智慧農業背景下漁業監測系統設計

劉 攀，林麗冬，梁里鵬

（1.晉中信息學院，山西 太谷 030800；2.山西西山晉興能源有限責任公司斜溝礦，山西 呂梁 033602）

目前，人工智能水產養殖已經成為現代科技發展漁業的新趨勢，從原本的粗放型轉向節約化、集約化和人工智能化的發展方向。水質的好壞直接決定水產品的產量，影響養殖戶的利益高低浮動。智能化養殖也在迅速發展，越來越高的水質要求難以滿足漁民的養殖需要，因此，在未來的養殖中，水產養殖對水質參數的監測是大勢所趨。在線自動檢測漁業養殖水的質量，能夠更真實、可靠地反應水體參數信息，更容易完成養殖水質量的檢測、處理、儲備與分析。

1 系統總體方案設計及工作過程

1.1 系統總體方案設計

本系統是由數據采集、單元檢測模塊和監控數據處理3部分組成的漁業水質在線監測系統。采集的節點數據一般都是在最底層，用分布式結構采取多個傳感器收集pH 值、水溫、溶解氧等具體參數數據，自動將采集到的數據轉變為系統能夠識別的數字信號，再經過ZigBee 無線通信模塊上傳接收的數據；中繼節點主要由系統的中間層負責，對此類的采集節點進行數據上傳，后經GPRS 無線通信模塊上傳的數據結果傳給監控中心，監控中心發出相對應的命令；監控數據處理中心通過對數據的存儲、處理以及分析過程，能夠對養殖區進行遠距離監測，減少監察職員的工作勞動強度，使漁業踏上信息化、科學化的軌道[1]。

1.2 系統工作過程

本系統對漁業養殖水域的多個部位進行檢測，對多個數據采集點及中繼點進行布置。通過多路傳感器進行數據采集，分別對各自區域的水質，包括pH 值、水溫以及溶氧度等進行數據采集、存儲以及預處理。中繼節點通過檢測水體的相關模塊將其所得參數傳輸至監控中心并發出相對應的指令，從而實現監控中心與各模塊之間的互通[2]。除此之外，中繼節點對各區域水體進行待檢測參數值閾值判斷，若超出規定范圍內的預設值，則發出報警信號，同時還會向值班員發出短信通知。監控中心也會對所接收到的各類數據進行再次處理，所涉及的區域數據采集點要和中繼節點形成網狀網絡來構建數據傳輸網。

2 系統硬件部分設計

2.1 數據采集節點部分設計

數據的接受節點硬件方式設計見圖1，它由無線網絡控制模塊、水質量參數模擬控制模塊、電源及管理模塊、時鐘電路模塊等部分構成。

圖1 數據采集節點硬件結構圖Fig.1 The hardware structure of data acquisition node

水質主要參數收集控制模塊應用控制器收集飼養水質的溫度、pH 值、溶氧度等主要參數開展收集，獲得數據信息后進行判定，對有用的信息，傳輸給無線網絡進行數模轉換；對相關數據信息進行解決、儲存和分享，則需要ZigBees 無線通訊控制模塊嵌入的CPU 與數據信息存儲芯片控制模塊相互配合；數據收集連接點選用鋰電供電系統，電池檢測控制模塊包含用電量檢驗和電池充電管理方法兩個部分，前者需要承擔檢驗電池容量，而后者則用以電池充電情況標識與操縱；實時時鐘對時間進行同步。

2.2 水體參數監測模塊設計

水質監測系統由溫度檢測單元、pH 值檢測單元、溶氧度檢測單元等組成，從而完成水質評估并做出相應的預判斷。

溫度檢測單元采樣核心器件為數字溫度傳感器，本設計采用DS18B20 溫度檢測模塊，使用I/O 的節點即可完成與MSP430CPU 進行通信，占用空間少，耗電量低且精度高。溫度傳感器在讀寫操作時必須由主控芯片對其發出方波每個高電平必須長達10μs，因此CC2530 的P0.0 引腳需要提供可以搭載高電平的4.7 kΩ 電阻。DSl8820 兩種供電模式一種是安裝鋰電池一種是外部供電[3]。

pH 值是一項重要的水質監測標準，用來監測水質的酸堿程度，這里采用E-201-D 模塊利用電壓差的方法測量水的pH 值。其測量范圍精度極高誤差±0.01，它的輸出電壓采用放大電路進行對其放大，以達到0～5 V的電壓使用標準。

本系統的溶氧度檢測單元采用一種通用溶解氧檢測傳感器，夾層玻璃電級和飽和甘汞電極組成的原電池反應是一個高內電阻視頻信號。該設計方案使用銅型溶解氧控制器準確測量水質中的溶解氧。檢測的范圍為0～10 PM，其最小值為0.6%FD。由于轉換時所需要的是電壓信號，所以它必須在微處理器與控制器之間。通過轉換IV 電路轉換后進入微處理器的AD 裝換。這個設計非常小，集成IC 特別適合在線檢查微小電流。

3 系統軟件部分設計

本系統能夠直觀地顯示每個繁殖水域的基本水質參數和每個連接點的工作狀態。主機軟件基于與無線中繼連接點的通信，通過接受到的水質參數，并對其參數進行分析得出結果，最后顯示出解讀的信息[4]。

水產養殖水體在線監測系統軟件的監測系統包括以下7點，分別是：①數據統計功能：各個水域的連接點收集的有關信息都會存在主機軟件的數據庫中，可以隨時隨地激活它。系統軟件還將在必要的階段保存歷史記錄。②主要參數的選擇：在水產養殖用水在線監測系統的軟件監測系統的主頁上，用戶可以選擇要查詢的主要水質參數類型。③數據統計分析功能：系統軟件將借此機會解決收集到的實時數據信息，并將解析后的數據信息作為圖像顯示在監控系統頁面上，客戶可以觀看主要水參數在必要的時間內進行更改。④數據信息輸出功能：各部的監控系統數據庫都可以隨時查詢并且可以將其導出。必要時，客戶可以電子表格文件的形式獲取即時或歷史記錄，以便于復制，查看和復制。⑤連接點轉換功能：使用者可單擊主操作面板的連接點轉換按鈕，對連接點的詳細地址序列號可進行自由轉換選擇[5]。⑥總系統配置的作用：監控系統桌面顯示的系統軟件主要參數，如設計風格，工作模式，定時器切換時間等，可以根據客戶需要獨立設置。⑦串行通訊設置功能：使用者可以自己設置數據信息的推送方式、串口波特率以及數據信息校驗等。

4 結語

本文通過對水體在線監測系統的研究與分析，完成了水產在線監測系統的總體設計方案。所構建的系統軟件無線網絡是采用ZigBees 無線通信技術，組合多個自動跳轉網絡方案的方法，可以任意增加或減少水域中數據收集連接點的總數，方便在以后升級和擴展系統軟件。系統可以檢測水溫、pH 值、溶解氧等主要水質參數，并提出評價標準，供客戶管理決策。該系統軟件可以對取水區水質的主要參數進行在線監測，以提高系統軟件的智能水平。當系統軟件工作時出現異常時，系統軟件會實時報警。時間校準優化算法則用于完成連接點的意外睡眠狀態及喚醒，極大地完善了系統軟件的功能并增加了系統軟件的使用時間。本系統并提高水產養殖專業和智能系統的水平，具有很高的實用性。