基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的智能漁業(yè)監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計

潘春霖

摘 要： 利用現(xiàn)有的物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，結(jié)合天津當?shù)厮a(chǎn)的實際設(shè)計實現(xiàn)了一套智能漁業(yè)監(jiān)控養(yǎng)殖系統(tǒng)。該系統(tǒng)利用STC12C5A60AD/S2單片機設(shè)計了采集控制終端，用于采集水產(chǎn)養(yǎng)殖池塘的氨氮、pH、溶解氧等水質(zhì)信息，使用球機采集養(yǎng)殖水域的圖形信息，這些信息經(jīng)過初步處理之后通過構(gòu)造的局域網(wǎng)上傳給控制決策中心的服務(wù)器；控制決策中心的大屏實時顯示養(yǎng)殖水域信息并根據(jù)具體情況作出對應(yīng)的控制決策，將控制指令發(fā)送至采集控制終端，進而控制投料機喂食和增氧機增氧，保障養(yǎng)殖水域的水質(zhì)，提高產(chǎn)量和品質(zhì)。在嚴重異常情況發(fā)生時作出報警，防止巨大的財產(chǎn)損失，確保養(yǎng)殖安全。該系統(tǒng)經(jīng)過現(xiàn)場的實際使用，具有很好的適應(yīng)性和可靠性。

關(guān)鍵詞： 單片機；傳感器；物聯(lián)網(wǎng)；數(shù)據(jù)采集，智能漁業(yè)

中圖分類號：TP391.4 文獻標識碼：A DOI 編碼：10.3969/j.issn.1006-6500.2017.12.007

Abstract： Using the existing IoT technology， combined with the actual design of local aquatic products in Tianjin to achieve a set of intelligent fisheries monitoring and breeding system. The system used STC12C5A60AD / S2 SCM designed acquisition control terminal， used to collect aquaculture pond ammonia， pH， dissolved oxygen and other water quality information， the use of the ball machine to capture farming waters of the graphical information， after the initial treatment of these information through the structure of the local area network upload to the control decision-making center server； control decision-making center big screen real-time display of farming waters information and make corresponding control decision-making according to the specific circumstances， the control instructions sent to the collection and control terminal， and then control the feeding machine feeding and aerator aerobics， protect the quality of aquaculture water， improve yield and quality. In the case of serious anomalies to make an alarm to prevent the huge loss of property to ensure the safety of farming. The system after the actual use of the scene， with good adaptability and reliability.

Key words：microcontroller； sensor； internet of things； data acquisition； intelligent fishery

物聯(lián)網(wǎng)（Internet of Things，IoT）這個概念最早由Ashton教授在1999年于麻省理工學(xué)院所提出[1]。近些年來，傳感器技術(shù)、移動互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)和物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的快速發(fā)展，制約農(nóng)業(yè)和水產(chǎn)信息化和現(xiàn)代化發(fā)展的問題逐步得到解決[2]。伴隨著國家農(nóng)村土地承包流轉(zhuǎn)等一系列新政策的出臺[3]，實現(xiàn)農(nóng)業(yè)和水產(chǎn)養(yǎng)殖的大規(guī)模智能化生產(chǎn)成為可能。

類比于物聯(lián)網(wǎng)體系結(jié)構(gòu)的劃分，農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)一樣可分為信息感知層、通信與網(wǎng)絡(luò)傳輸層以及應(yīng)用服務(wù)層三個主要的層次[4]。

美國、歐洲、日本等發(fā)達國家得益于其先進的科技，相繼做出了農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用的研究和嘗試，形成了一批先進的系統(tǒng)和生產(chǎn)模式，對新型產(chǎn)業(yè)的發(fā)展起到了促進作用[5-8]。物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的應(yīng)用對于節(jié)約資源、改善生態(tài)環(huán)境、提高作物和養(yǎng)殖產(chǎn)品的產(chǎn)量、提高管理水平、降低人力成本具有重大的意義。我國農(nóng)業(yè)和漁業(yè)相對于發(fā)達國家而言，現(xiàn)有的技術(shù)標準比較零散、缺失，標準不統(tǒng)一[1]，設(shè)備的自動化水平較低、投入成本較高，收回周期較長?？傮w上我國的農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展還處于初級階段。

近幾十年來，水產(chǎn)養(yǎng)殖的規(guī)模不斷擴大，據(jù)統(tǒng)計，2012年我國水產(chǎn)總量進出口貿(mào)易順差突破100億元，全國水產(chǎn)品總量達5 906萬t，同比增長5.4%[5]。雖然水產(chǎn)養(yǎng)殖業(yè)已經(jīng)得到了迅猛發(fā)展，但隨著養(yǎng)殖規(guī)模的不斷擴大和高密度養(yǎng)殖的發(fā)展，由養(yǎng)殖水域水質(zhì)引發(fā)的水產(chǎn)品生長遲緩甚至大面積死亡的問題也越來越多，造成了大量的經(jīng)濟損失[10]。由此更加說明了建立水質(zhì)監(jiān)測系統(tǒng)的重要性、廣闊的市場前景和重要的經(jīng)濟和社會價值。

2012年天津市被農(nóng)業(yè)部列為農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)區(qū)域試驗工程試點?。ㄊ校?，將大力推進農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)和設(shè)備的引進和示范應(yīng)用。天津正躍水產(chǎn)儲養(yǎng)有限公司是一個集水產(chǎn)養(yǎng)殖、銷售為一體的企業(yè)。本文所設(shè)計的基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的天津智能漁業(yè)監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計是和天津農(nóng)委及正躍公司合作，結(jié)合了天津當?shù)氐膶嶋H情況。經(jīng)過實際檢驗，能夠?qū)崿F(xiàn)水產(chǎn)科學(xué)養(yǎng)殖，提高產(chǎn)量與品質(zhì)，節(jié)省勞動力成本， 達到增產(chǎn)、節(jié)能、減輕工人勞動強度的效果。endprint

1 系統(tǒng)概述

本系統(tǒng)總體分成4個部分（圖1）：（1）由增氧機、投料機、水泵、球機、傳感器所構(gòu)成的底層感知和調(diào)節(jié)設(shè)備；（2）由采集控制終端、網(wǎng)橋、交換機等設(shè)備構(gòu)成的局域網(wǎng)信息傳播通信系統(tǒng)；（3）由控制中心服務(wù)器和軟件構(gòu)成的云處理決策系統(tǒng)；（4）由PC、筆記本、手機等組成的顯示和人工決策系統(tǒng)[11]。

整個系統(tǒng)通過智能農(nóng)業(yè)傳感網(wǎng)絡(luò)建設(shè)，實現(xiàn)自動調(diào)度養(yǎng)殖設(shè)備的開關(guān)閉合，實現(xiàn)水體參數(shù)監(jiān)控，實現(xiàn)科學(xué)養(yǎng)殖，優(yōu)化投食、疾病診斷和智能控制等決策支持服務(wù)。并通過水面魚群浮頭自動識別系統(tǒng)建設(shè)，實現(xiàn)第一時間自動報警并且自動打開增氧設(shè)備，增加水體含氧量，降低魚的死亡率。主要建設(shè)和實現(xiàn)如下功能。

（1）建立監(jiān)測系統(tǒng)控制器終端。通過自行接收智能決策和控制系統(tǒng)發(fā)出指令并通過智能農(nóng)業(yè)傳感網(wǎng)絡(luò)具體執(zhí)行該指令，自動調(diào)度養(yǎng)殖設(shè)備的開關(guān)閉合，從而實現(xiàn)無人值守功能。并且將執(zhí)行成功與否結(jié)果回傳智能決策與控制系統(tǒng)，還可通過手機短信的方式通知養(yǎng)殖管理者。

（2）建立智能農(nóng)業(yè)傳感網(wǎng)絡(luò)與信息傳輸。構(gòu)建無線傳感網(wǎng)絡(luò)，并與移動網(wǎng)絡(luò)、互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)互通，實現(xiàn)智能農(nóng)業(yè)無線傳感網(wǎng)與移動網(wǎng)、寬帶網(wǎng)絡(luò)無縫接入。

（3）建立智能決策和控制系統(tǒng)。實現(xiàn)水體參數(shù)的實現(xiàn)監(jiān)控，與專家知識庫中的知識結(jié)合，為用戶提供科學(xué)養(yǎng)殖，優(yōu)化投食、疾病診斷和智能控制等決策支持服務(wù)。包括自動增氧機、自動投餌機的遠程手動或自動控制。

（4）建立魚群浮頭識別系統(tǒng)。系統(tǒng)一旦識別出有魚浮頭，第一時間自動報警并且自動打開增氧機，增加水體含氧量，降低魚的死亡率。同時，該系統(tǒng)還可以通過水面魚群活動水波情況，做出是否關(guān)停投餌機的決策。

（5）建立養(yǎng)殖場視頻監(jiān)控系統(tǒng)。增加若干個標清或高清紅外攝像頭和本地監(jiān)控終端，用于24小時觀察魚場水面情況和實時監(jiān)控圖面的本地化顯示。

其中數(shù)據(jù)感知層由各智能水質(zhì)傳感器和攝像機組成，完成對各水質(zhì)參數(shù)和現(xiàn)場視頻的感知，是整個系統(tǒng)的基礎(chǔ)；無線傳感網(wǎng)絡(luò)組成系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)層，分散在漁場中的各無線終端節(jié)點經(jīng)過中繼節(jié)點，在匯聚節(jié)點處經(jīng)GPRS、WiFi等網(wǎng)絡(luò)形式，接入互聯(lián)網(wǎng)，完成感知層與數(shù)據(jù)處理層間數(shù)據(jù)、指令等信息的傳輸；數(shù)據(jù)處理層完成對采集數(shù)據(jù)綜合分析、浮頭識別和日常生產(chǎn)的智能決策。用戶層提供簡潔、明了的系統(tǒng)界面，方便用戶使用。

2 監(jiān)測系統(tǒng)的硬件組成和實現(xiàn)

2.1 傳感器和控制機構(gòu)

水質(zhì)關(guān)系著養(yǎng)殖產(chǎn)品的質(zhì)量和安全，若水質(zhì)控制不當，將會嚴重威脅養(yǎng)殖產(chǎn)品，帶來嚴重的經(jīng)濟損失。氨氮、pH值和水溫關(guān)系直接關(guān)系著水產(chǎn)品的養(yǎng)殖安全，光照度能感知白天黑夜，便于水質(zhì)按照時間做出不同的控制。

控制機構(gòu)包括增氧機、投料機和水泵。投料機可根據(jù)系統(tǒng)設(shè)定，按照圖像信息和養(yǎng)殖經(jīng)驗自動或手動打開，對養(yǎng)殖產(chǎn)品進行喂食。增氧機則根據(jù)溶解氧、水溫、浮頭監(jiān)測的數(shù)據(jù)保證養(yǎng)殖水域水體中溶解氧含量穩(wěn)定，不因過高或過低而造成漁業(yè)生產(chǎn)的重大事故。水泵則和溫度、pH傳感器結(jié)合在一起來保證水質(zhì)在養(yǎng)殖產(chǎn)品要求的合理范圍內(nèi)。

2.2 數(shù)據(jù)采集控制終端

對于傳感器感知的數(shù)據(jù)和對調(diào)節(jié)機構(gòu)的控制，是由一個設(shè)計的STC12C5A60S2單片機最小系統(tǒng)為核心[12]的采集控制終端負責的（圖2）。

用戶通過PC、智能終端發(fā)送的指令，經(jīng)網(wǎng)絡(luò)經(jīng)發(fā)送至數(shù)據(jù)服務(wù)器，數(shù)據(jù)服務(wù)器對指令進行編碼、壓縮后再由以太網(wǎng)發(fā)送至主控芯片，主控芯片接收到指令解壓后，通過驅(qū)動電路驅(qū)動繼電器的閉合實現(xiàn)對增氧機、投料機和水泵等養(yǎng)殖設(shè)備的遠程控制（圖3）。

2.3 局域網(wǎng)系統(tǒng)的搭建

局域網(wǎng)的穩(wěn)定運行是整個漁業(yè)監(jiān)控系統(tǒng)正常運行所必不缺少的條件。由于養(yǎng)殖水域面積大，為了便于施工，結(jié)合實際，局域網(wǎng)內(nèi)之間的通信通過無線網(wǎng)橋的方式實現(xiàn)數(shù)據(jù)通信連接。在決策中心處放置網(wǎng)關(guān)網(wǎng)橋節(jié)點統(tǒng)一接收采集設(shè)備和攝像頭傳遞的數(shù)據(jù)和圖像信息（圖4）。

整個系統(tǒng)由局域網(wǎng)中的相關(guān)設(shè)備構(gòu)成了物聯(lián)網(wǎng)監(jiān)控決策的整個對象體系，是整個系統(tǒng)的底層主體（圖5）。

2.4 視頻監(jiān)控采集

在養(yǎng)殖基地內(nèi)安裝了4套標清或高清紅外攝像頭和本地監(jiān)控終端，用于24小時觀察魚場水面情況和實時監(jiān)控圖面的本地化顯示。此外，還為相關(guān)系統(tǒng)提供視頻圖像（如魚群浮頭識別系統(tǒng)）和指令動作結(jié)果的確認工作，比如：魚類在池中浮頭則較輕，周邊浮頭則為重，需要在池中至少架設(shè)2個攝像頭，全方位了解池中水體缺氧情況。同時，接入天津市農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)平臺，實現(xiàn)上下聯(lián)動，遠程控制，有利于及時觀察，發(fā)現(xiàn)問題，互通信息（圖6）。

2.5 控制決策中心

控制決策中心安服務(wù)器和大屏顯示設(shè)備，在這里可以遠程控制整個系統(tǒng)，實時看到系統(tǒng)的運行狀態(tài)、環(huán)境信息等數(shù)據(jù)，通過運行的軟件去對養(yǎng)殖過程做出自動或人工決策，節(jié)省了人力物力（圖7）。采集的數(shù)據(jù)經(jīng)數(shù)據(jù)庫軟件處理后進入數(shù)據(jù)庫以備追溯查詢。

3 監(jiān)控系統(tǒng)的軟件實現(xiàn)

監(jiān)控系統(tǒng)的軟件包含傳感器的校準測試軟件、水質(zhì)采集控制終端的采集控制軟件、網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸單元配置軟件、服務(wù)器端數(shù)據(jù)接收決策測試軟件、浮頭監(jiān)測軟件等組成部分。

3.1 傳感器校正軟件

水質(zhì)監(jiān)測系統(tǒng)采用了pH值、溶解氧、光照度、水溫4種傳感器負責水質(zhì)信息的采集，pH值傳感器和溶解氧傳感器需要在使用之前和長時間的使用之后進行校準。所使用的校準軟件是傳感器公司自帶的校準軟件，具體的使用配置見其產(chǎn)品配置說明。

3.2 水質(zhì)采集控制終端軟件

系統(tǒng)的軟件分為數(shù)據(jù)采集主程序和中斷處理程序兩部分構(gòu)成，程序分為測試模式和工作模式兩個模式，兩個模式的區(qū)別在于兩次數(shù)據(jù)采集間隔的差別。為了降低功耗，對環(huán)境信息的采集控制使用中斷處理。采集控制終端在采集時間到來后啟動傳感器數(shù)據(jù)采集程序，在接收到上層的控制指令后啟動控制調(diào)節(jié)程序。endprint

3.3 網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸單元配置軟件

網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸單元是水質(zhì)采集控制終端和網(wǎng)絡(luò)服務(wù)決策中心進行數(shù)據(jù)通信的中間橋梁，為了保障數(shù)據(jù)能夠準確無誤地在終端和數(shù)據(jù)中心之間進行通信，需要對傳輸單元的通信波特率、外網(wǎng)地址、端口等做出正確的配置，具體的配置見服務(wù)商的配置軟件和說明。

3.4 數(shù)據(jù)服務(wù)決策中心軟件

數(shù)據(jù)服務(wù)決策中心軟件運行在一臺網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器上，負責將采集到的水質(zhì)監(jiān)測數(shù)據(jù)進行存儲分析決策顯示等功能。該軟件負責將采集到的數(shù)據(jù)顯示給用戶并發(fā)送指令控制采集終端的使用模式和控制增氧機和投料機設(shè)備。

3.5 浮頭監(jiān)控軟件

如圖8所示，部署在漁場的攝像頭將采集的水面視頻數(shù)據(jù)通過網(wǎng)絡(luò)傳輸至浮頭識別系統(tǒng)服務(wù)器。由識別系統(tǒng)完成浮頭畫面的去燥、特征提取、比對和識別，并由機器學(xué)習(xí)系統(tǒng)根據(jù)歷史特征數(shù)據(jù)優(yōu)化浮頭識別算法，保證識別結(jié)果的準確性和穩(wěn)定性。

4 系統(tǒng)運行實驗驗證

采集控制終端的軟件采用Keil4[13]進行編寫，通過232串口進行程序的下載[14]。采集控制終端使用的是POE供電的方式[15]。設(shè)備經(jīng)組裝調(diào)試并配置好數(shù)據(jù)傳輸單元和服務(wù)器后，將看到數(shù)據(jù)已經(jīng)被正確傳輸并最終控制增氧機和投料機的運行；對于魚群的浮頭監(jiān)測也在正常運行[16]。

4.1 浮頭監(jiān)控軟件的運行

浮頭監(jiān)控能夠識別魚頭是否喂飽結(jié)果，自動停止投餌，做到精準投料，避免魚餌投放過多，造成餌料浪費以及養(yǎng)殖水域的污染（圖9）。

4.2 展示控制軟件的運行

為了便于直觀的展示系統(tǒng)和方便使用者進行決策控制，實時了解養(yǎng)殖產(chǎn)品的狀況，分別設(shè)計了網(wǎng)頁、手機客戶端和VC界面來展示整個系統(tǒng)，每個軟件具有簡單、明了、易操作等特點，非常適合公司養(yǎng)殖人員進行養(yǎng)殖水域的日常管理（圖10，圖11）。

4.3 視頻監(jiān)控的運行

在養(yǎng)殖水域的四周安裝了攝像頭球機以便于監(jiān)控養(yǎng)殖水域，實時了解養(yǎng)殖水域的狀況（圖12）。

5 結(jié) 語

本文中所設(shè)計的智能漁業(yè)監(jiān)控系統(tǒng)運用物聯(lián)網(wǎng)的相關(guān)技術(shù)，將水溫、溶解氧、pH值、光照度等環(huán)境數(shù)據(jù)做實時在線檢測，通過構(gòu)造的局域網(wǎng)上傳至服務(wù)器做信息決策，以實時保障水質(zhì)符合養(yǎng)殖產(chǎn)品的要求。通過浮頭監(jiān)測養(yǎng)殖產(chǎn)品的喂食情況，達到節(jié)省餌料、保護環(huán)境的目的。整個系統(tǒng)總體上實現(xiàn)了預(yù)期的效果，并且具有較好通用性。

所設(shè)計的系統(tǒng)經(jīng)過了現(xiàn)場的實際驗證，實現(xiàn)了對養(yǎng)殖用水、魚病的及時監(jiān)測，降低了發(fā)病率，減少用藥次數(shù)，能帶來可觀的經(jīng)濟和環(huán)境價值，滿足了設(shè)計和用戶的要求，系統(tǒng)可靠性強，能為我國水產(chǎn)養(yǎng)殖的信息化和產(chǎn)業(yè)化作出貢獻。

參考文獻：

[1]李瑾，郭美榮，馮獻.農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展評價指標體系設(shè)計：研究綜述和構(gòu)想[J].農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化研究，2016，37（3）：423-429.

[2]李瑾，郭美榮，高亮亮.農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)應(yīng)用及創(chuàng)新發(fā)展戰(zhàn)略[J].農(nóng)業(yè)工程學(xué)報，2015，31（2）：200-209.

[3]姚麗.土地政策如何支持農(nóng)村新業(yè)態(tài)發(fā)展[J].中國土地，2017（1）：19-23.

[4]高翔.基于ZigBee的農(nóng)業(yè)傳感網(wǎng)絡(luò)與土壤濕度模型的研究[D].上海：復(fù)旦大學(xué)，2014.

[5]TAN L， WANG N. Future internet： the internet of things[C]//3rd international conference on advanced computer theory and engineering，2010：376-380.

[6]劉強，崔莉，陳海明.物聯(lián)網(wǎng)關(guān)鍵技術(shù)與應(yīng)用[J].計算機科學(xué)，2010，37（6）：1-4， 10.

[7]董方敏，王紀華，任東.農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)與應(yīng)用[M].北京：中國農(nóng)業(yè)出版社，2012.

[8]ROMER K， MATTERN F. The design space of wireless sensor networks[J].Wireless communications， IEEE，2004，11（6）：54-61.

[9]陳安昊.基于STM32的水產(chǎn)養(yǎng)殖水質(zhì)監(jiān)控系統(tǒng)[D].上海：東華大學(xué)，2014.

[10]劉艷.基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的水產(chǎn)養(yǎng)殖監(jiān)測系統(tǒng)研究[D].楊凌：西北農(nóng)林科技大學(xué)，2010.

[11]EGAN D. The emergence of ZigBee in building automation and industrial control[J].Electronic measurement technology，2011，16（2）：14-19.

[12]秦相林，張海兵，張盈盈.基于STC12C5A60S2的無線溫度采集系統(tǒng)設(shè)計[J].哈爾濱商業(yè)大學(xué)學(xué)報（自然科學(xué)版），2011，27（6）：837-840.

[13]吳文通，張喜玲，劉朝暉.基于KEIL及PROTEUS的繼電控制系統(tǒng)仿真與檢測[J].電力系統(tǒng)保護與控制，2015，43（5）：150-154.

[14]陳傳虎.一種RS-232串口與RJ-45以太網(wǎng)接口轉(zhuǎn)換器的設(shè)計與實現(xiàn)[J].電氣時代，2007（23）：95-96.

[15]劉江曼.基于PoE技術(shù)的嵌入式供電模塊設(shè)計與實現(xiàn)[D].北京：北京工業(yè)大學(xué)，2014.

[16]兌志魁，嚴曙，汪六三，等.基于ZigBee的渦陽農(nóng)田物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)[J].自動化與儀表，2017，32（9）：27-31.endprint