“互聯網+水產養殖”系統設計

王習 龍房政

摘要：我國水產養殖規模日益增大，但在水產養殖中無法實時監控水質情況，消耗的人力物力財力較多。就這一問題設計一個水質控制系統。主要包含感知層采集傳感器、數據處理平臺、繼電器控制模塊三個主要部分。針對pH值、溫度、溶解氧等水質參數，系統根據用戶端指令，通過分析水質參數，使用PID算法控制終端設備進行相應控制，無需人工干預。

關鍵詞：互聯網;水產養殖;水質控制;PID算法

1、系統原理

項目旨在設計一套針對水產養殖中的基于物聯網的水質控制系統。硬件系統主要包括Arduino控制器、DS18B20溫度傳感器、物聯網模塊ESP8266、SEN0161型pH測量傳感器、SEN0237溶氧傳感器、電源模塊、酸堿液泵、增氧泵、熱水泵及繼電器模塊等。

系統原理如圖1所示，開啟系統，傳感器通過Zigbee通訊組網收集水質環境參數發送到主控Arduino端，實時顯示水質數據到顯示器上并通過物聯網模塊把數據實時上傳到云端數據庫平臺，用戶再通過PC端或者安卓端登錄管理平臺輸入水質參數對水質進行遠程控制，Arduino中央處理器接受參數指令后使用PID算法發送指令到執行機構完成對設備的控制，顯示反饋設備的工作狀態并上傳云端，最終讓水質參數維持在一個相對穩定的狀態。

2、系統總體硬件設計

本系統采用以Arduino控制板為控制核心。該控制板是基于開放源代碼的接口板，它包括12通道數字GPIO、6組PWM通道輸出和6～8通道的10bitADC輸入通道，它的核心是一片AVRmega168的單片機。整個系統主要由各傳感器（水位傳感器）、水泵、太陽能供電模塊組成，其設計整體方案見圖2。

其中水位傳感器可使用多條導線與水的導通來測量不同深度的水位，可將水位分為4層，分別代表滿水位、75%、25%、0水位，當水位到達某一深度，導通導線觸發高電平給Arduino控制板。濁度傳感器主要利用光學原理，通過對水的透光率及散射率來判斷水質情況。傳感器內部是紅外線對管，當發射管發射一定量光線通過水后，由接收管接收，水越渾濁，通過的光就越少。通過調節模塊上電位器大小選擇合適閾值作為警戒水質，當水質達到此界值，傳感器模塊輸出高電平?？刂瓢逋ㄟ^監測該電平變化，即可知道水質超標，聯動水泵運行。溫度傳感器采用DS18B20作為溫度監測模塊，溫度數值在上位機上顯示，其通信協議是wire協議，通信時只需將數據引腳與控制板連接即可。PH計傳感器首先要對其進行校正，數值比較準確的使用有利于對水體做精確控制。使用時用標準緩沖溶液校正，環境溫度以25℃為標準值。同時為保證精度一致性，需要定期校準，以防止有較大誤差。若水塘雜質較多，建議6個月做一次重新校準。采用APC無線傳輸模塊，該模塊是高度集成半雙工微功率無線數據傳輸模塊，其嵌入高速單片機和高性能射頻芯片ADF7020-1。采用高效的循環交織糾檢錯編碼，抗干擾和靈敏度都大大提高，最大可以糾正24bits連續突發錯誤，達到業內的領先水平。APC220模塊提供了多個頻道的選擇，可以在線修改串口速率、發射功率、射頻速率等各種特征參數。工作時將其插在USB轉串口模塊上，再將模塊插入計算機usb口及Arduino控制板上即可進行遠程數據的采集與發送。為使系統穩定，采用9600波特率，工作頻段434Mhz。從數據采集的頻率考慮，系統供電采用太陽能電池為主，市電為輔的供電機制。系統采集數據主要從太陽能及蓄電池供電，水泵抽換水采用市電。

3、系統設計

3.1系統結構設計

基于農業物聯網的水產養殖水質監控系統，采用模塊化功能設計，系統的總體結構如圖3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GPRSDTU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。

3.2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E-R圖，如圖4-圖8所示。

3.3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9所示。

4、系統測試

（1）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。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。

結束語

本系統的研發基于先進的互聯網技術及PID算法[4]的優化，對水產養殖過程中的水質參數進行采集分析以及監控調節，實現魚塘的無人值守，使水產的養殖和管理更加精細化、智能化?；诠卜赵破脚_，解決單個養殖戶投入有限和缺乏專業技術人員的局限，實現信息的實時共享。專家和養殖戶之間可以通過該平臺進行在線互動，使養殖戶能夠獲得及時準確的信息反饋和技術指導。而物聯網集成無線傳感網、水質傳感器、無線通信和智能管理云端系統等專業技術，對養殖環境和水產品的生長狀況進行全方位的監測管理，最終實現節能減耗、增產增收的目的。

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