李新成，林德峰，王勝濤，員玉良

（青島農(nóng)業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，山東 青島 266109）

國務(wù)院《關(guān)于加快推進(jìn)水產(chǎn)養(yǎng)殖業(yè)綠色發(fā)展的若干意見》指出，我國水產(chǎn)養(yǎng)殖業(yè)存在養(yǎng)殖環(huán)境不達(dá)標(biāo)、養(yǎng)殖布局和產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)不合理等問題，應(yīng)加快推進(jìn)水產(chǎn)養(yǎng)殖業(yè)綠色發(fā)展，促進(jìn)產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型升級(jí)。水產(chǎn)生態(tài)養(yǎng)殖、綠色科學(xué)養(yǎng)殖及水質(zhì)管控，對推進(jìn)水產(chǎn)養(yǎng)殖業(yè)的供給側(cè)結(jié)構(gòu)改革具有重要的意義[1]。因此，有必要管控養(yǎng)殖池塘環(huán)境以確保水質(zhì)健康，提高養(yǎng)殖池塘水質(zhì)質(zhì)量，促進(jìn)水產(chǎn)養(yǎng)殖業(yè)綠色發(fā)展[2]。

世界自動(dòng)化漁業(yè)設(shè)備已出現(xiàn)多年，我國設(shè)備先進(jìn)程度和操作人員技術(shù)水平都有提高余地[3,4]。1980年日本世界首個(gè)自動(dòng)化鮭魚養(yǎng)殖場出現(xiàn)，此養(yǎng)殖場采用攝像機(jī)與旋轉(zhuǎn)投餌裝置。德國使用自動(dòng)連續(xù)水產(chǎn)養(yǎng)殖系統(tǒng)，特別是各種高效水凈化裝置，養(yǎng)殖密度可達(dá)100kg/m3。美國的魚類人工繁殖和幼苗培育也已實(shí)現(xiàn)了工業(yè)化，養(yǎng)殖場的大部分工作可由計(jì)算機(jī)自動(dòng)控制。丹麥一個(gè)2000m3的虹鱒養(yǎng)殖場年產(chǎn)量不低于42t，但只需一人即可完成管理。

影響水產(chǎn)養(yǎng)殖生產(chǎn)的因素有很多，傳統(tǒng)經(jīng)驗(yàn)難以復(fù)制先進(jìn)的水產(chǎn)養(yǎng)殖模式，更無法實(shí)現(xiàn)精細(xì)水產(chǎn)養(yǎng)殖。目前，水產(chǎn)養(yǎng)殖環(huán)境的監(jiān)測和控制大多由人工完成，經(jīng)驗(yàn)性強(qiáng)，實(shí)時(shí)性差，無法保證及時(shí)有效管控池塘環(huán)境。物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)發(fā)展迅速，為漁業(yè)的轉(zhuǎn)型提供了強(qiáng)有力的技術(shù)支撐。水產(chǎn)養(yǎng)殖與物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的整合將是我國漁業(yè)轉(zhuǎn)型升級(jí)的關(guān)鍵之一[5-9]。

本研究提出一種以物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)為基礎(chǔ)，單片機(jī)為控制核心，集云計(jì)算、水質(zhì)傳感檢測以及無線網(wǎng)絡(luò)等技術(shù)于一體的水產(chǎn)養(yǎng)殖池塘智能管控系統(tǒng)[8]。該系統(tǒng)對養(yǎng)殖生產(chǎn)過程中的水體溫度、pH、鹽度、溶解氧和氨氮含量等水質(zhì)指標(biāo)實(shí)時(shí)監(jiān)控與處理，上位機(jī)、下位機(jī)與App 三者配合對池塘漁業(yè)進(jìn)行全方位、自動(dòng)化、智能化、移動(dòng)式管控，實(shí)現(xiàn)水產(chǎn)養(yǎng)殖池塘全天24h 的監(jiān)控與管理[10-12]。

1 系統(tǒng)概述

1.1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)主要由下位機(jī)、上位機(jī)以及App 三部分組成。下位機(jī)包括主控CPU、傳感器模塊、無線通信模塊、電源模塊與電氣設(shè)備模塊等，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的采集、發(fā)送以及下發(fā)指令的執(zhí)行；上位機(jī)署于Windows系統(tǒng)的阿里云服務(wù)器，主要對下位機(jī)上傳的數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)、判斷與下發(fā)控制下位機(jī)的指令；App 運(yùn)行于Android 操作平臺(tái)，主要進(jìn)行數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)顯示與過往數(shù)據(jù)追溯以及發(fā)出控制下位機(jī)設(shè)備的指令。系統(tǒng)組成示意如圖1 所示。

1.2 系統(tǒng)下位機(jī)設(shè)計(jì)

系統(tǒng)下位機(jī)完成水質(zhì)參數(shù)的采集、處理、上傳及控制各種執(zhí)行機(jī)構(gòu)的啟停。水質(zhì)參數(shù)主要由溫度傳感器、pH 傳感器、鹽度傳感器、溶解氧傳感器與氨氮傳感器等采集完成；數(shù)據(jù)經(jīng)無線通信模塊上傳；執(zhí)行機(jī)構(gòu)主要包括投餌機(jī)、水泵與增氧泵（圖2）。

1.2.1 主控CPU

考慮到傳感器種類及數(shù)量較多，CPU 要具有較高的數(shù)據(jù)處理能力與較快的運(yùn)行速度；主控CPU 還需承擔(dān)上位機(jī)指令的解析與手機(jī)模塊大量的數(shù)據(jù)交換工作，所以系統(tǒng)采用意法半導(dǎo)體（ST）公司出品的STM32F103ZET6 單片機(jī)作為主控CPU。該單片機(jī)性價(jià)比高，運(yùn)算能力強(qiáng)，符合本系統(tǒng)的需求。

1.2.2 傳感器模塊

傳感器模塊主要測量養(yǎng)殖池水體的溫度、pH、濁度、鹽度、溶解氧與氨氮含量等水質(zhì)參數(shù)，以此判斷養(yǎng)殖池塘水質(zhì)是否達(dá)標(biāo)。當(dāng)參數(shù)超過了設(shè)置閾值的正常范圍，上位機(jī)會(huì)發(fā)出警告，并發(fā)送指令至下位機(jī)執(zhí)行相應(yīng)操作。為了使測得的水產(chǎn)養(yǎng)殖池溏水質(zhì)參數(shù)更準(zhǔn)確，根據(jù)國標(biāo)《漁業(yè)水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)》（標(biāo)準(zhǔn)號(hào)GB11607-89），比較了同類傳感器的多種型號(hào)，最終選擇了以下六種傳感器。與國內(nèi)外的同類傳感器相比，該傳感器可靠性高，穩(wěn)定性和重復(fù)性好。傳感器的具體信息如表1 所示。

表1 傳感器信息Tab.1 Information on the sensors used in the system

系統(tǒng)目前只采用了溫度傳感器、pH 傳感器與濁度傳感器。其中pH 傳感器的電路原理如圖3 所示。

1.2.3 無線通信模塊

多數(shù)水產(chǎn)養(yǎng)殖池塘遠(yuǎn)離居民區(qū)，網(wǎng)絡(luò)還未達(dá)到全面普及，本系統(tǒng)選擇2G 空中網(wǎng)絡(luò)作為下位機(jī)與上位機(jī)通信的方案。SIM800A 的工作頻率分為GSM與GPRS 兩種，性能穩(wěn)定，外觀小巧，故選用SIM800A手機(jī)模塊作為通訊的硬件設(shè)備。

1.2.4 電氣設(shè)備控制

系統(tǒng)下位機(jī)的電氣設(shè)備主要有三種，分別為增氧機(jī)、投餌機(jī)與水泵，均為220V 供電，由繼電器控制電器設(shè)備的開關(guān)。當(dāng)收到上位機(jī)或者App 發(fā)送的指令，下位機(jī)控制相應(yīng)電氣設(shè)備開關(guān)。

1.2.5 系統(tǒng)供電電路

系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行需要安全穩(wěn)定的電源，本系統(tǒng)需要的電源電壓為+3.3V、+5.0V、+12.0V 和交流220V。根據(jù)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)需求，采用220V 市電供電，利用開關(guān)電源提供+5V 供電，LM2596 穩(wěn)壓電源模塊為系統(tǒng)提供+3.3V 電壓，XL6009 升壓模塊可將+5V 升至+12.0V 電壓。

1.3 系統(tǒng)上位機(jī)設(shè)計(jì)

上位機(jī)是整個(gè)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)中樞，負(fù)責(zé)將系統(tǒng)各個(gè)部分有機(jī)地串聯(lián)到一起，其功能主要分為參數(shù)設(shè)置、數(shù)據(jù)通信、判斷、存儲(chǔ)、實(shí)時(shí)顯示以及指令生成等部分。上位機(jī)軟件使用C++語言在Qt Creater 平臺(tái)進(jìn)行開發(fā)。程序運(yùn)行流程圖如圖4 所示。

上位機(jī)數(shù)據(jù)處理包括三部分：上位機(jī)對下位機(jī)上傳數(shù)據(jù)的處理，對App 請求數(shù)據(jù)的處理以及轉(zhuǎn)發(fā)App 給下位機(jī)的指令。數(shù)據(jù)處理所需的閾值可通過界面中的警報(bào)參數(shù)設(shè)置功能進(jìn)行設(shè)置。

1.4 系統(tǒng)App 設(shè)計(jì)

用Android App 查看養(yǎng)殖池水質(zhì)參數(shù)，并實(shí)現(xiàn)手機(jī)控制電氣設(shè)備。Android App 的運(yùn)行平臺(tái)為安卓智能手機(jī)，主要完成下位機(jī)的遠(yuǎn)程控制、數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)瀏覽以及過往數(shù)據(jù)追溯等功能[13-16]，運(yùn)行流程如圖5 所示。

2 結(jié)果與分析

本系統(tǒng)選用40cm×40cm×50cm 的魚缸模擬水產(chǎn)養(yǎng)殖池塘環(huán)境，在實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行了大量的模擬實(shí)驗(yàn)。為使實(shí)驗(yàn)變量唯一，在魚缸的一側(cè)標(biāo)定了放置傳感器的位置，將所有的傳感器定點(diǎn)放置（圖6）。

2.1 通信模塊測試

首先調(diào)試下位機(jī)的手機(jī)模塊。經(jīng)過測試，水質(zhì)參數(shù)的上傳成功率為100%。由于實(shí)驗(yàn)在室內(nèi)進(jìn)行，手機(jī)模塊2G 網(wǎng)絡(luò)延時(shí)在300ms 左右，加上下位機(jī)的數(shù)據(jù)處理時(shí)間，傳輸耗時(shí)不超過800ms，上位機(jī)發(fā)出相應(yīng)指令控制電氣設(shè)備開關(guān)或者查看水質(zhì)參數(shù)約1s。

2.2 傳感器模塊測試

溫度傳感器采用DS18B20，精度可達(dá)±0.5℃。將水銀溫度計(jì)插入水中。結(jié)果表明兩者測量結(jié)果在誤差允許范圍之內(nèi)。調(diào)試過程中發(fā)現(xiàn)，pH 傳感器受溫度影響較為微弱，測試環(huán)境穩(wěn)定時(shí)，pH 基本不變。為了證明pH 傳感器的測量靈敏，精度較高，從實(shí)驗(yàn)結(jié)果中選取10 組數(shù)據(jù)，水質(zhì)參數(shù)趨勢如圖7所示。

由圖7 可知，池塘模擬環(huán)境溫度穩(wěn)定不變，第四組數(shù)據(jù)的pH 和濁度突然增加，是此時(shí)加入了少量含有酵母粉的弱堿性魚餌。

2.3 電氣設(shè)備測試

增氧機(jī)、投餌機(jī)與水泵等電氣設(shè)備接收到相應(yīng)的指令后均能正常工作。測試中設(shè)備運(yùn)行24h 發(fā)現(xiàn)，期間有兩次下位機(jī)與上位機(jī)斷開連接的情況，但能自動(dòng)及時(shí)恢復(fù)連接。主要是因?yàn)槌绦騼?nèi)加入了手機(jī)模塊連接狀態(tài)判斷：當(dāng)手機(jī)模塊串口收到數(shù)據(jù)發(fā)送失敗的指令后會(huì)重新初始化手機(jī)模塊進(jìn)行連接，不影響系統(tǒng)的運(yùn)行。筆者判斷兩次斷開連接的原因可能是2G 信號(hào)變?nèi)鯇?dǎo)致。

2.4 Android App 測試

經(jīng)測試表明，Android App 可以在任何時(shí)間連接阿里云服務(wù)器對下位機(jī)進(jìn)行控制和模擬養(yǎng)殖池塘水質(zhì)參數(shù)的查看。手機(jī)App 的工作界面如圖8 所示。

2.5 上位機(jī)測試

上位機(jī)部署于阿里云服務(wù)器，測試結(jié)果顯示，上位機(jī)工作正常，可以在任何時(shí)間查看模擬養(yǎng)殖池水質(zhì)參數(shù)，控制、接收下位機(jī)電氣設(shè)備，并執(zhí)行手機(jī)App 的指令。上位機(jī)工作界面如圖9 所示。

綜上所述，所研制的基于物聯(lián)網(wǎng)的水產(chǎn)養(yǎng)殖池塘智能管控系統(tǒng)上位機(jī)、下位機(jī)及Android App 三個(gè)部分均能正常工作，且運(yùn)行穩(wěn)定。

3 結(jié)論

基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的水產(chǎn)養(yǎng)殖池智能管控系統(tǒng)，分別開發(fā)了上位機(jī)、下位機(jī)及Android App，實(shí)現(xiàn)了養(yǎng)殖池塘水質(zhì)的24h 不間斷調(diào)控與遠(yuǎn)程控制。具體包括以下幾項(xiàng)工作：

（1）完成了一臺(tái)性能穩(wěn)定的下位機(jī)，可用來檢測與調(diào)控水質(zhì)的溫度、pH 和濁度等參數(shù)；

（2）完成了Android App 程序的編寫，可進(jìn)行簡單的數(shù)據(jù)查看與指令發(fā)送；

（3）完成了作為數(shù)據(jù)中轉(zhuǎn)與數(shù)據(jù)判斷的上位機(jī)，可保證三者有機(jī)的結(jié)合。

模擬試驗(yàn)顯示，該系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定、可靠性高、響應(yīng)速度快，對后續(xù)現(xiàn)場試驗(yàn)積累了經(jīng)驗(yàn)，奠定了技術(shù)基礎(chǔ)，具有一定的現(xiàn)實(shí)意義。