基于NIELVISIII的魚塘水質(zhì)監(jiān)測系統(tǒng)

葉金霖，邱美艷

（天津中德應(yīng)用技術(shù)大學(xué)，天津，300350）

0 引言

近年來隨著傳統(tǒng)養(yǎng)殖業(yè)的發(fā)展，越來越多的國家將養(yǎng)殖業(yè)規(guī)劃為重要的生產(chǎn)份額占比。由于傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)技術(shù)的不足，人們對魚塘的溫度、水質(zhì)等缺乏一定了解，使得人們在水產(chǎn)養(yǎng)殖等方面遇到很多困難。目前，在現(xiàn)代工廠化養(yǎng)殖中，常常采用人工測量的方式對這些參數(shù)指標(biāo)進(jìn)行測量，然而，在應(yīng)對規(guī)?；B(yǎng)殖時，往往是力不從心，不僅耗時費力，而且檢測效果也難以達(dá)到要求?；贜I ELVIS III的魚塘水質(zhì)監(jiān)測系統(tǒng)采用水質(zhì)類傳感器采集魚塘中各物質(zhì)含量數(shù)據(jù)，NIELVISIII接受傳感器發(fā)來的數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，之后上傳到服務(wù)器，最后發(fā)布Web App將數(shù)據(jù)實時顯示出來。養(yǎng)殖人員可以通過網(wǎng)頁客戶端遠(yuǎn)程查看魚塘水質(zhì)的當(dāng)前情況，并且系統(tǒng)采用紅外人感傳感器和攝像頭對設(shè)備周邊環(huán)境進(jìn)行監(jiān)視，當(dāng)紅外人感傳感器感應(yīng)到有人靠近，會向NIELVISIII發(fā)送信號，NIELVISIII接收到有人靠近的信號后向攝像頭發(fā)送拍照指令，并將拍攝的照片上傳到上位機的指定文件夾中，實現(xiàn)人員報備，防止人為破壞或惡意捕撈，最終實現(xiàn)魚塘水質(zhì)的監(jiān)測，將數(shù)據(jù)化分析帶入養(yǎng)殖業(yè)。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計

魚塘水質(zhì)監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計方案如圖1所示，系統(tǒng)主要包括主控制器、水質(zhì)類傳感器、紅外人感傳感器、攝像頭、服務(wù)器及Web App等。

本系統(tǒng)以NIELVISIII作為主控制器，用于接受來自水質(zhì)類傳感器和紅外人感傳感器信號，并對采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行運算，運算結(jié)果通過TCP/IP協(xié)議上傳到服務(wù)器，然后上位機發(fā)布WepApp將水質(zhì)參數(shù)顯示出來，同時當(dāng)紅外人感傳感器感受到有人靠近時，會向NIELVISIII發(fā)送信號，NIELVISIII接收到有人靠近的信號后，控制攝像頭拍攝照片，同時將拍攝的照片上傳到上位機的指定文件夾中，完成拍照報備。

2 硬件設(shè)計

基于NIELVISIII的魚塘水質(zhì)監(jiān)測系統(tǒng)硬件電路設(shè)計如圖2所示，主要包括主控制器電路設(shè)計、水質(zhì)采集電路設(shè)計和人感拍照電路等。

圖2 硬件電路設(shè)計圖

主控制電路以NIELVISIII作為主控制器，采集水質(zhì)類傳感器發(fā)送來的模擬信號和人感傳感器發(fā)送來的數(shù)字信號，同時負(fù)責(zé)信號的轉(zhuǎn)換與發(fā)送和攝像頭的控制；水質(zhì)采集電路主要由3個pH傳感器、3個TDS傳感器和3個濁度傳感器組成，傳感器均勻分布在池塘中的不同位置，將水質(zhì)信息轉(zhuǎn)換成模擬信號發(fā)送給主控制電路；人感拍照電路主要由紅外人感傳感器和攝像頭組成。

■2.1 主控制器電路設(shè)計

主控制電路以NIELVISIII為核心，用于接受水質(zhì)類傳感器和紅外人感傳感器信號。NIELVISIII采用ARM+FPGA架構(gòu)，提供充分的計算能力，用于支撐邊緣計算端的執(zhí)行，通過對嵌入式系統(tǒng)編程及FPGA編程實現(xiàn)具體的運算及程序和算法的部署；其外圍提供了豐富的IO，包括模擬輸入輸出和數(shù)字輸入輸出，用于實現(xiàn)對現(xiàn)場傳感器設(shè)備信號采集和控制信號輸出；并且NIELVISIII具有豐富的互聯(lián)接口：包括WIFI、千兆以太網(wǎng)、USB等，用于平臺的對外連接、數(shù)據(jù)傳輸及控制。本系統(tǒng)主要用到的外設(shè)包括模擬輸入接口、數(shù)字輸入接口、WIFI等。

■2.2 水質(zhì)采集電路設(shè)計

本系統(tǒng)采用的三類傳感器采集的數(shù)據(jù)均以模擬信號的形式向主控制器發(fā)送信息；采用pH傳感器來監(jiān)測水質(zhì)的酸堿值，經(jīng)過數(shù)據(jù)擬合得到pH和模擬輸出電壓的對應(yīng)關(guān)系為y= ? 5.641x+23.92；采用TDS傳感器采集廢水中溶解性固體總量，經(jīng)過數(shù)據(jù)擬合得到TDS和模擬輸出電壓對應(yīng)關(guān)系為y=66.71x3?127.93x2+428.7x；采用TSW-30濁度傳感器采集廢水濁度，經(jīng)過數(shù)據(jù)擬合得到濁度和模擬輸出電壓的對應(yīng)關(guān)系為y=? 8 65.68x+3291.3。

■2.3 人感拍照電路設(shè)計

人感拍照電路由人體感應(yīng)傳感器和攝像頭組成，攝像頭用來監(jiān)視設(shè)備周邊環(huán)境，人體感應(yīng)傳感器用來檢測設(shè)備周圍是否有人，如果有人靠近，NIELVISIII會接收到有人靠近信號，并控制攝像頭進(jìn)行畫面拍照，然后上傳到上位機的指定文件夾中，實現(xiàn)人員報備。其中人體感應(yīng)傳感器采用JL-286型分體式人體感應(yīng)傳感器，該傳感器靈敏度高，可靠性強，適合應(yīng)用于各類自動感應(yīng)電器設(shè)備；攝像頭采用USB攝像頭。

3 軟件設(shè)計

本系統(tǒng)的軟件設(shè)計采用LabVIEW和LabVIEWNXG進(jìn)行編寫，采用LabVIEW在NIELVISIII中編寫數(shù)據(jù)采集程序、數(shù)據(jù)處理程序和數(shù)據(jù)傳輸程序，采用LabVIEWNXG在上位機中編寫數(shù)據(jù)接收程序、人感拍照報備程序和Web App程序。系統(tǒng)總程序設(shè)計流程圖如圖3所示。

圖3 總程序設(shè)計流程圖

系統(tǒng)啟動后進(jìn)行初始化，然后分別采集pH傳感器、TDS傳感器、濁度傳感器的模擬信號和紅外人體感應(yīng)傳感器的數(shù)字信號，系統(tǒng)將采集到的模擬信號在NI ELVIS III內(nèi)部進(jìn)行運算，將pH傳感器的模擬信號通過公式y(tǒng)=? 5.641x+23.92轉(zhuǎn)換成pH，將TDS傳感器的模擬信號通過公式y(tǒng)= 66.71x3?127.93x2+428.7x轉(zhuǎn)換成TDS，將濁度傳感器的模擬信號通過公式y(tǒng)=? 8 65.68x+3291.3轉(zhuǎn)換成濁度值，然后將轉(zhuǎn)換后的pH、TDS和濁度值打包成字符串，通過TCP/IP協(xié)議上傳到上位機，上位機接受到數(shù)據(jù)后，通過分割字符串的方式將數(shù)據(jù)讀取出來進(jìn)行顯示，最后發(fā)布Web App，進(jìn)而養(yǎng)殖戶可以連接Web服務(wù)器進(jìn)行魚塘水質(zhì)參數(shù)的遠(yuǎn)程監(jiān)測。同時當(dāng)有人靠近時，NIELVISIII采集到紅外人體感應(yīng)傳感器高電平信號，然后向攝像頭發(fā)送拍照指令，并將拍攝的照片上傳到上位機的指定文件夾下以完成人員報備。

■3.1 下位機程序設(shè)計

下位機程序采用LabVIEW進(jìn)行編寫，首先，打開所有傳感器所連接的模擬通道引腳，將其設(shè)置為模擬電壓輸入，通過數(shù)學(xué)函數(shù)控件構(gòu)建轉(zhuǎn)換公式，將模擬電壓輸入值轉(zhuǎn)換成物質(zhì)含量，然后將轉(zhuǎn)換后的數(shù)值轉(zhuǎn)換成字符串形式，將所有字符串截取適當(dāng)長度并連接在一起組成一個字符串，最后通過TCP/IP協(xié)議將字符串發(fā)送給上位機。

■3.2 上位機程序設(shè)計

上位機程序設(shè)計采用LabVIEW NXG進(jìn)行編寫，首先，打開TCP連接，讀取下位機發(fā)送來的字符串，將字符串以對應(yīng)的偏移量進(jìn)行截取，然后通過顯示控件將數(shù)據(jù)進(jìn)行顯示，同時讀取到有人靠近的指令后，控制攝像頭拍攝照片，然后設(shè)置指定存儲路徑，進(jìn)行人員報備，最后創(chuàng)建WebApp，實現(xiàn)多個客戶端的監(jiān)測。

4 系統(tǒng)調(diào)試及結(jié)果

本系統(tǒng)采用Web應(yīng)用程序?qū)崿F(xiàn)多個客戶端的監(jiān)測，經(jīng)過功能測試，遠(yuǎn)程客戶端可以滿足魚塘水質(zhì)監(jiān)測系統(tǒng)的實時性、準(zhǔn)確性的要求。每隔1h對魚塘水質(zhì)進(jìn)行一次測量，測試數(shù)據(jù)如表1所示。

表1 測試數(shù)據(jù)

同時系統(tǒng)可在上位機的指定文件夾下查看到周圍人員照片，實現(xiàn)了人員報備功能。

5 結(jié)語

本文開發(fā)了一種基于NIELVISIII的魚塘水質(zhì)監(jiān)測系統(tǒng)，通過本系統(tǒng)養(yǎng)殖人員可對魚塘中pH、TDS、濁度等水質(zhì)參數(shù)進(jìn)行遠(yuǎn)程實時監(jiān)測，同時可查看魚塘附近人員照片，防止人為破壞或惡意捕撈，實現(xiàn)了魚塘水質(zhì)監(jiān)測的實時性和準(zhǔn)確性，系統(tǒng)將數(shù)據(jù)化分析帶入水產(chǎn)養(yǎng)殖業(yè)，方便養(yǎng)殖人員制定合理的養(yǎng)殖方案，提高魚類存活率，進(jìn)而提高養(yǎng)殖戶的利潤。