基于樹莓派的智能水產養殖系統的設計與實現

劉如軍，鄭澤凱，趙 珉

（嶺南師范學院 電子與電氣工程學院，廣東 湛江 524048）

0 引 言

水產養殖業在中國發展迅速，水產養殖業與計算機相結合的智能化、機械化養殖方式也逐漸走入人們的視野。近年來，我國國內傳統水產養殖的發展遇到了瓶頸。

水體環境質量是水產養殖業的重要基礎指標，一旦水體質量出現惡化且處理不及時就會導致嚴重的后果，使魚、蝦、蟹等水生動物大量死亡，使養殖戶遭受巨大的損失。在我國很多地區人們大部分依靠人工觀察的方法對水體環境質量進行檢查，這種方式存在諸多弊端，既不能在合理準確的范圍內對水體質量進行監測，且監測結果存在延遲性，還增加了相關的人工成本、養殖成本。無疑，傳統水產養殖業需要跟上現代工業化的步調，改革創新，提高養殖效率。

決定水體環境質量的重要參數包括pH值、溫度、溶氧量。所以要建立一套完整的監測系統就必須要對這3個參數進行實時監測，對監測到的數據進行處理后存儲在云端并針對水體質量變化情況作出相應的動作以改善。從技術層面提高養殖效率，增強水產養殖業的競爭力。

1 系統總體方案

該系統的總體方案如圖1所示。對水體信息進行采集檢測，主要有3個指標，即pH值、溶氧量、溫度，根據水體信息及時準確控制水泵、增氧泵、引蟲燈開關，實現對水體質量的精準控制。將OneNET平臺作為云端數據存儲中心，用以保存數據；作為“中轉站”，實現指令的下達上傳。手機APP作為上位機與云端OneNET平臺建立通信，實時獲取云端數據，通過云端對下位機進行指令控制。

圖1 系統總體方案

1.1 OneNET物聯網平臺模塊

智能水產養殖系統利用OneNET平臺的云端數據存儲功能，將本地的溶氧量、pH值、溫度等參數通過通信模塊上傳到云端，也可轉發手機APP端的操作指令到下位機。

1.2 樹莓派控制模塊

將Raspberry Pi 4B作為主控，其在智能水產養殖系統中主要作為下位機的“大腦”。樹莓派擁有超高的集成度，其搭載有1.2 GHz的64位四核處理器，1 GB運行內存，還集成有無線網卡，擁有比單片機更好的性能。

1.3 手機APP監測模塊

手機APP由Qt Creator完成可視化圖形界面及UI設計、開發、編譯、調試等工作，可在安卓操作系統中使用。通過使用APP遠程監測水溫、pH值、溶氧量變化，便于養殖戶及時了解養殖場的情況。利用顯示控件顯示溫度、pH值、溶氧量參數，利用觸摸控件完成動指令控制，利用編輯控件實時設置各項閾值。

2 系統的硬件設計

智能水產養殖系統的硬件設計如圖2所示。系統硬件主要包括：主控CPU、溫度采集DS18B20傳感器、四路繼電器、LCD1602顯示模塊、語音輸出模塊、pH值傳感器模塊，其中語音模塊的輸出部分已集成在樹莓派開發板上。

圖2 系統的硬件邏輯設計

2.1 主控芯片

采用Raspberry Pi 4B開發板作為智能水產養殖系統的控制器模塊。通過控制40個I/O口接收處理發送數據。

2.2 溫度采集模塊

溫度采集模塊采用DS18B20傳感器，將探頭放進水中采集水體溫度。該傳感器的測量溫度范圍為-55～125 ℃，在-10～85 ℃范圍內，精度為±0.5 ℃。DS18B20傳感器采用單總線控制，在樹莓派端接入GPIO.7可直接讀取w1_salve文件中的溫度數據。

2.3 繼電器模塊

本系統采用四路繼電器，分別控制4個模塊：水泵，通過排水、抽水來調節pH值和水溫；增氧泵，調節水中的溶氧量；引蟲燈，吸引昆蟲聚集，成為水產品的餌料；風扇，避免CPU溫度過高主動降頻，導致系統不穩定，打開風扇對CPU進行降溫處理。

2.4 LCD1602顯示模塊

LCD1602A模塊可實時顯示水溫、溶氧量、pH值、CPU溫度以及指令動作，便于養殖戶在線下直觀、實時查看智能水產養殖系統的運行狀況。考慮到節省I/O口的使用，本系統采用LCD1602的“4 bits”傳輸模式，即只使用Data4～Data7數據口進行數據傳輸。

2.5 語音模塊

語音模塊將音頻數據傳輸至TDA2030A功放板放大功率后由喇叭播放。當檢測到溶氧量、水溫、pH值等參數超出閾值時，在本地進行語音播報，提醒養殖戶水體質量出現問題需要及時處理，若繼電器動作位發生變化，也會及時播報。“語音合成”功能通過調用百度開發者平臺的API實現，需添加AipSpeech模塊包，設置APP_ID、API_KEY、SECRET_KEY等參數。將要轉換的字符串與參數一起發送，返回的音頻數據封裝到.mp3中保存至本地，最后播放輸出。

2.6 pH值傳感器模塊

pH值檢測選用diymore的pH值檢測模塊與非可充式pH復合電極探頭。該模塊可檢測的范圍為0～14（pH），可直接使用由樹莓派的5 V供電口作為工作電壓，無需電源，響應時間小于5 s，滿足智能水產養殖系統的功能需求。

3 系統軟件設計

系統的軟件設計包括樹莓派端的程序設計和手機監測控制端APP，其間通過OneNET平臺進行數據交互。APP端的軟件設計如圖3所示。

圖3 手機APP端的功能實現

3.1 手機控制端APP設計

APP程序由Qt編寫，編譯生成安卓APK安裝包。程序可實時監測水溫、溶氧量、pH值，擁有自動模式與手動模式。

主界面如圖4所示。可在主界面進行水泵、增氧泵、引蟲燈的開關操作；可實時顯示溶氧量、水溫、pH值；點擊“模式切換”進行手動模式與自動模式的切換，點擊電源鍵關閉程序。

圖4 主界面

參數設置界面如圖5所示。在參數設置界面可顯示當前設置的閾值，點擊具體數字可進入鍵盤輸入界面，點擊“返回”可退回到主界面。

圖5 參數設置界面

鍵盤輸入界面如圖6所示。在鍵盤輸入界面可通過點擊數字按鍵進行輸入操作，點擊“OK”鍵可更新閾值，點擊“返回”可退回到參數設置界面。

圖6 鍵盤輸入界面

3.2 控制算法實現

APP的程序流程如圖7所示。在程序初次運行時會創建本地數據庫Mydata.db，再創建數據表parameter，將P01～P06等6個閾值參數添加至表內。在第二次運行時查詢表內數據進行初始化。

圖7 APP程序流程

程序初始化成功后進入主界面，在主界面判斷當前模式，若為手動模式，觸摸3個開關可控制繼電器的開關；若為自動模式，可根據閾值自動控制繼電器的開關。繼電器的3個開關標志位封裝在1個數據的不同bit位內，根據bit位的變化控制繼電器，減少因多數據發送導致的網絡延遲。

“設置”按鍵按下后界面跳轉至參數設置界面，在參數設置界面可顯示自動控制模式下的閾值設置范圍，點擊各參數值可記錄點擊的參數id，然后跳轉至鍵盤輸入界面，輸入參數后根據記錄的參數id更新數據表中的數據。

當判斷到參數設置按鍵按下時跳轉至鍵盤輸入界面，在輸入界面可點擊鍵控數字0～9，“小數點”“刪除”“返回”“確定”等操作字符串temp進行數字輸入。

4 測試和結果分析

4.1 硬件測試

硬件測試主要在樹莓派端進行：配置好開機自啟動文件start.desktop，將主程序文件添加進文檔內，再添加一行代碼EXec=python3 /home/pi/zk/main.py，便可實現開機自啟動。

（1）DS18B20溫度傳感器的測試：將傳感器的探頭伸入水中進行長時間檢測。如圖8所示，在最近的100次數據獲取中，溫度在27～28 ℃之間波動，溫度正常。

圖8 近100次溫度數據檢測結果

（2）pH值傳感器的檢測：將pH值傳感器的探頭伸入水中進行長時間工作。如圖9所示，在最近的100次數據獲取中，pH值在7.5～7.6之間波動，pH值正常。

圖9 近100次pH值數據檢測結果

（3）四路繼電器的動作位測試：在手機端下達對水泵、增氧泵、引蟲燈的開關指令。如圖10所示，在幾次測試后一切正常，繼電器能正常地斷開吸合，水泵、增氧泵、引蟲燈能在對應的指令操作中開啟、關閉。

圖10 近30次指令操作數據

4.2 軟件測試

客戶端與云端OneNET平臺的數據通信功能測試：通過fiddler實時抓取由客戶端發出的數據包。如圖11所示，POST方法與GET方法發出的22個HTTP數據包全部發送成功，且在OneNET平臺成功獲取由客戶端發送的數據并將數據存儲在云端。

圖11 發送的數據包

軟件的功能測試采用黑盒測試。在手動模式下，分別按下水泵鍵、增氧泵鍵、引蟲燈鍵，觀察到水泵、增氧泵、引蟲燈正常開啟、關閉，測試結果見表1所列。

表1 手動模式

在自動模式下設置溫度、pH值、溶氧量的閾值，在樹莓派端將pH值、溶氧量降低到低于閾值下限，觀察到水泵、增氧泵進行排水、增氧操作。將pH值、溶氧量增高超出閾值上限，觀察到水泵、增氧泵關閉；設置引蟲燈的開關時間，觀察到引蟲燈在設置時間內開啟，其他時間關閉。測試結果見表2所列。

表2 自動模式

軟件的功能測試均成功通過，可滿足智能水產養殖系統的基本需求。

5 結 語

本文基于現代水產養殖的實際需求，提出了一種基于樹莓派的智能水產養殖系統的設計方案，并實現了軟件代碼和硬件系統的設計制作與調試。測試結果表明，所設計的系統能實現對水產養殖系統的有效監控，實現水體質量參數的實時采集、水體智能監控和手機APP遠程監控功能。下一步，計劃開發多機組聯動控制實現多個水產養殖池塘在同一個系統的集中控制，并接入大數據，實現對不同水產品所需環境的精準控制。