陳小琳，劉乃森，尹思慧，黃鴻兵，劉慧，張文宇，曹靜*

（1.江蘇省農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)信息研究所，江蘇 南京 210014；2.淮陰師范學(xué)院，江蘇 淮安 223300；3.江蘇省淡水水產(chǎn)研究所，江蘇南京 210017；4.仲愷農(nóng)業(yè)工程學(xué)院農(nóng)業(yè)與生物學(xué)院，廣東 廣州 510225；5.淮安生物工程高等職業(yè)學(xué)校，江蘇 淮安 223232）

小龍蝦（Procambarus clarkii）是甲殼綱、十足目、螯蝦科水生動(dòng)物。也稱克氏原螯蝦、紅螯蝦和淡水小龍蝦，為淡水經(jīng)濟(jì)蝦類。具有肉質(zhì)鮮美、雜食性、生長(zhǎng)速度快、繁殖和適應(yīng)能力強(qiáng)、養(yǎng)殖周期短、投入成本低等特點(diǎn)[1]，迅速成為我國重要的水產(chǎn)經(jīng)濟(jì)動(dòng)物。然而，因受外界環(huán)境[2]、高密度養(yǎng)殖等因素影響，養(yǎng)殖水質(zhì)的變化直接影響了小龍蝦的生長(zhǎng)和收獲時(shí)間，從而影響小龍蝦產(chǎn)量、品質(zhì)和養(yǎng)殖戶的收益[3]。因此，需要準(zhǔn)確、快速、實(shí)時(shí)地監(jiān)測(cè)養(yǎng)殖小龍蝦的水質(zhì)，及時(shí)采取措施對(duì)水質(zhì)進(jìn)行調(diào)控。

傳統(tǒng)的水質(zhì)監(jiān)測(cè)方法主要依賴于人工實(shí)地取樣、實(shí)驗(yàn)室分析測(cè)試，費(fèi)時(shí)費(fèi)力，時(shí)效性差，影響水質(zhì)調(diào)控效果，不能滿足目前健康養(yǎng)殖的需求。目前，隨著信息技術(shù)的不斷發(fā)展，水產(chǎn)養(yǎng)殖水質(zhì)監(jiān)測(cè)已由人工監(jiān)測(cè)階段發(fā)展到了自動(dòng)監(jiān)測(cè)階段。國內(nèi)外專家學(xué)者針對(duì)水產(chǎn)養(yǎng)殖環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)進(jìn)行了大量研究[4-8]。江先亮[9]等基于無人船，設(shè)計(jì)了一種水產(chǎn)養(yǎng)殖水質(zhì)動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，改進(jìn)了監(jiān)測(cè)覆蓋范圍小和監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)部署不靈活的問題；Stavrakidis-Zachou 等[10]設(shè)計(jì)了一套用于模擬氣候狀況對(duì)水產(chǎn)養(yǎng)殖影響的決策系統(tǒng)，對(duì)養(yǎng)殖戶的生產(chǎn)提供了幫助；錢平等[11]設(shè)計(jì)了一種基于窄帶物聯(lián)網(wǎng)養(yǎng)殖遠(yuǎn)程水質(zhì)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)采集、水質(zhì)監(jiān)測(cè)和管理功能。目前的水產(chǎn)養(yǎng)殖水質(zhì)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)各具特點(diǎn)，但或多或少存在布設(shè)傳感器種類繁多、需要定期人工清洗或更換電池、監(jiān)測(cè)位置不靈活、部署成本偏高、操作煩瑣、無法實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)一體化監(jiān)測(cè)等問題。現(xiàn)設(shè)計(jì)了一種自帶清潔功能的水質(zhì)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，監(jiān)測(cè)位置靈活、方便部署、操作簡(jiǎn)便，利用太陽能供電，能遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)溶解氧、pH 值、氧化還原電位（ORP）、電導(dǎo)率/鹽度、氨氮、濁度6 個(gè)參數(shù)，方便養(yǎng)殖戶對(duì)養(yǎng)殖水質(zhì)實(shí)時(shí)、高效、準(zhǔn)確把握，為水質(zhì)調(diào)控和小龍蝦養(yǎng)殖生產(chǎn)管理提供技術(shù)支撐。

1 系統(tǒng)整體架構(gòu)

基于多參數(shù)傳感器的克氏原螯蝦養(yǎng)殖水質(zhì)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)主要由感知層、傳輸層以及應(yīng)用層組成。

感知層利用多種水質(zhì)參數(shù)傳感器對(duì)養(yǎng)殖水體進(jìn)行監(jiān)測(cè)，傳輸層將感知層采集到的水質(zhì)數(shù)據(jù)，通過相應(yīng)傳輸協(xié)議傳輸給應(yīng)用層，應(yīng)用層將感知層采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行整合分析，呈現(xiàn)給養(yǎng)殖戶，便于養(yǎng)殖戶進(jìn)行相關(guān)的操作。

監(jiān)測(cè)系統(tǒng)可以通過接收指令采集水質(zhì)數(shù)據(jù)，也可定時(shí)采集數(shù)據(jù)。監(jiān)測(cè)系統(tǒng)使用NB-IOT 模塊與外界通信，用戶可通過網(wǎng)站或手機(jī)發(fā)送采集指令。當(dāng)NB-IOT 模塊接收到外界信息后，控制模塊對(duì)信息進(jìn)行解碼、校驗(yàn)，確定為采集指令后，控制傳感器采集水質(zhì)數(shù)據(jù)，將數(shù)據(jù)編碼后通過NB-IOT模塊發(fā)送給到服務(wù)器，服務(wù)器會(huì)將數(shù)據(jù)推送給養(yǎng)殖戶的手機(jī)APP。系統(tǒng)由太陽能供電。系統(tǒng)架構(gòu)見圖1。

圖1 系統(tǒng)架構(gòu)

2 硬件設(shè)計(jì)

2.1 硬件電路

水質(zhì)數(shù)據(jù)采集模塊包括水溫傳感器、溶解氧傳感器、pH 值傳感器、氨氮傳感器、電導(dǎo)率傳感器、自動(dòng)清洗器以及MSP430G2553 微控制器、RS232/RS485 轉(zhuǎn)換使用芯片MAX3160。MSP430G2553 微控制器與其他部件的通信使用RS232，因RS232 的通信距離較近，所以水質(zhì)參數(shù)傳感器使用RS485 通信，系統(tǒng)中RS232 與RS485 通信由相關(guān)芯片負(fù)責(zé)轉(zhuǎn)換，系統(tǒng)使用太陽能板和儲(chǔ)能電池為采集供電。MSP430G2553 微控制器使用RS232 與通信模塊傳輸信息，通信模塊使用Modbus/RTU 通訊協(xié)議與外界通信。系統(tǒng)的硬件電路設(shè)計(jì)見圖2。

圖2 硬件電路

MSP430G2553 微控制器中寫有控制軟件，軟件的工作流程見圖3。軟件實(shí)現(xiàn)了2 種數(shù)據(jù)采集模式，分別為定時(shí)采集和指令采集，系統(tǒng)可同時(shí)工作在定時(shí)模式和指令模式，也可單獨(dú)工作于其中一種模式。當(dāng)工作在定時(shí)采集模式時(shí)，軟件會(huì)啟動(dòng)定時(shí)器，當(dāng)定時(shí)時(shí)間到，控制設(shè)備自動(dòng)清洗傳感器，隨后依次采集水溫、溶解氧、pH 值、氨氮和電導(dǎo)率等數(shù)據(jù)，采集完成后對(duì)數(shù)據(jù)編碼并向外發(fā)送，等待下一次定時(shí)時(shí)間到。當(dāng)系統(tǒng)接收到信息后，對(duì)信息校驗(yàn)、解碼，如果為采集指令，則控制傳感器采集水質(zhì)數(shù)據(jù)，如果不是有效的采集指令，則無動(dòng)作執(zhí)行。

圖3 硬件嵌入式程序的工作流程

2.2 機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

機(jī)械結(jié)構(gòu)包括浮體、支架、太陽能板、儀表盒，主要機(jī)械結(jié)構(gòu)見圖4。浮體的密度小，浮力大，為其他機(jī)械部件提供支撐。支架由多個(gè)部件組裝而成，部件間多以長(zhǎng)條形的滑孔配合螺絲固定，該設(shè)計(jì)可兼容安裝不同尺寸的太陽能板、儀表盒。太陽能板安裝在支架的上表面，儲(chǔ)能電池以及控制電路安裝于儀表盒內(nèi)，儀表盒的安裝位置在太陽能板的正下方，太陽能板可為儀表盒遮光，避免了陽光直射，使得儀表盒內(nèi)的溫度略低于氣溫，同時(shí)該安裝位置也了方便了檢修維護(hù)。支架的立柱共有4 個(gè)，其中兩個(gè)立柱上設(shè)置有掛載傳感器的固定孔，這兩個(gè)立柱在浮體上處于對(duì)稱位置，保證了掛載傳感器后整個(gè)設(shè)備的重心在浮體中心的正下方，以維持設(shè)備在水面漂浮時(shí)的穩(wěn)定性。立柱上固定孔有3 個(gè)，位于不同的高度，可方便的調(diào)整傳感器在水中的深度。

圖4 主要機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

3 軟件設(shè)計(jì)

傳感器采集到的數(shù)據(jù)，由環(huán)境傳感數(shù)據(jù)可視化系統(tǒng)（ESDVS）V1.0（以下簡(jiǎn)稱為可視化系統(tǒng)）進(jìn)行存儲(chǔ)?？梢暬到y(tǒng)要求計(jì)算機(jī)處理器主頻1 GHz 以上，內(nèi)存需4 G 以上，硬盤可用空間2 G 以上；需要有Microsoft Windows 7/8/8.1/10，Microsoft Server 2008/2008 R2/2012/2012 R2/2016/2019 等操作系統(tǒng)，裝有NET Framework 4.8。

可視化系統(tǒng)主服務(wù)通過監(jiān)聽90 端口，實(shí)時(shí)獲取環(huán)境傳感器通過TCP 協(xié)議發(fā)回的數(shù)據(jù)流。服務(wù)程序會(huì)以純文本格式，按精確到10-7s 的時(shí)間戳為文件名，存儲(chǔ)在Temp 文件夾下。服務(wù)會(huì)將日志存儲(chǔ)于ServiceLog.txt 文件內(nèi)。備份服務(wù)與主原理相同，但僅在監(jiān)測(cè)到離線的情況下接收數(shù)據(jù)并存儲(chǔ)。

3.1 瀏覽概覽

輸入設(shè)置的網(wǎng)址，概覽頁即顯示在瀏覽器中，見圖5。用戶可在概覽頁中查看目前環(huán)境感知傳感器個(gè)數(shù)、布設(shè)的試驗(yàn)點(diǎn)數(shù)目、目前服務(wù)器狀況、本日、本月和總數(shù)據(jù)量。在傳感器列表中，可瀏覽傳感器所在試驗(yàn)點(diǎn)、接入日期和目前狀態(tài)。點(diǎn)擊傳感器編號(hào)或試驗(yàn)點(diǎn)名稱，即可導(dǎo)航到對(duì)應(yīng)傳感器或試驗(yàn)點(diǎn)。

圖5 概覽頁面

3.2 瀏覽試驗(yàn)點(diǎn)

在概覽頁點(diǎn)擊試驗(yàn)點(diǎn)名稱或任意頁面，點(diǎn)擊左側(cè)導(dǎo)航欄中試驗(yàn)點(diǎn)節(jié)點(diǎn)，即可展開所有試驗(yàn)點(diǎn)，點(diǎn)擊任意試驗(yàn)點(diǎn)可查看試驗(yàn)點(diǎn)名稱、經(jīng)緯度、建立時(shí)間、試驗(yàn)點(diǎn)布設(shè)的所有傳感器編號(hào)、接入日期和當(dāng)前狀態(tài)。點(diǎn)擊傳感器編號(hào)可導(dǎo)航到傳感器頁面（圖6）。

圖6 試驗(yàn)點(diǎn)頁面

3.3 瀏覽傳感器

在概覽頁點(diǎn)擊傳感器編號(hào)或任意頁面，點(diǎn)擊左側(cè)導(dǎo)航欄中傳感器節(jié)點(diǎn)，即可展開所有傳感器，點(diǎn)擊任意傳感器可查看傳感器所在試驗(yàn)點(diǎn)、安裝時(shí)間、目前狀態(tài)和24 h 內(nèi)空氣溫濕度、土壤溫度和含水量、照度和二氧化碳、大氣壓等環(huán)境數(shù)據(jù)圖。點(diǎn)擊傳感器編號(hào)可導(dǎo)航到傳感器頁面（圖7）。

圖7 傳感器頁面

3.4 手機(jī)界面

為了能隨時(shí)隨地查看相關(guān)信息，同時(shí)開發(fā)了手機(jī)端，可以直觀地查看所測(cè)量的數(shù)據(jù)，并簡(jiǎn)單地做出判斷。手機(jī)端界面見圖8。

圖8 環(huán)境感知數(shù)據(jù)可視化系統(tǒng)手機(jī)端

4 系統(tǒng)應(yīng)用

該系統(tǒng)于2022 年9 月—5 日，在江蘇省淡水水產(chǎn)研究所浦口以及揚(yáng)中基地，進(jìn)行了示范與應(yīng)用。結(jié)果表明，能夠滿足實(shí)際使用需求。

5 討論

基于多參數(shù)傳感器的克氏原螯蝦養(yǎng)殖水質(zhì)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，在養(yǎng)殖基地進(jìn)行了示范應(yīng)用，結(jié)果表明，遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)的數(shù)據(jù)變化趨勢(shì)與實(shí)際變化趨勢(shì)一致，能滿足對(duì)養(yǎng)殖水質(zhì)實(shí)時(shí)、高質(zhì)量和準(zhǔn)確的把握，為水質(zhì)調(diào)控和克氏原螯蝦養(yǎng)殖生產(chǎn)管理提供了技術(shù)支撐。

該系統(tǒng)利用浮漂裝置，在上面搭載太陽能，有效解決了監(jiān)測(cè)位置不靈活、部署成本偏高、需要更換電池等問題。同時(shí)多參數(shù)水質(zhì)傳感器上還配備了自動(dòng)清洗裝置，可以設(shè)定自動(dòng)清洗間隔時(shí)間和自動(dòng)清洗圈數(shù)，以適應(yīng)不同清潔程度的水體。自動(dòng)清洗裝置可以有效清潔傳感器表面，防止微生物附著，減少了維護(hù)成本。除此之外，前端的傳感器保護(hù)罩用來保護(hù)內(nèi)部傳感器避免損壞，保護(hù)罩四周開有槽孔，可以有效預(yù)防大的懸浮顆粒和生物對(duì)傳感器探頭的破壞，同時(shí)不會(huì)影響測(cè)量的準(zhǔn)確性。

本系統(tǒng)只能對(duì)水質(zhì)進(jìn)行遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)并做出簡(jiǎn)單的判斷，還未做到對(duì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理后，發(fā)送指令給相對(duì)應(yīng)的養(yǎng)殖設(shè)備，實(shí)現(xiàn)智能控制，需要在今后的研究中進(jìn)行拓展和完善。