楊英，任選

（1.廣東交通職業(yè)技術學院，廣東 廣州 510080；2.廣州索朗智能科技有限公司，廣東 廣州 510000）

我國是水產養(yǎng)殖大國，但養(yǎng)殖中大部分投喂、增氧、水溫調節(jié)等相應操作仍然是依靠人工觀察養(yǎng)殖環(huán)境而進行，生產方式較為粗放，生產水平還比較落后。近年來以無線傳感、云計算、大數據等物聯網技術為標志的新一代信息技術發(fā)展迅猛，利用物聯網技術進行水產養(yǎng)殖已引起關注，有必要加強物聯網技術在水產養(yǎng)殖行業(yè)中的應用研究。

水產養(yǎng)殖的水質信息主要有溫度（T）、溶解氧（DO）、酸堿度（pH）、電導率（TDS）等。水質信息的實時監(jiān)測對投喂、增氧、調節(jié)水溫等至關重要。近年已有許多用于漁業(yè)水質檢測的研究，如鄒志勇等[1]、吳澤鑫等[2]提出了基于ZigBee 技術的嵌入式監(jiān)控系統(tǒng)。這類無線傳感技術屬于近距離傳輸，應用受限?，F在，水質監(jiān)測越來越多青睞于使用LoRa、NB_IoT無線傳感技術[3,4]，而基于這類技術的用于水產養(yǎng)殖卻非常少[5]。因此，本文通過研究LoRa 無線傳輸技術在水質監(jiān)測方面的應用，提出了基于LoRa 的水產養(yǎng)殖成套設計方案，包括利用云技術進行水質信息存儲、控制信息轉發(fā)等技術來實現智能化、信息化水產養(yǎng)殖。

1 系統(tǒng)設計

本系統(tǒng)采用兩級微型計算機控制系統(tǒng)（SCC）結構，由監(jiān)控終端系統(tǒng)與云平臺組成，云平臺使用廣州某公司提供專為智慧農業(yè)開發(fā)的云平臺。該平臺完成了對網關數據接收、處理以及集中管理，前提是來自網關數據按照平臺要求的協(xié)議預先處理數據。本設計中先將來自監(jiān)控終端的數據進行預處理再傳入網關設備，由網關設備負責與云平臺通信。

1.1 系統(tǒng)的結構圖及功能

本系統(tǒng)的結構框圖如圖1。其遠程監(jiān)控終端系統(tǒng)以STM8L05F3 低功耗單片機為底層，由相應的T傳感器、DO 傳感器、pH 傳感器、TDS 傳感器、模擬量輸入輸出通道、執(zhí)行機構所組成。傳輸層采用RS485 通信協(xié)議接入LoRa 網關，LoRa 網關數據通過GPRS 接入廣州市某公司云平臺，一方面云平臺數據可通過手機移動接口顯示出實時水質信息，手機移動端同時發(fā)送控制命令給云平臺控制監(jiān)控終端；另一方面，養(yǎng)殖設備上可與云平臺通信，來自云平臺的控制數據可以開關控制增氧機器、投飼料和增溫設備等。其中以SMT8L051F3 為核心的監(jiān)控終端系統(tǒng)的工作過程如下：

酸堿度（pH）、溶解氧（DO）、溫度（T）、電導率（TDS）等數據采集模塊完成對水產養(yǎng)殖環(huán)境中pH、溶解氧、溫度、電導率等采集，各自將數據通過轉換模塊轉換成電量,這類電量往往比較小不易讀取，通過設計調理電路把電信號放大、濾波轉換成單片機可以讀取的數字量，單片機再與RS485 通信，將數據打包好傳輸出去。單片機也可讀取RS485 數據包中控制信息進行調節(jié)。系統(tǒng)整體結構圖如下：

1.2 硬件設計

本文以DO 傳感器、主控芯片為例介紹硬件設計。

1.2.1 基于Clark 電極檢測DO 的方法與電路設計

（1）覆膜極譜式DO 傳感器的工作原理[6]

本系統(tǒng)選用覆膜原電池式DO 傳感器。該傳感器屬于Clark 電極型，價格適中，穩(wěn)定度好，可以滿足水產養(yǎng)殖環(huán)境溶解氧在線測量的要求。該傳感器由陰陽兩電極和電解液組成原電池，測量時不需外加電壓，電極反應自發(fā)進行。一個電極材料為Au，一個電極材料為Pb，電解液為NaOH 溶液，則電極反應為:

陰極：O2+2H2O+4e-→40H-

陽極：2Pb+4OH-→2Pb（OH）2+4e

電池總反應：OH-+2Pb+2H20 →2Pb（OH）2

擴散電流的大小可表示為：i=K'·CS

式中，K'在某一溫度下是一個常值，CS 為溶解氧濃度，電流與水中溶解氧濃度成正比，DO 傳感器為線性元件。只要測量該溫度下的電流值，就可測得此時水中溶解氧濃度。

朱亞明在文獻[6]中提出的公式：

根據上文提到的原理，設計了溶解氧的極化電壓電路、極化穩(wěn)壓電路以及溶解氧溫度補償電路。

（2）溶解氧極化電壓電路設計

極譜型電極需要外加0.6～0.8V 的極化電壓，需要一個分壓模塊。R11、R12 為分壓電阻。U4 為電壓跟隨器，增強極化電壓的驅動能力。R10、C18 構成個RC 濾波電路（圖2）。

（3）溶解氧極化穩(wěn)壓電路設計

LT1763 是一種穩(wěn)壓電源芯片（LDO）可把4～20V 供電電壓轉換為3.3V 電壓，再經過小磁珠FB1 隔離轉換為信號調理模塊的正輸入電壓AVCC。AVCC 經過ICL7660 轉換為-3.3V，再經過L1,C12,C16 組成的LC 濾波電路提高電源的穩(wěn)定性，輸出-AVCC 供模擬器件使用（圖3）。

（4）溶解氧溫度補償電路設計

使用cj431 組成精密電流限制器，供給NTC 電阻，使其產生精確的電壓，依電壓值計算出當前的溫度，然后由處理器對電極輸出信號進行溫度補償。電路圖見圖4。其他傳感器硬件部分設計與DO傳感器設計類似。

1.2.2 主控芯片電路

主控芯片采用stm8l 系列。意法半導體的8 位微控制器平臺基于高性能8 位內核和先進外設集，該平臺采用意法半導體專有的130nm 嵌入式非易失性存儲器技術制造而成（圖5）。STM8L 基于8 位STM8 內核采用了專有超低漏電流工藝，利用最低功耗模式實現了超低功耗（0.30uA）。它具有多個串行通信口和IIC 接口足以滿足本系統(tǒng)的使用。主控芯片連接電路圖見圖5。

1.3 通信與網關設計

1.3.1 RS485 通信

本設計采用RS485 通信，將來自主控芯片的數據傳給通信層。RS485 總線是一種常見的串行總線標準，采用平衡發(fā)送與差分接收的方式，具有抑制共模干擾的能力。A 線上加一個3.3K 的上拉偏置電阻；在B 線上加一個3.3K 的下拉偏置電阻。匹配電阻是120Ω 的R20，可以有效增加系統(tǒng)的傳輸穩(wěn)定性。

RS-485 標準定義信號閾值的上下限為±200mV。即當A-B＞200mV 時，總線狀態(tài)應表示為“1”；當A-B＜-200mV 時，總線狀態(tài)應表示為“0”。但當A-B 在±200mV 之間時，則總線狀態(tài)為不確定，在A、B 線上面設上、下拉電阻，可盡量避免這種不確定狀態(tài)，增強抗電磁干擾的能力?？偩€上會存在浪涌沖擊、電源線與485 線短路、雷擊等潛在危害，所以在A、B 各自對地端接6.8V 的TVS 管。RS485通信電路電路圖如圖6。

1.3.2 LoRa 網關選擇

本設計中通過購買LoRa 網關設備完成組網功能。購買的網關設備相當于一個無線路由設備，可以完成LoRa 節(jié)點自組網功能，同時具有3G/4G+LoRa 雙無線、強大的網絡轉換能力、工業(yè)級高速4G模塊、支持WIFI 覆蓋和APN/VPDN 專網、適應各類無人值守工業(yè)應用環(huán)境、帶寬資源分配可控、設備遠程配置、升級與維護功能。

1.4 上位機軟件設計

上位機軟件主要用來顯示水質實時信息、根據水質信息自動發(fā)送控制養(yǎng)殖的機電設備的信息。本設計中LoRa 網關對接云平臺，云平臺完成了數據服務器功能，當上位機完成主動連接后定時向上位機發(fā)送傳感器數據，也可接收上位機發(fā)送來的各類控制命令。云平臺接收到控制命令主動完成對養(yǎng)殖的機電設備如增氧機、投餌機、增熱機的開關控制，上位機軟件會將突發(fā)事故的處理命令發(fā)送給云平臺。發(fā)送控制命令的機制是：采集數據實時發(fā)送到遠程數據庫服務器（云平臺），手機可預先設置好數值，數據上傳后進行比對分析，繼電器通過數據比較做出相應控制。軟件也可以手動控制完成主動增氧、投餌、增溫等功能。上位機軟件流程圖見圖7。

2 結果與分析

水中傳感器利用自主設計的變化電路放大信號，借助ADC 電路把轉換后的數字量信號發(fā)送給主控芯片處理。傳感器最終反饋的數據是電壓信號，數據會存在一定誤差，需要通過實驗和數據分析，校驗實驗采集數據的準確性。在確保傳感器采集數據可靠性的前提下，通過擬合電壓和傳感器的關系，得到傳感器-電壓轉換公式，同時驗證公式的準確性。軟件設計結果驗證系統(tǒng)整體工作情況以及系統(tǒng)功能。

2.1 溶解氧數據采集和分析

實驗記錄兩類數據：電腦串口實時采集到電壓值的數據作為“實驗數據”，標準溶解氧測量儀測得的含量數據作為“實際數據”，各個“實驗數據”相對應。以1000mL 自來水作為測試對象，通過往測試對象中加入定量的“零氧試劑”，間隔1min 記錄串口返回的電壓值和標準溶解氧測量儀測量到的數據。采樣30 對數據進行學習，如表1 所示。

表1 電壓值與溶解氧關系數據Tab.1 Relationship data between voltage and dissolved oxygen

用MATLAB 對實驗數據做了“殘差分析”，分析其數據樣本的可靠性（圖8），發(fā)現大部分實驗數據可靠，誤差在可接受的范圍內。同時，大部分樣本點都落在了回歸線上，只有少數樣本偏離回歸線。

2.2 溶解氧傳感器函數關系式擬合

實驗表明，用MATLAB 函數關系式擬合溶解氧的實驗數據和實測數據組得到溶解氧-電壓函數關系式為：f（x）=0.017196x+1.7963x^2+0.5501。

同時，為了驗證擬合函數的可靠性，對數據作“散點圖”分析（圖9）。

散點圖分析表明，大部分點可以落在回歸線，公式擬合效果較為理想，說明溶解氧-電壓的函數可相對準確測量水中溶解氧含量。實驗結果表明，本系統(tǒng)傳感器數據的精度可精確到小數點后2 位。

2.3 pH 傳感器數據采集與分析

與溶解氧實驗類似，pH 數據樣本采集以及分析所示，樣本數據基本可信（圖10）。

2.4 pH 傳感器函數關系式擬合

用MATLAB 函數關系式擬合pH 傳感器實驗數據和實測數據組得到溶解氧-電壓函數關系式為：f（x）=28.917x+1.6504x2+94.503。

散點圖的分析表明，大部分點可以落在回歸線，公式擬合效果較為理想（圖11）。其他傳感器與以上兩種傳感器實驗方式類似，結果均滿足性能要求，均可精確到小數點后2 位。

2.5 軟件設計結果

在Android studio 平臺開發(fā)手機軟件App，使用了SQLite 作為本地數據庫進行密碼以及用戶數據的保存。手機App 在Android 環(huán)境系統(tǒng)中運行，功能包括水質信息的實時顯示、手動控制養(yǎng)殖設備工作以及設定超限值自動控制養(yǎng)殖設備工作等功能，系統(tǒng)每一分鐘刷新顯示數據，運行結果如圖12 所示。在工作狀態(tài)下，移動端軟件運行正常，證明整個系統(tǒng)設計合理，能滿足水產養(yǎng)殖實際工作需要。

3 討論

基于物聯網技術的信息化水產養(yǎng)殖系統(tǒng)節(jié)省人力成本、降低養(yǎng)殖戶的勞動量，對及時預防和處理事故都是傳統(tǒng)水產養(yǎng)殖方式所不能比擬的，是未來水產養(yǎng)殖的發(fā)展方向。系統(tǒng)的總體設計方案與無線傳輸技術極大地影響著這類系統(tǒng)的性能與成本。目前，水產養(yǎng)殖的無線傳輸技術一般在ZigBee、NB_IoT 和LoRa 技術中展開研究。ZigBee 特點是：近距離（一般通信距離10～20m），低功耗，低成本，無線組網需要借助其他網關[7]；NB_IoT 技術的特點是：通信距離遠（一般通信距離15km），在網絡部署上可與蜂窩基站復用，成本上較高[8]；LoRa 比前兩者更適合水產養(yǎng)殖[7]：LoRa 傳輸距離1～20KM，低功耗，電池可供模塊使用10 年，自組網，成本低[9]，一般模塊幾元錢。本文正是基于對LoRa 技術的研究設計了系統(tǒng)。該系統(tǒng)采用LoRa 技術傳輸水質傳感信息，通過LoRa 網關接入某智慧農業(yè)的云平臺。實驗證明，此設計合理、可行、有效，并保證了低功耗、遠距離、低成本、數據實時性、穩(wěn)定性、精確性等性能。其數據實時性設定為一分鐘數據刷新一次，傳輸距離一般情況可達10 km，數據精度在1%內。考慮到大面積養(yǎng)殖環(huán)境，基于ZigBee 技術的系統(tǒng)組網能力稍顯不足，而NB_IoT 成本高、對電信運營商依賴，水產養(yǎng)殖行業(yè)更適合采用基于LoRa 技術的物聯網系統(tǒng)。本設計表明，擁有無線自組網能力的LoRa 技術可接入多個節(jié)點到網關設備，不需要依賴電信運營商，是先進的、靈活的無線傳輸技術。

近年來，物聯網的水產養(yǎng)殖研究的解決方案有些相似[1,2,10]，都是從水中傳感器采集數據經由網關設備傳入服務器；有些使用自己開發(fā)的服務器[1,2]，有些使用公有云[10]。自己開發(fā)服務器成本比較高，而公有云提供的是公共接口，開發(fā)與維護的難度大。與這些物聯網解決方案不同的是，本研究針對智能農業(yè)的云而不是公有云來設計硬件與軟件系統(tǒng)。而本系統(tǒng)所使用的云服務器已經集成了數據包的解析、數據緩存、轉發(fā)等功能，具備控制養(yǎng)殖設備的功能，手機端軟件通過接口調用即能實現所有功能，如手機App 實驗結果展示的那樣，功能全面，開發(fā)簡單，極大降低了開發(fā)難度和開發(fā)成本。

目前對于LoRa 技術的研究主要集中在性能評估方面，針對水產養(yǎng)殖監(jiān)測的低成本專用LoRa 低功耗傳感網絡研究得很少[5]。本系統(tǒng)的設計突破了現有技術，改進了設計理念，同時結合了云計算、4G、移動端APP 開發(fā)等技術，實現了水產養(yǎng)殖的智能化、集約化，適合大面積水產養(yǎng)殖需要。