盛 平, 王英杰, 倪冬瑋

(1 江蘇大學(xué)計(jì)算機(jī)科學(xué)與通信工程學(xué)院，江蘇 鎮(zhèn)江 212013;2 江蘇科茂信息技術(shù)有限公司，江蘇 鎮(zhèn)江 212001)

基于實(shí)時(shí)水質(zhì)參數(shù)的智能養(yǎng)殖裝備設(shè)計(jì)

盛 平1, 王英杰1, 倪冬瑋2

(1 江蘇大學(xué)計(jì)算機(jī)科學(xué)與通信工程學(xué)院，江蘇 鎮(zhèn)江 212013;2 江蘇科茂信息技術(shù)有限公司，江蘇 鎮(zhèn)江 212001)

針對(duì)現(xiàn)有水產(chǎn)設(shè)備機(jī)械化和自動(dòng)化程度較低，增氧機(jī)作用范圍有限和投飼機(jī)無法自適應(yīng)投飼的問題，研究設(shè)計(jì)了一種新型的基于實(shí)時(shí)水質(zhì)參數(shù)的智能養(yǎng)殖裝備。該裝備硬件上利用傳感器對(duì)水質(zhì)參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測，采用太陽能與交流電源混合供電。其中，移動(dòng)式太陽能增氧機(jī)使用超聲波測距進(jìn)行避障，可隨機(jī)行走、增大增氧機(jī)的工作范圍；太陽能智能投飼機(jī)使用稱重傳感器進(jìn)行飼料稱重，以實(shí)現(xiàn)精確定量投飼。該裝備軟件上支持個(gè)人計(jì)算機(jī)和手機(jī)等多個(gè)平臺(tái)客戶端，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)水質(zhì)參數(shù)查詢、遠(yuǎn)程增氧、遠(yuǎn)程投飼、遠(yuǎn)程智能控制等功能。池塘應(yīng)用試驗(yàn)結(jié)果表明，該裝備的監(jiān)測水質(zhì)數(shù)據(jù)可信度高，實(shí)時(shí)通訊丟包率低于0.2%，在保證增氧能力的情況下，增氧機(jī)作用范圍比傳統(tǒng)水車式增氧機(jī)提高10%；能夠在良好的水質(zhì)環(huán)境中完成精確定量投飼。研究表明，該裝備的應(yīng)用有助于推進(jìn)水產(chǎn)設(shè)備智能化、自動(dòng)化的發(fā)展，實(shí)現(xiàn)節(jié)能降耗、綠色環(huán)保的目標(biāo)。

智能養(yǎng)殖裝備；水質(zhì)監(jiān)測；智能增氧；精確投飼

隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)和智能控制理論的發(fā)展，養(yǎng)殖裝備作為設(shè)施農(nóng)業(yè)的重要組成部分，其自動(dòng)化控制和管理技術(shù)不斷提高。水產(chǎn)養(yǎng)殖裝備[1-2]性能的優(yōu)劣會(huì)直接影響?zhàn)B殖水體的水質(zhì)，也間接影響?zhàn)B殖系統(tǒng)的水處理效果，進(jìn)而影響?zhàn)B殖產(chǎn)量和經(jīng)濟(jì)效益。用于池塘增氧的傳統(tǒng)型增氧機(jī)[3-4]是定點(diǎn)式的，增氧不夠均勻且作用范圍有限。傳統(tǒng)的投飼機(jī)[5-6]只能根據(jù)設(shè)置好的機(jī)械狀態(tài)投喂固定的飼料量，無法根據(jù)水質(zhì)情況進(jìn)行適時(shí)投飼。通常在養(yǎng)殖過程中需要對(duì)水質(zhì)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測分析，并對(duì)水質(zhì)參數(shù)進(jìn)行調(diào)節(jié)控制，在此基礎(chǔ)上實(shí)施投飼，以達(dá)到保持良好水環(huán)境、促進(jìn)養(yǎng)殖對(duì)象生長的目的。

我國太陽能資源非常豐富，對(duì)太陽能資源的利用，可以充分發(fā)揮池塘自身的生態(tài)優(yōu)勢，符合“節(jié)能、環(huán)保”的生產(chǎn)理念。設(shè)計(jì)了一種基于實(shí)時(shí)水質(zhì)參數(shù)的智能養(yǎng)殖裝備，包括移動(dòng)式太陽能增氧機(jī)和太陽能智能投飼機(jī)。裝備均采用太陽能和交流電源相結(jié)合的智能養(yǎng)殖裝備供電，選用溶氧、溫度和pH傳感器完成實(shí)時(shí)水質(zhì)數(shù)據(jù)采集，根據(jù)水質(zhì)數(shù)據(jù)對(duì)智能養(yǎng)殖裝備進(jìn)行自適應(yīng)控制。

1 總體設(shè)計(jì)

總體設(shè)計(jì)目標(biāo)是開發(fā)一種具有智能化設(shè)備控制算法并具有特定功能的智能養(yǎng)殖裝備?？傮w設(shè)計(jì)策略如圖1所示。

圖1 智能養(yǎng)殖裝備總體設(shè)計(jì)圖

智能養(yǎng)殖裝備感知層主要由嵌入式控制模塊、溶氧傳感器、pH傳感器、移動(dòng)式太陽能增氧機(jī)和太陽能智能投飼機(jī)組成，負(fù)責(zé)接收遠(yuǎn)程智能控制系統(tǒng)服務(wù)端的指令，獲取實(shí)時(shí)水質(zhì)參數(shù)或控制增氧機(jī)和投飼機(jī)，并將操作結(jié)果發(fā)回服務(wù)端。每5 min采集1次水質(zhì)數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)上傳到養(yǎng)殖環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)服務(wù)端。傳輸層主要由路由器等組成，提供穩(wěn)定的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境。應(yīng)用層主要由遠(yuǎn)程智能控制系統(tǒng)服務(wù)端和養(yǎng)殖環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)服務(wù)端組成，前者負(fù)責(zé)用戶層和感知層之間的實(shí)時(shí)通信，自適應(yīng)控制；后者負(fù)責(zé)接收感知層上傳的水質(zhì)數(shù)據(jù)并存儲(chǔ)到數(shù)據(jù)庫中，提供查詢接口給客戶端。用戶層主要在各平臺(tái)上實(shí)現(xiàn)客戶端系統(tǒng)。

2 硬件設(shè)計(jì)

2.1 智能電源管理系統(tǒng)

智能電源管理系統(tǒng)[7-9](圖2)實(shí)時(shí)監(jiān)測蓄電池的荷電狀態(tài)和工作狀態(tài)，通常情況下由光伏電池供電，光伏充電器具有最大功率點(diǎn)跟蹤(MPPT)功能，能夠使光伏電池一直以最大輸出功率給蓄電池充電，最大限度地利用太陽能發(fā)電。

如果蓄電池荷電量低于額定電壓時(shí)，智能電源管理系統(tǒng)自動(dòng)切換為智能充電器給蓄電池充電，為移動(dòng)式增氧機(jī)和智能投飼機(jī)提供動(dòng)力，保證系統(tǒng)正常工作。當(dāng)蓄電池的荷電量達(dá)到工作電壓時(shí)，智能充電器自動(dòng)斷開，智能電源管理系統(tǒng)切換為光伏充電器進(jìn)行供電。

2.2 傳感器系統(tǒng)

溶氧是水中魚類賴以生存的必要條件，也是衡量水質(zhì)好壞的重要指標(biāo)。采用美國哈希LDO Ⅱ AQ熒光法無膜溶氧傳感器采集水體的溶氧和溫度參數(shù)，適用于淡水養(yǎng)殖。由于探頭使用熒光技術(shù)，無需更換膜片和電解質(zhì)溶液，使用方便。傳感器12 V供電，溶氧測量范圍0～20 mg/L，測量精度為±0.2 mg/L；溫度測量范圍0～50℃，測量精度為±0.2℃。pH對(duì)魚類的生長、發(fā)育和繁殖有著直接或間接的影響，是水質(zhì)的另一個(gè)重要指標(biāo)。本裝備選用聯(lián)測的SIN-PH8010高精度復(fù)合pH電極，適用于淡水養(yǎng)殖，測量范圍pH 0～14，測量精度±0.1。

本裝備核心板的單片機(jī)模塊與溶氧、pH傳感器通過RS485連接并進(jìn)行數(shù)據(jù)通信，實(shí)現(xiàn)對(duì)養(yǎng)殖水域部分水質(zhì)參數(shù)的釆集和處理。

2.3 移動(dòng)式太陽能增氧機(jī)

本智能養(yǎng)殖裝備搭配了一種移動(dòng)式太陽能增氧機(jī)[10](圖3)。

圖3 移動(dòng)式太陽能增氧機(jī)的結(jié)構(gòu)示意圖和樣機(jī)

該機(jī)由太陽能動(dòng)力裝置、增氧裝置和行走裝置3部分組成。太陽能動(dòng)力裝置選擇的是3塊XG-60W型號(hào)的太陽能電板，工作電壓12 V，功率60 W，電池容量36 AH，電池充滿電需要8 h。為了確保太陽能電池板能接收到陽光，裝置采用“梯子”三面型，將太陽能電板以4°～8°的角度安放在裝置上[11-12]，使太陽能電板充電達(dá)到最好效果。該機(jī)裝有4組葉輪電機(jī)用于增氧并裝備了水下測距和超聲波測距兩個(gè)模塊，可隨機(jī)行走且不會(huì)擱淺和碰壁，與傳統(tǒng)水車式增氧機(jī)工作面積約25%左右相比，移動(dòng)式增氧機(jī)的增氧范圍達(dá)到35%左右，相比較提升增氧面積10%左右，并且綠色環(huán)保，不需消耗傳統(tǒng)電網(wǎng)電能。

2.4 太陽能智能投飼機(jī)

智能投飼機(jī)(圖4)由太陽能板、傳感器模塊、投飼模塊、攝像機(jī)模塊和嵌入式核心模塊組成[13-15]。

圖4 智能投飼機(jī)的結(jié)構(gòu)示意圖和樣機(jī)

太陽能模塊選擇的是1塊XG-60W型號(hào)的太陽能電板，電池容量36 AH，當(dāng)蓄電池的荷電量低于額定電壓時(shí)，電源管理自動(dòng)切換為外接智能充電器供電。傳感器模塊包括稱重、溶氧、pH三種模塊。投飼模塊中的儲(chǔ)料盒放置在稱重傳感器上，其下方的輸料管連接拋食器，拋食器位于出食口的后方，通過拋食器的高轉(zhuǎn)速電機(jī)將食物在出食口拋出。攝像機(jī)模塊位于出食口的正上方，通過云臺(tái)控制可以實(shí)時(shí)查看或遠(yuǎn)程回放投飼機(jī)和增氧機(jī)的工作情況。嵌入式核心模塊選擇上海漢楓科技有限公司提供的HF-LPB100 WIFI模組作為嵌入式處理器。通過HF-LPB100模組傳統(tǒng)的低端串口或MCU控制，設(shè)備都能快捷地接入WIFI網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)控制和管理。嵌入式核心模塊中的單片機(jī)模塊(STM8L051F3)通過串口與嵌入式處理器相連，嵌入式處理器負(fù)責(zé)接收服務(wù)器端的控制指令，再與單片機(jī)進(jìn)行交互。當(dāng)客戶端選擇投飼量發(fā)送給服務(wù)端，服務(wù)端將命令轉(zhuǎn)發(fā)給核心模塊中的嵌入式處理器，單片機(jī)模塊通過稱重傳感器進(jìn)行稱重，并將食物通過輸料管送到拋食口。溶氧和pH傳感器配合自適應(yīng)控制系統(tǒng)進(jìn)行智能投飼控制。

3 軟件設(shè)計(jì)

3.1 養(yǎng)殖環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)服務(wù)端

養(yǎng)殖環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)服務(wù)端由兩部分組成：基于C/S構(gòu)架(客戶機(jī)和服務(wù)器結(jié)構(gòu))的數(shù)據(jù)采集服務(wù)端和基于B/S[16](瀏覽器和服務(wù)器結(jié)構(gòu))構(gòu)架的遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)查詢服務(wù)端。前者的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)主要負(fù)責(zé)接收每5 min嵌入式模塊上傳的養(yǎng)殖環(huán)境參數(shù)，將環(huán)境參數(shù)存儲(chǔ)到數(shù)據(jù)庫中，并開展超限報(bào)警等工作；后者則是提供養(yǎng)殖監(jiān)測環(huán)境的歷史數(shù)據(jù)查詢接口，該接口可根據(jù)用戶需求提供每小時(shí)、每天、每月、每季度的歷史數(shù)據(jù)。客戶端根據(jù)查詢接口提供的數(shù)據(jù)形成養(yǎng)殖環(huán)境折線圖。

3.2 遠(yuǎn)程智能控制系統(tǒng)服務(wù)端

遠(yuǎn)程智能控制系統(tǒng)服務(wù)端主要負(fù)責(zé)客戶端系統(tǒng)和嵌入式模塊之間的實(shí)時(shí)通信，以及根據(jù)養(yǎng)殖環(huán)境參數(shù)隨時(shí)精準(zhǔn)調(diào)控智能養(yǎng)殖裝備的專家系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化[17-18]、智能化控制。本養(yǎng)殖裝備飼養(yǎng)專家系統(tǒng)模型采用自適應(yīng)控制方式[19-21]，該控制模型是Smith算法的改進(jìn)型[22-24]，對(duì)有延時(shí)的數(shù)據(jù)變化進(jìn)行預(yù)先估算，根據(jù)運(yùn)算結(jié)果再進(jìn)行補(bǔ)償。該設(shè)計(jì)在Smith算法中加入自適應(yīng)回路，構(gòu)成一種新的自適應(yīng)Smith算法，既保留Smith算法能克服純滯后時(shí)間的優(yōu)點(diǎn)，又發(fā)揮自適應(yīng)算法應(yīng)對(duì)參數(shù)失配能力強(qiáng)的優(yōu)勢。系統(tǒng)開發(fā)以Smith算法為核心，結(jié)合MySql數(shù)據(jù)庫，封裝了一個(gè)專家系統(tǒng)模型，根據(jù)具體設(shè)施內(nèi)的對(duì)象，將適應(yīng)該對(duì)象的最佳環(huán)境參數(shù)范圍輸入專家系統(tǒng)模型接口中，由智能養(yǎng)殖裝備啟動(dòng)自適應(yīng)控制。根據(jù)改進(jìn)Smith算法進(jìn)行比對(duì)分析，然后及時(shí)、精準(zhǔn)地調(diào)控具體動(dòng)作。

3.3 多平臺(tái)系統(tǒng)客戶端系統(tǒng)

客戶端系統(tǒng)[25]支持PC、Android和iOS三個(gè)平臺(tái)?？蛻舳说闹饕δ苡袑?shí)時(shí)水質(zhì)參數(shù)查詢、遠(yuǎn)程增氧、遠(yuǎn)程投飼、遠(yuǎn)程智能控制和歷史數(shù)據(jù)查詢?？蛻舳伺c遠(yuǎn)程智能控制系統(tǒng)服務(wù)端的建立基于TCP協(xié)議的Socket，以實(shí)現(xiàn)上述功能?？蛻舳送ㄟ^HTTP協(xié)議，發(fā)送POST請(qǐng)求獲取養(yǎng)殖水質(zhì)的歷史數(shù)據(jù)。

4 現(xiàn)場測試

4.1 測試條件與方法

2016年8月23日，天氣晴朗，氣溫29.6℃，水溫25.2℃，風(fēng)力1～2級(jí)，最大光照強(qiáng)度85 391 Lx，選擇在鎮(zhèn)江某養(yǎng)殖實(shí)驗(yàn)基地進(jìn)行試驗(yàn)，時(shí)間為9:00—17:00。該養(yǎng)殖水域面積200 m2，水深約1.5 m，魚種放養(yǎng)密度30～40尾/m3，預(yù)計(jì)總產(chǎn)量約200 kg。測試通訊性能、傳感器穩(wěn)定性、增氧機(jī)智能控制以及整個(gè)智能養(yǎng)殖裝備的運(yùn)行效果。

4.2 試驗(yàn)結(jié)果

(1)通訊性能試驗(yàn)。通過“網(wǎng)絡(luò)調(diào)試助手”模擬客戶端對(duì)整個(gè)通訊流程進(jìn)行測試，統(tǒng)計(jì)發(fā)送和接收的數(shù)據(jù)包個(gè)數(shù)。模擬客戶端每1 min請(qǐng)求1次傳感器實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，每 5 min控制1次設(shè)備，連續(xù)通訊8 h。測試結(jié)果表明，整個(gè)通訊過程平均丟包率小于0.2%，系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定可靠。

(2)傳感器穩(wěn)定性試驗(yàn)。對(duì)無膜溶氧傳感器和高精度復(fù)合pH電極進(jìn)行穩(wěn)定性測量。用所設(shè)計(jì)的系統(tǒng)檢測水質(zhì)參數(shù)，每5 min測量1次，重復(fù)測量10次。傳感器穩(wěn)定性試驗(yàn)結(jié)果如圖5所示。由圖可知，傳感器測量數(shù)據(jù)穩(wěn)定、誤差較小，未出現(xiàn)異常數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)可信度高。

圖5 傳感器穩(wěn)定性試驗(yàn)結(jié)果

(3)增氧機(jī)性能與智能投飼試驗(yàn)。增氧機(jī)工作電壓和容量分別是12 V和36 AH，增氧機(jī)自動(dòng)開啟前，水體溶氧3.6 mg/L，增氧機(jī)運(yùn)行30 min后，溶氧提高至6.7 mg/L。根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)[26]規(guī)定，計(jì)算得增氧機(jī)增氧能力為1.34 kg/h。由于采用移動(dòng)式增氧機(jī)，選擇兩個(gè)固定測試點(diǎn)和一個(gè)移動(dòng)增氧機(jī)上的水質(zhì)監(jiān)測點(diǎn)進(jìn)行試驗(yàn)。兩個(gè)固定測試點(diǎn)分別放置在池塘兩側(cè)，距離岸邊1.5 m以上。試驗(yàn)結(jié)果如圖6所示。

圖6 水體溶氧量日變化

移動(dòng)監(jiān)測點(diǎn)的溶氧量增加迅速，而固定監(jiān)測點(diǎn)的變化不大，但一定時(shí)間后，溶氧量基本保持在5 mg/L以上，增氧效果較好。智能投飼機(jī)工作電壓和容量分別是12 V和20AH，遠(yuǎn)程智能控制系統(tǒng)服務(wù)端根據(jù)水質(zhì)的變化進(jìn)行自適應(yīng)控制，智能投飼機(jī)在3個(gè)測試點(diǎn)的溶氧量達(dá)到5.5 mg/L的時(shí)候，接收到遠(yuǎn)程智能控制系統(tǒng)服務(wù)端的控制命令，開啟自動(dòng)投飼，利用稱重傳感器實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)投飼，一般1次投飼在3 kg左右，1 d投飼不超過3次。

5 結(jié)論

基于實(shí)時(shí)水質(zhì)參數(shù)的智能養(yǎng)殖裝備的設(shè)計(jì)與試驗(yàn)表明：采用太陽能和交流電結(jié)合為系統(tǒng)供電，功耗較低；監(jiān)測水質(zhì)數(shù)據(jù)可信度高，滿足實(shí)際需求；實(shí)時(shí)通訊丟包率低于0.2%；較傳統(tǒng)水車式增氧機(jī)作用范圍提升10%，能夠在良好的水質(zhì)環(huán)境中完成精確定量投飼。相比于傳統(tǒng)的養(yǎng)殖裝備，本裝備推進(jìn)水產(chǎn)設(shè)備智能化、自動(dòng)化的發(fā)展，有助于實(shí)現(xiàn)節(jié)能降耗、綠色環(huán)保的目標(biāo)。

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Design of intelligent aquaculture equipment based on real-time water quality monitoring

SHENG Ping1，WANG Ying jie1，NI Dong wei2

(1SchoolofComputerScienceandCommunicationEngineering,JiangsuUniversity,Zhenjiang212013,China;2JiangsuKeMaoInformationTechnologyCompanyLimited,Zhenjiang212001,China)

In view of the limitations of current aquaculture equipment such as low level of mechanization and automation,limited working scope of aerators and low adaptability of feeding machines,a new intelligent aquaculture equipment based on real-time water quality parameters monitoring is designed and researched in this paper.The equipment hardware is powered by solar energy and AC power,and it monitors water quality parameters by sensors in real time.The mobile solar aerator uses ultrasonic ranging to avoid obstacles,and in this way,it can walk randomly and expand the working scope.The smart solar-energy feeder uses weighing sensors for weighing feed,realizing precise quantitative feeding.The equipment software supports personal computers,mobile phones and other platform clients,realizing many functions such as real-time water quality parameters checking,remote aerating,remote feeding,and remote intelligent controlling.The pond application tests show that the equipment has higher reliability in water parameters monitoring and an instance messaging packet loss rate of lower than 0.2%;while guaranteeing the aerating capacity,it has an aerating area that is 10% larger than that of traditional aerators;besides,it can realize precise quantitative feeding in good water environment.The research shows that the application of this equipment would promote the development of intelligentization and automation in aquatic equipment,and the realization of energy saving and environmental protection.

intelligent aquaculture equipment;water quality monitoring;intelligent oxygen;accurate feeding

10.3969/j.issn.1007-9580.2017.01.001

2016-12-07

2017-02-05

江蘇省產(chǎn)學(xué)研聯(lián)合創(chuàng)新資金項(xiàng)(BY2014123-03)；鎮(zhèn)江市科技創(chuàng)新資金項(xiàng)目(NY2016010)

盛平(1957—)，男，研究員，研究方向：計(jì)算機(jī)應(yīng)用及農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)。E-mail：pingsheng@ujs.edu.cn

S969.31+1

A

1007-9580(2017)01-001-06