基于物聯網技術的規模化水產養殖智能監控系統設計

張志杰

摘 要

中國水產養殖業發展迅速、總量巨大，傳統的水產監控手段已不適用于現今的狀況，而基于物聯網技術的智能監控能較好地適應新世紀的需求，它協調了低成本、高效率兩種需求，提供詳盡且精確的數據，真正地將科學融入了生產之中。

【關鍵詞】水產養殖 智能監控 物聯網

中國的水產養殖歷史源遠流長，可以追溯到三千年前，而如今中國的水產養殖業沒有辜負這段歷史，在世界上擁有舉足輕重的產量比（占全球總產量的百分之七十五）。改革開放后水產養殖逐步地替代了傳統的捕撈，從八十年代起兩者的產量持平，到二十一世紀初水產養殖的產量占水產品總產量的百分之七十。故而陳舊的養殖手段已然無法適應當今水產養殖業的快速發展，伴隨物聯網技術的抬頭，新世紀的變革已悄然而至。

1 物聯網技術的優勢

陳舊的養殖手段存在著諸多問題，比如效率低、收益率低、破壞環境等等。但以上種種弱點皆是由缺乏科學性導致，以經驗為指導的舊養殖手段已經不適應當代的生產需求，而傳統的人力監控手段更是落后。但是物聯網技術的出現使得智能監控水溶氧含量、酸堿性等等環境數據成為了可能。

物聯網技術以ZigBee技術為核心，它基于IEEE802.15.4協議，簡單、方便、能耗小、續航能力高、價格親民。這將現代機械自動化與傳統的水產養殖結合在了一起，將節能、環保與高效率無縫結合在一起，最終實現了水產養殖業的智能化。

2 關鍵技術

2.1 傳感器技術

人類通過感覺來感知外界，除了視聽嗅味觸五感以外，還有冷熱感、方向感等等，人類也只能通過這樣來獲得外界的信息，所以基于傳感器的監控技術也僅僅是人類感覺的延長，倘若游離到感覺之外，那就稱不上所謂的監控技術了。一般用到的傳感器大致有光敏、聲敏、氣敏、味敏、壓敏、熱敏、濕敏等幾種傳感器。在本次設計中用到的主要有溶解氧傳感器、PH值傳感器、鹽度傳感器、濁度傳感器、氦氮傳感器等幾種。傳感器的原理很簡單，假如要監控水的酸堿度，那么用到的是PH值傳感器，水中PH值的高低將影響到傳感器的電阻值（因為傳感器中有對PH值變化敏感的半導體），換句話說不同的PH值對應不同的電阻值，再將電阻值轉變成肉眼可見的數值顯示在屏幕上，這就達到了監控PH值的效果。

2.2 ZigBee技術

假如說本次設計的監控系統是一只章魚，那么傳感器就是章魚的觸手，而ZigBee網絡則是章魚的神經。ZigBee其實對很多人來說并不陌生，小米的智能家居便是使用ZigBee協議，其最大的特征是短距離、低速率、低功耗，非常適合續航能力要求高的智能水產養殖。而另一個ZigBee的巨大優勢則是安全性極高，至今尚未發現一起破解的先例。雖然在各方面Z-Wave可以替代ZigBee，但Z-Wave所使用的頻段在國內是非民用頻段。

3 系統設計架構

3.1 底層設計

底層是傳感器節點，密集分散在養殖區之中，包括溶解氧傳感器、PH值傳感器、鹽度傳感器、濁度傳感器、氦氮傳感器等多種傳感器，它們會自動搜索并參與到ZigBee的自組網中，同時也會把本節點的網絡IP一并發過去。

本傳感器的處理器采用CC2530處理器，除了處理器外，還包括電池、CCDBUGER調試接口、串口、功放模塊，并接有溶解氧、PH值、鹽度、濁度、氦氮等傳感單元，如果希望傳感器可以接受命令，還可以接上增氧泵、水泵等控制器。

3.2 中層設計

中層是ZigBee的無線自組網，需要有能對傳感器發起信息的響應能力。當傳感器收集到數據后，將自動上傳到無線自組網中，無線自主網就像神經一樣，將數據上傳到“大腦”，也就是上位機之中。而上位機想要對各節點下達命令的話，也是會將命令流入無線自組網中再通過自組網傳遞給傳感器節點的。當數據抵達無線自組網時，自組網本身還要對數據進行粗處理，以滿足上位機或傳感器的需求。

無線自組網由協調器節點產生，協調器節點同樣使用CC2530處理器，并包括了晶振、DB9串口、LED等各類外設模塊以滿足全方位的需求。值得注意的是為確保通信范圍足夠的大，協調器的RF前端正是TI公司的CC2591，并集成了包括功率放大器在內的一系列放大器。這使得僅需少量的電流便可以有效擴大網絡覆蓋范圍。

3.3 頂層設計

上層則包括了上位機、數據庫、遠程監控終端等等。數據上傳到上位機中時，上位機會將數據保存到數據庫中，并將處理過的數據呈現在遠程監控終端的屏幕上。這里可以將上位機與數據庫等合并稱為監控中心，其能力除了保存數據、顯示數據外還有調和數據、發布數據、命令等等。

4 結論

一方水土養一方人，水產品關系到人民的幸福，水產養殖本身就是一種需要和大自然緊密聯系起來的行業，以破壞環境為代價進行水產養殖本就是一件殺雞取卵的差勁交易，物聯網技術可以將人類科技同大自然聯系起來，已達到一種和諧的境界。傳統的人工養殖對水質變化反應遲鈍，遲鈍到等到無法挽回的時候才反應過來，這份遲鈍不知浪費了多少人力與自然資源，倘若想要做出敏捷的反應那就需要巨大的人力資源，直接提升了成本。智能水產養殖同時解決了兩種需求，它以物聯網技術為核心，實時檢測水質狀況，提供詳盡且精確的數據，還允許遠程控制，真正地將科學融入了生產。不僅如此，同樣的系統亦可以無縫鏈接到農業、畜牧業之中，具背了強大的潛在價值。

參考文獻

[1]徐曉姍.基于物聯網和3G技術的智能水產養殖環境監測系統的設計與應用[J].網絡安全技術與應用，2014（09）：235-236.DOI：10.3969/j.issn.1009-6833.2014.09.149.

[2]Rubberso.小米智能家庭套裝為什么選擇ZigBee協議？[EB/OL].極客公園，2014.

[3]王春明，王翔宇，繆明等.基于物聯網技術的水產養殖環境監控系統設計[J].電腦知識與技術，2015，11（22）：154-157.

[4]顏波，石平.基于物聯網的水產養殖智能化監控系統[J].農業機械學報，2014，45（1）：259-265.DOI：10.6041/j.issn.1000-1298.2014.01.040.

作者單位

北海職業學院電子信息工程系 廣西壯族自治區北海市 536000