基于云存儲及Android的水產(chǎn)苗種培育水質(zhì)監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計

劉 艷，張 偉

(1浙江大學(xué)城市學(xué)院信電學(xué)院，浙江 杭州 310015；2 浙江工商大學(xué)杭州商學(xué)院理工分院，浙江 桐廬 311500)

水產(chǎn)苗種培育過程中的主要水質(zhì)參數(shù)必須維持在適當(dāng)?shù)姆秶鷥?nèi)才能保證苗種的正常發(fā)育。水質(zhì)參數(shù)變化會影響水產(chǎn)苗種的存活率，因此，水質(zhì)監(jiān)控在水產(chǎn)苗種培育過程中具有非常重要的作用。目前，水產(chǎn)苗種培育水質(zhì)監(jiān)控主要采用人工觀察法，然后人工進行數(shù)據(jù)采集、檢測、處理等。由于人工觀測的定性特性，導(dǎo)致觀測標準很難統(tǒng)一，結(jié)果很難量化[1]。

物聯(lián)網(wǎng)、無線傳感技術(shù)、無線通信技術(shù)以及手機APP，由于具有將人與物、物與物在局部網(wǎng)絡(luò)或互聯(lián)網(wǎng)間聯(lián)系起來的優(yōu)點而被廣泛應(yīng)用于智慧水產(chǎn)研究領(lǐng)域。在智慧水產(chǎn)研究中，前端數(shù)據(jù)采集部分常用ZigBee技術(shù)來組建無線傳感網(wǎng)絡(luò)以獲取水質(zhì)參數(shù)[2-10]。ZigBee技術(shù)在應(yīng)用中存在節(jié)點耗電量大、數(shù)據(jù)傳輸距離有限的問題。在水質(zhì)參數(shù)監(jiān)測應(yīng)用領(lǐng)域中利用物聯(lián)網(wǎng)移動通信技術(shù)接入方面主要有GPRS[4,11]和GSM[7,12-15]技術(shù)。移動物聯(lián)網(wǎng)內(nèi)部通常都有組網(wǎng)需求，這時通常需要在GPRS的基礎(chǔ)之上加入2.4G技術(shù)、WIFI[16-17]等技術(shù)，這樣大量使用各種組網(wǎng)技術(shù)會使得整個系統(tǒng)穩(wěn)定性變得較差。數(shù)據(jù)遠程監(jiān)控系統(tǒng)可以分為基于電腦各種軟件[15]和基于移動設(shè)備APP[17-18]兩種。Raju等[17]設(shè)計的監(jiān)控系統(tǒng)不能實現(xiàn)通過APP對現(xiàn)場設(shè)備的控制，只能實現(xiàn)對數(shù)據(jù)的瀏覽及報警。此外，Luna等[19]設(shè)計了基于水質(zhì)監(jiān)測數(shù)據(jù)的精準喂投系統(tǒng)，用戶可以利用客戶端監(jiān)測進料進程。Tuna等[20]和Prasad等[21]分別設(shè)計了應(yīng)用于大面積養(yǎng)殖的水質(zhì)監(jiān)控系統(tǒng)，他們利用船攜帶無線傳感網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)去檢測不同點的水質(zhì)參數(shù)，然后通過有線或無線方式傳輸?shù)娇刂浦行?。但該系統(tǒng)不適用于一般的用戶使用。Hu[22]在水產(chǎn)養(yǎng)殖安全預(yù)警系統(tǒng)中引入了物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)以保證水產(chǎn)品質(zhì)量安全。

國內(nèi)外的許多學(xué)者利用物聯(lián)網(wǎng)、無線通信技術(shù)開展了室外大規(guī)模水產(chǎn)養(yǎng)殖的信息化、智能化、遠程管理控制及預(yù)警研究。目前國內(nèi)外研究者對室內(nèi)水產(chǎn)苗種培育的研究報道尚少。另外，已有的方法及系統(tǒng)并不適用于水產(chǎn)苗種培育。針對這種情況以及已有系統(tǒng)中存在的問題，設(shè)計了以Arduino Mega 2560為控制器和ESP8266-12f為WIFI模塊的基于物聯(lián)網(wǎng)云存儲和手機APP的水產(chǎn)苗種培育水質(zhì)無線遠程監(jiān)控系統(tǒng)，以實現(xiàn)對水產(chǎn)苗種培育水質(zhì)環(huán)境的遠程無線監(jiān)測和控制。

1 系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)設(shè)計

1.1 系統(tǒng)功能

系統(tǒng)通過安裝在水產(chǎn)培育池中的傳感器采集數(shù)據(jù)，并利用WIFI無線模塊將采集到的數(shù)據(jù)傳輸?shù)轿锫?lián)網(wǎng)云平臺，由手機APP連接物聯(lián)網(wǎng)云平臺進行數(shù)據(jù)讀取，然后將數(shù)據(jù)進行分析形成信息，并進行實時顯示；用戶可以通過APP對安裝在現(xiàn)場的調(diào)節(jié)機構(gòu)進行手動控制，也能夠根據(jù)各參數(shù)的閾值來實現(xiàn)水質(zhì)參數(shù)調(diào)節(jié)設(shè)備的自動控制。該系統(tǒng)可以存儲歷史數(shù)據(jù)，用戶可以查看一段時間內(nèi)各水質(zhì)參數(shù)變化曲線。另外，系統(tǒng)APP還可以推送參數(shù)異常信息以提示用戶水質(zhì)參數(shù)有異常變動；手機APP還預(yù)留了添加育苗池的接口，為將來擴展打下基礎(chǔ)。系統(tǒng)APP的交互界面具有簡潔、實用、直觀的特性；整個系統(tǒng)具有成本低、易于操作的特點。

1.2 整體結(jié)構(gòu)設(shè)計

該水產(chǎn)苗種培育水質(zhì)監(jiān)控系統(tǒng)由數(shù)據(jù)采集單元、無線數(shù)據(jù)傳輸單元、云存儲單元以及手機APP組成。傳感器檢測到水質(zhì)參數(shù)，通過信號調(diào)理和模數(shù)轉(zhuǎn)化后直接送入單片機，然后通過WIFI模塊傳輸?shù)轿锫?lián)網(wǎng)平臺進行存儲，以供Anrdoid手機用戶利用APP讀取并顯示。另外，各執(zhí)行機構(gòu)接受從客戶端APP傳送到控制器的人工控制指令，或者是數(shù)據(jù)異常報警后的自動控制指令，然后對現(xiàn)場設(shè)備進行控制。該系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)示意圖

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計

硬件系統(tǒng)主要包括Ardiuno控制器、DS18B20溫度傳感器、雷磁E-201-C型pH測量傳感器、DOB-300A溶氧傳感器、ANB-300A氨氮傳感器、ESP8266-12fWIFI模塊、電源模塊、自主研發(fā)的投餌機、酸堿液泵、增氧泵、熱水泵及繼電器模塊等。系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)如圖2所示。該系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集設(shè)備之間沒有建立無線傳感網(wǎng)絡(luò)，直接將采集到的數(shù)據(jù)存儲到物聯(lián)網(wǎng)云平臺，縮短了數(shù)據(jù)傳輸?shù)穆烦?，提高了?shù)據(jù)可靠性。

圖2 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)示意圖

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計

3.1 主程序設(shè)計

下位機系統(tǒng)軟件設(shè)計主要包括系統(tǒng)初始化、各個傳感器數(shù)據(jù)采集程序、按鍵程序、指示燈程序、USB接口通信程序、執(zhí)行機構(gòu)動作程序以及數(shù)據(jù)上傳程序等。上位機手機APP軟件程序設(shè)計主要包括數(shù)據(jù)讀取、顯示、設(shè)備管理、執(zhí)行機構(gòu)控制以及報警推送等程序。系統(tǒng)軟件流程如圖3所示。

圖3 系統(tǒng)軟件流程

3.2 WIFI通訊軟件設(shè)計

WIFI無線通信主要用來實現(xiàn)數(shù)據(jù)的無線傳輸，其應(yīng)用軟件通信流程如圖4所示。該部分軟件主要實現(xiàn)WIFI信號的尋找以及連接。通過長按按鍵二至LED指示燈亮，是否獲取到附件的WIFI信號，如果有可用的WIFI信號，通過輸入賬號和密碼進行連接，WIFI信號連接成功后，LED信號燈滅；如果沒有則一直執(zhí)行尋找信號操作。

圖4 WIFI通信流程圖

4 APP設(shè)計

4.1 APP功能

手機APP通過WIFI從云端獲取培育水質(zhì)信息提供給用戶；用戶通過手機APP實現(xiàn)對水質(zhì)監(jiān)測，并可遠程控制培育現(xiàn)場調(diào)節(jié)設(shè)備，實現(xiàn)水質(zhì)參數(shù)調(diào)控。對于實際蝦苗培育者，系統(tǒng)應(yīng)具有交互界面實用、簡潔、美觀、直觀的特性；整個系統(tǒng)應(yīng)具有成本低和易于操作的特點。根據(jù)蝦苗培育管理需求，還要設(shè)置蝦池監(jiān)測、設(shè)備控制功能，此外還提供數(shù)據(jù)查詢功能。根據(jù)需求分析可知APP功能有水質(zhì)參數(shù)監(jiān)測、數(shù)據(jù)管理、設(shè)備控制及報警提示等(圖5)。

圖5 APP需求分析示意圖

4.2 APP設(shè)計

手機APP設(shè)計基于機智云平臺[23]。機智云平臺是面向個人、企業(yè)開發(fā)者的一站式智能硬件開發(fā)及云服務(wù)平臺。通過自助工具、完善的SDK與API服務(wù)能力，最大限度降低項目物聯(lián)網(wǎng)硬件開發(fā)的技術(shù)門檻和項目的研發(fā)成本，提升產(chǎn)品投產(chǎn)速度。機智云的接入過程如圖6所示。

根據(jù)圖6所示流程，參考文獻[24]，設(shè)計此監(jiān)控系統(tǒng)的手機APP主界面，設(shè)備添加和刪除如圖7a所示。當(dāng)離線設(shè)備連入網(wǎng)絡(luò)變?yōu)樵诰€設(shè)備時，用戶可以進行蝦苗培育池水質(zhì)參數(shù)預(yù)覽(圖7b)；用戶還可以實時查看蝦苗培育過程中水質(zhì)參數(shù)如溫度、pH、溶氧、氨氮的值，然后通過控制按鈕實現(xiàn)現(xiàn)場設(shè)備的遠程人工控制(圖7c)；點擊各參數(shù)標簽可以查看各參數(shù)值的變化曲線，進一步了解各參數(shù)最近的變化趨勢(圖7d)。

圖6 機智云接入示意圖

圖7 APP功能示意圖

4.3 其他功能

數(shù)據(jù)管理：蝦苗培育環(huán)境數(shù)據(jù)對蝦苗的養(yǎng)成至關(guān)重要，該功能可實現(xiàn)水質(zhì)參數(shù)歷史信息和實時信息的保存。

設(shè)備控制：點擊已綁定的設(shè)備可進入該設(shè)備的詳細頁面，點擊各參數(shù)控制設(shè)備按鈕，可對現(xiàn)場的增氧機等設(shè)備進行遠程操作，從而實現(xiàn)對蝦苗池水質(zhì)參數(shù)的人工控制(圖7c)。

報警推送：當(dāng)自動調(diào)節(jié)按鈕未打開時，若環(huán)境參數(shù)達到閾值，則會引起設(shè)備蜂鳴器報警及手機APP彈窗，提醒用戶及時做出反應(yīng)。發(fā)送異常信息后，可以自動啟動現(xiàn)場相關(guān)設(shè)備，調(diào)控策略可以用設(shè)計好的算法來實現(xiàn)。

5 試驗結(jié)果與分析

5.1 試驗材料

2017年12月，以南美白對蝦蝦苗為培育對象，使用本系統(tǒng)在協(xié)作單位杭州某水產(chǎn)養(yǎng)殖有限公司進行溫室蝦苗培育進行試驗，試驗包括水質(zhì)參數(shù)采集測試和數(shù)據(jù)顯示測試，以驗證水質(zhì)參數(shù)采集的正確性和無線傳輸可靠性。育苗池規(guī)格為280 cm×160 cm×100 cm，育苗池水深80 cm，幼體密度12～15萬尾/m3。由于冬季環(huán)境溫度較低，蝦苗的新陳代謝較低，攝食量會有所下降，生長速度放慢，所以需要減少飼料的投放量，以免殘余飼料影響水質(zhì)；另外，蝦苗吸氧量變少，需要少開供氧系統(tǒng)。

5.2 育苗水溫測試

冬季水溫低于18℃時蝦苗開始停止進食，為了保證蝦苗安全過冬，將室內(nèi)溫度維持在標準值18.5℃。水溫調(diào)控是保證蝦苗快速生長的關(guān)鍵措施。為了保證采集數(shù)據(jù)的正確性，對系統(tǒng)采集到的水溫與參考水溫進行對照試驗；為了保證水溫采集準確性，采用A級Pt100溫度傳感器測量的溫度為參數(shù)數(shù)據(jù)。為了保證用戶通過手機APP獲取的溫度值也是準確的，也對APP中顯示溫度進行對照試驗。

將溫度傳感器探頭和參考溫度傳感器探頭放置到同一水域中，然后在1 h內(nèi)每隔10 min進行一次采樣，測量數(shù)據(jù)見表1。

表1 溫度測量數(shù)據(jù)

比較表1中溫度傳感器數(shù)據(jù)與參數(shù)數(shù)據(jù)可知，兩者讀數(shù)的最大誤差0.3 ℃，最小誤差0.1 ℃，在允許范圍內(nèi)滿足蝦苗過冬的溫度控制要求。從表1中可以看到APP顯示溫度值與傳感器測量溫度值一致，這說明WIFI通信工作穩(wěn)定可靠。

5.3 育苗水體pH、溶氧、氨氮的日變化測試

蝦苗喂投時間為6:00，根據(jù)苗種培育過程中喂投日常操作時間順序，在喂投前0.5 h、喂投后0.5 h、1 h等時間點對水質(zhì)參數(shù)進行檢測。育苗池水體要求：pH7.8～8.5，溶氧6.0 mg/L以上，氨氮0.1 mg/L以下。育苗池水體的pH、溶氧、氨氮日變化見表2，各參數(shù)變化曲線如圖8a、8b所示。從圖8中可以看出，水體各參數(shù)波動不大，測量數(shù)據(jù)值顯示水體環(huán)境可滿足蝦苗生活要求；系統(tǒng)運行穩(wěn)定，數(shù)據(jù)傳輸正常，滿足實際運行需求。

表2 水體pH、溶氧、氨氮日變化

圖8 水體pH、溶氧、氨氮日變化

5.4 APP人工控制及報警測試

對APP中人工控制按鍵進行實際試驗，現(xiàn)場各設(shè)備執(zhí)行機構(gòu)的遠程無線控制都可以正常實現(xiàn)，這里需要對控制數(shù)據(jù)傳輸?shù)难訒r進行進一步的測試。在沒有蝦苗的水池中對各參數(shù)報警功能進行測試，測試結(jié)果顯示，如果水質(zhì)參數(shù)出現(xiàn)異常，該系統(tǒng)能及時進行報警。與文獻[17,18]設(shè)計的用于水產(chǎn)養(yǎng)殖的APP相比，本設(shè)計多了數(shù)據(jù)異常報警、現(xiàn)場設(shè)備的手動和自動控制，以及歷史參數(shù)瀏覽的功能。

6 結(jié)論

設(shè)計實現(xiàn)了基于物聯(lián)網(wǎng)云平臺以及Android的水產(chǎn)苗種水質(zhì)遠程無線監(jiān)控系統(tǒng)。該系統(tǒng)可實現(xiàn)水產(chǎn)苗種培育池中水溫、pH、溶氧和氨氮參數(shù)的采集，并通過WIFI模塊傳輸?shù)轿锫?lián)網(wǎng)機智云平臺；手機APP通過WIFI網(wǎng)絡(luò)可以實現(xiàn)對實時數(shù)據(jù)、歷史數(shù)據(jù)以及數(shù)據(jù)變化趨勢的查看。通過手機APP可以實現(xiàn)現(xiàn)場設(shè)備的無線遠程人工控制，還可以根據(jù)參數(shù)閾值對現(xiàn)場設(shè)備進行自動控制。如果測量參數(shù)超過設(shè)定閾值，APP會顯示報警信息。為實現(xiàn)更多水質(zhì)參數(shù)的精確監(jiān)控，將對系統(tǒng)軟件和硬件系統(tǒng)進行更長時間的測試和完善，提高整個系統(tǒng)的性能。下一步將在現(xiàn)有基礎(chǔ)上研究各參數(shù)之間的耦合關(guān)系，預(yù)測各參數(shù)變化趨勢并給出各參數(shù)預(yù)警機制。

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