基于物聯(lián)網(wǎng)的智能水產(chǎn)養(yǎng)殖管理系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

吳祖獵，余童杰，陳厚正，陳柳江

（電子科技大學(xué)中山學(xué)院 電子信息學(xué)院，中山 528402）

基于物聯(lián)網(wǎng)的智能水產(chǎn)養(yǎng)殖管理系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

吳祖獵，余童杰，陳厚正，陳柳江

（電子科技大學(xué)中山學(xué)院 電子信息學(xué)院，中山 528402）

目前水產(chǎn)養(yǎng)殖業(yè)較多依賴人工經(jīng)驗(yàn)，不僅風(fēng)險(xiǎn)大，而且物資和人力資源浪費(fèi)比較嚴(yán)重，致使水產(chǎn)養(yǎng)殖經(jīng)濟(jì)效益不高。充分利用物聯(lián)網(wǎng)的技術(shù)優(yōu)勢(shì)，并針對(duì)水產(chǎn)養(yǎng)殖業(yè)的特點(diǎn)對(duì)設(shè)備和養(yǎng)殖過(guò)程進(jìn)行智能管理，與現(xiàn)有傳統(tǒng)養(yǎng)殖模式相比，能夠有效降低風(fēng)險(xiǎn)與能源消耗，提高水產(chǎn)品的品質(zhì)和生產(chǎn)效率，并可減少因使用藥物對(duì)環(huán)境造成的不良影響。

物聯(lián)網(wǎng)；水產(chǎn)養(yǎng)殖；遠(yuǎn)程控制；無(wú)線組網(wǎng)

0 引言

我國(guó)是水產(chǎn)養(yǎng)殖大國(guó)，水產(chǎn)養(yǎng)殖產(chǎn)量占全世界的三分之二左右[1]。但多年來(lái)，我國(guó)水產(chǎn)養(yǎng)殖業(yè)主要沿用粗放經(jīng)營(yíng)的傳統(tǒng)方式[1]。近年來(lái)，養(yǎng)殖模式和技術(shù)的落后、水域資源逐漸短缺、水體污染逐年加重、水產(chǎn)品食品安全問(wèn)題時(shí)有發(fā)生等，使得傳統(tǒng)養(yǎng)殖模式受到重大挑戰(zhàn)。如何適應(yīng)新形勢(shì)，建設(shè)智能水產(chǎn)養(yǎng)殖系統(tǒng)，方便、有效、實(shí)時(shí)地對(duì)水產(chǎn)養(yǎng)殖環(huán)境和養(yǎng)殖生物生長(zhǎng)情況進(jìn)行監(jiān)測(cè)、控制，已經(jīng)成為目前我國(guó)水產(chǎn)養(yǎng)殖現(xiàn)代化發(fā)展的熱點(diǎn)[1]。

國(guó)內(nèi)從事水產(chǎn)養(yǎng)殖管理系統(tǒng)研發(fā)的較少，而且多數(shù)都有一定局限性。目前市場(chǎng)上的產(chǎn)品，多數(shù)只能檢測(cè)溶解氧和溫度，只能獨(dú)立控制2路增氧機(jī)，只能有線傳回采集的數(shù)據(jù),而且大部分沒(méi)有接入互聯(lián)網(wǎng)，只是個(gè)現(xiàn)場(chǎng)控制器與報(bào)警器。有少部分接入了互聯(lián)網(wǎng)，但仍有平臺(tái)單一、模式單一、檢測(cè)能力和控制能力有限等不足。

目前我國(guó)水產(chǎn)養(yǎng)殖業(yè)正處于由傳統(tǒng)漁業(yè)向現(xiàn)代漁業(yè)轉(zhuǎn)變的歷史時(shí)期，抓住發(fā)展機(jī)遇，實(shí)現(xiàn)歷史性的跨越需要信息技術(shù)等高新技術(shù)作為技術(shù)支撐[2]。物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)是信息技術(shù)發(fā)展的一次革命，它是一種將所有物品連接互聯(lián)網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)智能化識(shí)別管理的技術(shù)[3]。本文充分利用物聯(lián)網(wǎng)的技術(shù)優(yōu)勢(shì)，并針對(duì)水產(chǎn)養(yǎng)殖業(yè)的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)了基于物聯(lián)網(wǎng)的智能水產(chǎn)養(yǎng)殖管理系統(tǒng)。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

1 總體設(shè)計(jì)

系統(tǒng)由水質(zhì)數(shù)據(jù)采集器、主機(jī)、電機(jī)控制器、移動(dòng)客戶端等構(gòu)成，如圖1所示。

每個(gè)池塘中放一個(gè)浮箱，其中裝有溶解氧、溫度、PH值、鹽度等傳感器，各個(gè)傳感器采集數(shù)據(jù)后，由數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)打包，然后通過(guò)無(wú)線模塊傳輸至主機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，并做出相應(yīng)處理。比如，根據(jù)池塘中溶解氧的濃度，發(fā)送指令給機(jī)房控制器，打開(kāi)或關(guān)閉增氧機(jī)。

用戶可用微信、APP、短信、主機(jī)、電機(jī)控制器共5種操作平臺(tái)來(lái)進(jìn)行各種操作，查看溶解氧、溫度、PH值、鹽度、系統(tǒng)運(yùn)行模式、電機(jī)運(yùn)行狀態(tài)等，設(shè)置工作模式、定時(shí),對(duì)增氧機(jī)等設(shè)備進(jìn)行手動(dòng)控制等。

2 下位機(jī)設(shè)計(jì)

2.1 主機(jī)

主機(jī)主要由主控電路、無(wú)線通信模塊、GSM模塊、7寸觸摸屏、電源電路等組成，如圖2、圖3所示。主控芯片采用增強(qiáng)型51單片機(jī)STC15F4K60S4，擁有4個(gè)完全獨(dú)立的串口。數(shù)據(jù)傳輸采用313-325.6MHz頻段的無(wú)線傳輸模塊，使用窄帶射頻傳輸，同時(shí)內(nèi)嵌FEC前向糾錯(cuò)算法，能主動(dòng)糾正被干擾的數(shù)據(jù)包，抗干擾能力強(qiáng)。GSM模塊采用工業(yè)級(jí)的SIM800C，支持4頻，全球使用。屏幕采用7寸增強(qiáng)型USART HMI串口屏，支持休眠和觸摸喚醒功能。主機(jī)能夠通過(guò)數(shù)字、表格或曲線等方式顯示水質(zhì)參數(shù)和設(shè)備狀態(tài)。遇到險(xiǎn)情時(shí)，能夠立即彈出警報(bào)信息，并進(jìn)行相應(yīng)處理，如自動(dòng)開(kāi)啟相應(yīng)設(shè)備、啟動(dòng)警報(bào)器、撥打用戶電話等。主機(jī)程序程序框圖如圖4所示。

2.2 數(shù)據(jù)采集器（浮箱）

圖2 主機(jī)主控電路

圖3 主機(jī)電源電路

圖4 主機(jī)程序框圖

數(shù)據(jù)采集器（浮箱）由單片機(jī)、A/D轉(zhuǎn)換電路、多種傳感器、無(wú)線模塊和電源電路組成，如圖5所示。每個(gè)浮箱都有唯一的ID號(hào)，主機(jī)與浮箱通信時(shí)，根據(jù)不同的ID來(lái)確定數(shù)據(jù)來(lái)自哪口池塘。每個(gè)浮箱里裝有用于水質(zhì)檢測(cè)的傳感器，分別是：溶解氧傳感器（帶有溫度傳感器）、PH傳感器、鹽度傳感器。傳感器布置的深度取決于池塘養(yǎng)殖物活動(dòng)水層，如果主養(yǎng)魚類為中上層魚類，可以將傳感器布置在距離水面50cm處[2]。浮箱采用太陽(yáng)能供電，用鋰電池儲(chǔ)能，在連續(xù)陰天風(fēng)雨天的情況下可以供電10天以上，另外也預(yù)留干電池槽和外加電源接口。能耗約束和能量均衡是數(shù)據(jù)采集器需要重點(diǎn)考慮和解決的問(wèn)題[4]。為了減少節(jié)點(diǎn)能耗，網(wǎng)絡(luò)一般要采用節(jié)點(diǎn)休眠機(jī)制[5]。從功耗和可靠性綜合考慮，浮箱60秒采集一次數(shù)據(jù)并傳回主機(jī)，然后進(jìn)入休眠狀態(tài)。無(wú)線模塊發(fā)送完數(shù)據(jù)后，也進(jìn)入休眠狀態(tài)，等待下一次被喚醒。

2.3 電機(jī)控制器

一個(gè)負(fù)載控制箱可控制8路輸出，每路都包括、空氣開(kāi)關(guān)、電機(jī)綜合保護(hù)器、交流接觸器，對(duì)電機(jī)提供過(guò)流、漏電、短路和缺相保護(hù)，特別是缺相，因?yàn)槿毕嗪苋菀谉粼鲅鯔C(jī)。電機(jī)控制器通過(guò)無(wú)線模塊收到來(lái)自主機(jī)的指令后，由單片機(jī)控制繼電器，再由繼電器控制交流接觸器，最后由交流接觸器在電機(jī)綜合保護(hù)器保護(hù)下啟動(dòng)增氧機(jī)等設(shè)備。池塘的增氧機(jī)的功率一般為1000VA到4000VA。以4000VA估算，額定功率×U×I×cosφ，功率因素cosφ一般在0.7～0.9，按0.7算，綜合考慮成本和安全因素，每路輸出由一個(gè)額定電流12A的交流接觸器控制。當(dāng)控制三相星形負(fù)載和三相三角型負(fù)載時(shí)，理論上最大可以控制視在功率以內(nèi)的三相感性負(fù)載，或額定功率P＝7800W以內(nèi)的三相阻性負(fù)載。當(dāng)控制單相交流負(fù)載時(shí)，理論上最大可以控制視在功率S=380×12≈4500VA以內(nèi)的單相感性負(fù)載，或額定功率P＝4500W以內(nèi)的單相阻性負(fù)載。

3 上位機(jī)設(shè)計(jì)

手機(jī)的普及及無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展壯大，使得操作終端越來(lái)越便捷，通過(guò)手機(jī)即可對(duì)水產(chǎn)養(yǎng)殖進(jìn)行遠(yuǎn)程控制，使得物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在水產(chǎn)養(yǎng)殖中應(yīng)用方面的需求更加強(qiáng)烈[6]。上位機(jī)的部署環(huán)境為Window NT+PHP+Apache+Mysql，開(kāi)發(fā)平臺(tái)為Webstorm+Zend Studio，使用Webstorm編輯HTML、CSS以及Javascript，使用Zend Studio來(lái)編輯PHP代碼。同時(shí)，本系統(tǒng)還引入了Mysql數(shù)據(jù)庫(kù)，利用該數(shù)據(jù)庫(kù)可以方便、有效地對(duì)用戶數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)，以免丟失。Mysql輕巧、免費(fèi)、開(kāi)源等特性非常適合本系統(tǒng)使用。Javascript的引入，使得前端交互性大大提升，使得網(wǎng)頁(yè)有了動(dòng)態(tài)效果，數(shù)據(jù)可以后臺(tái)交互。CSS的引入，使得HTML代碼的樣式控制變得更加容易。PHP作為一種輕量級(jí)語(yǔ)言，大量的開(kāi)源代碼也是它的優(yōu)勢(shì)所在，故而在本系統(tǒng)中，使用了PHP語(yǔ)言作為服務(wù)器后臺(tái)語(yǔ)言。狀態(tài)顯示界面如圖6所示，設(shè)置界面如圖7所示。

圖5 A/D轉(zhuǎn)換電路

圖6 狀態(tài)界面

圖7 設(shè)置界面

4 可靠性設(shè)計(jì)

4.1 “主機(jī)+副機(jī)”模式

本系統(tǒng)采用“主機(jī)+副機(jī)”模式，副機(jī)由電機(jī)控制器充當(dāng)。電機(jī)控制器能夠在主機(jī)漏發(fā)或誤發(fā)指令的情況下及時(shí)發(fā)現(xiàn)問(wèn)題。主機(jī)每30秒發(fā)一個(gè)心跳信號(hào)給電機(jī)控制器，表示正在正常運(yùn)行。如果電機(jī)控制器超過(guò)30秒沒(méi)收到任何信息，則判定主機(jī)工作不正常，于是就啟動(dòng)備用方案，即電機(jī)控制器充當(dāng)主機(jī)來(lái)維持增氧系統(tǒng)的運(yùn)行，同時(shí)給用戶相應(yīng)的警報(bào)。這樣，即使主機(jī)出現(xiàn)故障無(wú)法正常工作，也不會(huì)使整個(gè)系統(tǒng)陷入癱瘓。另一方面，若溶解氧含量很低了，而主機(jī)仍發(fā)給它關(guān)閉增氧機(jī)的指令，那么電機(jī)控制器就會(huì)跟主機(jī)確認(rèn)情況，如果還要關(guān)閉，那就主動(dòng)去讀取水質(zhì)數(shù)據(jù)并分析，再做決定，以降低誤操作風(fēng)險(xiǎn)。

4.2 數(shù)據(jù)可靠度高

數(shù)據(jù)采集時(shí)，先連續(xù)采集兩次，若兩次數(shù)據(jù)的偏差超出允許范圍，則表示數(shù)據(jù)有誤，需要重新采集。若兩次數(shù)據(jù)的偏差在允許范圍內(nèi)，則求其平均值。數(shù)據(jù)上傳主機(jī)時(shí)也是傳兩次，若兩次數(shù)據(jù)不一樣，則表示出現(xiàn)誤包，于是主機(jī)就給采集系統(tǒng)返回一個(gè)指令，讓它重新傳輸。此外，主機(jī)傳指令給電機(jī)控制器也如此處理。數(shù)據(jù)和指令傳輸時(shí)采用循環(huán)冗余校驗(yàn)（CRC），以便及時(shí)、準(zhǔn)確發(fā)現(xiàn)誤包。CRC是由分組線性碼發(fā)展而來(lái)，其主要應(yīng)用是二元碼組。由于檢錯(cuò)能力強(qiáng)、誤判概率很低等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于工業(yè)測(cè)控和數(shù)據(jù)通信領(lǐng)域[4]。

5 結(jié)束語(yǔ)

水產(chǎn)養(yǎng)殖要想達(dá)到高產(chǎn)、高效，除了要有理想的池塘條件、優(yōu)質(zhì)的飼料、健康的魚種以及合理的放養(yǎng)密度外，還要具備良好的水質(zhì)[7]。本系統(tǒng)通過(guò)實(shí)時(shí)采集與智能控制手段，改善和控制水質(zhì)，為魚蝦等提供了最佳養(yǎng)殖環(huán)境，提高了水產(chǎn)品的品質(zhì)。應(yīng)用該系統(tǒng)可以改變生產(chǎn)管理模式，為水產(chǎn)的大規(guī)模集約化生產(chǎn)提供技術(shù)保障，促進(jìn)其向工業(yè)化和信息化轉(zhuǎn)型。

[1] 楊寧生,袁永明,孫英澤.物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在我國(guó)水產(chǎn)養(yǎng)殖上的應(yīng)用發(fā)展對(duì)策[J].中國(guó)工程科學(xué),2016,18(3):57-61.

[2] 陳浩成,袁永明,馬曉飛,等.基于物聯(lián)網(wǎng)的水產(chǎn)養(yǎng)殖水質(zhì)監(jiān)控集成技術(shù)[J].農(nóng)村經(jīng)濟(jì)學(xué),2013(18):324-326.

[3] 楊金明,余情,朱紅飛,等.基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的水產(chǎn)養(yǎng)殖智能管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].湖北農(nóng)業(yè)科學(xué),2016,55(16):4276-4279.

[4] 胡永利,孫艷豐,尹寶才.物聯(lián)網(wǎng)信息感知與交互技術(shù)[J].計(jì)算機(jī)學(xué)報(bào),2012,35(6):1147-1163.

[5] 李曉珍,蘇建峰.循環(huán)冗余校驗(yàn)CRC算法分析及實(shí)現(xiàn)[J].信息科技,2010(13):100-101.

[6] 郭玉環(huán).物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在水產(chǎn)生態(tài)養(yǎng)殖中的應(yīng)用探究[J].河北漁業(yè),2016(10):54-55.

[7] 任芳.淺談物聯(lián)網(wǎng)水質(zhì)在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)在水產(chǎn)養(yǎng)殖中的應(yīng)用[J].山西科技,2014,29(4):154-156.

Design of intelligent aquaculture management system based on internet of things

WU Zu-lie, YU Tong-jie, CHEN Hou-zheng, CHEN Liu-jiang

TP393

：B

1009-0134(2017)06-0019-04

2017-04-21

廣東省攀登計(jì)劃

吳祖獵（1992 -），男，廣東雷州人，本科，研究方向?yàn)榍度胧较到y(tǒng)設(shè)計(jì)與開(kāi)發(fā)。