姚 毅，謝東輝，李裕衛(wèi)，付佳威，朱文勇，藍(lán) 嵐，肖藝嘉，楊宗英

（1.南昌市農(nóng)業(yè)科學(xué)院 南昌市農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)智能裝備集成開(kāi)發(fā)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江西 南昌 330038；2.江西悅濃智能科技股份有限公司，江西 南昌 330038；3.中國(guó)聯(lián)通南昌市分公司，江西 南昌 330038）

0 引 言

如何實(shí)現(xiàn)按漁業(yè)養(yǎng)殖品種生長(zhǎng)需求進(jìn)行漁業(yè)養(yǎng)殖環(huán)境的有效調(diào)控，類(lèi)似的一系列問(wèn)題在傳統(tǒng)漁業(yè)生產(chǎn)模式下一直被“模糊”處理?，F(xiàn)在，應(yīng)用物聯(lián)網(wǎng)（Internet of Things, IoT）、3S（GIS地理信息系統(tǒng)、GPS全球定位系統(tǒng)和RS遙感技術(shù)）、云計(jì)算（Cloud Computing）和大數(shù)據(jù)（Big Data）代表的新一代信息及控制技術(shù)已能實(shí)現(xiàn)養(yǎng)殖環(huán)境參數(shù)實(shí)時(shí)獲取，遠(yuǎn)程自動(dòng)化控制漁業(yè)養(yǎng)殖設(shè)備運(yùn)行。項(xiàng)目組基于利用上述技術(shù)開(kāi)發(fā)的稻蝦綜合智慧蝦稻養(yǎng)殖系統(tǒng)對(duì)傳統(tǒng)經(jīng)驗(yàn)型蝦稻綜合養(yǎng)殖模式進(jìn)行技術(shù)改造升級(jí)，實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)漁業(yè)養(yǎng)殖，解決現(xiàn)有養(yǎng)殖痛點(diǎn)問(wèn)題，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)蝦稻養(yǎng)殖模式的產(chǎn)業(yè)升級(jí)。

1 物聯(lián)網(wǎng)智慧蝦稻養(yǎng)殖系統(tǒng)的總體架構(gòu)

本系統(tǒng)包括蝦稻環(huán)境監(jiān)測(cè)終端子系統(tǒng)、蝦稻設(shè)備遠(yuǎn)程控制終端子系統(tǒng)、蝦稻視頻監(jiān)控子系統(tǒng)。蝦稻環(huán)境監(jiān)測(cè)和設(shè)備遠(yuǎn)程控制終端子系統(tǒng)采用cat.1（LTEUE-Category1）和WiFi無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)，主控芯片采用兆易創(chuàng)新研發(fā)的專(zhuān)用于工業(yè)和農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備、型號(hào)為GD32F103RCT6的集成芯片，可應(yīng)用于農(nóng)業(yè)環(huán)境數(shù)據(jù)采集終端和農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)控制終端。通過(guò)環(huán)境數(shù)據(jù)采集終端板載SN65LBC184D芯片采集傳感器數(shù)值。環(huán)境監(jiān)測(cè)和控制終端多個(gè)節(jié)點(diǎn)連接，既可以通過(guò)WiFi傳輸模式構(gòu)成局域群體式無(wú)線(xiàn)通信網(wǎng)，又可以通過(guò)cat.1傳輸方式構(gòu)成廣域無(wú)線(xiàn)通信網(wǎng)。系統(tǒng)還會(huì)將數(shù)據(jù)信息傳輸?shù)侥喜修r(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)智能裝備集成開(kāi)發(fā)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室自建的農(nóng)業(yè)邊緣云平臺(tái)。農(nóng)業(yè)科研人員和蝦稻綜合種養(yǎng)殖戶(hù)等相關(guān)人員可以通過(guò)移動(dòng)端和PC端進(jìn)入管理界面，實(shí)時(shí)觀(guān)測(cè)蝦稻養(yǎng)殖相關(guān)參數(shù)，開(kāi)展有針對(duì)性的農(nóng)業(yè)設(shè)備遠(yuǎn)程自動(dòng)化控制。環(huán)境監(jiān)測(cè)和設(shè)備遠(yuǎn)程控制采用的有線(xiàn)通信方式有兩種：一種是RS 485，用于讀取傳感器數(shù)據(jù)；另一種是串口（UART），用于與IoT模組通信。

為便于用戶(hù)使用該系統(tǒng)，在農(nóng)業(yè)環(huán)境數(shù)據(jù)采集終端和農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)控制設(shè)備端增加了HMI串口觸摸屏模塊，對(duì)蝦稻養(yǎng)殖水體溫度、pH值、溶解氧、氣壓、濕度、光照等數(shù)據(jù)進(jìn)行直觀(guān)顯示，可以在蝦稻養(yǎng)殖現(xiàn)場(chǎng)實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互功能。通過(guò)場(chǎng)地內(nèi)布設(shè)的視頻監(jiān)控球機(jī)，可以遠(yuǎn)程直觀(guān)地了解蝦稻養(yǎng)殖場(chǎng)地實(shí)時(shí)現(xiàn)場(chǎng)狀況和養(yǎng)殖過(guò)程。

本系統(tǒng)業(yè)務(wù)功能包含三個(gè)部分：（1）蝦稻環(huán)境數(shù)據(jù)檢測(cè)采集部分；（2）農(nóng)業(yè)設(shè)備遠(yuǎn)程自動(dòng)化控制部分；（3）蝦稻視頻監(jiān)控部分。蝦稻綜合智慧養(yǎng)殖系統(tǒng)架構(gòu)如圖1所示。

圖1 蝦稻綜合智慧養(yǎng)殖系統(tǒng)架構(gòu)

2 系統(tǒng)硬件涉及的終端設(shè)備器件選型

2.1 主控單元模塊設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)分別采用STM32F407VET6和GD32F103RCT6集成芯片作為數(shù)據(jù)處理和控制中心。GD32F103RCT6集成芯片是基于ARM Cortex-M3內(nèi)核的GD32系列32位通用MCU產(chǎn)品，主頻為108 MHz，具有出色的處理性能。片內(nèi)閃存（FLASH）為1 024 KB，RAM為96 KB，供電電壓范圍為2.6～3.6 V，內(nèi)核的供電電壓為1.2 V，I/O口可承受5 V電平，內(nèi)嵌實(shí)時(shí)時(shí)鐘（RTC）和2個(gè)看門(mén)狗（WDG），具有掉電復(fù)位（PDR）、上電復(fù)位（POR）及電壓監(jiān)測(cè)（LVD）功能。提供多達(dá)3個(gè)12位ADC、最多2個(gè)12位DAC、最多10個(gè)通用16位定時(shí)器、2個(gè)基本定時(shí)器和2個(gè)PWM高級(jí)定時(shí)器，以及標(biāo)準(zhǔn)和高級(jí)通信接口：最多3個(gè)SPI、2個(gè) I2C、3個(gè) USART、2個(gè) UART、2個(gè) I2S、1個(gè) USBD、1個(gè)CAN和1個(gè)SDIO。幾種節(jié)能模式使喚醒延遲和功耗之間的最大優(yōu)化更加靈活，在低功耗應(yīng)用中尤其重要。GD32F103RCT6能滿(mǎn)足系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求。芯片典型應(yīng)用電路及供電模塊部分設(shè)計(jì)如圖2、圖3、圖4所示。

圖2 STM32F407典型應(yīng)用電路

圖3 GD32F103典型應(yīng)用電路

圖4 供電模塊設(shè)計(jì)

485通信電路采用SN65LBC184D芯片、RS 485總線(xiàn)和傳感器進(jìn)行通信，不僅可發(fā)揮該總線(xiàn)協(xié)議傳輸距離遠(yuǎn)、抗干擾能力強(qiáng)的優(yōu)勢(shì)，也可以根據(jù)實(shí)際需要增減傳感器數(shù)量，使系統(tǒng)的靈活性和可擴(kuò)展性大大增強(qiáng)，可滿(mǎn)足多場(chǎng)景和個(gè)性化需求。設(shè)計(jì)如圖5所示。

圖5 485通信電路模塊設(shè)計(jì)

2.2 蝦稻水質(zhì)監(jiān)測(cè)終端接入的傳感器類(lèi)型和主要參數(shù)

2.2.1 水溫傳感器集成開(kāi)發(fā)

小龍蝦屬于水生變溫動(dòng)物，體溫隨養(yǎng)殖水體環(huán)境溫度的變化而變化，它可以在江西省自然越冬，一般生存水溫為1～40 ℃，水溫低于15 ℃時(shí)生長(zhǎng)較慢，水溫為25～30 ℃時(shí)生長(zhǎng)較快。蝦稻養(yǎng)殖水溫的變化主要是隨氣溫的變化而變化[1]。在整個(gè)小龍蝦養(yǎng)殖周期內(nèi)，前期因?yàn)樗萆L(zhǎng)需要充足的陽(yáng)光照射，養(yǎng)殖水體水位維持在25～50 cm；養(yǎng)殖中后期，夏季陽(yáng)光照射強(qiáng)度加大，通過(guò)逐漸加深養(yǎng)殖水位到1 m左右，將養(yǎng)殖水溫保持在25～30 ℃的范圍內(nèi)，并可采用定量換水的方法，保障小龍蝦在合適的水溫下生長(zhǎng)。

采用DS18B20水溫傳感器并集成在pH和溶解氧傳感器中。DS18B20測(cè)量溫度范圍寬，為-55～125 ℃；測(cè)量精度高，在-10～85 ℃范圍內(nèi)精度為±0.5 ℃。該傳感器具有經(jīng)濟(jì)性好、抗干擾能力強(qiáng)、使用方便等優(yōu)點(diǎn)，適合于惡劣環(huán)境的現(xiàn)場(chǎng)溫度測(cè)量。

2.2.2 氣壓、氣溫、大氣濕度傳感器集成開(kāi)發(fā)

蝦稻養(yǎng)殖水溫和區(qū)域氣溫有很好的一致性，年、季、月、日變化規(guī)律也比較一致，氣溫的變化對(duì)水溫的變化有很強(qiáng)的指向性[2]。研究認(rèn)為，持續(xù)高溫時(shí)，各種病毒、細(xì)菌等病原微生物迅速繁殖，小龍蝦養(yǎng)殖疾病暴發(fā)，容易造成小龍蝦大量死亡[3-5]。氣壓、大氣濕度也是蝦稻養(yǎng)殖環(huán)境監(jiān)測(cè)的關(guān)鍵參數(shù)。上述三組參數(shù)傳感器采用集成壁掛方式掛載在養(yǎng)殖環(huán)境監(jiān)測(cè)終端上，采用12～24 V DC直流供電，最大功率為0.4 W，輸出信號(hào)為RS 485，溫度范圍為-40～80 ℃，相對(duì)濕度范圍為0～100%，濕度分辨率為0.1，響應(yīng)時(shí)間為≤15 s（風(fēng)速為1 m/s）。

2.2.3 pH值傳感器集成開(kāi)發(fā)

經(jīng)研究分析，水體pH值（即酸堿度）是水質(zhì)的重要指標(biāo)[6-8]。在養(yǎng)殖水體中，pH值十分直觀(guān)地反映著水質(zhì)的變化，比如藻類(lèi)的活力、二氧化碳的存在狀態(tài)等，都可以通過(guò)pH值的大小和日變化量來(lái)推斷是否在正常范圍內(nèi)。pH值也是影響蝦生長(zhǎng)的重要指標(biāo)，在養(yǎng)殖早期，特別是放苗的時(shí)候，pH值若太高，則放入塘的蝦苗就會(huì)蛻殼十分困難或蛻不了殼，鰓絲腫脹，造成小龍蝦采食差、爬邊上岸，影響蝦的正常生長(zhǎng)。

本系統(tǒng)采用的探頭由pH玻璃電極和氯化銀參比電極復(fù)合組成，信號(hào)穩(wěn)定、精度高、測(cè)量范圍寬、線(xiàn)性度好、防水性能好、使用方便、便于安裝，可進(jìn)行pH值的測(cè)量，具有溫度自動(dòng)補(bǔ)償功能。供電電源為12～24 V-DC直流，耗電≤0.15 W（12 V-DC，25 ℃），測(cè)量精度為±0.5，pH值量程為0～14，測(cè)量分辨率為0.01，響應(yīng)速度≤15 s。

2.2.4 養(yǎng)殖水體溶解氧傳感器集成開(kāi)發(fā)

研究顯示，水體溶解氧是小龍蝦養(yǎng)殖的重要指標(biāo)參數(shù)[9-12]，水體溶解氧低于2 mg/L時(shí)，小龍蝦產(chǎn)量下降明顯；當(dāng)?shù)陀?.5 mg/L時(shí)，如果沒(méi)有攀爬物輔助其浮出水面呼吸，易造成其大量死亡。小龍蝦養(yǎng)殖水體中溶解氧的含量一般應(yīng)高于3 mg/L。

本系統(tǒng)使用水質(zhì)熒光法溶解氧傳感器對(duì)養(yǎng)殖水體溶解氧進(jìn)行監(jiān)測(cè)。該傳感器采用的是熒光淬滅原理進(jìn)行測(cè)量，熒光法能夠克服傳統(tǒng)經(jīng)典測(cè)量方法不能在線(xiàn)連續(xù)測(cè)量的缺點(diǎn)，具有不消耗氧氣和探頭、不受磁場(chǎng)干擾、靈敏度高、檢出限低、壽命長(zhǎng)、可持續(xù)在線(xiàn)監(jiān)測(cè)等優(yōu)點(diǎn)，獲得了廣泛的應(yīng)用。水質(zhì)熒光法溶解氧傳感器可以廣泛應(yīng)用于火電、化工化肥、冶金、環(huán)保、制藥、生化、食品等領(lǐng)域?qū)θ芤褐腥芙庋踹M(jìn)行連續(xù)監(jiān)測(cè)。連續(xù)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)通過(guò)RS 485接口進(jìn)行數(shù)字化整定分析后轉(zhuǎn)換為標(biāo)準(zhǔn)的RS 485信號(hào)，通過(guò)ModBus-RTU協(xié)議連入蝦稻環(huán)境監(jiān)測(cè)終端，實(shí)現(xiàn)監(jiān)控與記錄。供電電源為9～24 V-DC直流，耗電≤0.15 W（12 V-DC，25 ℃），測(cè)量精度為±3.0%，量程為0～20 mg/L。

2.3 蝦稻物聯(lián)網(wǎng)控制終端設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)

繼電器部分設(shè)計(jì)為4路繼電器，如圖6所示。

圖6 繼電器模塊設(shè)計(jì)

3 蝦稻綜合管理系統(tǒng)視頻監(jiān)控部分設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

如圖7所示，通過(guò)布設(shè)有線(xiàn)和無(wú)線(xiàn)視頻監(jiān)控系統(tǒng)，在PC端和手機(jī)客戶(hù)端隨時(shí)隨地遠(yuǎn)程查看蝦稻生產(chǎn)情況、各漁業(yè)設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)、生產(chǎn)情況，管理人員可以遠(yuǎn)程輕松監(jiān)控、管理作業(yè)生產(chǎn)，大大減輕工作負(fù)擔(dān)，同時(shí)為后期農(nóng)產(chǎn)品溯源提供視頻依據(jù)。

圖7 視頻監(jiān)控子系統(tǒng)架構(gòu)

4 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

4.1 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)流程

基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的智慧蝦稻養(yǎng)殖系統(tǒng)軟件開(kāi)發(fā)部分的程序流程如圖8所示。

圖8 軟件程序流程

4.2 系統(tǒng)采用的主要通信方式和程序設(shè)計(jì)函數(shù)

系統(tǒng)開(kāi)機(jī)初始化后便會(huì)通過(guò)IoT模組連接服務(wù)器，然后通過(guò)狀態(tài)機(jī)循環(huán)讀取傳感器數(shù)據(jù)，到設(shè)定時(shí)間后打包數(shù)據(jù)拷貝到發(fā)送緩沖區(qū)，主循環(huán)檢測(cè)到發(fā)送緩沖區(qū)中有數(shù)據(jù)便會(huì)發(fā)送至服務(wù)器；服務(wù)器下發(fā)指令會(huì)被拷貝到接收緩沖區(qū)，如接收緩沖區(qū)有數(shù)據(jù)便被MCU解析并執(zhí)行相應(yīng)指令，以下是本系統(tǒng)的主要設(shè)計(jì)函數(shù)：

（1）處理IoT發(fā)送緩沖區(qū)函數(shù)：void TxDataBuf_Deal（unsigned char *data，int size）；

（2）處理服務(wù)器下發(fā)數(shù)據(jù)函數(shù)：void MQTT_DealPushdata_Qs0（unsigned char *redata）；

（3）IoT模組連接服務(wù)器函數(shù)：unsigned char WiFi_Connect_IoTServer（void）；

（4）獲取傳感器狀態(tài)機(jī)數(shù)據(jù)函數(shù)：u8 get_sensor_info_process（const int64_t c_ms，sensor_info_t* p_psg）。

5 結(jié) 語(yǔ)

本文針對(duì)蝦稻綜合種養(yǎng)模式下克氏原鰲蝦（小龍蝦）生長(zhǎng)階段特異化水質(zhì)調(diào)控需求，開(kāi)發(fā)了一套物聯(lián)網(wǎng)環(huán)境監(jiān)測(cè)和設(shè)備控制終端及養(yǎng)殖水質(zhì)調(diào)控管理系統(tǒng)。后續(xù)將開(kāi)展自動(dòng)化調(diào)節(jié)養(yǎng)殖水體深度進(jìn)而調(diào)節(jié)養(yǎng)殖水溫的試驗(yàn)，主要是根據(jù)蝦稻養(yǎng)殖水體的實(shí)際水溫，加深養(yǎng)殖水體深度，調(diào)節(jié)水體溫度。通過(guò)將遠(yuǎn)程自動(dòng)化水泵納入管理云平臺(tái)，根據(jù)實(shí)時(shí)水溫參數(shù)實(shí)現(xiàn)水泵自動(dòng)化開(kāi)關(guān)，提升蝦稻管理的效率。另外，還考慮應(yīng)用無(wú)人旋翼機(jī)潑灑顆粒增氧劑的方式，提升蝦稻養(yǎng)殖溶解氧調(diào)控能力。