養殖池水環境監控系統設計

付 蘭，趙希珍，張冬香，薛小松

（江蘇農林職業技術學院，江蘇 句容 212400）

0 引言

水產養殖承擔了部分食品安全的重任，確保養殖戶能有穩定、可靠的水產養殖收益是我國水產養殖行業能平穩發展的關鍵[1]。在水產養殖行業中， 越來越多的養殖戶采用養殖池的形式進行養殖， 這就對池中的水質監測提出了較高的要求。由于養殖環境采用餌料投喂且存在養殖對象自身代謝，所以水中會產生大量的NH4-N和BOD，同時伴隨DO 降低，這些變化都不利于養殖對象生長[2]。而當前池塘養殖集約化發展程度較低，相關配套設施比較匱乏。因此，實時水質監控對養殖池養殖尤為重要，普通水質監控系統存在難以解決長距離通信、維護困難以及能源匱乏等問題。

國內外企業已經設計了多款水質監控系統，這些系統主要利用ZigBee網絡、LoRa網絡進行區域內的短距離通信[3]，系統基于傳統的單片機或ARM板進行開發，通過普通的顯示屏顯示測試結果。但農戶在使用過程中均存在以下問題：系統專業性強，需要專業技術人員安裝與維護，造成使用成本增加；系統可靠性低，參數誤差大；可視性不強，農戶不易理解。這些問題導致產品推廣難度大，農戶使用意愿低[4]。

1 設計目標

一是將傳感器端采集的數據，通過CC2530芯片利用ZigBee協議將監測到的養殖池的水環境參數（溫度等），水質參數（溶氧度、PH值、氨氮濃度等）數據匯總到ZigBee協調器；二是協調器通過485總線將數據匯總到布置在養殖池邊的網關，網關配備上位機可以在池邊直接查看水質環境監測結果；三是網關利用4G/5G信號接入云平臺，實現遠程互聯網登錄查看實時監測數據。

ZigBee節點具有成本低、功耗低、能夠自組網、布置方便的優點，適用于戶外環境，且維護方便。數據匯總后采用可靠性強的485總線，將接線方式設計成可以直接插拔的形式，方便用戶使用，維護過程中可以直接采用插拔的方式進行替代更換。

2 系統整體架構

圖1 系統整體架構圖

系統整體架構包括四部分，感知端各類水質監測傳感器，傳送信號的ZigBee節點（CC2530），網關設備以及遠程監測的云平臺和終端。

傳感器檢測到水質參數信號通過有線方式傳遞給ZigBee節點，ZigBee節點以無線通信方式將信號匯聚到協調器，ZigBee協調器接收到網絡中的數據包自動識別參數類別然后傳送給網關，網關集成了上位機軟件以及傳送數據到云平臺的功能。

2.1 系統感知層設計

由于傳感器傳遞的是模擬信號，所以系統采用485接線方式，并將接線設計成直接插拔的形式， 便于用戶直接插拔使用，降低維護和保養難度，養殖戶可以自行更換維護設備，降低使用成本。

為了降低節點能耗，系統設計每間隔5分鐘采樣一組數據。由于傳感器探頭屬于敏感元器件，長時間使用為降低檢測數據的準確率，所以養殖池中的傳感器需周期性取出進行清潔維護，周期一般為每兩周維護一次。

圖2 傳感器與ZigBee節點連接方式

2.2 系統網絡層設計

養殖池水環境監控系統中混合采用了485通信方式、ZigBee無線通信方式、4G通信方式、Internet通信方式，由于通信協議的不同，所以需要使用不同的協議轉換器，如485轉ZigBee模塊， ZigBee轉4G模塊等。

485有線方式傳輸傳感器檢測到的模擬信號， ZigBee傳輸用于解決水池中布線困難的問題，節點采用干電池供電，4G通信模塊解決了戶外連接互聯網的問題。

數據采集模塊在獲取水質傳感器檢測到的數據前會進行初步整理與處理，然后再進行傳送，提高能量使用效率，避免網絡中出現大量冗余數據。

2.3 系統應用層設計

網關設備上位機集成了嵌入式設備，設備包括微控制器（STM32）、MCGS顯示觸摸設備、4G/5G通信模塊。

控制核心選用STM32微功耗控制器，該控制器處理能力強、運算速度快、易開發，能滿足本系統使用。現場采集的水質參數以圖形方式顯示在NCGS顯示屏幕上，便于養殖戶隨時查看。通信模塊將數據上傳至云平臺數據庫。遠程用戶可通過手機APP、PC等設備隨時查看。云平臺還將對數據進行處理，當監測的的水質參數出現異常時，將通過應用層發出報警信號，提示養殖戶作出處理，調控水質，確保養殖安全，增產增效。

圖3 系統網關連接方式

3 軟件設計

本文設計的系統云平臺使用阿里云，并進行微信小程序開發。所開發的微信小程序能將傳感器檢測到的數據顯示在移動端，主要包括檢測到的水質基本信息，數據安全臨界值，歷史狀態等。同時可以進行閾值更改設計，可以人為設置閾值范圍，當監測到的數據超過閾值范圍時，設置了短信報警提醒，故障設備自動顯示數據異常。

4 結束語

本系統設計針對養殖戶對養殖池水環境監測實際需求，從維護方便、使用成本低等方便進行設計。采用簡單的熱插拔方式進行設計，養殖戶不依賴于專業技術人員即可完成對損壞設備的更新與維護，方便使用。有效提高了養殖池水產養殖日常管理效率，降低了設備使用成本，提高收益。