基于物聯網技術的水產養殖智能控制系統

歐陽兆彰，張俊良，吳煥轉

（1 江門職業技術學院，529000，廣東江門；2 江門中醫藥技術學院，529000，廣東江門）

目前，廣東珠西地區的水產養殖在沿海鄉村極具規模，但智能設備的應用依舊有限，還是以人工作業為主，無法擺脫工作時間過長的現狀。養殖戶需投入較大的時間成本進行蹲點值守，每天定時喂養、換水，并時刻提防停電、水質變壞等突發情況，稍有不慎就可能造成無法挽回的巨大損失。長期固守在農村地區，缺少自由，養殖工作更不被年輕人認同，行業發展前景暗淡。

1 水產養殖智能控制國內外現狀

國外的主要研究方向，是致力于將物聯網、人工智能、云計算等信息技術與水產養殖相結合，實現精準化、無人化的養殖[1]。國內，主要集中于研究實時監控水溫、水質、溶解氧、pH 等要素，以減少水產養殖的風險[2-3]。

但是，智能控制產品在養殖戶中推廣使用十分有限，主要是因為養殖的品種、池塘建設、養殖前期準備、水產品成長過程等關鍵因素各有不同。在智能控制產品設計研制的整個過程中，養殖戶必須全程參與決策，但他們對于智能產品所涉及的技術知識與控制理論十分陌生，很難駕馭此類軟件與設備；另外，大多數養殖戶以家庭作坊為主，規模較小，平均每年的利潤就在10 萬元左右，如需要他們增設價格貴、操作復雜、維護費用高的設備，養殖戶熱情不高，認可程度較低。

針對上述情況，研制成本合理、操作簡單，能分擔養殖過程中的斷電搶險、水質監控、飼料投喂等任務，減輕養殖戶勞動強度，實現無人值守的水產養殖智能控制系統十分必要。

2 水產養殖智能控制系統研制

2.1 系統主要構成框架

基于農村無線網絡建設的全面覆蓋與4G 物聯網技術，本文自主研發的水產養殖智能控制系統包含ATS（Automatic transfer switching）模塊、云監控模塊、pH 測控模塊、飼料投放控制模塊等功能模塊，用戶可根據實際需求進行定制組合，極其利于推廣。系統主要由遠程開關單元、4G 通信單元組成，借助4G 物聯網技術，能為各功能模塊提供遠程控制、斷電報警、上電自鎖等功能及Wi-Fi 信號，在手機平臺可實現設備遠程啟動、工作狀態判斷、多人分享、設備啟停報送等功能，大大減輕水產養殖的時間投入，實現無人值守。結構框架如圖1 所示。其中遠程開關單元選用某品牌JYDAM0455 型作為核心部件，能遠程控制24 V、220 V 的繼電器、接觸器，實現線路通斷報警與云平臺數據處理。

圖1 系統主要構成框架

2.2 ATS 模塊

ATS 模塊可解決無人值守時突發斷電的問題。供電意外情況時有發生，更甚的是別有用心的人惡意關停設備電源。為防止意外，養殖戶不單養狗防盜，還要在池塘旁邊搭建茅屋日夜看守，特別在寒冷與風雨天氣，十分艱苦。ATS 模塊可以將智能控制系統從市電電源自動換接至備用發電機電源，以確保增氧機等養殖設備連續、可靠運行。ATS 模塊具備電氣聯鎖、切換延時與市電優先功能。切換延時功能可保證電源轉換時電參數的穩定性，防止電源短路；市電優先功能，保證供電時，即使在發電機組供電狀態的任何時候，只要市電恢復正常，也立刻切換至市電供電。其電氣原理如圖2 所示。

圖2 ATS 模塊電氣原理

本系統的ATS 模塊可搭配市面上大多數的發電機（只需具備電氣啟動的功能），并在此基礎上，增設自動、遠程總控。自動模式時，利用遠程開關單元實現手機總控。啟用ATS 功能時，即繼電器KA3 線圈上電，發電機電氣啟動的常開觸點閉合；反之斷開，屏蔽ATS功能。手動操作時，按下原有的手動開關（SB1）即可啟動發電機。

KA1 是某品牌型號為H3Y-2H 的時間繼電器，由一對瞬時開關與一對延時開關組合。模塊工作過程：市電正常，線圈KA1 上電，KA1 的瞬時常開開關使發電機啟動線路斷開，發電機為待機狀態。KA1 的延時常開觸點經過5 s 左右閉合，接入系統帶動負載；當市電出現故障時，KA1 失電，瞬時常開開關閉合，發電機立即啟動，KA2 的常開觸點經過5 s 左右延時，使負載切換至發電機；當市電恢復時，KA1 上電，發電機停止，KA2 斷電，負載切換回市電，發電機組自動停機。

2.3 pH 測控模塊

加強水質調控是水產養殖的關鍵。根據《漁業水質標準》[4]，最佳養殖水質的pH 值是7.5～8.5。當水質pH值小于6.5 時，魚類呼吸困難、飼料消化率低，生長放緩；當pH 值高于9 時，水質呈強堿性，嚴重時可致魚類死亡。養殖戶須經常巡塘觀察，定期監測，做好換水工作。當pH 異常時，根據情況，投放適量生石灰或明礬粉進行pH 修正。特別遇到夜間大雨，雨水流入及周邊有機物被沖刷進池塘，短時間就可改變水質，更需養殖戶迅速應對。因此，有效監測水質pH 值變化，及時通知養殖戶，并實施有效修正手段，對保障水產養殖具有積極意義。

結合科學養殖知識與經驗，開發pH 測控模塊，控制流程如圖3 所示。當pH 檢測數據異常時，通過遠程開關單元，立刻報送給養殖戶手機。

圖3 控制流程

生石灰、明礬與EM 菌的投放可利用市面上現有的遠程魚料投放器，只需配備Wi-Fi 信號，即可實現遠程操作。利用遠程開關單元的定時功能，可實現自動定時換水功能（先排水，后進水）。pH 檢測采用帶高/低限輸出的傳感器，當pH 大于9 時，H1 閉合，遠程開關單元檢測到電信號，手機報警。在防錯模式下，即KA6 斷開時，明礬粉末投放機必須在H1 閉合時，電源才可通電，允許工作，目的是防止生石灰和明礬的錯誤使用。如無需該功能，切換回手動模式，接通KA5、KA6 即可，生石灰與明礬的投放設備不受pH 監測影響。電氣原理圖如圖4 所示，關鍵電氣部件控制如表1 所示。

表1 電氣部件對應控制設備

圖4 pH 檢測模塊電氣原理圖

2.4 飼料拋投控制模塊

飼料的喂養量與喂養次數需根據水產品成長階段進行調整，定時與適量投放至關重要。根據走訪可知，飼料商一般會免費贈送飼料拋投機供養殖戶使用。但是，設備使用率極低，主要原因是:該設備沒有定時、定量運行等重要功能，必須手動啟停；出于私心，供應商為了更快消耗飼料，設備投料量大、速度快，不符合科學養殖要求。

本系統的飼料投放控制模塊針對現有的飼料投喂設備缺點，結合遠程開關單元的定時功能與變頻器的調速作用，對投料機可實施定時運行、自動操作。能大大減輕勞動強度，切實解決養殖戶無人守值下的飼料投放問題。魚塘要做到飼料投喂全覆蓋，一般需要多臺設備在不同地點進行拋投，如每臺投喂設備都需要獨立的變頻器進行驅動，將大大增加設備投入成本。本模塊設計一臺變頻器輪流控制多臺飼料拋投設備，電氣原理圖如圖5 所示。變頻器SFW 為正轉啟停信號，RL/RH 是高、低速設定，對應成長期與成熟期不同的飼料投喂量。利用遠程開關單元的定時功能，依次接通KA11、KA12、KA13，以90 s 為一工作周期，每臺飼料機依次接入變頻器，工作時長為15 s，時間流程如表2所示。

表2 工作時間流程

圖5 飼料模塊電氣原理圖

3 結語

本文研發的智能控制系統，借助市面上現有的技術成熟的控制部件進行整合優化，可兼容養殖戶原有的設備，如監控攝像頭、發電機、水泵、增氧機等，大大降低設備投入費用。另外，系統運行維護費用極低，其中4G 通信單元為各智能部件的遠程控制提供Wi-Fi 信號，流量卡如使用60 G/年的4G 流量包年套餐，年費不到百元，比起當前農村養殖戶使用手機報警業務，費用更低，功能更強大、完善，極大利于市場推廣。