安全穩(wěn)定電源電壓[6]。本系統(tǒng)水泵、投餌機與增氧機采用市政220V供電，利用LM7812提供+5V與+12V電源，利用LM317模塊為系統(tǒng)提供+3.3V電壓。

1.4 系統(tǒng)云平臺設(shè)計

云平臺是整個系統(tǒng)的數(shù)據(jù)中心，它的主要任務(wù)是將系統(tǒng)各個模塊整合到一起，云平臺數(shù)據(jù)采集的類型包括：溫濕度、溶解氧與pH值等。云平臺對系統(tǒng)數(shù)據(jù)的處理包括三個部分：云平臺對APP請求數(shù)據(jù)的處理，對控制器上傳數(shù)據(jù)的處理以及轉(zhuǎn)發(fā)APP給控制器的指令。數(shù)據(jù)處理中涉及的閾值可通過云平臺中的參數(shù)設(shè)置功能進行設(shè)置。軟件使用C++語言在Qt Creater平臺進行開發(fā)。程序運行流程圖如圖4所示。

圖4 云平臺程序運行流程圖

1.5 系統(tǒng)APP設(shè)計

通過手機APP對水產(chǎn)智能養(yǎng)殖環(huán)境進行遠程控制，方便實現(xiàn)水產(chǎn)養(yǎng)殖產(chǎn)業(yè)各種需求。本系統(tǒng)的APP建立在Android系統(tǒng)上，APP內(nèi)可以查看養(yǎng)殖池水質(zhì)參數(shù)，并實現(xiàn)安卓手機控制水產(chǎn)養(yǎng)殖系統(tǒng)的增氧和精準(zhǔn)投喂等功能。APP監(jiān)控圖如圖5所示。

圖5 系統(tǒng)APP監(jiān)控圖

從系統(tǒng)APP監(jiān)控圖中可以看出，水產(chǎn)智能養(yǎng)殖環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)可以方便實時查看水產(chǎn)環(huán)境中的溫度、濕度、pH值等。系統(tǒng)根據(jù)事先設(shè)定的環(huán)境閾值進行比對，若有差異自動報警。控制器通過繼電器控制相應(yīng)電氣設(shè)備，實現(xiàn)自動調(diào)節(jié)增氧機運行，通過伺服機構(gòu)實現(xiàn)投喂食料精確配比控制。同時，終端層能夠?qū)崿F(xiàn)手動和自動控制模式選擇。

2 結(jié)果與分析

本系統(tǒng)選用魚缸模擬，分別調(diào)試了通信模塊與傳感器模塊。經(jīng)過測試，水產(chǎn)養(yǎng)殖水質(zhì)環(huán)境中的各類參數(shù)(溫濕度、pH、溶解氧)能夠100%上傳云平臺，增氧機，水泵與投餌機等電氣設(shè)備在接收到云平臺下發(fā)給控制器的指令后都可以有效地工作，Android APP可以在任何時間、任何地點連接云服務(wù)器，并能夠?qū)崟r監(jiān)測與查看各類參數(shù)，通過事先設(shè)定的水產(chǎn)養(yǎng)殖環(huán)境監(jiān)測閾值，比較水質(zhì)參數(shù)是否符合要求。

結(jié)語

基于物聯(lián)網(wǎng)的水產(chǎn)智能養(yǎng)殖環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)，通過系統(tǒng)環(huán)境監(jiān)測數(shù)據(jù)能夠隨時隨地了解水產(chǎn)養(yǎng)殖環(huán)境變化，及時監(jiān)測預(yù)警，并利用伺服驅(qū)動接口實現(xiàn)了自動調(diào)整環(huán)境參數(shù)水平，實現(xiàn)了增氧和精準(zhǔn)投餌，完成了由以往的傳統(tǒng)人工養(yǎng)殖技術(shù)到現(xiàn)代智能養(yǎng)殖技術(shù)的推進，使水產(chǎn)養(yǎng)殖環(huán)境監(jiān)測不需要憑經(jīng)驗開啟增氧機，節(jié)省電費，減少投喂數(shù)量，改善水質(zhì)環(huán)境，從而增強水產(chǎn)品體質(zhì)，減少用藥。系統(tǒng)能夠根據(jù)監(jiān)測環(huán)境要求不同更換、增加或減少傳感器種類與數(shù)量，對中小規(guī)模室內(nèi)水池養(yǎng)殖環(huán)境調(diào)節(jié)具有快速高效的特點。同時，本系統(tǒng)具有較高的實用性和廣泛的適用性，可以推廣向其他養(yǎng)殖產(chǎn)品。