基于物聯網技術的水產養殖智能管理系統設計

摘要：設計了一套水產養殖智能管理系統，該系統將物聯網技術和水產養殖技術較好地融為一體，通過分布于池塘各處的傳感器完成對溶解氧、pH和水溫信息的采集，采集到的信號經過放大調理后經由ZigBee無線通信技術上傳至主控制器，系統的主控制器為工業控制計算機，計算機系統上裝載了由JAVA語言編寫的人機交互系統，該系統主導整個管理系統的運行，在接收到上傳的數據后，能夠實時顯示、存儲和分析計算接收到的數據，并根據計算結果給出控制命令，然后經由無線通信系統將其發送給下位機（PLC），下位機控制相應地設備動作，進而完成對水質因子的調節，實現智能管理的目的。

關鍵詞：水產養殖；物聯網；監控系統；ZigBee

中圖分類號：S24 文獻標識碼：A 文章編號：0439-8114（2016）16-4276-04

DOI：10.14088/j.cnki.issn0439-8114.2016.16.052

隨著人們對水產品需求的不斷擴大，國內水產養殖業得到了突飛猛進的發展，傳統的養殖方式已不能滿足市場需要，信息化、智能化以及規模化已成為水產養殖技術的發展方向[1-3]。物聯網技術是信息技術發展的一次革命，它將所有物品連接互聯網，實現智能化識別管理的技術。國內物聯網技術被列為國家五大新興戰略性產業之一，在工業生產、智能家居和交通運輸等行業得到廣泛運用[4-7]。

本研究將物聯網技術運用到水產養殖中，通過分布于水域各處的傳感設備采集各水池中水的溶解氧、pH和水溫等指標，運用ZigBee無線通信方式上傳采集的數據，上位機接收數據后，通過編寫好的人機交互系統實時顯示、存儲和分析計算接收到的信息數據，同時運行控制程序給出相應的控制命令，并將控制命令發送給上位機PLC，PLC控制水池中的調節設備動作，最終達到自動運行的目的。同時為了達到便攜式管理，還開發了相應的手機App服務端。結果表明，該系統能夠簡便高效地調節水質因素，達到設計目標。

1 系統硬件結構

養殖現場圖和系統框圖分別見圖1和圖2。

1.1 數據采集模塊硬件設計

數據采集模塊主要負責采集各水質參數（水溫、溶解氧和pH），前端采集模塊硬件設計如圖3所示。首先各傳感器設備采集到的信號通過調理電路轉化為穩定的模擬信號，然后通過模數轉換后變成數字信號，在通過串口與ZigBee傳送數據，最后通過無線通信技術將采集到的信息發送給服務器。

數據采集模塊的核心為傳感器，精準采集能力是整個系統有效運行的基礎。由于長時間泡在水中，傳感器容易附著水中的雜質，進而影響采集的精準度，并損害傳感器的使用壽命。因此，傳感器配備了相應的保護裝置。保護裝置如圖4所示，該裝置主要有傳動和沖洗兩大功能，通過控制電機正反轉實現傳感器探頭自動出水和入水的功能；控制電磁閥完成沖洗和保濕的作用。

1.2 前端執行模塊硬件設計

前端執行模塊主要由ZigBee模塊接收上位機給出的控制命令和數據，然后通過串口RS232發送給PLC，PLC運行控制程序，控制前端設備動作，執行相關命令，到達控制目的。其硬件如圖5所示。

1.3 協調器模塊硬件設計

協調器模塊是整個系統的中樞，不僅要將接受到的前端數據上傳服務器，同時還要將服務器給出的控制命令發下傳下位機PLC。ZigBee模塊通過RS232串口與服務器相連，采用Modbus協議傳送數據。

2 通信系統

本研究水產養殖智能管理系統采用ZigBee技術搭建無線通信系統。通信系統中ZigBee采用星形拓撲結構形式組網，與ZigBee模塊相連的傳感器端、上位機和前端執行器作為該拓撲中的ZigBee節點。無線通信系統如圖6所示，溫度、溶解氧和pH等傳感器以及前端控制器PLC作為ZigBee網絡中的終端設備，服務器則作為協調器。系統中上位機通過ZigBee無線通信系統與各傳感器傳輸信息，接收并實時顯示各傳感器采集傳送的數據，同時通過ZigBee無線通信系統對PLC發送指令，以及讀取PLC發送給上位機關于各設備工作狀態的信息并顯示在人機界面上。

3 系統軟件結構

該系統軟件主要由上位機軟件和下位機軟件組成，下位機軟件已經固化在PLC程序存儲器中，接收到上位機的數據和指令后，控制相應的前端設備動作，對水質因子進行調節。圖7為魚塘實時監控平臺，可以將其劃分為5大模塊：①魚塘溶解氧、水溫和pH的實時顯示模塊；②系統參數設置和報警模塊；③運行方式的切換模塊；④設備狀態顯示和手動控制模塊；⑤升降機（傳感器保護模塊）定時設置。

圖8為魚塘實時監控平臺控制原理圖，首先上位機向某個魚塘的采集端發出查詢水質參數命令，在收到正確的信息后，系統首先判斷水質參數采樣數據是否在系統設定的上、下限范圍內。如果超出范圍，則判定為異常，如溶解氧（DO）為9.5 mg/L，超出系統設定的上限，其狀態顯示為異常，并發出警告提醒用戶；如果數據正常，系統將溶解氧、pH和水溫的信息實時顯示在界面上。系統的運行方式分為自動和手動，如果系統工作在自動狀態，系統會根據收到的信息和設定的控制參數自行分析運算，并給出控制命令；如果系統工作在手動狀態則等待人工給出控制命令，一般只有在出現報警等特殊情況下才切換到手動運行狀態。正常時系統工作在自動運行狀態，且運行在自動狀態時，投餌機和升降機會定時工作，如圖中“區域⑤”就是設定升降機的升降時間，時間結束馬上將傳感器拉出水面（投入水中）進行沖洗保養。

4 系統調試

系統測試分在線監測系統測試和在線控制測試兩步，在線監測系統主要完成水質參數的監測，在線控制則根據采集到的水質參數信息完成水質參數調節。在線監測系統完成水質參數采集、數據上傳和上位機實時顯示功能，主要由水質參數采集系統、無線通信系統和上位機人機交互系統組成。

水質參數采集系統主要完成溶解氧、水溫和pH的采集，系統在信息采集端自帶液晶顯示功能。精準的水質參數采集是系統高效運行的基礎。為了確保采集數據的正確性，本研究將采集系統采集的信息和參考數據進行對照試驗；為了確保溶解氧的采樣信號的準確性，本研究將其與進口的高精度溶解氧測量儀器（參考傳感器）的采樣結果進行對照；同時為了測試通信系統和上位機人機交互系統的穩定性，將上位機監控界面實時顯示的數據也與前兩者進行對比。測試步驟是先將溶解氧傳感器探頭和參考傳感器探頭伸入同一區域的水中，然后兩者進行連續1 h內采集對比，每隔10 min記錄一次，記錄結果如表1所示。

比較溶解氧傳感器的讀數和參考讀數可知，兩者的讀數是基本一致的，最大誤差為0.1 mg/L，在允許誤差內，能夠滿足控制精度要求。同時上位機讀數和傳感器讀數完全一致，說明無線通信系統和上位機人機交互系統工作穩定可靠，整個監測系統能夠實時、精準、穩定地完成水質參數的采集和顯示任務。在線控制測試主要是上位機通過控制算法計算分析采集到的水質信息，形成控制命令下發給PLC，PLC通過控制前端設備達到調節水質參數的目的。

本文以溶解氧為例進行了現場測試。測試對象為江門某水產養殖推廣站，水產養殖現場2個大塘及4個小塘，魚塘內養殖的魚類為班鳠和錦鯉，二者對溶解氧的要求較高，一般在5 mg/L以上，最佳值為6 mg/L。系統的設定參考值為6 mg/L，測試時間為24 h，表2為測試得到的溶解氧數據。

5 結論

本研究將物聯網技術應用于水產養殖業中，開發了一整套水產養殖智能管理系統，該系統數據采集精準，數據通信上傳穩定，人機交互系統簡潔形象，操作方便，且功能齊全，適應性強。結果表明，該系統能夠系統連續準確地遠程監控水池的環境因子，實現水池養殖的自動化、智能化目標。

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