基于LoRa魚塘檢測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

李欣洛

摘要：針對(duì)魚塘傳統(tǒng)的觀測(cè)手段耗時(shí)費(fèi)力、步驟復(fù)雜、成本高等缺點(diǎn)。設(shè)計(jì)了基于LoRa通信模塊的魚塘實(shí)時(shí)在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。在魚塘的監(jiān)測(cè)區(qū)域中，該系統(tǒng)利用傳感器測(cè)得監(jiān)測(cè)區(qū)域中的關(guān)鍵信息，并通過(guò)先進(jìn)的LoRa通信模塊無(wú)線網(wǎng)絡(luò)將數(shù)據(jù)傳輸?shù)浇K端控制系統(tǒng)，控制系統(tǒng)做出判斷同時(shí)發(fā)出報(bào)警信號(hào)。系統(tǒng)中以LoRa模塊和STM32為核心芯片，能夠?qū)崟r(shí)獲得魚塘中的一些參數(shù)，例如溫度、酸堿度等。同時(shí)該系統(tǒng)還可以進(jìn)一步擴(kuò)展使用局域網(wǎng)絡(luò)等方式實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控。

關(guān)鍵詞：LoRa；魚塘監(jiān)管；STM32

中圖分類號(hào)：TP3 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1009-3044（2018）33-0230-03

1 概述

目前，大多數(shù)漁業(yè)養(yǎng)殖戶對(duì)水中各物質(zhì)含量的判斷主要來(lái)自經(jīng)驗(yàn)，即通過(guò)觀察陽(yáng)光、氣溫、氣壓以及魚有無(wú)浮頭等現(xiàn)象，判斷水是否利于魚的生存，并控制魚塘。為了防止發(fā)生泛塘現(xiàn)象，漁民需要花費(fèi)大量的時(shí)間、精力觀察魚塘的情況。這種方式存在事后控制不及時(shí)或過(guò)度控制、費(fèi)時(shí)、勞動(dòng)強(qiáng)度大等缺點(diǎn)，在一定程度上影響了魚類的生長(zhǎng)，增加了養(yǎng)殖的人力物力成本與技術(shù)困難。為了提高魚類產(chǎn)品飼養(yǎng)的質(zhì)量和數(shù)量，提升水產(chǎn)養(yǎng)殖技術(shù)的自動(dòng)化水平，減輕漁民的勞動(dòng)強(qiáng)度，降低水產(chǎn)養(yǎng)殖的成本，研制了魚塘控制管理系統(tǒng)，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)水中與魚類生活息息相關(guān)的數(shù)值，使魚塘中水處于被監(jiān)控的狀態(tài)下，可以有效地提高了魚類養(yǎng)殖的安全性，降低養(yǎng)殖成本，對(duì)提高養(yǎng)殖產(chǎn)量，達(dá)到高產(chǎn)高效的目的，具有重要的意義。

物聯(lián)網(wǎng)的快速發(fā)展對(duì)無(wú)線通信技術(shù)提出了更高的要求，專為低帶寬、低功耗、遠(yuǎn)距離、大量連接的物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用而設(shè)計(jì)的LPWAN（low-power Wide-Area Network，低功耗廣域網(wǎng)）快速興起。LoRa是其中的典型代表，是一種最有發(fā)展前景的低功耗廣域網(wǎng)通信技術(shù)。LoRa易于建設(shè)和部署，得到越來(lái)越多國(guó)內(nèi)公司的關(guān)注和跟進(jìn)。隨著LoRa的引入，嵌入式無(wú)線通信領(lǐng)域的局面發(fā)生了徹底的改變。這一技術(shù)改變了以往關(guān)于傳輸距離與功耗的折衷考慮方式，提供一種簡(jiǎn)單的能實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離、長(zhǎng)電池壽命、大容量、低成本的通訊系統(tǒng)。

水產(chǎn)養(yǎng)殖業(yè)，作為一個(gè)高度依賴生產(chǎn)環(huán)境因素的產(chǎn)業(yè)，長(zhǎng)久以來(lái)，為了讓生產(chǎn)條件穩(wěn)定在預(yù)期要求水平以及監(jiān)測(cè)未知的風(fēng)險(xiǎn)，業(yè)主必須投入大量的人力、物力加以管理，使得成本大大增加，給產(chǎn)品在市場(chǎng)上的投放施加了更多的壓力。目前文獻(xiàn)還沒(méi)有看到在水產(chǎn)養(yǎng)殖中采用LoRa技術(shù)[1-6]，由此觀之，在各個(gè)產(chǎn)業(yè)與物聯(lián)網(wǎng)的聯(lián)系不斷加深，運(yùn)營(yíng)操作日趨智能化的現(xiàn)在，設(shè)計(jì)一套周詳、成本可控、信息準(zhǔn)確、自動(dòng)化程度高、應(yīng)用LoRa技術(shù)進(jìn)行及時(shí)消息傳達(dá)的魚塘智能檢測(cè)與管理系統(tǒng)，必能對(duì)其日常生產(chǎn)產(chǎn)生幫助。

2 系統(tǒng)分析

2.1 需求分析

1）水產(chǎn)養(yǎng)殖水質(zhì)和環(huán)境關(guān)鍵因子立體分布規(guī)律和快速檢測(cè)技術(shù)是項(xiàng)目的難點(diǎn)。 通過(guò)立體網(wǎng)格化方法測(cè)試水體在典型狀態(tài)下單點(diǎn)、 面、 層多方位監(jiān)測(cè)的水質(zhì)情況，用統(tǒng)計(jì)分析方法研究養(yǎng)殖水體綜合水質(zhì)指數(shù)變化梯度和分布規(guī)律，建立綜合水質(zhì)指數(shù)三維立體分布圖，并優(yōu)化選取具有代表性的養(yǎng)殖水體總體狀況的監(jiān)測(cè)點(diǎn)。 研究水產(chǎn)養(yǎng)殖環(huán)境關(guān)鍵因子（溫度、pH 值、溶解氧等）快速檢測(cè)技術(shù)，構(gòu)建關(guān)鍵因子數(shù)字化檢測(cè)模型，開發(fā)環(huán)境關(guān)鍵因子的動(dòng)態(tài)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)設(shè)備。

2）需要開發(fā)水產(chǎn)養(yǎng)殖智能化和可視化無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控系統(tǒng)。系統(tǒng)分析LoRa、CAN 總線技術(shù)的分布式網(wǎng)絡(luò)化技術(shù)，研究開發(fā)水產(chǎn)養(yǎng)殖水質(zhì)信息和環(huán)境關(guān)鍵因子（溫度、pH 值、溶解氧等）信息的自供電、自組織無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。開發(fā)水產(chǎn)養(yǎng)殖水質(zhì)和環(huán)境關(guān)鍵因子的可視化監(jiān)控技術(shù)和設(shè)備，實(shí)現(xiàn)水產(chǎn)養(yǎng)殖遠(yuǎn)程可視化監(jiān)控。

3）研究開發(fā)水產(chǎn)養(yǎng)殖環(huán)境關(guān)鍵因子（溫度、 pH 值、溶解氧等）的實(shí)時(shí)控制技術(shù)和智能化管理系統(tǒng)。研究水產(chǎn)養(yǎng)殖的增 氧機(jī)、抽水泵、取樣電磁閥等控制終端的精準(zhǔn)控制技術(shù)和系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)水產(chǎn)養(yǎng)殖的智能化和精準(zhǔn)化控制和作業(yè)。

2.2主要技術(shù)和性能

1）基于無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)的水產(chǎn)養(yǎng)殖智能化、可視化監(jiān)控技術(shù)和預(yù)警預(yù)報(bào)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)水質(zhì)信息和環(huán)境關(guān)鍵因子信息的遠(yuǎn)程無(wú)線傳輸、可視化監(jiān)控和預(yù)警預(yù)報(bào)；

2）水產(chǎn)養(yǎng)殖水質(zhì)信息和環(huán)境關(guān)鍵因子信息快速獲取技術(shù)，構(gòu)建水質(zhì)信息三維立體圖，實(shí)現(xiàn)水產(chǎn)養(yǎng)殖環(huán)境關(guān)鍵因子的動(dòng)態(tài)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)；

3）開發(fā)水產(chǎn)養(yǎng)殖環(huán)境關(guān)鍵因子的精準(zhǔn)控制技術(shù)和智能化管理系統(tǒng)，基于無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，對(duì)增氧機(jī)、抽水泵、取樣電磁閥等終端進(jìn)行智能化精準(zhǔn)控制和作業(yè)。

3 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.1 LoRa無(wú)線通信模塊

LoRa采用星型網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，星型網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)對(duì)比于網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)延遲更低更簡(jiǎn)單。本系統(tǒng)中采用的無(wú)線射頻芯片是LoRaSX1278，此芯片可以實(shí)現(xiàn)節(jié)點(diǎn)與集中器直接組網(wǎng)連接，構(gòu)成星形網(wǎng)絡(luò)；對(duì)于遠(yuǎn)距離的節(jié)點(diǎn)，可使用網(wǎng)關(guān)設(shè)備進(jìn)行中繼組網(wǎng)連接。LoRa在狀況情況復(fù)雜的情況中能達(dá)到 1～2 km 的傳輸距離，傳輸速率最高可以達(dá)到 250 Kbps 以上。

本系統(tǒng)采用的無(wú)線串口模塊是AS32-TTL-100，該模塊嵌入高性能的LoRa擴(kuò)頻芯片LoRaSX1278，該模塊的最大發(fā)射功率為100mW。LoRa模塊分別連接與GPRS模塊和微處理器，實(shí)現(xiàn)GPRS模塊與微處理器之間的通信：GPRS模塊通過(guò)LoRa模塊，把從Web端接收到的指令，經(jīng)過(guò)Lora模塊發(fā)送到微處理器，實(shí)現(xiàn)對(duì)魚塘的遠(yuǎn)程控制，同時(shí)可以將魚塘狀態(tài)數(shù)據(jù)傳送至服務(wù)器，實(shí)現(xiàn)對(duì)魚塘狀態(tài)的監(jiān)視和分析。

3.2 GPRS通信模塊

由于智能路燈的覆蓋范圍十分廣，需要與控制終端實(shí)現(xiàn)通信，使用GPRS通信技術(shù)，增加了網(wǎng)絡(luò)的可靠性與數(shù)據(jù)傳輸方便。

在移動(dòng)通信技術(shù)中，GPRS 分組傳輸和分組交換，具有網(wǎng)絡(luò)范圍廣、實(shí)時(shí)性強(qiáng)、穩(wěn)定性高等特點(diǎn)。GPRS每次傳輸只需承擔(dān)所傳輸數(shù)據(jù)需要的流量的費(fèi)用，資費(fèi)低廉，節(jié)約成本；數(shù)據(jù)傳輸?shù)乃俾士蛇_(dá)30Kbps，傳輸數(shù)據(jù)的效率滿足智能魚塘系統(tǒng)的需求。

本系統(tǒng)采用Air800 GPRS模塊，使用移動(dòng)公司提供的物聯(lián)網(wǎng)卡，內(nèi)部編程語(yǔ)言采用Luat腳本語(yǔ)言，支持GPRS和GSM。通過(guò)Luat腳本語(yǔ)言，可以實(shí)現(xiàn)串行數(shù)據(jù)的接收和發(fā)送，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)功能。

GPRS發(fā)送和接收數(shù)據(jù)的過(guò)程：GPRS模塊連接LoRa模塊和服務(wù)器，與GPRS模塊相連的LoRa模塊接收微處理器上LoRa模塊發(fā)送的數(shù)據(jù)，通過(guò)串口發(fā)送給GPRS模塊。數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)準(zhǔn)備就緒后，GPRS模塊連接后臺(tái)，連接成功后，循環(huán)讀取LoRa模塊通過(guò)串口發(fā)送的數(shù)據(jù)，每次最多發(fā)送1K字節(jié)。GPRS模塊接收到服務(wù)器傳來(lái)的數(shù)據(jù)后，通過(guò)串口通信發(fā)送給與其相連的LoRa模塊，再由LoRa模塊發(fā)送給與主控芯片相連的LoRa模塊，實(shí)現(xiàn)了主控芯片與服務(wù)器之間的通信。

3.3 前端Web服務(wù)模塊

前端Web服務(wù)模塊是以網(wǎng)頁(yè)的形式對(duì)系統(tǒng)管理員進(jìn)行展示，用以控制與系統(tǒng)相關(guān)聯(lián)的智慧路燈以及對(duì)路燈狀態(tài)的監(jiān)控。

HTML語(yǔ)言能夠?qū)崿F(xiàn)多種功能，滿足系統(tǒng)的需要。該語(yǔ)言具有簡(jiǎn)易性、可擴(kuò)展、平臺(tái)無(wú)關(guān)、通用等顯著特點(diǎn)。前端界面設(shè)計(jì)主要使用了Bootstrap，它簡(jiǎn)潔靈活，使得 Web 開發(fā)更加快捷。前端腳本設(shè)計(jì)主要通過(guò)JavaScript，其基于對(duì)象、簡(jiǎn)單、動(dòng)態(tài)性、跨平臺(tái)性的優(yōu)點(diǎn)使腳本能高效的開發(fā)出。

3.4 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

池塘養(yǎng)殖生態(tài)系統(tǒng)是一種人工生態(tài)系統(tǒng)，其特點(diǎn)是水體面積小、深度淺、水交換量較低，而養(yǎng)殖密度又較高，且一般通過(guò)大量投餌來(lái)提高魚產(chǎn)量。但池塘養(yǎng)魚是一種養(yǎng)殖水面相對(duì)狹小、人工可控度高的人工生態(tài)系統(tǒng).，傳統(tǒng)的人工監(jiān)測(cè)并不能是魚一直處于一種最佳的生態(tài)環(huán)境，考慮到魚塘智能檢測(cè)的可行性，以智能化為目標(biāo)，在物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)應(yīng)用日漸廣泛的當(dāng)代環(huán)境下，運(yùn)用STM32單片機(jī)和LoRa通信模塊為魚塘養(yǎng)殖傳輸數(shù)據(jù)和遠(yuǎn)程監(jiān)控。并且結(jié)合當(dāng)下最為熱門的APP開發(fā)，為用戶打造一個(gè)全新的、多層次、寬領(lǐng)域的智能魚塘。運(yùn)用監(jiān)測(cè)技術(shù)實(shí)現(xiàn)對(duì)水產(chǎn)養(yǎng)殖環(huán)境關(guān)鍵因子的24小時(shí)實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)監(jiān)控，保證魚塘的正常運(yùn)作。

針對(duì)魚塘智能管理系統(tǒng)與其他只能實(shí)現(xiàn)半自動(dòng)化，只能短距離傳遞信息的系統(tǒng)不同，本系統(tǒng)采用最先進(jìn)的遠(yuǎn)程通信技術(shù)LoRa技術(shù)，將整個(gè)養(yǎng)殖流程一體化，可視化，方便養(yǎng)殖戶進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控與操作，用戶可以登錄手機(jī)終端進(jìn)行數(shù)據(jù)查看以及數(shù)據(jù)分析。將用兩個(gè)LoRa模塊，第一個(gè)模塊接受單片機(jī)傳來(lái)的水中變量數(shù)據(jù)再將它傳送到第二塊LoRa模塊上，第二個(gè)模塊再將數(shù)據(jù)傳送到用戶的電腦或者手機(jī)上，以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的遠(yuǎn)距離傳送。另外一個(gè)是上位機(jī)顯示數(shù)據(jù)，上位機(jī)是指人可以直接發(fā)出操控命令的計(jì)算機(jī)，一般是PC，屏幕上顯示水溫信號(hào)變化。上位機(jī)（PC機(jī)）主要用來(lái)發(fā)出操作指令和顯示結(jié)果數(shù)據(jù)。單片機(jī)用來(lái)讀傳感器的值，然后上位機(jī)通過(guò)串口來(lái)讀取單片機(jī)里面的變量值。通過(guò)上位機(jī)，可以跟有效、更方便、更快捷地得到我們所需要的數(shù)據(jù)，系統(tǒng)的效率也將大大提升。電路設(shè)計(jì)圖如下：

4 結(jié)論

池塘養(yǎng)殖生態(tài)系是一種人工生態(tài)系統(tǒng)，其特點(diǎn)是水體面積小，深度淺，水交換量較低，而養(yǎng)殖密度又較高，且一般通過(guò)大量投餌來(lái)提高魚產(chǎn)量。但池塘養(yǎng)魚是一種養(yǎng)殖水面相對(duì)狹小、人工可控度高的人工生態(tài)系統(tǒng).，傳統(tǒng)的人工監(jiān)測(cè)并不能是魚一直處于一種最佳的生態(tài)環(huán)境。本文考慮到魚塘智能檢測(cè)的可行性，以智能化為目標(biāo)，在物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)應(yīng)用日漸廣泛的當(dāng)代環(huán)境下，運(yùn)用STM32單片機(jī)和LoRa通信模塊為魚塘養(yǎng)殖傳輸數(shù)據(jù)和遠(yuǎn)程監(jiān)控，并且結(jié)合APP開發(fā)，為用戶打造一個(gè)全新的、多層次、寬領(lǐng)域的智能魚塘。運(yùn)用監(jiān)測(cè)技術(shù)實(shí)現(xiàn)對(duì)水產(chǎn)養(yǎng)殖環(huán)境關(guān)鍵因子的24小時(shí)實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)監(jiān)控，保證魚塘的正常運(yùn)作。

通過(guò)項(xiàng)目實(shí)施，可減少水產(chǎn)養(yǎng)殖過(guò)程中人力、物力投入，通過(guò)信息監(jiān)控系統(tǒng)和增氧機(jī)、抽水泵、取樣電磁閥等終端控制系統(tǒng)，結(jié)合預(yù)警預(yù)報(bào)系統(tǒng)，可極大避免因人為管理不當(dāng)造成的經(jīng)濟(jì)損失，從而實(shí)現(xiàn)了水產(chǎn)養(yǎng)殖的智能化控制和管理，綜合減少成本20%以上，具有良好的經(jīng)濟(jì)效益。

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【通聯(lián)編輯：張薇】