基于物聯(lián)網技術的水產養(yǎng)殖系統(tǒng)設計

摘 要：根據(jù)我國大部分地區(qū)漁業(yè)水產養(yǎng)殖業(yè)發(fā)展需求，基于物聯(lián)網技術設計了一款水產養(yǎng)殖系統(tǒng)。本系統(tǒng)基于物聯(lián)網三層架構進行分層次設計，主要使用STM32單片機，通過溫度、濁度、水位傳感器實現(xiàn)全面感知，采用WiFi無線傳輸進行信息交互，并在云平臺進行實時監(jiān)測和遠程操控。用戶根據(jù)養(yǎng)殖環(huán)境的差異對其水質、水溫、水位進行調控。依據(jù)養(yǎng)殖需求在云平臺操作界面調整指標從而實現(xiàn)自動換水、自動控溫、遠程投喂、遠程充氧、遠程開啟照明等功能。本設計能夠有效解決在養(yǎng)殖過程中出現(xiàn)的環(huán)境信息獲取不及時、操作不妥當而導致的魚類死亡等問題，該系統(tǒng)既能滿足規(guī)模化水產養(yǎng)殖的基本需求，又在傳統(tǒng)養(yǎng)殖的基礎上使養(yǎng)殖作業(yè)更加智能、便利。

關鍵詞：物聯(lián)網；水產養(yǎng)殖系統(tǒng)；STM32；OneNET云平臺；傳感器；遠程操控

中圖分類號：TP273 文獻標識碼：A 文章編號：2095-1302（2024）02-00-04

0 引 言

近年來，隨著物聯(lián)網、大數(shù)據(jù)、云計算等現(xiàn)代信息技術的迅速發(fā)展，為漁業(yè)信息化提供了新的發(fā)展動力。現(xiàn)代漁業(yè)是養(yǎng)殖技術、裝備技術和信息技術的有機結合，實現(xiàn)了傳統(tǒng)漁業(yè)與物聯(lián)網技術的深度融合，并在數(shù)據(jù)整合分析的基礎上進行科學決策，以實現(xiàn)精準化、自動化與智能化，有效提高了生產力和管理經營能力。

目前，我國漁業(yè)養(yǎng)殖機械化、信息化、智能化融合還不夠，絕大部分地區(qū)的水產養(yǎng)殖模式仍為人工模式，而多數(shù)養(yǎng)殖機械只是處于簡單替代人力階段，與魚類的行為學、其他養(yǎng)殖機械設備之間缺乏信息化、智能化融合交互[1]。大多數(shù)增氧機仍需人工開啟，水質監(jiān)測傳感器功能較單一，以魚塘溫度和溶解氧監(jiān)測為主，缺乏對監(jiān)測指標進行有效的智能決策行為，且在PC端遠程控制方面的應用還不廣泛。所以水質監(jiān)控系統(tǒng)需具備部署簡單、可無人操作、低功耗、維護少、遠距離傳輸?shù)忍攸c[2]。注重漁業(yè)養(yǎng)殖智能化發(fā)展，利用監(jiān)測的有效歷史數(shù)據(jù)建立和優(yōu)化漁業(yè)養(yǎng)殖，減少因水質、喂食等問題導致的大規(guī)模損失。

綜上，本文設計實現(xiàn)了基于物聯(lián)網技術的水產養(yǎng)殖系統(tǒng)。該系統(tǒng)利用嵌入式開發(fā)技術，不僅能夠實現(xiàn)對養(yǎng)殖環(huán)境中水溫和水位的監(jiān)測，還能對水體渾濁度進行監(jiān)測。針對水體中含氧量的監(jiān)測數(shù)據(jù)變化做出智能決策，避免水體含氧量低導致魚類死亡。投食設備實現(xiàn)了遠程操控，更針對水體中的溫度、濁度調整增配了換水、加熱、照明等功能模塊。結合物聯(lián)網、自動水產等技術對漁業(yè)養(yǎng)殖過程進行科學管理，實現(xiàn)水產養(yǎng)殖模式實現(xiàn)自動化、智能化、精準化的目標[3]。因此，研究基于物聯(lián)網技術的水產養(yǎng)殖系統(tǒng)符合現(xiàn)代化水產養(yǎng)殖發(fā)展需求。

1 智慧漁業(yè)水產養(yǎng)殖系統(tǒng)的概述

本設計運用物聯(lián)網技術對水產生物生長環(huán)境進行監(jiān)測和控制。環(huán)境感知層通過濁度傳感器、水位傳感器、溫度傳感器對水體渾濁度、水位、水溫進行監(jiān)測[4]；數(shù)據(jù)網絡層由WiFi無線傳輸模塊負責數(shù)據(jù)的收發(fā)；平臺層為OneNET云平臺；信息處理應用層則是根據(jù)監(jiān)測的數(shù)據(jù)進行智能決策與控制[5]。通過水的溫度和濁度實現(xiàn)自動換水、自動控溫功能，利用遠程PC終端實現(xiàn)照明、投喂、充氧等操作。系統(tǒng)結構框架如圖1所示。

2 系統(tǒng)硬件設計

基于物聯(lián)網技術的智慧漁業(yè)水產養(yǎng)殖系統(tǒng)采用STM32F103C8T6單片機，該單片機在通信、控制等方面優(yōu)于其他單片機。STM32F103C8T6是一款32位基于ARM核心的帶64 KB閃存的微控制器，引腳個數(shù)為48個，工作溫度為-40～85 ℃，電壓范圍為2.0～3.6 V，可以保證最大輸出電流為300 mA；支持ST-Link和JTAG調試下載，支持64 KB FLASH和SRAM存儲資源。STM32處理器具有睡眠模式、停機模式、待機模式三種低功耗模式，單片機在低功耗狀態(tài)下喚醒時間可以達到微秒級[6]。

本設計使用的傳感器、通信模塊、控制器、執(zhí)行設備主要是：溫度傳感器（DS18B20）、濁度傳感器（TSW-30）、水位檢測模塊（Water Sensor）、WiFi模塊（ESP8266）、STM32F103C8T6微控制器、繼電器、舵機（SG90）、水泵、加熱棒、氧氣泵等。硬件電路結構如圖2所示。

2.1 水產養(yǎng)殖系統(tǒng)水環(huán)境監(jiān)測

在水產生物養(yǎng)殖過程中，水是其生長最重要的影響因素，但是不同水生生物擁有其自身的特點，部分特殊品種的水產生物需要在特定的養(yǎng)殖環(huán)境下才能進行人工養(yǎng)殖。本系統(tǒng)選用水體溫度傳感器、濁度傳感器和水位傳感器用于對水產養(yǎng)殖環(huán)境進行實時信息獲取。

（1）水體溫度檢測模塊：傳感器型號為DS18B20，其在性能和單線接口方法等方面都較為突出。其只用一根引腳線就能實現(xiàn)與處理器的通信，突顯了連接的優(yōu)勢。測溫范圍為-55～+125 ℃，測溫分辨率為0.5 ℃；工作電壓為3～

5 V DC直流供電，支持多點組網功能。DS18B20溫度傳感器使用杜邦線連接，共有3個引腳，分別是：GND、VCC、DIO。DS18B20溫度傳感器的GND、VCC和STM32的GND、VCC連接，DIO和STM32的PC15連接，如圖3所示。

（2）水體濁度檢測模塊：傳感器型號為TSW-30，其利用光學原理通過檢測水體中的懸浮量固體的總量變化，即水中懸浮的顆粒物和光的透射率與散射率檢測懸浮量[7]。濁度傳感器擁有3個引腳：GND、OUT、VCC；工作電壓為

5 V DC，電流為40 mA；工作溫度范圍為5～90 ℃，響應時間lt;500 ms。濁度傳感器TSW-30使用杜邦線連接，共有3個針腳，分別是：GND、OUT、VCC。其中，濁度傳感器TSW-30的OUT引腳和STM32的PA0引腳連接，GND、VCC和開發(fā)板對應的GND、VCC 3.3 V引腳連接。

（3）水位檢測模塊：采用Water Sensor水位傳感器完成水量模擬信號的轉換，再通過單片機讀取。水位傳感器共有3個引腳：GND、S、VCC；其具有低功耗、高靈敏度等特點。水位傳感器使用杜邦線連接，傳感器的GND、VCC和STM32對應的GND、VCC連接。

溫度、濁度、水位傳感器線路連接如圖3所示。

2.2 水產養(yǎng)殖系統(tǒng)無線通信模塊

本系統(tǒng)使用ESP8266無線網絡進行數(shù)據(jù)傳輸，其采用IEEE802.11無線通信標準，共有8個針腳分別是：VCC、RX、RST、IOC、EN、IO2、TX、GND。本設計主要使用VCC、RX、TX、GND。ESP8266 WiFi模塊采用串口與單片機通信，內置TCP/IP協(xié)議棧，通過WiFi與上位機通信[8]。利用ESP8266模塊對傳統(tǒng)串口設備進行簡單配置，即可將數(shù)據(jù)通過WiFi傳輸給上位機，實現(xiàn)物聯(lián)功能。ESP8266的GND、VCC和STM32對應的GND、VCC相連接。RX和STM32的PB10連接、TX和STM32的PB11連接，如圖4所示。

2.3 水產養(yǎng)殖系統(tǒng)智能決策與控制模塊

本系統(tǒng)根據(jù)水產養(yǎng)殖環(huán)境設計了自動換水、自動控溫、投喂、充氧以及照明功能，且在PC端就能實現(xiàn)遠程操控。一方面，養(yǎng)殖者能隨時隨地監(jiān)測和控制養(yǎng)殖環(huán)境，另一方面使得水產養(yǎng)殖更加智能化、多樣化。

STM32開發(fā)板提供兩種供電方法，為開發(fā)板的電源引腳供電和通過USB口供電，本系統(tǒng)使用USB口供電。繼電器的5 V供電接單片機，電器負載單獨供電DC，使用DC電源線供電。系統(tǒng)智能控制模塊主要使用4個繼電器作為開關，分別控制氧氣泵、燈光、加熱棒、抽水管與進水管，如圖5所示。使用SG90型號舵機進行投喂器的控制，如圖6所示。

系統(tǒng)各層次配合工作，環(huán)境感知層的溫度、濁度、水位傳感器將采集的信息傳送到單片機。然后，利用數(shù)據(jù)網絡層的WiFi模塊向OneNET云平臺發(fā)送數(shù)據(jù)。之后將云平臺的控制指令傳送給單片機。再通過信息處理應用層對收到的數(shù)據(jù)進行相應控制，并將其傳輸給繼電器模塊，由繼電器模塊實現(xiàn)對各執(zhí)行部件的控制，從而實現(xiàn)整個控制系統(tǒng)的功能。水產養(yǎng)殖系統(tǒng)總體流程如圖7所示。

3 系統(tǒng)軟件設計

3.1 模塊程序設計

對于該系統(tǒng)中軟件設計所選用的單片機型號為STM32C8T6。使用Keil5開發(fā)軟件作為下位機的開發(fā)環(huán)境。在使用單片機前，要初始化其各個引腳，為實現(xiàn)與云服務器平臺之間的無線網絡連接，需要初始化云平臺協(xié)議。無線網絡通信由WiFi模塊完成。初始化配置完成后，STM32開始運行主函數(shù)，將數(shù)據(jù)和事件的處理結果傳輸?shù)皆破脚_。

（1）各傳感器模塊程序設計

溫度檢測程序流程如圖8所示，濁度檢測程序流程如

圖9所示，水位檢測程序流程如圖10所示。

（2）WiFi模塊程序設計

ESP8266通過串口通信，在系統(tǒng)通電后對指定連接到ESP8266的串口引腳功能進行初始化，再復位操作，并設置為STA模式。WiFi網絡連接成功后，可對指定的OneNET云平臺進行連接，接收和轉發(fā)數(shù)據(jù)，如圖11所示。

（3）繼電器模塊程序設計

通過控制繼電器實現(xiàn)終端打氧、照明、投食和換水等控制程序，繼電器模塊的程序流程如圖12所示。

（4）總系統(tǒng)設計流程

總系統(tǒng)設計流程如圖13所示。

3.2 OneNET云平臺

上位機軟件設計主要基于OneNET云平臺解決物聯(lián)網領域設備連接、協(xié)議適配、數(shù)據(jù)存儲、數(shù)據(jù)安全、大數(shù)據(jù)分析、事件觸發(fā)等共性問題[9]。OneNET云平臺能夠適用于不同的網絡環(huán)境，并且能和多種主流物聯(lián)網傳輸協(xié)議相適配。OneNET云平臺的網絡通信協(xié)議有兩種，分別是公共協(xié)議和私有協(xié)議，其中公共協(xié)議有MQTT、EDP、HTTP、LwM2M、MODBUS和TCP透明傳輸，但專用協(xié)議只有RTMP協(xié)議[10]。本設計采用MQTT協(xié)議，這是一種基于TCP/IP技術的實時通信協(xié)議，可以通過TCP/IP實現(xiàn)對負載信息的屏蔽，并且具有較低開銷，減少了網絡流量。

終端通信模組側要實現(xiàn)與OneNET云平臺的互通對接，需要在平臺側和模組側完成互通對接的配置，登錄OneNET云平臺網站進入控制臺界面后創(chuàng)建產品，配置設備的聯(lián)網方式與設備的接入?yún)f(xié)議，本設計使用MQTT協(xié)議。在創(chuàng)建好產品后，在產品概況里查看產品的ID和APIKey，為產品添加通信設備和設備鑒權信息等。

產品創(chuàng)建完成后進入應用管理創(chuàng)建可視化項目，完成上電檢查和網絡附著，再創(chuàng)建設備實體并完成資源訂閱，如利用MQTT協(xié)議將采集的數(shù)據(jù)建立對象資源數(shù)據(jù)模型，將養(yǎng)殖水環(huán)境中的溫度、濁度以及水位信息作為具體對象，添加到設備資源列表中。另外添加設備對象，控制照明、充氧以及喂食，在類對象添加3個實體，數(shù)據(jù)類型為Boolean型，資源代碼為可讀可寫類型。操作完畢后，將能夠在網頁中對養(yǎng)殖環(huán)境進行實時監(jiān)測和控制操作。云平臺系統(tǒng)操作界面如

4 系統(tǒng)測試與運行

根據(jù)系統(tǒng)的整體設計，對系統(tǒng)各功能模塊進行測試，測試的主要內容包括：溫度檢測、濁度檢測、水位檢測、自動換水、自動加熱、控制打氧、控制照明、控制喂食等。

文中設計的水產養(yǎng)殖系統(tǒng)與最初的需求設計符合，未出現(xiàn)功能缺失的地方。溫度檢測、濁度檢測、水位檢測可以成功檢測相應的數(shù)值，但在上傳網頁端時受網絡傳輸速度的影響會產生一定時差，但時差過小可以忽略不計；自動換水功能正常，在濁度數(shù)值高于預設值時系統(tǒng)會自動打開換水水泵進行換水，在濁度低于預設值時自動關閉換水水泵停止換水；自動加熱功能正常，在溫度數(shù)值低于預設值時自動打開加熱棒加熱，在溫度高于預設值時自動關閉加熱棒停止加熱；控制打氧能夠在網頁端控制開關；控制照明可在網頁端控制開關；控制喂食可在網頁端控制開關。小程序顯示結果如圖15所示，數(shù)據(jù)采集設備如圖16所示。

5 結 語

本設計是基于物聯(lián)網技術的智慧漁業(yè)養(yǎng)殖系統(tǒng)，從硬件和軟件兩部分進行設計，實現(xiàn)了對漁業(yè)養(yǎng)殖過程中水環(huán)境參數(shù)（水溫、濁度、水位）的實時監(jiān)測，根據(jù)動態(tài)數(shù)據(jù)信息分析后作出自動換水、自動控溫、遠程投喂、充氧、照明的智能決策控制，確保養(yǎng)殖環(huán)境的安全與穩(wěn)定。系統(tǒng)實現(xiàn)了智能水產養(yǎng)殖的基本需求，但仍然有一些方面需要調整和完善。隨著我國漁業(yè)水產養(yǎng)殖的不斷發(fā)展，新興信息技術不斷普及，在一定程度上給水產養(yǎng)殖者提供了更多的信息來源，也為其在養(yǎng)殖過程中帶來了諸多便利。

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