養(yǎng)殖池水環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

付 蘭，趙希珍，張冬香，薛小松

（江蘇農(nóng)林職業(yè)技術(shù)學(xué)院，江蘇 句容 212400）

0 引言

水產(chǎn)養(yǎng)殖承擔(dān)了部分食品安全的重任，確保養(yǎng)殖戶能有穩(wěn)定、可靠的水產(chǎn)養(yǎng)殖收益是我國(guó)水產(chǎn)養(yǎng)殖行業(yè)能平穩(wěn)發(fā)展的關(guān)鍵[1]。在水產(chǎn)養(yǎng)殖行業(yè)中， 越來(lái)越多的養(yǎng)殖戶采用養(yǎng)殖池的形式進(jìn)行養(yǎng)殖， 這就對(duì)池中的水質(zhì)監(jiān)測(cè)提出了較高的要求。由于養(yǎng)殖環(huán)境采用餌料投喂且存在養(yǎng)殖對(duì)象自身代謝，所以水中會(huì)產(chǎn)生大量的NH4-N和BOD，同時(shí)伴隨DO 降低，這些變化都不利于養(yǎng)殖對(duì)象生長(zhǎng)[2]。而當(dāng)前池塘養(yǎng)殖集約化發(fā)展程度較低，相關(guān)配套設(shè)施比較匱乏。因此，實(shí)時(shí)水質(zhì)監(jiān)控對(duì)養(yǎng)殖池養(yǎng)殖尤為重要，普通水質(zhì)監(jiān)控系統(tǒng)存在難以解決長(zhǎng)距離通信、維護(hù)困難以及能源匱乏等問(wèn)題。

國(guó)內(nèi)外企業(yè)已經(jīng)設(shè)計(jì)了多款水質(zhì)監(jiān)控系統(tǒng)，這些系統(tǒng)主要利用ZigBee網(wǎng)絡(luò)、LoRa網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行區(qū)域內(nèi)的短距離通信[3]，系統(tǒng)基于傳統(tǒng)的單片機(jī)或ARM板進(jìn)行開(kāi)發(fā)，通過(guò)普通的顯示屏顯示測(cè)試結(jié)果。但農(nóng)戶在使用過(guò)程中均存在以下問(wèn)題：系統(tǒng)專業(yè)性強(qiáng)，需要專業(yè)技術(shù)人員安裝與維護(hù)，造成使用成本增加；系統(tǒng)可靠性低，參數(shù)誤差大；可視性不強(qiáng)，農(nóng)戶不易理解。這些問(wèn)題導(dǎo)致產(chǎn)品推廣難度大，農(nóng)戶使用意愿低[4]。

1 設(shè)計(jì)目標(biāo)

一是將傳感器端采集的數(shù)據(jù)，通過(guò)CC2530芯片利用ZigBee協(xié)議將監(jiān)測(cè)到的養(yǎng)殖池的水環(huán)境參數(shù)（溫度等），水質(zhì)參數(shù)（溶氧度、PH值、氨氮濃度等）數(shù)據(jù)匯總到ZigBee協(xié)調(diào)器；二是協(xié)調(diào)器通過(guò)485總線將數(shù)據(jù)匯總到布置在養(yǎng)殖池邊的網(wǎng)關(guān)，網(wǎng)關(guān)配備上位機(jī)可以在池邊直接查看水質(zhì)環(huán)境監(jiān)測(cè)結(jié)果；三是網(wǎng)關(guān)利用4G/5G信號(hào)接入云平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程互聯(lián)網(wǎng)登錄查看實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)。

ZigBee節(jié)點(diǎn)具有成本低、功耗低、能夠自組網(wǎng)、布置方便的優(yōu)點(diǎn)，適用于戶外環(huán)境，且維護(hù)方便。數(shù)據(jù)匯總后采用可靠性強(qiáng)的485總線，將接線方式設(shè)計(jì)成可以直接插拔的形式，方便用戶使用，維護(hù)過(guò)程中可以直接采用插拔的方式進(jìn)行替代更換。

2 系統(tǒng)整體架構(gòu)

圖1 系統(tǒng)整體架構(gòu)圖

系統(tǒng)整體架構(gòu)包括四部分，感知端各類水質(zhì)監(jiān)測(cè)傳感器，傳送信號(hào)的ZigBee節(jié)點(diǎn)（CC2530），網(wǎng)關(guān)設(shè)備以及遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)的云平臺(tái)和終端。

傳感器檢測(cè)到水質(zhì)參數(shù)信號(hào)通過(guò)有線方式傳遞給ZigBee節(jié)點(diǎn)，ZigBee節(jié)點(diǎn)以無(wú)線通信方式將信號(hào)匯聚到協(xié)調(diào)器，ZigBee協(xié)調(diào)器接收到網(wǎng)絡(luò)中的數(shù)據(jù)包自動(dòng)識(shí)別參數(shù)類別然后傳送給網(wǎng)關(guān)，網(wǎng)關(guān)集成了上位機(jī)軟件以及傳送數(shù)據(jù)到云平臺(tái)的功能。

2.1 系統(tǒng)感知層設(shè)計(jì)

由于傳感器傳遞的是模擬信號(hào)，所以系統(tǒng)采用485接線方式，并將接線設(shè)計(jì)成直接插拔的形式， 便于用戶直接插拔使用，降低維護(hù)和保養(yǎng)難度，養(yǎng)殖戶可以自行更換維護(hù)設(shè)備，降低使用成本。

為了降低節(jié)點(diǎn)能耗，系統(tǒng)設(shè)計(jì)每間隔5分鐘采樣一組數(shù)據(jù)。由于傳感器探頭屬于敏感元器件，長(zhǎng)時(shí)間使用為降低檢測(cè)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確率，所以養(yǎng)殖池中的傳感器需周期性取出進(jìn)行清潔維護(hù)，周期一般為每?jī)芍芫S護(hù)一次。

圖2 傳感器與ZigBee節(jié)點(diǎn)連接方式

2.2 系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)層設(shè)計(jì)

養(yǎng)殖池水環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)中混合采用了485通信方式、ZigBee無(wú)線通信方式、4G通信方式、Internet通信方式，由于通信協(xié)議的不同，所以需要使用不同的協(xié)議轉(zhuǎn)換器，如485轉(zhuǎn)ZigBee模塊， ZigBee轉(zhuǎn)4G模塊等。

485有線方式傳輸傳感器檢測(cè)到的模擬信號(hào)， ZigBee傳輸用于解決水池中布線困難的問(wèn)題，節(jié)點(diǎn)采用干電池供電，4G通信模塊解決了戶外連接互聯(lián)網(wǎng)的問(wèn)題。

數(shù)據(jù)采集模塊在獲取水質(zhì)傳感器檢測(cè)到的數(shù)據(jù)前會(huì)進(jìn)行初步整理與處理，然后再進(jìn)行傳送，提高能量使用效率，避免網(wǎng)絡(luò)中出現(xiàn)大量冗余數(shù)據(jù)。

2.3 系統(tǒng)應(yīng)用層設(shè)計(jì)

網(wǎng)關(guān)設(shè)備上位機(jī)集成了嵌入式設(shè)備，設(shè)備包括微控制器（STM32）、MCGS顯示觸摸設(shè)備、4G/5G通信模塊。

控制核心選用STM32微功耗控制器，該控制器處理能力強(qiáng)、運(yùn)算速度快、易開(kāi)發(fā)，能滿足本系統(tǒng)使用?，F(xiàn)場(chǎng)采集的水質(zhì)參數(shù)以圖形方式顯示在NCGS顯示屏幕上，便于養(yǎng)殖戶隨時(shí)查看。通信模塊將數(shù)據(jù)上傳至云平臺(tái)數(shù)據(jù)庫(kù)。遠(yuǎn)程用戶可通過(guò)手機(jī)APP、PC等設(shè)備隨時(shí)查看。云平臺(tái)還將對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，當(dāng)監(jiān)測(cè)的的水質(zhì)參數(shù)出現(xiàn)異常時(shí)，將通過(guò)應(yīng)用層發(fā)出報(bào)警信號(hào)，提示養(yǎng)殖戶作出處理，調(diào)控水質(zhì)，確保養(yǎng)殖安全，增產(chǎn)增效。

圖3 系統(tǒng)網(wǎng)關(guān)連接方式

3 軟件設(shè)計(jì)

本文設(shè)計(jì)的系統(tǒng)云平臺(tái)使用阿里云，并進(jìn)行微信小程序開(kāi)發(fā)。所開(kāi)發(fā)的微信小程序能將傳感器檢測(cè)到的數(shù)據(jù)顯示在移動(dòng)端，主要包括檢測(cè)到的水質(zhì)基本信息，數(shù)據(jù)安全臨界值，歷史狀態(tài)等。同時(shí)可以進(jìn)行閾值更改設(shè)計(jì)，可以人為設(shè)置閾值范圍，當(dāng)監(jiān)測(cè)到的數(shù)據(jù)超過(guò)閾值范圍時(shí)，設(shè)置了短信報(bào)警提醒，故障設(shè)備自動(dòng)顯示數(shù)據(jù)異常。

4 結(jié)束語(yǔ)

本系統(tǒng)設(shè)計(jì)針對(duì)養(yǎng)殖戶對(duì)養(yǎng)殖池水環(huán)境監(jiān)測(cè)實(shí)際需求，從維護(hù)方便、使用成本低等方便進(jìn)行設(shè)計(jì)。采用簡(jiǎn)單的熱插拔方式進(jìn)行設(shè)計(jì)，養(yǎng)殖戶不依賴于專業(yè)技術(shù)人員即可完成對(duì)損壞設(shè)備的更新與維護(hù)，方便使用。有效提高了養(yǎng)殖池水產(chǎn)養(yǎng)殖日常管理效率，降低了設(shè)備使用成本，提高收益。