基于物聯網的魚塘水質監控系統的設計與實現

徐爽，易東

（銀川能源學院，寧夏銀川，750021）

0 引言

水質監測是現代漁業養殖過程中的一個關鍵環節，魚塘中水質的好壞直接影響漁業養殖的產量與質量。傳統的監測方法存在很多弊端，如養殖人員定時巡查，根據經驗粗略判斷水質情況，存在很大誤差；或者用水質檢測的相關儀器設備，檢測耗時費力。現代水產養殖水質監控技術正在向著智能化、自動化、高效便捷化發展。國內許多科研院所和高校在水質監測方面已經開展了較多的研究，并在水產養殖方面得到了一定的應用，但是由于存在監控系統布線復雜、運營維護成本高、實時監測性差、遠程控制困難等原因而導致在漁業水質監控方面的應用還比較緩慢。

本文利用傳感器、單片機、自動控制和物聯網技術，建立了一個多傳感器檢測魚塘水質的監控系統，可以監測溫度，PH值、水位、溶解氧含量等多種水質參數，并且可以通過手機APP或物聯網實時了解水質信息和遠程控制相關設備。系統實現了監測數據的分析、存儲、查詢、反饋和調節等智能化管理，有效地提高了管理效率與經濟效益 ，減輕了管理人員的勞動強度。

1 系統總體設計及工作原理

系統包括STC15W4K56S4單片機模塊、傳感器采集模塊、聲光報警模塊、GPRS通信模塊、OLED液晶顯示模塊和繼電器控制模塊等組成，總體結構框圖如圖1所示。利用水溫、pH值、水位和溶解氧傳感器采集魚塘水質參數送到單片機進行分析與處理，再把數據信息通過GPRS上傳到物聯網云端服務器上，如果水質參數超出設定值便會報警，同時可以控制相應的設備進行調節。魚塘管理人員可以通過現場OLED液晶屏查看水質參數信息，也可以利用手機APP或物聯網遠程監控魚塘水質參數的變化。

圖1 系統總體結構框圖

2 系統硬件電路設計

2.1 單片機

主控芯片選擇STC15W4K56S4單片機，它采用STC第九代加密技術，內部有時鐘和復位電路，不需要外部時鐘和復位電路。STC15W4K56S4單片機利用IAP技術，可以省掉外部EEPROM；同時具有8通道10位脈寬調制；8通道10位高速ADC，每秒30萬次；單片機內部有56K字節EEPROM ，擦寫次數10萬次以上；4K字節的大容量SRAM；一組高速同步串行通信端口SPI；具有超強抗干擾、抗靜電、低功耗等優點。

2.2 數據采集模塊

2.2.1 水溫測量電路

水溫測量采用DS18B20水溫傳感器，它的工作電源電壓為3.0～5.5V；9～12位可調分辨率；測量范圍為-55℃～125℃，在-10℃～+85℃時精度為±0.5℃，傳感器探頭外部有不銹鋼保護管，可直接放入魚塘水中。電路如圖2所示，水溫傳感器的2引腳與單片機的P4.7口相連接。

圖2 水溫傳感器電路

2.2.2 PH測量電路

PH值測量選擇DF-SEN0161傳感器，它常用于水產養殖、環境水檢測等領域，PH是衡量溶液的酸堿程度。傳感器的工作電壓為DC 5V；測量的范圍為PH 0-14；精度為±0.1PH（25℃）；工作環境溫度為-10℃～50℃。電路如圖3所示，PH傳感器的2引腳與單片機的P1.6口相連接。

圖3 PH傳感器電路圖

2.2.3 水位測量電路

水位測量選擇D3B水位傳感器，它利用傳感器中央的壓力感應膜來實現對魚塘水位的測量。其工作電壓為4.2～6.2V；壓力范圍為0～1000mm水柱；電壓輸出為0.23～4.9V；線性度為0.2%。電路如圖4所示，水位傳感器的2引腳與單片機的P1.5口相連接。

圖4 水位傳感器電路

2.2.4 溶解氧測量電路

由一個陽極和一個與傳導性電解質連接的陰極組成的溶解氧傳感器，輸出的電流值與水中的氧濃度成比例關系，于是就可以根據輸出的電流來計算出水中的溶解氧含量。溶解氧傳感器即使在各種惡劣水質中，膜也不容易損壞，在水文監測、廢水處理、魚塘水質、生物等領域應用廣泛，其檢測范圍是0～20mg/L，分辨率為0.1mg/L。電路如圖5所示，溶解氧傳感器的2引腳與單片機的P1.4口相連接。

圖5 溶解氧傳感器電路

2.3 液晶顯示模塊

系統采用OLED液晶屏顯示，它既能顯示英文字符，又能顯示中文字符。由于其自身發光特性，不需要背光，具有能耗低、體積小、清晰度高等優點。可實時顯示系統采集的水質參數，液晶顯示電路如圖6所示， 3引腳SCL與單片機的P2.6口相連接；4引腳SDA與單片機的P2.7口相連接。

圖6 液晶顯示電路

2.4 GPRS通信模塊

GPRS通信模塊采用SIM800C，它的抗干擾強、工作穩定、外圍電路集成度高，適合用于語音、短信、GPRS數據服務、藍牙等各種領域。四個工作頻段GSM/ GPRS 850/900/1800/1900MHz；最大傳輸速率85.6kbps；支持3.3V和5V TTL串口以及5～18V的寬電壓范圍；操作溫度-40℃～+85℃。電路如圖7所示，GPRS通信模塊3引腳TXD與單片機的P0.0口相連連；4引腳RXD與單片機的P0.1口相連接。

圖7 GPRS通信接口電路

2.5 繼電器控制模塊

繼電器控制電路包括三個部分。電路如圖8所示，分別是繼電器控制的加熱片開關電路、水泵開關電路和氧氣泵開關電路。當前水溫低于預設值時，加熱棒工作，反之停止；當前水位低于預設值時，水泵工作，反之停止；當前溶氧量低于預設值時，氧氣泵工作，反之停止。其中繼電器控制加熱片開關電路與單片機的P5.4引腳相連接，繼電器控制水泵開關電路與單片機的P5.0引腳相連接，繼電器控制氧氣泵開關電路與單片機的P4.6引腳相連接。

圖8 繼電器控制電路

2.6 聲光報警模塊

當監測到魚塘水情超過或低于預設值時蜂鳴器發出報警信號。聲光報警電路如圖9所示，三極管基極與電阻R3連接，電阻R3另一端與單片機的P2.5引腳相連接。

圖9 聲光報警電路

3 系統軟件設計

系統的軟件設計主要包括采集終端軟件設計和物聯網監測平臺軟件設計。

3.1 采集終端軟件設計

單片機編程開發工具選用KEIL軟件，C51語言。C51語言編寫的程序便于修改、維護以及升級。采用模塊化設計思想，采集終端程序由主程序模塊和一系列子程序模塊組成。主程序完成系統的初始化和調用子程序操作。各子程序包含傳感器采集數據、液晶顯示、聲光報警、GPRS通信和串口初始化等模塊。軟件程序流程如圖 10所示。

圖10 系統程序流程圖

3.2 物聯網監測平臺軟件設計

物聯網監測平臺使用中國移動打造的OneNet開放平臺，OneNET平臺作為連接和數據的中心，能適應各種傳感網絡和通信網絡，幫助開發者輕松實現設備接入與設備連接，快速完成產品開發部署，從而降低產品研發、運行和運維成本。

OneNet平臺產品開發部署的流程：注冊并登錄，創建產品，創建設備，新增數據流，新建應用并發布。采用公開的 HTTP 協議，應用生成 了四種水質參數曲線、三個報警顯示和三個設備開關。監測平臺會不斷查詢數據是否更新，并將已更新的數據顯示在平臺網頁上，OneNet 監測平臺實現了數據的接收、處理、存儲和查詢等功能。

4 系統測試及結果分析

利用調試好的系統在寧夏靈武某魚塘進行試驗，實時監測魚塘水中溫度、pH 值、溶解氧和水位信息，同時物聯網云端服務器能夠及時接收GPRS模塊傳送的水質參數信息，并將水質參數信息全部保存到云端數據庫。用戶可以隨時遠程查看魚塘水質情況，并控制水泵、氧氣泵、加熱片的開關。系統測量值與標準儀器測量結果經過多次測試比較，得到溫度絕對誤差0.5℃，PH值絕對誤差0.3，溶解氧絕對誤差0.3mg/L，水位絕對誤差1cm，測量精度滿足實際檢測要求。

5 結語

基于單片機的魚塘水質監控系統實現了參數信息的采集、傳輸、分析、顯示等功能，能夠實時監測魚塘水中的溫度、PH值、水位溶解氧含量等信息。管理人員可以利用物聯網WEB網頁進行遠程監測與控制。通過實際測試表明，系統各項指標和功能均達到設計要求，系統運行穩定可靠，智能化程度高，硬件成本低又容易擴展出新的功能，具有較好的市場推廣價值。