高菊玲

（江蘇農(nóng)林職業(yè)技術(shù)學(xué)院機(jī)電工程學(xué)院，江蘇句容 212400）

0 引言

隨著人民生活水平不斷提高，人們對水產(chǎn)品的需求量呈現(xiàn)逐年增長態(tài)勢，促進(jìn)了國內(nèi)水產(chǎn)養(yǎng)殖業(yè)快速發(fā)展，但是目前大多數(shù)水產(chǎn)養(yǎng)殖場依然采用傳統(tǒng)人工養(yǎng)殖方式。傳統(tǒng)人工養(yǎng)殖的弊端在于過度依靠養(yǎng)殖戶的個人經(jīng)驗(yàn)，然而大多數(shù)養(yǎng)殖人員的受教育程度偏低，對于水產(chǎn)養(yǎng)殖管理過程粗放，無法做到精細(xì)化養(yǎng)殖管理[1-3]。

隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)和傳感器技術(shù)的迅速發(fā)展，國內(nèi)外研究學(xué)者對水產(chǎn)養(yǎng)殖過程的水質(zhì)監(jiān)測與水質(zhì)調(diào)控做了很多的工作。Alam Arif U1等人[4]開發(fā)了遠(yuǎn)程水質(zhì)監(jiān)測系統(tǒng)，可實(shí)現(xiàn)通過Android端實(shí)現(xiàn)對水產(chǎn)養(yǎng)殖區(qū)域內(nèi)的pH、EC、水溫等參數(shù)。蔣建明、喬增偉等人[5]設(shè)計(jì)開發(fā)了基于可變因子模糊控制的增氧系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了養(yǎng)殖池的均勻增氧。姚梁狄[6]利用STM32單片機(jī)，設(shè)計(jì)開發(fā)了養(yǎng)殖水箱環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了對水產(chǎn)養(yǎng)殖過程的總?cè)芙庑怨腆w、pH、水位等信息的精準(zhǔn)采集，提高了水產(chǎn)養(yǎng)殖監(jiān)管效率。王丹丹[7]設(shè)計(jì)了一種基于ZigBee的水產(chǎn)養(yǎng)殖水質(zhì)遠(yuǎn)程監(jiān)測系統(tǒng)，系統(tǒng)由傳感器采集模塊、數(shù)據(jù)處理模塊、無線通訊模塊三部分組成。

圍繞目前我國水產(chǎn)養(yǎng)殖管理過程中遇到的水質(zhì)信息采集精度低、增氧調(diào)控難、智能化程度低等痛點(diǎn)，我們設(shè)計(jì)開發(fā)了一套基于物聯(lián)網(wǎng)的智慧水產(chǎn)養(yǎng)殖管控系統(tǒng)，系統(tǒng)以物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)為基礎(chǔ)，PLC控制器為中心，融合傳感器采集模塊、LoRa無線傳輸模塊、智能增氧模塊等，實(shí)現(xiàn)對水產(chǎn)養(yǎng)殖水質(zhì)環(huán)境中的溶解氧、pH值、EC值、水溫等指標(biāo)進(jìn)行實(shí)時監(jiān)測，開發(fā)了智能增氧調(diào)控系統(tǒng)、WEB端的智慧水產(chǎn)遠(yuǎn)程管理平臺，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程對水產(chǎn)養(yǎng)殖地的水質(zhì)監(jiān)測與水質(zhì)智能調(diào)控、飼喂等功能。提高了水產(chǎn)養(yǎng)殖的工作效率，為漁農(nóng)提供智能化、精確化等水產(chǎn)養(yǎng)殖管理系統(tǒng)。

1 智慧水產(chǎn)養(yǎng)殖管控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1.1 需求分析

中國水產(chǎn)養(yǎng)殖的生產(chǎn)模式已由粗放型向集約型轉(zhuǎn)變，隨著信息技術(shù)的發(fā)展，中國的水產(chǎn)養(yǎng)殖生產(chǎn)逐漸向自動化、智能化發(fā)展，優(yōu)化養(yǎng)殖手段、提升養(yǎng)殖效率、提高水產(chǎn)品產(chǎn)量和品質(zhì)等。但是目前水產(chǎn)養(yǎng)殖管理過程中還存在著“水質(zhì)與環(huán)境信息采集精度低”“智能化水平不足”等問題，所以亟需開發(fā)一套智慧水產(chǎn)養(yǎng)殖管控系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)水產(chǎn)養(yǎng)殖過程的智能化管理。系統(tǒng)具體功能如下：

1）實(shí)現(xiàn)水產(chǎn)養(yǎng)殖區(qū)域內(nèi)的水質(zhì)數(shù)據(jù)與氣象環(huán)境數(shù)據(jù)的實(shí)時監(jiān)測、分析與預(yù)警；

2）設(shè)計(jì)與開發(fā)增氧機(jī)的智能調(diào)控系統(tǒng)，通過改變控制頻率從而調(diào)節(jié)電機(jī)的轉(zhuǎn)速，實(shí)現(xiàn)增氧智能調(diào)節(jié)；

3）實(shí)現(xiàn)通過計(jì)算機(jī)、手機(jī)等移動終端對水產(chǎn)養(yǎng)殖現(xiàn)場的遠(yuǎn)程管理。

1.2 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

智慧水產(chǎn)養(yǎng)殖管控系統(tǒng)由水質(zhì)監(jiān)測系統(tǒng)、智能調(diào)控系統(tǒng)、水產(chǎn)遠(yuǎn)程管理系統(tǒng)三部分組成，系統(tǒng)框架圖如圖1所示。

其中水質(zhì)監(jiān)測系統(tǒng)由水質(zhì)監(jiān)測傳感器、數(shù)據(jù)采集模塊、LoRa無線傳輸模塊三部分組成。能夠?qū)崿F(xiàn)對養(yǎng)殖水域的溶解氧、pH值、EC值、水溫等參數(shù)進(jìn)行實(shí)時監(jiān)測，并通過LoRa無線模塊將數(shù)據(jù)發(fā)送至安裝在岸邊的水產(chǎn)智能控制柜中，由智能網(wǎng)關(guān)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理、轉(zhuǎn)發(fā)等，可實(shí)現(xiàn)通過計(jì)算機(jī)WEB端進(jìn)行數(shù)據(jù)實(shí)時與歷史數(shù)據(jù)訪問等。

智能調(diào)控系統(tǒng)由水泵、投飼機(jī)、增氧機(jī)、變頻器等組成。其中，增氧機(jī)選用的是三相380V葉輪增氧機(jī)，可實(shí)現(xiàn)根據(jù)預(yù)先設(shè)定的水質(zhì)溶解氧值，結(jié)合當(dāng)前采集的溶解氧實(shí)時數(shù)據(jù)進(jìn)行智能調(diào)控，也可手動通過遠(yuǎn)程管理平臺對每一臺增氧機(jī)單獨(dú)設(shè)置工作強(qiáng)度，控制模塊接收到調(diào)控指令后控制變頻器，從而調(diào)控葉輪增氧機(jī)進(jìn)行智能增氧，當(dāng)EC傳感器采集到當(dāng)前水產(chǎn)養(yǎng)殖區(qū)域內(nèi)的值高于設(shè)定值，即控制換水泵進(jìn)行換水操作。

水產(chǎn)遠(yuǎn)程管理系統(tǒng)由智能網(wǎng)關(guān)、云服務(wù)器、MQTT服務(wù)器、WEB端等組成。操作人員可通過計(jì)算機(jī)WEB端遠(yuǎn)程對水產(chǎn)養(yǎng)殖區(qū)域的水質(zhì)情況、執(zhí)行機(jī)構(gòu)工作狀態(tài)實(shí)時監(jiān)測，手動操控現(xiàn)場執(zhí)行機(jī)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)換水、增氧等操作。

1.3 軟件平臺設(shè)計(jì)

為提高水產(chǎn)養(yǎng)殖智能化水平，實(shí)現(xiàn)通過“云管控”的方式進(jìn)行水產(chǎn)養(yǎng)殖管理，設(shè)計(jì)和開發(fā)了水產(chǎn)遠(yuǎn)程管理系統(tǒng)。系統(tǒng)由系統(tǒng)管理、水質(zhì)監(jiān)測、智能調(diào)控、報警管理四部分組成，軟件功能框架如圖2所示。系統(tǒng)結(jié)合安裝在水產(chǎn)養(yǎng)殖現(xiàn)場的傳感器終端、無線傳輸系統(tǒng)、智能控制柜、高清攝像頭等硬件，實(shí)現(xiàn)了水產(chǎn)養(yǎng)殖過程的水質(zhì)監(jiān)測、水質(zhì)智能調(diào)控、異常報警、平臺管理等。

圖2 軟件功能框架圖

1）系統(tǒng)管理：包括用戶管理、后臺維護(hù)、設(shè)備管理等。

2）水質(zhì)監(jiān)測：實(shí)時在線獲取水產(chǎn)養(yǎng)殖過程中水質(zhì)數(shù)據(jù)，并顯示出來，為養(yǎng)殖人員管理提供依據(jù)，可以進(jìn)行歷史數(shù)據(jù)的查詢、分析，生成歷史曲線或報表。

3）智能調(diào)控：若獲取的水質(zhì)指標(biāo)超出正常范圍，則自動觸發(fā)控制裝置，如增氧機(jī)和換水電磁閥等。

4）報警管理：如果水質(zhì)數(shù)據(jù)超出規(guī)定標(biāo)準(zhǔn)范圍，軟件平臺發(fā)出預(yù)警信息，管理人員可以及時響應(yīng)，包括水質(zhì)參數(shù)的閾值設(shè)置、報警通知等。

2 硬件系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

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

水質(zhì)的好壞直接決定了水產(chǎn)品的成活率與品質(zhì)，傳統(tǒng)的依靠現(xiàn)場管理員巡檢、實(shí)驗(yàn)室水質(zhì)檢測等方式不僅繁瑣，而且時效性差。為實(shí)現(xiàn)24 h不間斷地對養(yǎng)殖區(qū)域內(nèi)的水質(zhì)情況監(jiān)測，設(shè)計(jì)和開發(fā)了一套基于LoRa的水質(zhì)監(jiān)測系統(tǒng)，系統(tǒng)由傳感器模塊、MCU模塊、LoRa模塊、電源模塊等組成，系統(tǒng)設(shè)計(jì)圖如圖3所示。

圖3 水質(zhì)監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計(jì)圖

傳感器模塊由在線式水質(zhì)傳感器探頭、浮標(biāo)、傳感器支架、濾網(wǎng)等組成，使用時只需將裝置放置在水塘中間，即可實(shí)時監(jiān)測水產(chǎn)養(yǎng)殖區(qū)域內(nèi)的溶解氧、pH、EC、水溫等參數(shù)。其中，溶解氧是水產(chǎn)養(yǎng)殖過程中最重要的參數(shù)，目前溶解氧的檢測方式分為膜電極測法與熒光測法兩種，膜電極測法原理是將溶解氧（實(shí)際上是氧分壓）轉(zhuǎn)換成電信號，再經(jīng)放大、調(diào)整（包括鹽度、溫度補(bǔ)償），由模數(shù)轉(zhuǎn)換顯示；熒光測法是基于物理學(xué)中特定物質(zhì)對活性熒光的粹熄原理，使一個發(fā)光二極管（LED）發(fā)出藍(lán)光照射在熒光帽內(nèi)表面的熒光物質(zhì)上，內(nèi)表面的熒光物質(zhì)受到激發(fā)，發(fā)出紅光，通過檢測紅光與藍(lán)光之間的相位差，并與內(nèi)部標(biāo)定值比對，從而計(jì)算出氧分子的濃度，經(jīng)過溫度和氣壓自動補(bǔ)償輸出最終值。本系統(tǒng)選擇的溶解氧傳感器是建大仁科RS-LDO-N01型溶解氧傳感器，測量范圍0～20 mg/L，測量誤差±3%FS，具有反應(yīng)快、測量精度高、免維護(hù)等特征。

MCU模塊負(fù)責(zé)將傳感器模塊采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，如數(shù)據(jù)濾波、校準(zhǔn)等。本次設(shè)計(jì)使用STM32F103C8T6芯片作為MCU，這是一款性價比較高的STM32系列芯片[8-9]。LoRa模塊是實(shí)現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)通信的關(guān)鍵，選用了Semtech公司的SX1278LoRa芯片，該芯片工作頻段：410～525 MHz；通信速率：0.2～37.5 kbps，可實(shí)現(xiàn)長距離、低功耗的數(shù)據(jù)傳輸。

2.2 智能增氧調(diào)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

溶解氧是衡量養(yǎng)殖水質(zhì)好壞的重要指標(biāo)之一，影響著魚類的基本生命活動，溶解氧濃度較低時，會造成魚類缺氧死亡的嚴(yán)重后果[10-12]。在水產(chǎn)養(yǎng)殖過程中，當(dāng)水溶解氧含量低于5 mg/L，如果未及時采取增氧措施，魚類會因缺氧窒息而導(dǎo)致死亡。

增氧機(jī)主要有噴水式增氧機(jī)、葉輪式增氧機(jī)、水車式增氧機(jī)、充氣式增氧機(jī)和搖擺式增氧機(jī)等，其中葉輪式增氧機(jī)主要通過電機(jī)帶動螺旋槳攪拌水體曝氣的原理，實(shí)現(xiàn)增氧過程，使用最為廣泛。本文以一臺380 V、1 kW的葉輪式增氧機(jī)為研究對象，設(shè)計(jì)和開發(fā)一套智能增氧調(diào)控系統(tǒng)，系統(tǒng)由溶解氧傳感器、PLC、變頻器、增氧機(jī)等組成，溶解氧濃度控制圖如圖4所示。

圖4 溶解氧濃度控制圖

實(shí)際操作過程，管理人員通過水產(chǎn)遠(yuǎn)程管理平臺設(shè)置養(yǎng)殖水池需要達(dá)到的溶解氧含量，待設(shè)置完成后，系統(tǒng)實(shí)時檢測養(yǎng)殖水池內(nèi)的溶解氧實(shí)際值，并與設(shè)定值進(jìn)行對比，當(dāng)養(yǎng)殖水池的溶解氧濃度＜5 mg/L自動啟動增氧機(jī)，進(jìn)行持續(xù)增氧，通過調(diào)節(jié)增氧機(jī)的轉(zhuǎn)速最終實(shí)現(xiàn)恒定增氧，PLC通過RS-485與變頻器建立通信方式。變頻器設(shè)置為4～20 mA電流控制，對應(yīng)頻率輸出為0～50 Hz。不同頻率輸出驅(qū)動增氧機(jī)產(chǎn)生不同的轉(zhuǎn)速，轉(zhuǎn)速越快，增氧能力越好。

3 水產(chǎn)遠(yuǎn)程管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.1 系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì)

水產(chǎn)遠(yuǎn)程管理系統(tǒng)由前后端構(gòu)成，如圖5所示，左邊虛線框?yàn)樵品?wù)器內(nèi)的數(shù)據(jù)庫軟件、MQTT消息代理軟件等，其中數(shù)據(jù)庫用于存放和調(diào)用一些設(shè)備數(shù)據(jù)（包括傳感器采集的歷史數(shù)據(jù)等）及業(yè)務(wù)方面的應(yīng)用型數(shù)據(jù)。用戶可以通過計(jì)算機(jī)WEB端的管理平臺，對現(xiàn)場養(yǎng)殖水域的水質(zhì)實(shí)時數(shù)據(jù)、歷史數(shù)據(jù)和專家報表等進(jìn)行查詢。智能控制柜內(nèi)主要有智能網(wǎng)關(guān)、PLC，LoRa無線模塊等，本地網(wǎng)關(guān)是銜接硬件裝備與云服務(wù)器的中轉(zhuǎn)站，本地控制采用西門子200smart PLC作為核心控制器，水質(zhì)傳感器采集的參數(shù)與執(zhí)行機(jī)構(gòu)的操作最終在PLC中實(shí)現(xiàn)，PLC與智能網(wǎng)關(guān)進(jìn)行數(shù)據(jù)交互，智能網(wǎng)關(guān)內(nèi)置物聯(lián)網(wǎng)卡，通過4G網(wǎng)絡(luò)與服務(wù)器建立通信。

圖5 水產(chǎn)遠(yuǎn)程管理系統(tǒng)架構(gòu)圖

通信協(xié)議是“物聯(lián)”的交互語言，目前常用的通信協(xié)議有：MQTT、Socket、HTTP等。MQTT協(xié)議（Message Queuing Telemetry Transport，消息隊(duì)列遙測傳輸協(xié)議），是一種基于發(fā)布/訂閱（Publish/Subscribe）模式的輕量級通信協(xié)議，具有輕量、簡單、容易實(shí)現(xiàn)等特點(diǎn)，在物聯(lián)網(wǎng)、小型設(shè)備、移動應(yīng)用等方面有廣泛的應(yīng)用，因此本系統(tǒng)采用MQTT協(xié)議作為本地硬件系統(tǒng)與云服務(wù)通信方式。本地的智能網(wǎng)關(guān)可以作為MQTT客戶端，也可以作為發(fā)布者與訂閱者，雙向通信的方式在保證數(shù)據(jù)上傳的同時，也保證指令下達(dá)。開發(fā)的水產(chǎn)遠(yuǎn)程管理平臺同樣為MQTT客戶端，兩個客戶端只需同時訂閱MQTT服務(wù)器發(fā)布的主題，即可實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)交互。

實(shí)際操作過程，本地網(wǎng)關(guān)訂閱MQTT服務(wù)的主題，實(shí)現(xiàn)周期性水質(zhì)、氣象等數(shù)據(jù)上報。水產(chǎn)遠(yuǎn)程管理平臺也訂閱同樣的主題，接受現(xiàn)場實(shí)時采集的數(shù)據(jù)，當(dāng)操作人員通過水產(chǎn)遠(yuǎn)程管理平臺向主題發(fā)送了一條控制增氧機(jī)的控制指令，智能網(wǎng)關(guān)接受并解析控制指令，向PLC發(fā)送數(shù)據(jù)包，由PLC執(zhí)行控制指令，這樣即完成了一次增氧操作。

3.2 智慧水產(chǎn)養(yǎng)殖管控平臺設(shè)計(jì)

平臺開發(fā)以簡潔、美觀、方便作為設(shè)計(jì)理念，采用B/S架構(gòu)的分層模式進(jìn)行設(shè)計(jì)，有效保障了數(shù)據(jù)流轉(zhuǎn)的有效性和完整性，提高了數(shù)據(jù)安全性。WEB端平臺如圖6所示，由監(jiān)測模塊、遠(yuǎn)程調(diào)控模塊、生長視頻監(jiān)控模塊、農(nóng)事管理模塊組成。監(jiān)測模塊主要對水產(chǎn)養(yǎng)殖區(qū)域內(nèi)的水質(zhì)和氣象參數(shù)進(jìn)行實(shí)時監(jiān)測與預(yù)警，同時可以查看系統(tǒng)自動生成的歷史趨勢圖，方便觀察水質(zhì)變化情況。遠(yuǎn)程調(diào)控模塊可實(shí)現(xiàn)對增氧泵、電磁閥、投飼機(jī)等執(zhí)行機(jī)構(gòu)的遠(yuǎn)程操控，同時結(jié)合現(xiàn)場視頻監(jiān)控，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程水產(chǎn)養(yǎng)殖管理。平臺還支持農(nóng)事活動記錄、調(diào)度等，對養(yǎng)殖漁場的面積、水產(chǎn)品養(yǎng)殖種類、水產(chǎn)品養(yǎng)殖數(shù)量、不同養(yǎng)殖池的水產(chǎn)品生長狀況等信息的記錄與分析。

圖6 管控平臺首頁圖

4 結(jié)論

本文利用LoRa無線通信技術(shù)，實(shí)現(xiàn)安裝在多個水產(chǎn)養(yǎng)殖區(qū)域內(nèi)的水質(zhì)監(jiān)測裝備，通過無線通信，將實(shí)時采集的水質(zhì)信息發(fā)送至智能網(wǎng)關(guān)，解決了布線難、施工成本高等問題。開發(fā)的智能增氧調(diào)控系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)操作人員通過水產(chǎn)養(yǎng)殖管控平臺設(shè)定電機(jī)轉(zhuǎn)速，從而控制現(xiàn)場的增氧機(jī)，實(shí)現(xiàn)不同程度的增氧，保證了水產(chǎn)養(yǎng)殖區(qū)域內(nèi)溶解氧濃度恒定在設(shè)定值，節(jié)約了電能，降低了生產(chǎn)成本。設(shè)計(jì)開發(fā)的智慧水產(chǎn)養(yǎng)殖管控平臺實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程水產(chǎn)養(yǎng)殖現(xiàn)場的水質(zhì)與環(huán)境監(jiān)測、增氧、投飼等操作，提高了遠(yuǎn)程管理運(yùn)維能力，系統(tǒng)在江蘇省句容市郭莊鎮(zhèn)方溪村水產(chǎn)養(yǎng)殖基地實(shí)地測試以來，運(yùn)行效果良好。