“互联网+水产养殖”系统设计

王习 龙房政

摘要：我国水产养殖规模日益增大，但在水产养殖中无法实时监控水质情况，消耗的人力物力财力较多。就这一问题设计一个水质控制系统。主要包含感知层采集传感器、数据处理平台、继电器控制模块三个主要部分。针对pH值、温度、溶解氧等水质参数，系统根据用户端指令，通过分析水质参数，使用PID算法控制终端设备进行相应控制，无需人工干预。

关键词：互联网;水产养殖;水质控制;PID算法

1、系统原理

项目旨在设计一套针对水产养殖中的基于物联网的水质控制系统。硬件系统主要包括Arduino控制器、DS18B20温度传感器、物联网模块ESP8266、SEN0161型pH测量传感器、SEN0237溶氧传感器、电源模块、酸碱液泵、增氧泵、热水泵及继电器模块等。

系统原理如图1所示，开启系统，传感器通过Zigbee通讯组网收集水质环境参数发送到主控Arduino端，实时显示水质数据到显示器上并通过物联网模块把数据实时上传到云端数据库平台，用户再通过PC端或者安卓端登录管理平台输入水质参数对水质进行远程控制，Arduino中央处理器接受参数指令后使用PID算法发送指令到执行机构完成对设备的控制，显示反馈设备的工作状态并上传云端，最终让水质参数维持在一个相对稳定的状态。

2、系统总体硬件设计

本系统采用以Arduino控制板为控制核心。该控制板是基于开放源代码的接口板，它包括12通道数字GPIO、6组PWM通道输出和6～8通道的10bitADC输入通道，它的核心是一片AVRmega168的单片机。整个系统主要由各传感器（水位传感器）、水泵、太阳能供电模块组成，其设计整体方案见图2。

其中水位传感器可使用多条导线与水的导通来测量不同深度的水位，可将水位分为4层，分别代表满水位、75%、25%、0水位，当水位到达某一深度，导通导线触发高电平给Arduino控制板。浊度传感器主要利用光学原理，通过对水的透光率及散射率来判断水质情况。传感器内部是红外线对管，当发射管发射一定量光线通过水后，由接收管接收，水越浑浊，通过的光就越少。通过调节模块上电位器大小选择合适阈值作为警戒水质，当水质达到此界值，传感器模块输出高电平。控制板通过监测该电平变化，即可知道水质超标，联动水泵运行。温度传感器采用DS18B20作为温度监测模块，温度数值在上位机上显示，其通信协议是wire协议，通信时只需将数据引脚与控制板连接即可。PH计传感器首先要对其进行校正，数值比较准确的使用有利于对水体做精确控制。使用时用标准缓冲溶液校正，环境温度以25℃为标准值。同时为保证精度一致性，需要定期校准，以防止有较大误差。若水塘杂质较多，建议6个月做一次重新校准。采用APC无线传输模块，该模块是高度集成半双工微功率无线数据传输模块，其嵌入高速单片机和高性能射频芯片ADF7020-1。采用高效的循环交织纠检错编码，抗干扰和灵敏度都大大提高，最大可以纠正24bits连续突发错误，达到业内的领先水平。APC220模块提供了多个频道的选择，可以在线修改串口速率、发射功率、射频速率等各种特征参数。工作时将其插在USB转串口模块上，再将模块插入计算机usb口及Arduino控制板上即可进行远程数据的采集与发送。为使系统稳定，采用9600波特率，工作频段434Mhz。从数据采集的频率考虑，系统供电采用太阳能电池为主，市电为辅的供电机制。系统采集数据主要从太阳能及蓄电池供电，水泵抽换水采用市电。

3、系统设计

3.1系统结构设计

基于农业物联网的水产养殖水质监控系统，采用模块化功能设计，系统的总体结构如图3所示。

首先，依据系统用户的功能需求，系统利用PH值、水温、水溶氧等传感器每隔规定时间对鱼塘水质数据值进行实时采集。然后将采集到的数据通过RS-485接口传到GPRSDTU模块，并在此进行数据格式转换。接着通过GPRS网络将采集数据上传到监控中心服务器进行分析处理，并将数据与分析结果反馈给用户。当水质出现问题时，监控中心发出指令，再次通过GPRS网络将指令传送到现场控制器，运行相关设备，实现系统的自动远程控制。当参数恢复正常时，系统发出指令，停止调控操作。

3.2系统数据库设计

通过对系统进行详细需求分析，本文将功能菜单、角色、用户、传感器数据作为实体进行数据库概念设计，画出数据库E-R图，如图4-图8所示。

3.3数据采集系统设计

数据采集采用C/S结构，利用多线程编程开发技术实现传感器数据远程采集并上传至数据库服务中心，具体流程如图9所示。

4、系统测试

（1）系统登录测试;首先进行登录界面测试，当用户名或密码输入错误时，系统自动弹出报错信息，正确时入系统主页面，点击相应导航栏，显示相应数据。比如，当点击“水质环境”用户可以按照日期查询采集数据。⑵智能控制模式测试;这里主要是对水质的PH值、含氧量和水温等参数进行监控，特别是对PH值和含氧量两个参数监控，系统测试结果，如表1所示。

测试结果表明：各项功能均使用正常，能够满足用户使用需求。

结束语

本系统的研发基于先进的互联网技术及PID算法[4]的優化，对水产养殖过程中的水质参数进行采集分析以及监控调节，实现鱼塘的无人值守，使水产的养殖和管理更加精细化、智能化。基于公共服务云平台，解决单个养殖户投入有限和缺乏专业技术人员的局限，实现信息的实时共享。专家和养殖户之间可以通过该平台进行在线互动，使养殖户能够获得及时准确的信息反馈和技术指导。而物联网集成无线传感网、水质传感器、无线通信和智能管理云端系统等专业技术，对养殖环境和水产品的生长状况进行全方位的监测管理，最终实现节能减耗、增产增收的目的。

参考文献：

[1]王春华.水产养殖水质环境无线监测系统设计与实现[J].渔业致富指南，2017（22）：17-18.

[2]徐威杰，白珏莹，周立，史建青，张瑞.基于WebGIS的水产养殖信息管理系统设计与开发[J].地理空间信息，2017，15（05）：51-53+56+11.

[3]肖令禄.基于ARM和ZigBee的水产养殖水质监测系统设计[J].河南科学，2017，35（04）：548-553.

[4]沈翠凤.基于单片机的水产养殖无线盐度检测系统设计[J].软件导刊，2017，16（01）：47-49.

[5]刘长荣，丁勤.基于Android技术的水产养殖测控系统设计[J].福建电脑，2016，32（12）：117-118.

[6]杨洁.基于物联网的水产养殖生产监测与远程服务系统设计[D].河北科技师范学院，2016.