基于物聯網的智慧水產養殖管控系統的設計與開發

高菊玲

（江蘇農林職業技術學院機電工程學院，江蘇句容 212400）

0 引言

隨著人民生活水平不斷提高，人們對水產品的需求量呈現逐年增長態勢，促進了國內水產養殖業快速發展，但是目前大多數水產養殖場依然采用傳統人工養殖方式。傳統人工養殖的弊端在于過度依靠養殖戶的個人經驗，然而大多數養殖人員的受教育程度偏低，對于水產養殖管理過程粗放，無法做到精細化養殖管理[1-3]。

隨著物聯網技術和傳感器技術的迅速發展，國內外研究學者對水產養殖過程的水質監測與水質調控做了很多的工作。Alam Arif U1等人[4]開發了遠程水質監測系統，可實現通過Android端實現對水產養殖區域內的pH、EC、水溫等參數。蔣建明、喬增偉等人[5]設計開發了基于可變因子模糊控制的增氧系統，實現了養殖池的均勻增氧。姚梁狄[6]利用STM32單片機，設計開發了養殖水箱環境監控系統，實現了對水產養殖過程的總溶解性固體、pH、水位等信息的精準采集，提高了水產養殖監管效率。王丹丹[7]設計了一種基于ZigBee的水產養殖水質遠程監測系統，系統由傳感器采集模塊、數據處理模塊、無線通訊模塊三部分組成。

圍繞目前我國水產養殖管理過程中遇到的水質信息采集精度低、增氧調控難、智能化程度低等痛點，我們設計開發了一套基于物聯網的智慧水產養殖管控系統，系統以物聯網技術為基礎，PLC控制器為中心，融合傳感器采集模塊、LoRa無線傳輸模塊、智能增氧模塊等，實現對水產養殖水質環境中的溶解氧、pH值、EC值、水溫等指標進行實時監測，開發了智能增氧調控系統、WEB端的智慧水產遠程管理平臺，實現遠程對水產養殖地的水質監測與水質智能調控、飼喂等功能。提高了水產養殖的工作效率，為漁農提供智能化、精確化等水產養殖管理系統。

1 智慧水產養殖管控系統設計

1.1 需求分析

中國水產養殖的生產模式已由粗放型向集約型轉變，隨著信息技術的發展，中國的水產養殖生產逐漸向自動化、智能化發展，優化養殖手段、提升養殖效率、提高水產品產量和品質等。但是目前水產養殖管理過程中還存在著“水質與環境信息采集精度低”“智能化水平不足”等問題，所以亟需開發一套智慧水產養殖管控系統，實現水產養殖過程的智能化管理。系統具體功能如下：

1）實現水產養殖區域內的水質數據與氣象環境數據的實時監測、分析與預警；

2）設計與開發增氧機的智能調控系統，通過改變控制頻率從而調節電機的轉速，實現增氧智能調節；

3）實現通過計算機、手機等移動終端對水產養殖現場的遠程管理。

1.2 系統總體設計

智慧水產養殖管控系統由水質監測系統、智能調控系統、水產遠程管理系統三部分組成，系統框架圖如圖1所示。

其中水質監測系統由水質監測傳感器、數據采集模塊、LoRa無線傳輸模塊三部分組成。能夠實現對養殖水域的溶解氧、pH值、EC值、水溫等參數進行實時監測，并通過LoRa無線模塊將數據發送至安裝在岸邊的水產智能控制柜中，由智能網關進行數據處理、轉發等，可實現通過計算機WEB端進行數據實時與歷史數據訪問等。

智能調控系統由水泵、投飼機、增氧機、變頻器等組成。其中，增氧機選用的是三相380V葉輪增氧機，可實現根據預先設定的水質溶解氧值，結合當前采集的溶解氧實時數據進行智能調控，也可手動通過遠程管理平臺對每一臺增氧機單獨設置工作強度，控制模塊接收到調控指令后控制變頻器，從而調控葉輪增氧機進行智能增氧，當EC傳感器采集到當前水產養殖區域內的值高于設定值，即控制換水泵進行換水操作。

水產遠程管理系統由智能網關、云服務器、MQTT服務器、WEB端等組成。操作人員可通過計算機WEB端遠程對水產養殖區域的水質情況、執行機構工作狀態實時監測，手動操控現場執行機構，實現換水、增氧等操作。

1.3 軟件平臺設計

為提高水產養殖智能化水平，實現通過“云管控”的方式進行水產養殖管理，設計和開發了水產遠程管理系統。系統由系統管理、水質監測、智能調控、報警管理四部分組成，軟件功能框架如圖2所示。系統結合安裝在水產養殖現場的傳感器終端、無線傳輸系統、智能控制柜、高清攝像頭等硬件，實現了水產養殖過程的水質監測、水質智能調控、異常報警、平臺管理等。

圖2 軟件功能框架圖

1）系統管理：包括用戶管理、后臺維護、設備管理等。

2）水質監測：實時在線獲取水產養殖過程中水質數據，并顯示出來，為養殖人員管理提供依據，可以進行歷史數據的查詢、分析，生成歷史曲線或報表。

3）智能調控：若獲取的水質指標超出正常范圍，則自動觸發控制裝置，如增氧機和換水電磁閥等。

4）報警管理：如果水質數據超出規定標準范圍，軟件平臺發出預警信息，管理人員可以及時響應，包括水質參數的閾值設置、報警通知等。

2 硬件系統的設計

2.1 水質監測系統設計

水質的好壞直接決定了水產品的成活率與品質，傳統的依靠現場管理員巡檢、實驗室水質檢測等方式不僅繁瑣，而且時效性差。為實現24 h不間斷地對養殖區域內的水質情況監測，設計和開發了一套基于LoRa的水質監測系統，系統由傳感器模塊、MCU模塊、LoRa模塊、電源模塊等組成，系統設計圖如圖3所示。

圖3 水質監測系統設計圖

傳感器模塊由在線式水質傳感器探頭、浮標、傳感器支架、濾網等組成，使用時只需將裝置放置在水塘中間，即可實時監測水產養殖區域內的溶解氧、pH、EC、水溫等參數。其中，溶解氧是水產養殖過程中最重要的參數，目前溶解氧的檢測方式分為膜電極測法與熒光測法兩種，膜電極測法原理是將溶解氧（實際上是氧分壓）轉換成電信號，再經放大、調整（包括鹽度、溫度補償），由模數轉換顯示；熒光測法是基于物理學中特定物質對活性熒光的粹熄原理，使一個發光二極管（LED）發出藍光照射在熒光帽內表面的熒光物質上，內表面的熒光物質受到激發，發出紅光，通過檢測紅光與藍光之間的相位差，并與內部標定值比對，從而計算出氧分子的濃度，經過溫度和氣壓自動補償輸出最終值。本系統選擇的溶解氧傳感器是建大仁科RS-LDO-N01型溶解氧傳感器，測量范圍0～20 mg/L，測量誤差±3%FS，具有反應快、測量精度高、免維護等特征。

MCU模塊負責將傳感器模塊采集到的數據進行數據處理，如數據濾波、校準等。本次設計使用STM32F103C8T6芯片作為MCU，這是一款性價比較高的STM32系列芯片[8-9]。LoRa模塊是實現物聯網通信的關鍵，選用了Semtech公司的SX1278LoRa芯片，該芯片工作頻段：410～525 MHz；通信速率：0.2～37.5 kbps，可實現長距離、低功耗的數據傳輸。

2.2 智能增氧調控系統設計

溶解氧是衡量養殖水質好壞的重要指標之一，影響著魚類的基本生命活動，溶解氧濃度較低時，會造成魚類缺氧死亡的嚴重后果[10-12]。在水產養殖過程中，當水溶解氧含量低于5 mg/L，如果未及時采取增氧措施，魚類會因缺氧窒息而導致死亡。

增氧機主要有噴水式增氧機、葉輪式增氧機、水車式增氧機、充氣式增氧機和搖擺式增氧機等，其中葉輪式增氧機主要通過電機帶動螺旋槳攪拌水體曝氣的原理，實現增氧過程，使用最為廣泛。本文以一臺380 V、1 kW的葉輪式增氧機為研究對象，設計和開發一套智能增氧調控系統，系統由溶解氧傳感器、PLC、變頻器、增氧機等組成，溶解氧濃度控制圖如圖4所示。

圖4 溶解氧濃度控制圖

實際操作過程，管理人員通過水產遠程管理平臺設置養殖水池需要達到的溶解氧含量，待設置完成后，系統實時檢測養殖水池內的溶解氧實際值，并與設定值進行對比，當養殖水池的溶解氧濃度＜5 mg/L自動啟動增氧機，進行持續增氧，通過調節增氧機的轉速最終實現恒定增氧，PLC通過RS-485與變頻器建立通信方式。變頻器設置為4～20 mA電流控制，對應頻率輸出為0～50 Hz。不同頻率輸出驅動增氧機產生不同的轉速，轉速越快，增氧能力越好。

3 水產遠程管理系統設計

3.1 系統架構設計

水產遠程管理系統由前后端構成，如圖5所示，左邊虛線框為云服務器內的數據庫軟件、MQTT消息代理軟件等，其中數據庫用于存放和調用一些設備數據（包括傳感器采集的歷史數據等）及業務方面的應用型數據。用戶可以通過計算機WEB端的管理平臺，對現場養殖水域的水質實時數據、歷史數據和專家報表等進行查詢。智能控制柜內主要有智能網關、PLC，LoRa無線模塊等，本地網關是銜接硬件裝備與云服務器的中轉站，本地控制采用西門子200smart PLC作為核心控制器，水質傳感器采集的參數與執行機構的操作最終在PLC中實現，PLC與智能網關進行數據交互，智能網關內置物聯網卡，通過4G網絡與服務器建立通信。

圖5 水產遠程管理系統架構圖

通信協議是“物聯”的交互語言，目前常用的通信協議有：MQTT、Socket、HTTP等。MQTT協議（Message Queuing Telemetry Transport，消息隊列遙測傳輸協議），是一種基于發布/訂閱（Publish/Subscribe）模式的輕量級通信協議，具有輕量、簡單、容易實現等特點，在物聯網、小型設備、移動應用等方面有廣泛的應用，因此本系統采用MQTT協議作為本地硬件系統與云服務通信方式。本地的智能網關可以作為MQTT客戶端，也可以作為發布者與訂閱者，雙向通信的方式在保證數據上傳的同時，也保證指令下達。開發的水產遠程管理平臺同樣為MQTT客戶端，兩個客戶端只需同時訂閱MQTT服務器發布的主題，即可實現數據交互。

實際操作過程，本地網關訂閱MQTT服務的主題，實現周期性水質、氣象等數據上報。水產遠程管理平臺也訂閱同樣的主題，接受現場實時采集的數據，當操作人員通過水產遠程管理平臺向主題發送了一條控制增氧機的控制指令，智能網關接受并解析控制指令，向PLC發送數據包，由PLC執行控制指令，這樣即完成了一次增氧操作。

3.2 智慧水產養殖管控平臺設計

平臺開發以簡潔、美觀、方便作為設計理念，采用B/S架構的分層模式進行設計，有效保障了數據流轉的有效性和完整性，提高了數據安全性。WEB端平臺如圖6所示，由監測模塊、遠程調控模塊、生長視頻監控模塊、農事管理模塊組成。監測模塊主要對水產養殖區域內的水質和氣象參數進行實時監測與預警，同時可以查看系統自動生成的歷史趨勢圖，方便觀察水質變化情況。遠程調控模塊可實現對增氧泵、電磁閥、投飼機等執行機構的遠程操控，同時結合現場視頻監控，實現遠程水產養殖管理。平臺還支持農事活動記錄、調度等，對養殖漁場的面積、水產品養殖種類、水產品養殖數量、不同養殖池的水產品生長狀況等信息的記錄與分析。

圖6 管控平臺首頁圖

4 結論

本文利用LoRa無線通信技術，實現安裝在多個水產養殖區域內的水質監測裝備，通過無線通信，將實時采集的水質信息發送至智能網關，解決了布線難、施工成本高等問題。開發的智能增氧調控系統，實現操作人員通過水產養殖管控平臺設定電機轉速，從而控制現場的增氧機，實現不同程度的增氧，保證了水產養殖區域內溶解氧濃度恒定在設定值，節約了電能，降低了生產成本。設計開發的智慧水產養殖管控平臺實現遠程水產養殖現場的水質與環境監測、增氧、投飼等操作，提高了遠程管理運維能力，系統在江蘇省句容市郭莊鎮方溪村水產養殖基地實地測試以來，運行效果良好。