饒湘日，伍鵬坤，匡 杰，丁 琳

（南華大學(xué)，湖南 衡陽 420000）

0 引言

我國(guó)是世界上最大的水產(chǎn)養(yǎng)殖生產(chǎn)國(guó)，而且漁業(yè)養(yǎng)殖規(guī)模仍在不斷擴(kuò)大，在2022 年，我國(guó)水產(chǎn)品總產(chǎn)量達(dá)6 865.91 萬t，比上一年增長(zhǎng)2.62%。然而，我國(guó)現(xiàn)有的水產(chǎn)養(yǎng)殖方式多是傳統(tǒng)化、粗放式養(yǎng)殖，需要消耗大量的人力、物力和財(cái)力，主要有三大弊端：水質(zhì)全憑感覺、喂養(yǎng)全憑經(jīng)驗(yàn)、增氧全憑手控。而智慧化、集約化水產(chǎn)養(yǎng)殖模式可以解決以上三大問題，以智慧化水產(chǎn)養(yǎng)殖模式取代傳統(tǒng)水產(chǎn)養(yǎng)殖模式勢(shì)在必行，今后應(yīng)用傳感器相關(guān)技術(shù)對(duì)水產(chǎn)飼養(yǎng)系統(tǒng)來說已成為主流的發(fā)展方向。中華人民共和國(guó)財(cái)政部在2022 年11 月發(fā)布了一系列文件[1]，其中著重指出，要以高質(zhì)量發(fā)展為主題，持續(xù)深化改革，促進(jìn)漁業(yè)高質(zhì)高效、漁區(qū)宜居宜業(yè)、漁民富裕富足。

傳感器技術(shù)是指能夠?qū)χ車h(huán)境或者特殊物質(zhì)進(jìn)行感知，將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，之后交給中央處理器進(jìn)行處理，最終形成各種有效數(shù)據(jù)并顯示出來的技術(shù)[2]。隨著傳感器技術(shù)的迅速發(fā)展，國(guó)內(nèi)許多學(xué)者對(duì)智慧水產(chǎn)養(yǎng)殖做了很多的研究。史兵等[3]于2011 年研制出一套基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的大型水產(chǎn)養(yǎng)殖智能監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，可有效地提高水質(zhì)指標(biāo)的控制準(zhǔn)確度。2014 年中國(guó)科技大學(xué)的胡曉波研究小組[4]，結(jié)合ZigBee 和嵌入式ARM，研發(fā)出一套水產(chǎn)養(yǎng)殖水體實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)與控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)養(yǎng)殖水體水質(zhì)參數(shù)采集和系統(tǒng)分析同步進(jìn)行，并根據(jù)相應(yīng)的分析結(jié)果進(jìn)行自動(dòng)調(diào)整，以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控與自動(dòng)控制，實(shí)現(xiàn)智能化科學(xué)養(yǎng)殖。

但過去的研究主要是針對(duì)單一指標(biāo)控制、WSN信息采集等方面，缺少系統(tǒng)性與整體性，且所開發(fā)的監(jiān)控與控制系統(tǒng)具有精度與智能化水平不高、缺少系統(tǒng)間的協(xié)作與操作能力不足等弊端，使得其推廣與應(yīng)用效果不佳。本文針對(duì)以上問題，設(shè)計(jì)開發(fā)了一套高度一體化的智慧漁業(yè)飼養(yǎng)系統(tǒng)，可提高養(yǎng)殖戶的養(yǎng)殖效率，以實(shí)現(xiàn)科學(xué)養(yǎng)殖。系統(tǒng)以傳感器技術(shù)為核心、結(jié)合LoRa 無線通信模塊、無線傳感器網(wǎng)絡(luò)模塊、PLC 控制器模塊等，實(shí)現(xiàn)對(duì)魚塘pH、TEM 溫度等指標(biāo)進(jìn)行實(shí)時(shí)精確監(jiān)測(cè)和智能調(diào)節(jié)，養(yǎng)殖戶可隨時(shí)通過Android 端查看水質(zhì)狀況并遠(yuǎn)程控制調(diào)控裝置，同時(shí)，該系統(tǒng)還具有可查詢國(guó)家漁業(yè)養(yǎng)殖大數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)平臺(tái)中的數(shù)據(jù)等功能。

1 基于傳感器技術(shù)的智慧漁業(yè)飼養(yǎng)系統(tǒng)總體框架

1.1 系統(tǒng)物聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)

智慧漁業(yè)飼養(yǎng)系統(tǒng)采用物聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)[5-8]的四層結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，即感知層、傳輸層、平臺(tái)層和應(yīng)用層，如圖1 所示。采用分層、分布式形式分析系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，此分析法能更好地優(yōu)化系統(tǒng)管理結(jié)構(gòu)，提高生產(chǎn)效率，降低養(yǎng)殖成本，使系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)一體化管理，且有助于提高系統(tǒng)可擴(kuò)展性。

圖1 系統(tǒng)物聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)

感知層是整個(gè)物聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。通過部署大量水質(zhì)傳感節(jié)點(diǎn)，如DO 溶解氧傳感節(jié)點(diǎn)、TEM溫度傳感節(jié)點(diǎn)，進(jìn)行數(shù)字化、自動(dòng)化控制和監(jiān)控，再將采集到的數(shù)據(jù)通過ZigBee 發(fā)送給匯聚節(jié)點(diǎn)。同時(shí)接收匯聚節(jié)點(diǎn)發(fā)來的控制信息，控制三大調(diào)控裝置工作。感知層相當(dāng)于人體的感覺器官。

傳輸層主要負(fù)責(zé)傳遞和處理感知層的信息。匯聚節(jié)點(diǎn)接收經(jīng)ZigBee 轉(zhuǎn)發(fā)來的感知層采集信息，進(jìn)行數(shù)據(jù)融合等處理后通過ZigBee 傳輸?shù)桨哆叺闹悄芫W(wǎng)關(guān)，智能網(wǎng)關(guān)再通過LoRa 無線通信模塊將信息及時(shí)、高效地傳輸?shù)狡脚_(tái)層。同時(shí)接收平臺(tái)層的數(shù)據(jù)指令，再向下控制感知層的設(shè)備。傳輸層相當(dāng)于人體的傳輸神經(jīng)。

平臺(tái)層的功能是實(shí)現(xiàn)底層的管控一體化，并為上層提供統(tǒng)一接口，起到承上啟下的作用。通過數(shù)據(jù)挖掘、云計(jì)算、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、濾波處理等方法對(duì)下層的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，為上層提供系統(tǒng)管理、數(shù)據(jù)查看、遠(yuǎn)程控制、報(bào)警處理等功能。平臺(tái)層相當(dāng)于人體的神經(jīng)中樞。

應(yīng)用層的主要任務(wù)是對(duì)信息進(jìn)行處理與決策。通過數(shù)據(jù)挖掘等方法，找到有價(jià)值的信息，并將其合理運(yùn)用于智慧漁業(yè)，創(chuàng)造更多社會(huì)價(jià)值。應(yīng)用層是物聯(lián)網(wǎng)的最終目標(biāo)。

1.2 系統(tǒng)總體框架

本項(xiàng)目智慧漁業(yè)飼養(yǎng)系統(tǒng)由水質(zhì)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)、智能調(diào)控系統(tǒng)、遠(yuǎn)程管控平臺(tái)三部分組成，系統(tǒng)總體框架如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)總體框架圖

水質(zhì)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)，由水質(zhì)監(jiān)測(cè)傳感節(jié)點(diǎn)、匯聚節(jié)點(diǎn)和ZigBee 通信模塊三部分組成。各水質(zhì)傳感器節(jié)點(diǎn)均勻分布于養(yǎng)殖場(chǎng)，通過自組織多跳的方式構(gòu)成無線傳感器網(wǎng)絡(luò)，全覆蓋監(jiān)測(cè)水質(zhì)環(huán)境，得到養(yǎng)殖場(chǎng)的DO 溶解氧、TEM 溫度等實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，并通過ZigBee 將數(shù)據(jù)集中發(fā)送至匯聚節(jié)點(diǎn)，在匯聚節(jié)點(diǎn)進(jìn)行數(shù)據(jù)融合處理后再轉(zhuǎn)發(fā)至智能網(wǎng)關(guān)。

智能調(diào)控系統(tǒng)由智能增氧機(jī)、智能投料機(jī)、水泵、PLC 控制器[9]等組成。在增氧方面，PLC 控制器可將預(yù)設(shè)值與當(dāng)前水質(zhì)溶解氧數(shù)值進(jìn)行比較后判斷是否進(jìn)行智能調(diào)控，當(dāng)檢測(cè)到含氧量低于正常值時(shí)開啟裝置工作。也可通過App 手動(dòng)對(duì)PLC 控制器進(jìn)行實(shí)時(shí)或定時(shí)調(diào)控，進(jìn)而控制不同增氧機(jī)的工作強(qiáng)度。投料、換水與增氧類似，當(dāng)PLC 控制器接收到指令后可以修改智能投料機(jī)內(nèi)重量傳感器數(shù)值，從而實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)投料。當(dāng)系統(tǒng)監(jiān)測(cè)的TUR 水體渾濁度數(shù)值高于設(shè)定值時(shí)，即可通知養(yǎng)殖戶控制水泵進(jìn)行換水操作。

遠(yuǎn)程管控平臺(tái)由Android 端、智能網(wǎng)關(guān)、LoRa 通信模塊等組成。Android 端接收經(jīng)LoRa 通信模塊轉(zhuǎn)發(fā)來的智能網(wǎng)關(guān)數(shù)據(jù)，養(yǎng)殖戶可通過App 查看監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)信息，查找國(guó)家漁業(yè)養(yǎng)殖大數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)平臺(tái)中的魚群生命周期信息，接收系統(tǒng)檢測(cè)異常時(shí)的報(bào)警信息，也可發(fā)送遠(yuǎn)程控制指令到智能網(wǎng)關(guān)，最終實(shí)現(xiàn)控制相關(guān)硬件裝置的啟停等操作。

2 硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 水質(zhì)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1.1 DO含氧量傳感器設(shè)計(jì)

溶解氧（DO）指的是在1 L 水中以毫克為單位計(jì)算的溶解的氧氣，是衡量水質(zhì)優(yōu)劣的重要指標(biāo)。單紅[10]的研究表明，溶解氧是維持魚群生理功能的基礎(chǔ)，影響魚的活性，在一定范圍內(nèi)含氧量越高，魚群越活躍，攝食欲望越強(qiáng)烈。

溶解氧的檢測(cè)方法有碘量法、膜電極法和熒光檢測(cè)法[11]三種。碘量法是利用氧分子將錳離子從二價(jià)氧化成四價(jià)，碘離子還原成碘分子，再用淀粉滴定，根據(jù)滴定量測(cè)出水體中的溶解氧含量。膜電極法[11]是利用氧分子在膜上擴(kuò)散的特性，并結(jié)合電解池的氧化還原反應(yīng)，使溶解氧的濃度與電子移動(dòng)數(shù)成正比，測(cè)出電流即可得出溶解氧濃度。熒光檢測(cè)法是利用熒光猝熄效應(yīng)，即熒光物質(zhì)與溶解氧反應(yīng)導(dǎo)致熒光強(qiáng)度減弱，而熒光強(qiáng)度減弱程度與溶解氧濃度呈線性關(guān)系。

由于碘量法測(cè)量需耗費(fèi)大量化學(xué)試劑且檢測(cè)時(shí)間長(zhǎng)，而熒光檢測(cè)法傳感膜制作困難、成本高，綜合考慮，本系統(tǒng)選用的是更適合實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)的三電極型溶解氧膜電極法。曾永權(quán)等[12]的研究表明，三電極型體系具有穩(wěn)定性好、精度高、量程廣等特點(diǎn)。工作電極為金，輔助電極為鉑，參比電極為銀-氯化銀。加入?yún)⒈入姌O可以使傳感器快速達(dá)到平衡狀態(tài)。

參比電極和輔助電極間的電流值與參比電極和工作電極間流過的電流值相等，調(diào)節(jié)參比電極電位可使電子移動(dòng)快速達(dá)到平衡。得出的電流值進(jìn)行溫度補(bǔ)償后即可算出溶解氧濃度。此方法能準(zhǔn)確測(cè)量含氧量，并且具有使用維護(hù)方便、穩(wěn)定性好等優(yōu)點(diǎn)。

2.1.2 TEM 溫度傳感器設(shè)計(jì)

魚類是變溫動(dòng)物，溫度不僅影響它們的生長(zhǎng)發(fā)育，同時(shí)也影響魚類的成熟和產(chǎn)卵，淡水魚適宜的水溫一般在15 ℃~25 ℃[13]。中國(guó)水產(chǎn)科學(xué)研究院淡水漁業(yè)研究中心的習(xí)丙文等[14]在2021 年的研究報(bào)告中表明，當(dāng)水溫適宜時(shí)，魚的運(yùn)動(dòng)機(jī)能最強(qiáng)，食欲旺盛。

目前農(nóng)業(yè)測(cè)溫主要使用的是銅熱電阻和鉑熱電阻，原理是利用材料電阻值隨溫度的變化而呈函數(shù)式變化的特性，從而測(cè)出溫度。由于銅電阻有體積大、穩(wěn)定性較差、測(cè)量精度不高等缺點(diǎn)，而鉑電阻有穩(wěn)定性強(qiáng)、靈敏度高、測(cè)量精確等優(yōu)點(diǎn)，所以鉑是當(dāng)前農(nóng)業(yè)中較理想的材料。本系統(tǒng)采用四引線制鉑電阻PT100 作為溫度傳感器材料。測(cè)量范圍為-200℃~+500 ℃，其阻值隨溫度變化呈近似線性關(guān)系[11]。

溫度范圍在-200 ℃~0 ℃時(shí)，其阻值隨溫度的變化關(guān)系如下：

溫度范圍為0 ℃~500 ℃時(shí)，其阻值隨溫度的變化關(guān)系如下：

式中，Rt為t℃下鉑電阻的阻值，R0為0 ℃下鉑電阻的阻值，A、B、C均為溫度常數(shù)，其中A=3.908 3×10-3，B=-5.775×10-7，C=-4.183×10-12。

由于熱電阻的引線電阻也會(huì)隨溫度變化而變化，從而對(duì)測(cè)量結(jié)果有影響，胡鵬程等[15]的研究表明四引線制電路可以消除此影響，所以本系統(tǒng)采用四引線制測(cè)量鉑熱電阻的電阻值，電路圖如圖3 所示，四線分別接在電流和電壓回路處，r1、r4引起的電壓不會(huì)影響測(cè)量，r2、r3導(dǎo)線上近似短路，無電流通過，所以四根導(dǎo)線的電阻對(duì)測(cè)量都沒有影響，鉑熱電阻的阻值可由測(cè)得的電壓和電流求出，即：

圖3 四線制電路圖

2.1.3 pH酸堿度傳感器設(shè)計(jì)

pH 值也是魚塘中一項(xiàng)必須監(jiān)測(cè)的水質(zhì)指標(biāo)，杭州農(nóng)業(yè)局的唐黎標(biāo)[16]的研究表明，pH 值對(duì)魚的生長(zhǎng)、發(fā)育和繁殖等有著不同程度的影響，pH 值為7.5~8.5 是魚類生存的最佳條件。溶液pH 的常用測(cè)量方法有電位分析法和光學(xué)檢測(cè)法，電位分析法[17]是利用原電池的電動(dòng)勢(shì)變化進(jìn)行測(cè)量。由于指示電極的電位與待測(cè)離子濃度有關(guān)，則電動(dòng)勢(shì)的變化由待測(cè)溶液的離子濃度決定。光學(xué)檢測(cè)法[18]是根據(jù)特定的指示劑與待測(cè)溶液發(fā)生顯色反應(yīng)，通過生成物顏色深淺判斷溶液pH值。

由于光學(xué)檢測(cè)法無法準(zhǔn)確實(shí)時(shí)檢測(cè)pH 值，電位分析法具有能實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)且測(cè)量精確的優(yōu)點(diǎn)，所以本系統(tǒng)采用電位分析法實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)pH。用玻璃電極作為指示電極，甘汞電極作為參比電極形成電池的兩極，通過測(cè)量電動(dòng)勢(shì)的大小來進(jìn)行pH 的測(cè)量。參比電極的作用是提供穩(wěn)定的電動(dòng)勢(shì)參考點(diǎn)，用于校正和補(bǔ)償玻璃電極的測(cè)量誤差，使測(cè)量更精確。甘汞電極內(nèi)充飽和氯化鉀溶液，由能斯特方程可知，當(dāng)氯離子濃度和溫度一定時(shí)，參比電極電位En一定。玻璃膜由SiO2和Na2O 組成，其中鈉離子可以進(jìn)行電荷的傳導(dǎo)，當(dāng)玻璃電極與水溶液接觸時(shí)，玻璃膜中的鈉離子與水中氫離子發(fā)生交換反應(yīng)，使玻璃膜的內(nèi)外分別形成了E1和E2兩個(gè)電位，從而產(chǎn)生電位差，此時(shí)玻璃電極的電位可以表示為：

再由能斯特方程可得：

式中，Em為玻璃電極的電位，R、T、F均為常數(shù)，C(H+)為待測(cè)溶液的氫離子濃度，E(T)是玻璃電極內(nèi)電壓隨溫度變化的函數(shù)。

Em值由C(H+)和溫度決定。玻璃電極電位與參比電極電位相減即可得到絕對(duì)電壓，絕對(duì)電壓不受溫度影響，只與溶液的氫離子濃度相關(guān)，再由能斯特方程可得待測(cè)溶液中準(zhǔn)確的pH值。

電池的絕對(duì)電位為：

2.1.4 TUR 水體渾濁度傳感器設(shè)計(jì)

水體渾濁度表示水中懸浮物與膠狀物質(zhì)對(duì)光線透過時(shí)所產(chǎn)生的阻塞程度，是衡量水體環(huán)境的重要指標(biāo)之一，寧波大學(xué)的陳偉等[19]的研究表明，水中懸浮顆粒物和有機(jī)物質(zhì)的積累可能導(dǎo)致水中氧氣含量下降，使魚缺氧，進(jìn)而影響魚群的呼吸和生長(zhǎng)。

常見的水體渾濁度檢測(cè)方法有散射法和透射法。散射法[20]基于米氏散射定律和瑞利散射定律，即光在媒介中傳播時(shí)，介質(zhì)中的電子在光子作用下受迫振動(dòng)并向外輻射出與入射光頻率相同的光波，測(cè)出散射光的強(qiáng)度即可算出溶液的濁度值。透射法[21]基于朗伯-比爾定律，即當(dāng)光通過介質(zhì)時(shí)，部分輻射被介質(zhì)吸收，而吸收程度與溶液濁度有關(guān)，測(cè)出散射強(qiáng)度即可算出渾濁度。散射法更適合低渾濁度溶液檢測(cè)，透射法更適合測(cè)量高渾濁度溶液。

由于魚群生活的水質(zhì)濁度不會(huì)太高，透射法能很好地滿足本系統(tǒng)需求。所以本系統(tǒng)利用散射法檢測(cè)水體渾濁度。選擇90°角度上的散射光進(jìn)行測(cè)量，因?yàn)槠渚哂芯€性度好等優(yōu)點(diǎn)[22]。選用波長(zhǎng)為0.85 μm且不易受到溶液色度影響的紅外光作為發(fā)射光源，硅制光敏二極管作為水體渾濁度傳感器接收器，硅制材料的光譜響應(yīng)峰值在0.85 μm 附近，光敏二極管能利用光生伏特效應(yīng)產(chǎn)生電動(dòng)勢(shì)，且具有單向?qū)щ娦?，能使電路中暗電流較小，光電流較大，提高測(cè)量精確度。散射法工作模型如圖4 所示，由米氏散射定律可知，散射光強(qiáng)度與溶液顆粒物濃度成正比，公式如下：

圖4 散射法工作模型

式中，Is為散射光強(qiáng)度，Ks為散射系數(shù)，T為樣品濁度。

再由光強(qiáng)與電流的關(guān)系式和光敏二極管響應(yīng)電流與輸出電流的關(guān)系式可測(cè)得光電流的實(shí)際大小。綜合式（7）、式（8）、式（9），再經(jīng)過溫度補(bǔ)償即可得出溶液渾濁度。

式中，Is為散射為光強(qiáng)度，K為響應(yīng)比例系數(shù)，I響為光敏二極管的響應(yīng)電流，C為輸出比例系數(shù)，I輸為光敏二極管的輸出電流。

2.2 智能調(diào)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

水產(chǎn)養(yǎng)殖過程中，當(dāng)水中溶解氧含量低于5 mg/L時(shí)，如果未能及時(shí)采取增氧措施，魚類會(huì)因缺氧窒息而死亡。增氧機(jī)主要有葉輪式增氧機(jī)、水車式增氧機(jī)[23-24]等，本系統(tǒng)采用葉輪式增氧機(jī)的機(jī)械聯(lián)動(dòng)方式增氧，利用機(jī)械部件攪動(dòng)水體，使上下層對(duì)流并向四周擴(kuò)散以形成小范圍的富氧圈。實(shí)際操作過程中，養(yǎng)殖戶通過App 設(shè)置養(yǎng)殖水池的溶解氧閾值，PLC 控制器實(shí)時(shí)比較溶解氧濃度和閾值，當(dāng)溶解氧濃度低于設(shè)定值時(shí)，PLC 控制器會(huì)通過RS-485 通信協(xié)議與智能增氧機(jī)建立串口通信，以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)增氧，養(yǎng)殖戶也可以通過遠(yuǎn)程控制，實(shí)現(xiàn)手動(dòng)實(shí)時(shí)增氧或定時(shí)增氧。

除了增氧外，魚群還需要定期投喂飼料，如未及時(shí)投喂飼料則會(huì)導(dǎo)致魚群發(fā)育不良，甚至死亡。投料機(jī)主要有離心式投料機(jī)、風(fēng)送式投料機(jī)等，本系統(tǒng)采用風(fēng)送式投料機(jī)[25-26]。其工作原理是內(nèi)部閥門開啟，風(fēng)機(jī)產(chǎn)生氣流將飼料從前端料箱送到末端，最終實(shí)現(xiàn)全方位拋撒。投料前，內(nèi)置單片機(jī)搭載的重量傳感器對(duì)料盤進(jìn)行測(cè)重并比較預(yù)設(shè)值，若不足則通知養(yǎng)殖戶，整個(gè)投料過程自動(dòng)化。與智能控制增氧機(jī)類似，當(dāng)需要進(jìn)行投料時(shí)，PLC 控制器會(huì)接收App 的控制指令，控制智能投料機(jī)工作，養(yǎng)殖戶可手動(dòng)及時(shí)控制或定時(shí)控制。

當(dāng)魚塘水體遭遇異常情況導(dǎo)致水質(zhì)指標(biāo)顯著偏離正常值時(shí)，魚群會(huì)生病甚至死亡。常規(guī)的調(diào)控方式效果有限且會(huì)浪費(fèi)大量資源，此時(shí)需系統(tǒng)開啟水泵及時(shí)換水，并通知養(yǎng)殖戶，以降低損失。常見的水泵[27]有離心泵、軸流泵等，本系統(tǒng)采用離心泵，其工作原理是利用葉輪高速旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的離心力將水從低壓區(qū)域送到高壓區(qū)域?？刂品绞脚c增氧類似，通過接收來自PLC 控制器的指令，可實(shí)時(shí)或定時(shí)控制水泵進(jìn)行換水操作。

3 軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.1 智慧漁業(yè)飼養(yǎng)系統(tǒng)遠(yuǎn)程管控平臺(tái)功能設(shè)計(jì)

遠(yuǎn)程管控平臺(tái)[28]主要是指智能終端可視化設(shè)計(jì)及云平臺(tái)設(shè)計(jì)，作為用戶與設(shè)備進(jìn)行信息傳遞的平臺(tái)，其是智慧漁業(yè)系統(tǒng)的重要組成部分。本系統(tǒng)平臺(tái)開發(fā)以簡(jiǎn)潔、美觀、方便作為設(shè)計(jì)理念，采用C/S 架構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)，能有效保障數(shù)據(jù)流轉(zhuǎn)的有效性和完整性，軟件閾值設(shè)置界面如圖5所示。

圖5 軟件閾值設(shè)置界面

遠(yuǎn)程管控平臺(tái)由監(jiān)測(cè)模塊、遠(yuǎn)程調(diào)控模塊、數(shù)據(jù)庫(kù)模塊、閾值提醒和系統(tǒng)管理五大模塊構(gòu)成。

1）查看監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)：養(yǎng)殖戶可以實(shí)時(shí)查看當(dāng)前魚塘的水質(zhì)情況，利于養(yǎng)殖戶對(duì)當(dāng)前水質(zhì)的異常變化進(jìn)行調(diào)整，也有利于專家對(duì)魚塘進(jìn)行改善和研究調(diào)查水質(zhì)情況。

2）數(shù)據(jù)庫(kù)存儲(chǔ)：①?gòu)膰?guó)家水質(zhì)監(jiān)測(cè)網(wǎng)和國(guó)家漁業(yè)養(yǎng)殖大數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)平臺(tái)的數(shù)據(jù)中選擇相關(guān)的參數(shù)，構(gòu)成不同的數(shù)據(jù)庫(kù)，方便養(yǎng)殖戶參考使用，有利于養(yǎng)殖戶更好地了解各類魚群在不同的生長(zhǎng)期內(nèi)，隨著水質(zhì)參數(shù)變化時(shí)的攝入量，從而實(shí)現(xiàn)精細(xì)化喂養(yǎng)；②將水質(zhì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)和調(diào)控裝置的啟停信息等進(jìn)行存儲(chǔ)，利于專家對(duì)水質(zhì)進(jìn)行調(diào)查研究，使養(yǎng)殖戶對(duì)魚塘過去變化更加了解。

3）遠(yuǎn)程控制：若獲取的水質(zhì)指標(biāo)異常，養(yǎng)殖戶可手動(dòng)實(shí)時(shí)遠(yuǎn)程操控調(diào)控裝置工作，或定時(shí)控制調(diào)控裝置工作，使魚塘水質(zhì)恢復(fù)至正常范圍。

4）閾值提醒：養(yǎng)殖戶手動(dòng)設(shè)置魚塘各指標(biāo)的閾值，若魚塘水質(zhì)異常，App 發(fā)出預(yù)警信息，養(yǎng)殖戶可以及時(shí)響應(yīng)。

5）系統(tǒng)管理：包括用戶管理、后臺(tái)維護(hù)、設(shè)備管理等，實(shí)現(xiàn)用戶登錄驗(yàn)證，并對(duì)設(shè)備和后臺(tái)進(jìn)行維護(hù)等相關(guān)操作。

3.2 系統(tǒng)通信方式和通信函數(shù)設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)智能調(diào)控系統(tǒng)中使用的是串口通信[29]，選用STM32F103ZET6 型單片機(jī)，其有144 個(gè)引腳，提供了5 個(gè)USART，它不但可以運(yùn)行異步串口通信協(xié)議，如RS-485 通信協(xié)議，還可以運(yùn)行同步串口通信協(xié)議，如SPI 通信協(xié)議。水質(zhì)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)使用的是ZigBee 通信協(xié)議，將32 單片機(jī)的串口接收（RX）引腳與ZigBee 模塊的發(fā)送（TX）引腳相連，串口發(fā)送引腳與ZigBee 模塊的接收引腳相連，地（GND）引腳接地。當(dāng)一個(gè)串口完成接收或發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)，就需要用軟件來清空一個(gè)結(jié)束標(biāo)志位。以下是該系統(tǒng)串口通信的主要函數(shù)：

1）串口初始化函數(shù)：USART_init(u32 bound)；

2 ）串口數(shù)據(jù)發(fā)送函數(shù)：USART _SendData(USART_TypeDef* USARTx, unsigned int Data)；

3 ）串口數(shù)據(jù)接收函數(shù)：USART _ReceiveData(USART_TypeDef * USARTx, unsigned int Data)；

4 ）串口標(biāo)志位清除函數(shù)：USART _ClearFlag(USART_TypeDef * USARTx, unsigned int FLAG)；

5）ADC 數(shù)據(jù)采集函數(shù)：GetADCData(void)。

4 結(jié)語

本研究設(shè)計(jì)了一款基于傳感器技術(shù)的智慧漁業(yè)飼養(yǎng)系統(tǒng)，解決了傳統(tǒng)水產(chǎn)養(yǎng)殖過度依賴養(yǎng)殖戶個(gè)人經(jīng)驗(yàn)的問題，同時(shí)引入了數(shù)字化、專業(yè)化、現(xiàn)代化的養(yǎng)殖模式，不僅能夠提高水產(chǎn)品的品質(zhì)，還能降低養(yǎng)殖成本，實(shí)現(xiàn)利益最大化。如今水產(chǎn)養(yǎng)殖現(xiàn)代化轉(zhuǎn)型是大勢(shì)所趨，隨著人工智能等其他技術(shù)相繼進(jìn)入水產(chǎn)養(yǎng)殖領(lǐng)域，科技終將改變漁業(yè)，水產(chǎn)養(yǎng)殖將越來越智慧化，這對(duì)未來中國(guó)漁業(yè)的發(fā)展具有重要意義。