摘 要：目前，我國傳統(tǒng)水產(chǎn)養(yǎng)殖面臨著自然資源占用率高、環(huán)境污染嚴重、技術(shù)落后及養(yǎng)殖面積減少等問題。為實現(xiàn)智慧化水產(chǎn)養(yǎng)殖，基于窄帶物聯(lián)網(wǎng)（Narrow Band Internet of Things，NB-IoT）設(shè)計一款智慧水產(chǎn)養(yǎng)殖系統(tǒng)。該系統(tǒng)采用STM32F103ZET6單片機為核心處理器，搭配外圍電路及相應(yīng)傳感器實現(xiàn)復雜環(huán)境下的數(shù)據(jù)采集、處理功能，并對比閾值實現(xiàn)自動控制，采集的數(shù)據(jù)通過NB-IoT無線通信技術(shù)實時發(fā)送至云平臺，用戶可通過可視化界面直觀了解實時狀況并實現(xiàn)遠程控制。

關(guān)鍵詞：水產(chǎn)養(yǎng)殖；NB-IoT；數(shù)據(jù)采集；遠程控制

中圖分類號：TP302.1 文獻標志碼：A 文章編號：1674-7909-（2023）11-149-4

0 引言

現(xiàn)如今，我國普遍采用的水產(chǎn)養(yǎng)殖模式需要大量的自然資源和勞動力投入［1］。同時，水產(chǎn)養(yǎng)殖過程中易出現(xiàn)水質(zhì)惡化問題，使水產(chǎn)品的產(chǎn)量與品質(zhì)無法得到保障［2］。水產(chǎn)養(yǎng)殖戶若無法及時掌握養(yǎng)殖水體環(huán)境數(shù)據(jù)，則易影響水產(chǎn)養(yǎng)殖效益?；谡瓗锫?lián)網(wǎng)（Narrow Band Internet of Things，NB-IoT）的智慧水產(chǎn)養(yǎng)殖系統(tǒng)可著重解決以上問題，降低養(yǎng)殖成本，實現(xiàn)高產(chǎn)高質(zhì)養(yǎng)殖。

該系統(tǒng)以低功耗32位單片機STM32F103ZET6為控制核心，以NB-IoT無線通信技術(shù)為傳輸方式，將多傳感器組網(wǎng)結(jié)合，可實現(xiàn)復雜環(huán)境下多種環(huán)境數(shù)據(jù)采集，能將采集到的溫度、水位、pH值、溶氧量等數(shù)據(jù)通過可視化大屏直觀顯示，并運用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)發(fā)送至系統(tǒng)云端。水產(chǎn)養(yǎng)殖戶可以通過Web端設(shè)備和移動端設(shè)備對數(shù)據(jù)進行遠程實時監(jiān)測并對設(shè)備加以控制，實現(xiàn)智慧水產(chǎn)養(yǎng)殖系統(tǒng)閾值自動比較控制與人機交互遠程控制。

1 系統(tǒng)整體方案

隨著水產(chǎn)養(yǎng)殖業(yè)的不斷發(fā)展，水產(chǎn)養(yǎng)殖密度也越來越高，智能化養(yǎng)殖已經(jīng)是大勢所趨［3］。該系統(tǒng)采用32位單片機STM32F103ZET6進行信號處理，通過溶解氧傳感器、pH值傳感器、水位傳感器和溫度傳感器等多個傳感器進行多維度數(shù)據(jù)采集；當傳感器采集的數(shù)據(jù)不在系統(tǒng)設(shè)定的閾值范圍時，系統(tǒng)自動進行換水和增氧等操作，使之恢復正常水平［4］。同時，該系統(tǒng)通過NB-IoT模塊將數(shù)據(jù)上傳服務(wù)器，養(yǎng)殖人員可利用云平臺和客戶端查看水產(chǎn)養(yǎng)殖環(huán)境相關(guān)數(shù)據(jù)，并進行指令下發(fā)，可減少人工成本。

該系統(tǒng)總體分為硬件執(zhí)行控制端和軟件顯示控制端兩部分。硬件執(zhí)行控制端以STM32F103ZET6單片機為核心處理器，搭配外圍傳感器電路實現(xiàn)數(shù)據(jù)的采集、處理功能，定時將串口數(shù)據(jù)發(fā)送至NB-IoT接收端，實現(xiàn)數(shù)據(jù)實時“上云”。軟件顯示控制端由平臺可視化搭建和智能設(shè)備遠程控制兩部分構(gòu)成。平臺可視化搭建實現(xiàn)復雜數(shù)據(jù)展示，如水溫、pH值、溶解氧，水位等［5］。智能設(shè)備遠程控制利用物聯(lián)網(wǎng)平臺配置微信小程序，工作人員通過云端下發(fā)指令，對水泵、投食器等設(shè)備進行遠程控制。該系統(tǒng)具體架構(gòu)如圖1所示。

2 硬件執(zhí)行控制端設(shè)計

基于NB-IoT的智慧水產(chǎn)養(yǎng)殖系統(tǒng)硬件部分包含主控核心模塊及各類環(huán)境檢測傳感器，搭配外圍電路，對水產(chǎn)養(yǎng)殖環(huán)境相關(guān)指標的實時信息進行采集，芯片對傳回的數(shù)據(jù)信息進行ADC轉(zhuǎn)化、量化分析，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的及時、準確采集。利用STM32F103ZET6的串口（RX、RD）將采集到的數(shù)據(jù)傳輸至NB-IoT模塊，設(shè)置相應(yīng)的指令對數(shù)據(jù)實現(xiàn)“上云”操作，根據(jù)閾值設(shè)定實現(xiàn)增氧機、水泵、酸（堿）液泵等的自動控制。硬件模塊運行流程圖如圖2所示。

2.1 主控核心模塊設(shè)計

主控核心模塊選用STM32F103ZET6為主控芯片，其具有強大的計算性能，主頻達到了72 MHz，含有豐富的指令集和高效的指令執(zhí)行速度；具有豐富的外設(shè)接口，支持多種外設(shè)接口；具有大容量存儲空間，512 kB閃存和64 kB SRAM存儲器可以滿足大量數(shù)據(jù)存儲和處理的需求；具有低功耗設(shè)計，采用多種省電技術(shù)，如多級時鐘系統(tǒng)、低功耗待機模式等，可以有效降低功耗，延長電池壽命；具有多種保護機制，如堆棧保護、Flash存儲器保護等［6］。該芯片滿足智慧水產(chǎn)養(yǎng)殖系統(tǒng)的控制和監(jiān)控等功能需求，能夠保證水產(chǎn)養(yǎng)殖系統(tǒng)穩(wěn)定、可靠。

2.2 數(shù)據(jù)傳輸模塊設(shè)計

數(shù)據(jù)傳輸模塊是智慧水產(chǎn)養(yǎng)殖系統(tǒng)中至關(guān)重要的一部分，負責將傳感器采集到的環(huán)境數(shù)據(jù)通過網(wǎng)絡(luò)上傳至云平臺進行處理和分析［7］。該系統(tǒng)采用BC28模塊連接NB-IoT網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸。BC28模塊是一種高性能、低功耗的NB-IoT模塊，具有更好的兼容性和穩(wěn)定性，該系統(tǒng)適用于多種不同的應(yīng)用場景，具有較高的可擴展性。配置時所應(yīng)用的AT指令及其功能如表1所示。

2.3 溶解氧測量模塊設(shè)計

溶解氧是維持水生生物生命活動必不可少的要素［8］。如果水中溶解氧含量過低，會導致水生生物缺氧、生長緩慢、免疫力下降、死亡率增加；如果水中溶解氧含量過高，魚塘易富營養(yǎng)化，也會對水生生物造成傷害。

該系統(tǒng)選用膜式溶解氧傳感器，其采用特殊的膜層來隔離水與氧氣，通過檢測氧氣的擴散速度計算得出水中溶解氧的含量。該傳感器利用數(shù)字485通信輸出功能，能夠提供與水中氧的濃度成比例的毫伏輸出或4～20 mA電流輸出。

2.4 水位測量模塊設(shè)計

在水產(chǎn)養(yǎng)殖中，監(jiān)測水位對于水體管理至關(guān)重要。水位的變化會影響水體的氧氣含量、水溫、水流動速度等參數(shù)，進而影響魚類的存活和生長。

該系統(tǒng)采用壓力式水位傳感器監(jiān)測水位。該傳感器由測量元件和信號轉(zhuǎn)換器構(gòu)成。測量元件通常是一個液體密封容器，容器內(nèi)部裝有一個壓力傳感器和一個開口，開口通過導管與被測液體相連。當液位高度變化時，被測液體的壓力也會隨之改變，壓力傳感器便可以測量出這些壓力變化。

2.5 酸堿度測量模塊設(shè)計

在水產(chǎn)養(yǎng)殖中，水的酸堿度（pH值）是一個至關(guān)重要的參數(shù)。過高的pH值會導致水生動物的鰓部和皮膚受到腐蝕和損傷，過低的pH值則會影響水生動物的代謝和生長發(fā)育。

該系統(tǒng)采用可充式pH傳感器監(jiān)測水的pH值。該傳感器通過浸泡在液體中的pH電極測量水體中的氫離子濃度，進而計算出水的pH值。pH值傳感器使用前需要進行校準，依次將電極放入3種標準溶液中，記錄對應(yīng)的輸出電壓值（見圖3），此研究計算得到的標準曲線表達式為Y=-5.946 7x+22.255。用所得曲線表達式計算，即可得到水體的pH值。

2.6 溫度測量模塊設(shè)計

在水產(chǎn)養(yǎng)殖中，不同種類的水生生物對水溫的要求不同，水溫的變化也會影響水生生物的生長和健康［9］。水溫過低會減緩水生動物的新陳代謝和生長速度，而水溫過高則會影響其呼吸和消化系統(tǒng)的正常功能。

該系統(tǒng)采用DS18B20非浸入式溫度傳感器監(jiān)測水溫。該傳感器通過空氣或水面感知水的溫度變化，測量出水溫。相比傳統(tǒng)的浸入式溫度傳感器，該傳感器安裝更簡便，能夠避免傳感器被水污染［10］。

3 軟件顯示控制端設(shè)計

基于NB-IoT的智慧水產(chǎn)養(yǎng)殖系統(tǒng)的上位機以云服務(wù)器為中心，主要功能是接收下位機的上發(fā)數(shù)據(jù)并搭建Web平臺對數(shù)據(jù)進行展示，對水產(chǎn)養(yǎng)殖系統(tǒng)進行遠程監(jiān)控與控制。水產(chǎn)養(yǎng)殖系統(tǒng)管理人員可以在該平臺上對水產(chǎn)養(yǎng)殖系統(tǒng)的實時及歷史數(shù)據(jù)進行查看。

3.1 上位機可視化平臺設(shè)計搭建

利用Spring和Vue技術(shù)搭建系統(tǒng)平臺，通過網(wǎng)頁進行數(shù)據(jù)可視化顯示，搭配物聯(lián)網(wǎng)云平臺引入天氣預報API、水產(chǎn)養(yǎng)殖知識拓展等功能，開發(fā)設(shè)計實時顯示數(shù)據(jù)圖表、報警日志數(shù)據(jù)表格和監(jiān)測管理的可視化界面。用戶管理、信息管理頁面便于水產(chǎn)養(yǎng)殖管理人員查閱記錄數(shù)據(jù)。網(wǎng)頁顯示數(shù)據(jù)圖以動態(tài)曲線的方式顯示實時數(shù)據(jù)，并與科學養(yǎng)殖理論數(shù)據(jù)對比，以便養(yǎng)殖人員對養(yǎng)殖環(huán)境進行監(jiān)測與調(diào)控。

平臺的可視化數(shù)據(jù)分析模塊利用Python及其配套的數(shù)據(jù)分析工具完成數(shù)據(jù)分析，充分利用Python在常見的非計算密集的任務(wù)中節(jié)約開發(fā)時間的優(yōu)勢，減少項目開發(fā)時間。利用成熟的Hadoop工具和Zookeeper開發(fā)框架，通過Hive搭建數(shù)據(jù)倉庫，利用Kafka搭建消息處理流，實現(xiàn)總體化分析和預測，結(jié)合pH值、水溫及溶解氧含量等數(shù)據(jù)對養(yǎng)殖環(huán)境進行綜合評估，輔助養(yǎng)殖人員優(yōu)化養(yǎng)殖環(huán)境。

3.2 遠程監(jiān)測與控制

微信小程序?qū)儆谳p量級應(yīng)用程序。利用微信小程序開發(fā)助手對小程序進行開發(fā)、配置，寫入相應(yīng)的控制程序并提供相應(yīng)的控制接口，可高效地完成對智慧水產(chǎn)養(yǎng)殖系統(tǒng)的控制和管理。同時，通過調(diào)用物聯(lián)網(wǎng)平臺接口，將水產(chǎn)養(yǎng)殖數(shù)據(jù)的實時信息展示在智能設(shè)備和網(wǎng)頁端上，養(yǎng)殖人員可以通過手機、電腦等設(shè)備遠程監(jiān)測和管理養(yǎng)殖過程，實現(xiàn)養(yǎng)殖過程的可視化和可控化。在硬件控制端，利用舵機、步進電機、繼電器等電機裝置帶動水泵、閘門、投食器等設(shè)備工作，從而有效地解放生產(chǎn)力，提高水產(chǎn)養(yǎng)殖的效率與質(zhì)量。遠程監(jiān)測與控制模塊示意圖如圖4所示。

4 系統(tǒng)應(yīng)用情況與可推廣性

經(jīng)測試，該系統(tǒng)在多種復雜環(huán)境條件下具有穩(wěn)定性強、智能化、高效性等特點。該系統(tǒng)采集數(shù)據(jù)的準確性和實時性有較高的保障，系統(tǒng)的自動控制功能也能有效地控制養(yǎng)殖環(huán)境的各項指標，提高了養(yǎng)殖效率。用戶可以利用該系統(tǒng)遠程監(jiān)測和控制養(yǎng)殖環(huán)境，有效地提高了生產(chǎn)效率和產(chǎn)品質(zhì)量，降低了人工成本和環(huán)境污染。該系統(tǒng)可以廣泛應(yīng)用于水產(chǎn)養(yǎng)殖行業(yè)，特別適用于養(yǎng)殖密度較高的場景，如養(yǎng)殖池、養(yǎng)殖塘等。

該系統(tǒng)采用通用的STM32F103ZET6單片機和NB-IoT無線通信技術(shù)，具有很強的可擴展性和可定制性。同時，該系統(tǒng)的硬件設(shè)計和軟件設(shè)計為模塊化結(jié)構(gòu)，方便用戶根據(jù)實際需求進行改進。此外，該系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集和處理功能適用于多種不同的水產(chǎn)養(yǎng)殖環(huán)境和場景，具有很強的通用性和適應(yīng)性。因此，該系統(tǒng)具有很大的推廣潛力。

5 結(jié)語

針對我國傳統(tǒng)水產(chǎn)養(yǎng)殖面臨的問題，筆者開發(fā)出了一種基于NB-IoT的智慧水產(chǎn)養(yǎng)殖系統(tǒng)。該系統(tǒng)主控單元采用STM32F103ZET6微控制器，控制外圍電路和傳感器數(shù)據(jù)的采集、發(fā)送，實現(xiàn)自動化控制；采用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，將處理后的信息通過NB-IoT無線通信技術(shù)發(fā)送至物聯(lián)網(wǎng)平臺；通過可視化界面，讓用戶了解到魚塘實時信息、對魚塘進行遠程管理，從而實現(xiàn)高質(zhì)量的現(xiàn)代化水產(chǎn)養(yǎng)殖。該系統(tǒng)將物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、智能檢測和智能控制有機結(jié)合，可為水產(chǎn)養(yǎng)殖行業(yè)的智能化、規(guī)范化、科學化發(fā)展提供有力的技術(shù)支持。

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基金項目：2022年江西省大學生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓練計劃項目“基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的智慧水產(chǎn)養(yǎng)殖系統(tǒng)”（S202210404030）；2021年江西省教育廳科學技術(shù)研究項目“面向山地果園監(jiān)測的異構(gòu)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的關(guān)鍵技術(shù)研究”（GJJ210610）。

作者簡介：張昱恒（2002—），男，本科生，研究方向：物聯(lián)網(wǎng)硬件開發(fā)。

通信作者：黃德昌（1983—），男，碩士，高級實驗師，研究方向：物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)。