基于GPRS技術的水產養殖監控系統設計與實現

徐雪峰 李園園

摘? 要： 針對水產養殖粗放管理導致水產品產量降低，給養殖戶造成重大經濟損失的現狀，設計基于GPRS的智能化水產養殖監控系統，實現對水質環境主要參數的監控，并根據實際情況對增氧機、投料機等設備進行控制，及時調節水質環境，改善水產品質量，提高用戶經濟收入。

關鍵詞： GPRS; 水產養殖; 監控系統

中圖分類號：TP399? ? ? ? ? 文獻標志碼：A? ? ?文章編號：1006-8228（2018）12-58-03

Abstract： In view of the situation that the extensive management of aquaculture results in the decrease of the output of aquatic products and the heavy economic losses to the farmers， an intelligent aquaculture monitoring system with GPRS is designed to realize the monitoring of the main parameters of the water environment， and according to the actual situation， the equipment such as aerator and feeder is controlled and adjusted in time. The improvement of water quality and environment improves the quality of aquatic products and increases user income.

Key words： GPRS; aquaculture; monitoring system

0 引言

我國是一個水產大國，水產養殖在民生中發揮了重要作用。雖然我國水產養殖規模很大。但也存在許多以待解決的問題：一是以花費和利用大量資源為代價提高水產養殖業增長速度，造成大量的有害物質細菌、病毒等大量滋生和有害物質積累，導致生態調節失衡，使得環境問題日益突出;二是在水產品養殖過程中，缺乏對水質環境的有效監控，信息化程度低，導致養殖環境惡化，水產品產量降低，給養殖戶造成重大經濟損失。因此，在水產養殖過程中，如何實時高效地監控養殖水質環境就顯得尤為重要。2016年《國家信息化發展戰略綱要》指出：“加快推進農業現代化。把信息化作為農業現代化的制高點，推動信息技術和智能裝備在農業生產經營中的應用，培育互聯網農業，建立健全智能化、網絡化農業生產經營體系，提高農業生產全過程信息管理服務能力”[1]。本文以白馬湖水產養殖為例，詳細介紹基于GPRS技術[2]的智能化水產養殖監控系統設計與實現過程。

1 系統分析

1.1 系統總體目標

⑴ 實現不同地理位置養魚場水質環境實時數據傳輸。

⑵ 傳感器數據采集頻率每5分鐘采集一次。

⑶ 采集節點與匯聚節點距離不得超過1200米。

⑷ 匯聚節點采用GPRS方式將采集數據傳送到水產養殖系統。

⑸ 實現不同地理位置養魚場增氧機的“智能控制/手動控制”。

⑹ 手機app、電腦web端查詢水質環境數據和遠程控制功能。

⑺ 系統應預留接口，便于其他系統和水產養殖系統有效對接。

⑻ 確保數據信息安全、完整和一致。

1.2 系統主要參數[3]

⑴ 溶氧 氧氣是生物生存的基本條件。同樣，水中溶解氧是魚類生存的基本條件。如果水中含氧量不達標，將會大大降低魚類機體免疫能力，易被感染各種疾病，甚至死亡。

⑵ 水溫 魚類是變溫動物，當水溫變化時，其體溫也將隨之變化，體溫的變化又會進一步影響魚類新陳代謝。由此可見，溫度對于魚類影響非常大。

⑶ PH值 任何生物的生產都要依賴于一定的環境，而每個環境的PH值是不一樣的。同樣地，魚類也需要PH值比較合適的水質環境。PH值過高過低都會大大影響魚類生長。

1.3 系統功能分析

通過對三個參數分析對水產養殖系統提出具體實際的需求。

⑴ 水質環境數據采集 主要采集水中PH值、溶氧含量、水溫三個參數，選用帶485通訊儀表，脫機狀態下用戶也可以查看傳感器參數信息。設備報警參數，當大于或者小于時候能夠及時通過短信提醒養殖戶。

⑵ 智能控制 系統根據采集到的環境參數自動調節水質環境，當PH值超過指定值系統自動開啟換水系統，水中含氧量過低自動開啟增氧機。

2 系統設計

⑴ 系統結構設計

智能化水產養殖水質監控系統[4]，采用模塊化功能設計，系統的總體結構如圖1所示。

首先，依據系統用戶的功能需求，系統利用PH值、水溫、水溶氧等傳感器每隔規定時間對魚塘水質數據值進行實時采集。然后將采集到的數據通過RS-485接口傳到GPRS DTU模塊，并在此進行數據格式轉換。接著通過GPRS網絡將采集數據上傳到監控中心服務器，進行分析處理，并將數據與分析結果反饋給用戶。當水質出現問題時，監控中心發出指令，再次通過GPRS網絡將指令傳送到現場控制器，運行相關設備，實現系統的自動遠程控制。當參數恢復正常時，系統發出指令，停止調控操作。

⑵ 系統數據庫設計

通過對系統進行詳細需求分析，本文將功能菜單、角色、用戶、傳感器數據作為實體進行數據庫概念設計畫出數據庫實體之間的E-R圖[5]，如圖2所示。

⑶ 數據采集系統設計

數據采集采用C/S結構，利用多線程編程開發技術實現傳感器數據遠程采集并上傳至數據庫服務中心，具體流程如圖3所示。

數據采集部分代碼如下：

① 創建控制線程：

Thread controlThread=new Thread

（new ParameterizedThreadStart（autoControl））;

controlThread.IsBackground=true;

controlThread.Start（_config）;

② 創建采集線程：

Thread conllectThread=new Thread

（new ParameterizedThreadStart（SendData））;

conllectThread.IsBackground=true;

conllectThread.Start（_config）;

③ 數據采集發送命令如下：

sendbyte=new byte[8]; //定義發送字節數組

sendbyte[0]=（byte）int.Parse（deviceds.Tables[0].Rows[i]

["D_Id"].ToString（））; //設備地址

sendbyte[1]=0x03; //功能碼

sendbyte[2]=0x00; //寄存器起始地址高

sendbyte[3]=0x00; //寄存器起始地址低

sendbyte[4]=0x00; //寄存器數量地址高

sendbyte[5]=0x08; //寄存器數量地址低

sendbyte[6]=CRC16（sendbyte， 6， 0）; //CRC低

sendbyte[7]=CRC16（sendbyte， 6， 1）; //CRC高

i_RtnCode=pComm.SendFrame（sendbyte，

ref readbyte， 0）; //發送

3 系統測試

⑴ 系統登錄測試

首先進行登錄界面測試，當用戶名或密碼輸入錯誤時，系統自動彈出報錯信息，正確時入系統主頁面，點擊相應導航欄，顯示相應數據。比如，當點擊“水質環境”用戶可以按照日期查詢采集數據，如圖4所示。

⑵ 智能控制模式測試

這里主要是對水質的PH值、含氧量和水溫等參數進行監控，特別是對PH值和含氧量兩個參數監控，系統測試結果，如表1所示。

測試結果表明：各項功能均使用正常，能夠滿足用戶使用需求。

4 總結

本文在對白馬湖地區特色水產養殖智能化控制需求深入研究基礎上，利用物聯網、GPRS、數據庫、.NET等技術，開發一套實現物聯網多點傳感數據采集方案、多模式遠程控制目標的智能化水產養殖系統，實現了水質的遠程監控和現場投料機、增氧機等現場設備的有效控制。該系統在白馬湖試用以來，提高了水產養殖的自動化控制水平，提高了工作效率，水產養殖的產量大大提高，增加收益受到水產養殖用戶的高度評價。當然，伴隨5G技術的發展，系統在如何融合5G技術方面，有待進一步探索。

參考文獻（References）：

[1] 中共中央辦公廳.國務院辦公廳印發《國家信息化發展戰略綱要》[J].功能材料信息，2016.13（4）.

[2] 趙桂云，李賀，宋白玉，胡正躍，夏梓超.基于嵌入式的智能家居控制系統設計[J].電腦知識與技術，2017.1316：163-164

[3] 劉暢.基于物聯網的海南水產養殖遠程監測系統[D].海南大學，2017.

[4] 王冬.基于物聯網的智能農業監測系統的設計與實現[D].大連理工大學，2013.

[5] 孔蕊.基于物聯網的溫室環境監測系統研究[D].河北農業大學，2013.