陳淑嫻，何文斌，張妥香，黃琦增

（廣西農(nóng)業(yè)職業(yè)技術大學，廣西 南寧530007）

1 設計背景

在中國的國民產(chǎn)業(yè)中，水產(chǎn)養(yǎng)殖業(yè)占據(jù)著重要的地位，它不僅可以繁榮農(nóng)村經(jīng)濟，同時也為保護生態(tài)環(huán)境維持生態(tài)和諧發(fā)揮著重要的作用。在農(nóng)業(yè)水產(chǎn)養(yǎng)殖中，魚苗的孵化、生長、培育都離不開水，因此水質是重要的環(huán)境要素之一。它的好壞決定了生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定與否。適宜的生存環(huán)境和條件是水產(chǎn)品生產(chǎn)的基礎，不僅能有效縮短生物的養(yǎng)殖周期，還能減少養(yǎng)殖成本，從而獲得更大的經(jīng)濟利益[1]。

然而，以中國目前的漁業(yè)行情來看，對于一般的水產(chǎn)養(yǎng)殖戶來說，主要的水產(chǎn)養(yǎng)殖方式仍然以經(jīng)驗判斷和決策為主，即通過觀察水的顏色、渾濁程度、散發(fā)的氣味以及測量的水溫來判斷水質的好壞[2]。如若養(yǎng)殖戶對水體的參數(shù)或環(huán)境的判斷存在偏差，或是不能及時洞悉水質的變化規(guī)律，將會影響作物的生長效率，嚴重的甚至會造成疾病頻發(fā)，導致資源的浪費和巨大的經(jīng)濟損失。因此，對水質參數(shù)的實時有效監(jiān)測尤為重要，亟需使智能化和信息化的養(yǎng)殖方式取代傳統(tǒng)的養(yǎng)殖模式，使其成為水產(chǎn)業(yè)發(fā)展的主要方向。

近年來，隨著鄉(xiāng)鎮(zhèn)振興戰(zhàn)略的大力開展以及國家對于農(nóng)業(yè)信息化現(xiàn)代化建設的高度重視，物聯(lián)網(wǎng)技術逐步走進農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的各個環(huán)節(jié)，物聯(lián)網(wǎng)技術的不斷發(fā)展也為水產(chǎn)養(yǎng)殖水質的在線監(jiān)測提供了很大的幫助。為此，本文將基于物聯(lián)網(wǎng)技術的應用，研究設計一款智能生態(tài)水質pH值監(jiān)測系統(tǒng)的簡易模型，為助力鄉(xiāng)村振興建設，提高農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的時效性，改善養(yǎng)殖農(nóng)戶的工作方式提供建議。

2 設計任務

針對國內外水質pH值監(jiān)測系統(tǒng)未來的發(fā)展趨勢，本設計根據(jù)要實現(xiàn)的功能和要求，主要需完成如下工作內容：①傳感檢測搭建。根據(jù)水質監(jiān)測系統(tǒng)的實際需求，利用無線傳感技術，完成傳感器元件選型，實現(xiàn)對水質pH值參數(shù)的采集和監(jiān)測。②硬件設計和制作。對該系統(tǒng)中涉及到的電源、物聯(lián)網(wǎng)控制器、傳感元件等硬件設備進行電路設計、實物組裝調試。③軟件功能和組網(wǎng)設置。通過傳感檢測設備、物聯(lián)網(wǎng)控制器與手機APP的無線通訊連接，實現(xiàn)水質數(shù)據(jù)資源實時共享和用戶在線查看，同時包含非常態(tài)自動報警設計、手機遠程遙控功能和水體自動調節(jié)功能。

3 物聯(lián)網(wǎng)技術簡介

3.1 物聯(lián)網(wǎng)的技術定義

本設計內容是基于物聯(lián)網(wǎng)技術的應用之一。物聯(lián)網(wǎng)，英文簡稱IOT（Internet Of Things）。2005年，國際電信聯(lián)盟組織在發(fā)布的報告中，正式給出了“物聯(lián)網(wǎng)”的概念和涵義，即物聯(lián)網(wǎng)是通過二維碼識讀設備、射頻識別（RFID）裝置、紅外感應器、全球定位系統(tǒng)等信息傳感設備，按照約定的協(xié)議，把任何物品與互聯(lián)網(wǎng)相連接，進行信息交換和通信，以實現(xiàn)智能化識別、定位、跟蹤、監(jiān)控和管理的一種網(wǎng)絡[3]。

3.2 物聯(lián)網(wǎng)的層級架構

在人體系統(tǒng)結構中，五官接收外界信息，神經(jīng)系統(tǒng)傳遞信息至大腦，由大腦分析后發(fā)出相應的指令，來驅使人們完成相應的動作。物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)其實與人體結構相似，也包含了信息感知、信息傳遞、信息應用3個層級。由于物體本身不具備與人相同的感官能力，這就需要借助外部的傳感器設備來進行信息的采集和識讀。通過在物體上放置不同種類的傳感器節(jié)點，則賦予了物體不同類型的感官。例如，光敏傳感器可識別光線，等同于人類的視覺；聲敏傳感器可識別環(huán)境聲音，等同于人類的聽覺等。通過互聯(lián)網(wǎng)把這些大數(shù)據(jù)傳輸至相應的應用設備，通過能力超級強大的中心計算機群，對其中的人、機器、設備進行處理。這就實現(xiàn)人類與物理系統(tǒng)的整合與交流。因此，一個完整的物聯(lián)網(wǎng)體系，可以劃分為感知層、網(wǎng)絡層和應用層3個層級[3]。物聯(lián)網(wǎng)的層級結構如圖1所示，這3個層級形成了目前正普遍使用的基本架構。物聯(lián)網(wǎng)技術現(xiàn)已廣泛應用于生活生產(chǎn)建設各個領域。

圖1 物聯(lián)網(wǎng)體系結構

3.3 物聯(lián)網(wǎng)技術在農(nóng)業(yè)中的應用

隨著電子信息技術的不斷發(fā)展，信息化技術在農(nóng)業(yè)方面的應用也越來越受到廣泛重視。為了解決農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過程當中的效率低下、利用率低、信息化和產(chǎn)業(yè)化能力不足等問題，智慧農(nóng)業(yè)技術的理念應運而生。智慧農(nóng)業(yè)的發(fā)展離不開物聯(lián)網(wǎng)技術的應用。通過物聯(lián)網(wǎng)中的各類傳感器等，廣泛地采集農(nóng)業(yè)生產(chǎn)養(yǎng)殖運輸過程中的信息，信息經(jīng)處理后利用網(wǎng)絡傳輸通道進行可靠傳輸，最終控制各項終端，實現(xiàn)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過程中的智能化管理過程。目前，物聯(lián)網(wǎng)在農(nóng)業(yè)中的應用包含了大田種植、果園種植、農(nóng)產(chǎn)品物流、畜禽養(yǎng)殖、溫室種植、農(nóng)產(chǎn)品安全溯源等方面。

4 整體設計方案

4.1 整體結構方案

智慧生態(tài)水質pH值監(jiān)測系統(tǒng)通過傳感器對水質pH值進行采集，并通過網(wǎng)絡進行上傳至智能控制終端，從而實現(xiàn)對養(yǎng)殖水質的監(jiān)控和管理。在物聯(lián)網(wǎng)技術的控制下，當pH值高于或低于正常值時，及時通過智能手機將報警信息通知相關人員，并且自動開啟水泵裝置進行加水調節(jié)，它同樣也具備物聯(lián)網(wǎng)的3層體系架構：感知層、網(wǎng)絡層和應用層[4]。在感知層，對魚塘pH值進行實時全面采集與監(jiān)測；在網(wǎng)絡層，通過移動通信網(wǎng)絡傳輸方式對信息進行傳輸與匯集；在應用層，則是對采集到的信息進行處理，對水泵等設備進行調節(jié)管控，在用戶端實現(xiàn)水質的綜合管理[5]。系統(tǒng)架構如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)架構

經(jīng)過分析，可知該系統(tǒng)各層級所對應的具體設備如表1所示。

表1 監(jiān)測系統(tǒng)主要設備表

4.2 整體設計思路

該設計實施采用的思路如圖3所示，首先是軟件功能的設計與驗證，通過在物聯(lián)網(wǎng)設計平臺上進行檢測系統(tǒng)的搭建進行該系統(tǒng)的驗證，而后對系統(tǒng)所需的硬件進行安裝，并實現(xiàn)網(wǎng)絡數(shù)據(jù)連接，最終對產(chǎn)品的功能進行調試驗證可行性[6-7]。

圖3 設計思路

5 系統(tǒng)設計過程

5.1 設計工具簡介

本次系統(tǒng)模型設計采用的輔助工具是機智云物聯(lián)網(wǎng)開發(fā)平臺。該平臺是由機智云物聯(lián)網(wǎng)公司面向廣大用戶推出的零門檻自助式開發(fā)平臺。通過使用平臺提供的工具，則可快速實現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)平臺產(chǎn)品的設計開發(fā)、搭建、調試等服務，幫助使用者更快的進行學習的同時，降低了開發(fā)的成本，提高開發(fā)的速度。

5.2 產(chǎn)品設計過程

為了更好地驗證該智慧水質pH值監(jiān)測系統(tǒng)的可行性，需通過“機智云”物聯(lián)網(wǎng)開發(fā)平臺進行產(chǎn)品的搭建和虛擬驗證。具體的設計步驟如下所示。

5.2.1 注冊并登錄“機智云”平臺

首先，登錄“機智云”官方網(wǎng)絡平臺，進入個人開發(fā)者中心進行賬號的注冊并登錄，如圖4所示。

圖4 “機智云”網(wǎng)頁登錄界面

5.2.2 創(chuàng)建設計產(chǎn)品

登錄網(wǎng)頁后則開始進行產(chǎn)品的創(chuàng)建。在產(chǎn)品創(chuàng)建界面，需要定義產(chǎn)品的分類、名稱以及使用的網(wǎng)絡技術方案等。產(chǎn)品的分類選擇“農(nóng)林業(yè)生態(tài)”下方的“農(nóng)業(yè)檢測”條目，并將產(chǎn)品名稱定義“智慧生態(tài)水質pH值監(jiān)測系統(tǒng)”，技術方案選擇“移動網(wǎng)絡方案”，即可完成產(chǎn)品創(chuàng)建?！皺C智云”創(chuàng)建產(chǎn)品界面如圖5所示。

圖5 “機智云”創(chuàng)建產(chǎn)品界面

5.2.3 創(chuàng)建設備功能

完成產(chǎn)品的創(chuàng)建后，接著進入數(shù)據(jù)點的創(chuàng)建界面，進行設備功能的創(chuàng)建。在該頁面中，需要依次創(chuàng)建該系統(tǒng)具備的功能，例如讀取pH值參數(shù)、報警功能驗證等。具體的操作步驟為：點擊“新建數(shù)據(jù)點”，并輸入相應的信息?！皺C智云”創(chuàng)建設備功能界面如圖6所示，pH值參數(shù)名稱設為pH_DATE，讀寫類型為只讀型，數(shù)據(jù)類型為數(shù)值型，數(shù)據(jù)范圍是0～14；報警參數(shù)名稱設為alarm，讀寫類型為報警，數(shù)據(jù)類型為布爾型。

圖6 “機智云”創(chuàng)建設備功能界面

5.2.4 系統(tǒng)功能驗證

最終是所創(chuàng)建產(chǎn)品的功能驗證。即先通過手機下載機智云APP，并將手機與前述所創(chuàng)建的虛擬設備進行連接，即通過手機掃描界面提供的虛擬設備二維碼實現(xiàn)綁定。接著再通過在電腦界面上拖動條模擬pH值為7.8，并將alarm（報警）設為1，點擊推送，檢驗手機PP是否實時接收，用以驗證產(chǎn)品的功能[8]。“機智云”網(wǎng)頁功能驗證界面如圖7所示，“機智云”APP接收界面如圖8所示。

圖7 “機智云”網(wǎng)頁功能驗證界面

圖8 “機智云”APP接收界面

6 系統(tǒng)安裝與調試

根據(jù)上一章節(jié)在“機智云”平臺的設計驗證結果，可進行硬件的組裝與調試。

6.1 硬件組裝及組網(wǎng)設置

6.1.1 系統(tǒng)硬件搭建

將電源線、pH值傳感器、水泵組件、蜂鳴器等連接至物聯(lián)網(wǎng)控制器，將系統(tǒng)上電運行，并確保接線正確和運行正常。安裝接線圖9所示，安裝實物如圖10所示[9-10]。

圖9 系統(tǒng)安裝接線示意圖

圖10 安裝實物圖

6.1.2 手機APP獲取

下載與物聯(lián)網(wǎng)控制器相配套的手機APP，并完成手機APP賬號注冊及登錄。

6.1.3 系統(tǒng)網(wǎng)絡連接

登錄手機APP，在“添加設備”界面掃碼設置，實現(xiàn)手機APP與物聯(lián)網(wǎng)控制器的網(wǎng)絡連接與綁定，并在手機界面設置添加對應的傳感器型號，實現(xiàn)手機界面對傳感器采集參數(shù)的實時顯示和監(jiān)測。添加傳感器設備界面如圖11所示。

圖11 添加傳感器設備界面

6.2 系統(tǒng)運行調試

6.2.1 pH值矯正

在對該系統(tǒng)進行功能驗證之前，首先需要進行pH值矯正，即通過使用標準酸堿溶液試劑（pH=4、pH=7、pH=9.18）對pH值測量值進行誤差矯正，調整手機APP顯示的pH值與標準試劑實際pH值相符，確保手機顯示無偏差。標準酸堿溶液試劑如圖12所示。

圖12 標準酸堿溶液試劑

6.2.2 報警功能調試

根據(jù)魚塘養(yǎng)殖的水質pH值要求為7～8.5，將手機上的pH值正常范圍設置在此區(qū)間。驗證當pH值超出此范圍時，是否即可發(fā)出報警通知。pH值范圍設置如圖13所示。

圖13 pH值范圍設置

6.2.3 水質自動調節(jié)功能調試

利用酸性溶液模擬酸雨進行添加，驗證當水質pH值低于7時，控制器可發(fā)送指令驅使水泵啟停，實現(xiàn)對魚塘水質的自動調節(jié)效果。

6.2.4 手機遠程控制功能測試

將手機帶至室外，通過APP上的控制按鈕對水泵的開關進行遠程控制調節(jié)，驗證遠程通信控制功能的可行性。

6.2.5 運行結果反饋

通過對上述各項功能進行一一驗證，結果反饋，當在正常范圍的水池里滴入酸性試劑使得水質的pH值低于7或是滴入堿性試劑使得pH值高于8.5時，報警蜂鳴器可即刻響起，且同時發(fā)送報警信息至手機APP，并能自動啟動水泵加水以調節(jié)水質。當pH值恢復至正常值范圍后，水泵自動停止加水。在加水的過程中，也可通過手機APP遠程遙控水泵的啟停實現(xiàn)智能化控制。

7 結語

該設計模型通過手機實現(xiàn)對水體環(huán)境數(shù)據(jù)的監(jiān)測和調控，將物聯(lián)網(wǎng)技術與農(nóng)業(yè)生產(chǎn)相結合，測試功能良好，除此之外采用移動通信網(wǎng)絡技術可實現(xiàn)無線傳輸，具有功耗低、無需布線、傳輸速率高、健康安全等特點。但該設計僅針對水產(chǎn)養(yǎng)殖中pH值一項參數(shù)進行監(jiān)控。其實水產(chǎn)養(yǎng)殖中還涉及溶解氧、水溫等多項系數(shù)的監(jiān)測，后續(xù)希望對該設計系統(tǒng)加以完善，提升其功能性并加以推廣。