基于樹莓派的智能水產(chǎn)養(yǎng)殖系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

劉如軍，鄭澤凱，趙 珉

（嶺南師范學(xué)院 電子與電氣工程學(xué)院，廣東 湛江 524048）

0 引 言

水產(chǎn)養(yǎng)殖業(yè)在中國(guó)發(fā)展迅速，水產(chǎn)養(yǎng)殖業(yè)與計(jì)算機(jī)相結(jié)合的智能化、機(jī)械化養(yǎng)殖方式也逐漸走入人們的視野。近年來(lái)，我國(guó)國(guó)內(nèi)傳統(tǒng)水產(chǎn)養(yǎng)殖的發(fā)展遇到了瓶頸。

水體環(huán)境質(zhì)量是水產(chǎn)養(yǎng)殖業(yè)的重要基礎(chǔ)指標(biāo)，一旦水體質(zhì)量出現(xiàn)惡化且處理不及時(shí)就會(huì)導(dǎo)致嚴(yán)重的后果，使魚、蝦、蟹等水生動(dòng)物大量死亡，使養(yǎng)殖戶遭受巨大的損失。在我國(guó)很多地區(qū)人們大部分依靠人工觀察的方法對(duì)水體環(huán)境質(zhì)量進(jìn)行檢查，這種方式存在諸多弊端，既不能在合理準(zhǔn)確的范圍內(nèi)對(duì)水體質(zhì)量進(jìn)行監(jiān)測(cè)，且監(jiān)測(cè)結(jié)果存在延遲性，還增加了相關(guān)的人工成本、養(yǎng)殖成本。無(wú)疑，傳統(tǒng)水產(chǎn)養(yǎng)殖業(yè)需要跟上現(xiàn)代工業(yè)化的步調(diào)，改革創(chuàng)新，提高養(yǎng)殖效率。

決定水體環(huán)境質(zhì)量的重要參數(shù)包括pH值、溫度、溶氧量。所以要建立一套完整的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)就必須要對(duì)這3個(gè)參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，對(duì)監(jiān)測(cè)到的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理后存儲(chǔ)在云端并針對(duì)水體質(zhì)量變化情況作出相應(yīng)的動(dòng)作以改善。從技術(shù)層面提高養(yǎng)殖效率，增強(qiáng)水產(chǎn)養(yǎng)殖業(yè)的競(jìng)爭(zhēng)力。

1 系統(tǒng)總體方案

該系統(tǒng)的總體方案如圖1所示。對(duì)水體信息進(jìn)行采集檢測(cè)，主要有3個(gè)指標(biāo)，即pH值、溶氧量、溫度，根據(jù)水體信息及時(shí)準(zhǔn)確控制水泵、增氧泵、引蟲燈開關(guān)，實(shí)現(xiàn)對(duì)水體質(zhì)量的精準(zhǔn)控制。將OneNET平臺(tái)作為云端數(shù)據(jù)存儲(chǔ)中心，用以保存數(shù)據(jù)；作為“中轉(zhuǎn)站”，實(shí)現(xiàn)指令的下達(dá)上傳。手機(jī)APP作為上位機(jī)與云端OneNET平臺(tái)建立通信，實(shí)時(shí)獲取云端數(shù)據(jù)，通過云端對(duì)下位機(jī)進(jìn)行指令控制。

圖1 系統(tǒng)總體方案

1.1 OneNET物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)模塊

智能水產(chǎn)養(yǎng)殖系統(tǒng)利用OneNET平臺(tái)的云端數(shù)據(jù)存儲(chǔ)功能，將本地的溶氧量、pH值、溫度等參數(shù)通過通信模塊上傳到云端，也可轉(zhuǎn)發(fā)手機(jī)APP端的操作指令到下位機(jī)。

1.2 樹莓派控制模塊

將Raspberry Pi 4B作為主控，其在智能水產(chǎn)養(yǎng)殖系統(tǒng)中主要作為下位機(jī)的“大腦”。樹莓派擁有超高的集成度，其搭載有1.2 GHz的64位四核處理器，1 GB運(yùn)行內(nèi)存，還集成有無(wú)線網(wǎng)卡，擁有比單片機(jī)更好的性能。

1.3 手機(jī)APP監(jiān)測(cè)模塊

手機(jī)APP由Qt Creator完成可視化圖形界面及UI設(shè)計(jì)、開發(fā)、編譯、調(diào)試等工作，可在安卓操作系統(tǒng)中使用。通過使用APP遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)水溫、pH值、溶氧量變化，便于養(yǎng)殖戶及時(shí)了解養(yǎng)殖場(chǎng)的情況。利用顯示控件顯示溫度、pH值、溶氧量參數(shù)，利用觸摸控件完成動(dòng)指令控制，利用編輯控件實(shí)時(shí)設(shè)置各項(xiàng)閾值。

2 系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)

智能水產(chǎn)養(yǎng)殖系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)如圖2所示。系統(tǒng)硬件主要包括：主控CPU、溫度采集DS18B20傳感器、四路繼電器、LCD1602顯示模塊、語(yǔ)音輸出模塊、pH值傳感器模塊，其中語(yǔ)音模塊的輸出部分已集成在樹莓派開發(fā)板上。

圖2 系統(tǒng)的硬件邏輯設(shè)計(jì)

2.1 主控芯片

采用Raspberry Pi 4B開發(fā)板作為智能水產(chǎn)養(yǎng)殖系統(tǒng)的控制器模塊。通過控制40個(gè)I/O口接收處理發(fā)送數(shù)據(jù)。

2.2 溫度采集模塊

溫度采集模塊采用DS18B20傳感器，將探頭放進(jìn)水中采集水體溫度。該傳感器的測(cè)量溫度范圍為-55～125 ℃，在-10～85 ℃范圍內(nèi)，精度為±0.5 ℃。DS18B20傳感器采用單總線控制，在樹莓派端接入GPIO.7可直接讀取w1_salve文件中的溫度數(shù)據(jù)。

2.3 繼電器模塊

本系統(tǒng)采用四路繼電器，分別控制4個(gè)模塊：水泵，通過排水、抽水來(lái)調(diào)節(jié)pH值和水溫；增氧泵，調(diào)節(jié)水中的溶氧量；引蟲燈，吸引昆蟲聚集，成為水產(chǎn)品的餌料；風(fēng)扇，避免CPU溫度過高主動(dòng)降頻，導(dǎo)致系統(tǒng)不穩(wěn)定，打開風(fēng)扇對(duì)CPU進(jìn)行降溫處理。

2.4 LCD1602顯示模塊

LCD1602A模塊可實(shí)時(shí)顯示水溫、溶氧量、pH值、CPU溫度以及指令動(dòng)作，便于養(yǎng)殖戶在線下直觀、實(shí)時(shí)查看智能水產(chǎn)養(yǎng)殖系統(tǒng)的運(yùn)行狀況?？紤]到節(jié)省I/O口的使用，本系統(tǒng)采用LCD1602的“4 bits”傳輸模式，即只使用Data4～Data7數(shù)據(jù)口進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。

2.5 語(yǔ)音模塊

語(yǔ)音模塊將音頻數(shù)據(jù)傳輸至TDA2030A功放板放大功率后由喇叭播放。當(dāng)檢測(cè)到溶氧量、水溫、pH值等參數(shù)超出閾值時(shí)，在本地進(jìn)行語(yǔ)音播報(bào)，提醒養(yǎng)殖戶水體質(zhì)量出現(xiàn)問題需要及時(shí)處理，若繼電器動(dòng)作位發(fā)生變化，也會(huì)及時(shí)播報(bào)?！罢Z(yǔ)音合成”功能通過調(diào)用百度開發(fā)者平臺(tái)的API實(shí)現(xiàn)，需添加AipSpeech模塊包，設(shè)置APP_ID、API_KEY、SECRET_KEY等參數(shù)。將要轉(zhuǎn)換的字符串與參數(shù)一起發(fā)送，返回的音頻數(shù)據(jù)封裝到.mp3中保存至本地，最后播放輸出。

2.6 pH值傳感器模塊

pH值檢測(cè)選用diymore的pH值檢測(cè)模塊與非可充式pH復(fù)合電極探頭。該模塊可檢測(cè)的范圍為0～14（pH），可直接使用由樹莓派的5 V供電口作為工作電壓，無(wú)需電源，響應(yīng)時(shí)間小于5 s，滿足智能水產(chǎn)養(yǎng)殖系統(tǒng)的功能需求。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)包括樹莓派端的程序設(shè)計(jì)和手機(jī)監(jiān)測(cè)控制端APP，其間通過OneNET平臺(tái)進(jìn)行數(shù)據(jù)交互。APP端的軟件設(shè)計(jì)如圖3所示。

圖3 手機(jī)APP端的功能實(shí)現(xiàn)

3.1 手機(jī)控制端APP設(shè)計(jì)

APP程序由Qt編寫，編譯生成安卓APK安裝包。程序可實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)水溫、溶氧量、pH值，擁有自動(dòng)模式與手動(dòng)模式。

主界面如圖4所示?？稍谥鹘缑孢M(jìn)行水泵、增氧泵、引蟲燈的開關(guān)操作；可實(shí)時(shí)顯示溶氧量、水溫、pH值；點(diǎn)擊“模式切換”進(jìn)行手動(dòng)模式與自動(dòng)模式的切換，點(diǎn)擊電源鍵關(guān)閉程序。

圖4 主界面

參數(shù)設(shè)置界面如圖5所示。在參數(shù)設(shè)置界面可顯示當(dāng)前設(shè)置的閾值，點(diǎn)擊具體數(shù)字可進(jìn)入鍵盤輸入界面，點(diǎn)擊“返回”可退回到主界面。

圖5 參數(shù)設(shè)置界面

鍵盤輸入界面如圖6所示。在鍵盤輸入界面可通過點(diǎn)擊數(shù)字按鍵進(jìn)行輸入操作，點(diǎn)擊“OK”鍵可更新閾值，點(diǎn)擊“返回”可退回到參數(shù)設(shè)置界面。

圖6 鍵盤輸入界面

3.2 控制算法實(shí)現(xiàn)

APP的程序流程如圖7所示。在程序初次運(yùn)行時(shí)會(huì)創(chuàng)建本地?cái)?shù)據(jù)庫(kù)Mydata.db，再創(chuàng)建數(shù)據(jù)表parameter，將P01～P06等6個(gè)閾值參數(shù)添加至表內(nèi)。在第二次運(yùn)行時(shí)查詢表內(nèi)數(shù)據(jù)進(jìn)行初始化。

圖7 APP程序流程

程序初始化成功后進(jìn)入主界面，在主界面判斷當(dāng)前模式，若為手動(dòng)模式，觸摸3個(gè)開關(guān)可控制繼電器的開關(guān)；若為自動(dòng)模式，可根據(jù)閾值自動(dòng)控制繼電器的開關(guān)。繼電器的3個(gè)開關(guān)標(biāo)志位封裝在1個(gè)數(shù)據(jù)的不同bit位內(nèi)，根據(jù)bit位的變化控制繼電器，減少因多數(shù)據(jù)發(fā)送導(dǎo)致的網(wǎng)絡(luò)延遲。

“設(shè)置”按鍵按下后界面跳轉(zhuǎn)至參數(shù)設(shè)置界面，在參數(shù)設(shè)置界面可顯示自動(dòng)控制模式下的閾值設(shè)置范圍，點(diǎn)擊各參數(shù)值可記錄點(diǎn)擊的參數(shù)id，然后跳轉(zhuǎn)至鍵盤輸入界面，輸入?yún)?shù)后根據(jù)記錄的參數(shù)id更新數(shù)據(jù)表中的數(shù)據(jù)。

當(dāng)判斷到參數(shù)設(shè)置按鍵按下時(shí)跳轉(zhuǎn)至鍵盤輸入界面，在輸入界面可點(diǎn)擊鍵控?cái)?shù)字0～9，“小數(shù)點(diǎn)”“刪除”“返回”“確定”等操作字符串temp進(jìn)行數(shù)字輸入。

4 測(cè)試和結(jié)果分析

4.1 硬件測(cè)試

硬件測(cè)試主要在樹莓派端進(jìn)行：配置好開機(jī)自啟動(dòng)文件start.desktop，將主程序文件添加進(jìn)文檔內(nèi)，再添加一行代碼EXec=python3 /home/pi/zk/main.py，便可實(shí)現(xiàn)開機(jī)自啟動(dòng)。

（1）DS18B20溫度傳感器的測(cè)試：將傳感器的探頭伸入水中進(jìn)行長(zhǎng)時(shí)間檢測(cè)。如圖8所示，在最近的100次數(shù)據(jù)獲取中，溫度在27～28 ℃之間波動(dòng)，溫度正常。

圖8 近100次溫度數(shù)據(jù)檢測(cè)結(jié)果

（2）pH值傳感器的檢測(cè)：將pH值傳感器的探頭伸入水中進(jìn)行長(zhǎng)時(shí)間工作。如圖9所示，在最近的100次數(shù)據(jù)獲取中，pH值在7.5～7.6之間波動(dòng)，pH值正常。

圖9 近100次pH值數(shù)據(jù)檢測(cè)結(jié)果

（3）四路繼電器的動(dòng)作位測(cè)試：在手機(jī)端下達(dá)對(duì)水泵、增氧泵、引蟲燈的開關(guān)指令。如圖10所示，在幾次測(cè)試后一切正常，繼電器能正常地?cái)嚅_吸合，水泵、增氧泵、引蟲燈能在對(duì)應(yīng)的指令操作中開啟、關(guān)閉。

圖10 近30次指令操作數(shù)據(jù)

4.2 軟件測(cè)試

客戶端與云端OneNET平臺(tái)的數(shù)據(jù)通信功能測(cè)試：通過fiddler實(shí)時(shí)抓取由客戶端發(fā)出的數(shù)據(jù)包。如圖11所示，POST方法與GET方法發(fā)出的22個(gè)HTTP數(shù)據(jù)包全部發(fā)送成功，且在OneNET平臺(tái)成功獲取由客戶端發(fā)送的數(shù)據(jù)并將數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在云端。

圖11 發(fā)送的數(shù)據(jù)包

軟件的功能測(cè)試采用黑盒測(cè)試。在手動(dòng)模式下，分別按下水泵鍵、增氧泵鍵、引蟲燈鍵，觀察到水泵、增氧泵、引蟲燈正常開啟、關(guān)閉，測(cè)試結(jié)果見表1所列。

表1 手動(dòng)模式

在自動(dòng)模式下設(shè)置溫度、pH值、溶氧量的閾值，在樹莓派端將pH值、溶氧量降低到低于閾值下限，觀察到水泵、增氧泵進(jìn)行排水、增氧操作。將pH值、溶氧量增高超出閾值上限，觀察到水泵、增氧泵關(guān)閉；設(shè)置引蟲燈的開關(guān)時(shí)間，觀察到引蟲燈在設(shè)置時(shí)間內(nèi)開啟，其他時(shí)間關(guān)閉。測(cè)試結(jié)果見表2所列。

表2 自動(dòng)模式

軟件的功能測(cè)試均成功通過，可滿足智能水產(chǎn)養(yǎng)殖系統(tǒng)的基本需求。

5 結(jié) 語(yǔ)

本文基于現(xiàn)代水產(chǎn)養(yǎng)殖的實(shí)際需求，提出了一種基于樹莓派的智能水產(chǎn)養(yǎng)殖系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案，并實(shí)現(xiàn)了軟件代碼和硬件系統(tǒng)的設(shè)計(jì)制作與調(diào)試。測(cè)試結(jié)果表明，所設(shè)計(jì)的系統(tǒng)能實(shí)現(xiàn)對(duì)水產(chǎn)養(yǎng)殖系統(tǒng)的有效監(jiān)控，實(shí)現(xiàn)水體質(zhì)量參數(shù)的實(shí)時(shí)采集、水體智能監(jiān)控和手機(jī)APP遠(yuǎn)程監(jiān)控功能。下一步，計(jì)劃開發(fā)多機(jī)組聯(lián)動(dòng)控制實(shí)現(xiàn)多個(gè)水產(chǎn)養(yǎng)殖池塘在同一個(gè)系統(tǒng)的集中控制，并接入大數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)不同水產(chǎn)品所需環(huán)境的精準(zhǔn)控制。