基于云平臺的漁業(yè)養(yǎng)殖投喂與監(jiān)測裝置設(shè)計與實現(xiàn)

陳蔚然，張華珺，潘 博

（皖西學(xué)院電氣與光電工程學(xué)院，安徽 六安 237000）

引言

隨著國家政策的鼓勵與支持以及漁業(yè)養(yǎng)殖具有的良好利潤前景，越來越多的人選擇進(jìn)入漁業(yè)養(yǎng)殖這一行業(yè)。但事實上我國淡水魚產(chǎn)業(yè)一直處于散點發(fā)展?fàn)顟B(tài)，是產(chǎn)業(yè)秩序混亂，缺乏產(chǎn)業(yè)組織，缺乏產(chǎn)業(yè)發(fā)展，進(jìn)而缺乏產(chǎn)業(yè)競爭力的弱質(zhì)產(chǎn)業(yè)。面對當(dāng)前魚類的養(yǎng)殖，出現(xiàn)養(yǎng)殖品種質(zhì)量下降、養(yǎng)殖捕撈產(chǎn)量降低、養(yǎng)殖收益較低等問題。水產(chǎn)養(yǎng)殖過程中，飼料投喂是主要工作之一，投飼技術(shù)的發(fā)展對提高產(chǎn)業(yè)的生產(chǎn)效率具有重要作用。早期人力成本相對較低，養(yǎng)殖業(yè)采用傳統(tǒng)粗放式的管理模式，主要依賴人工投喂，效率低。隨著養(yǎng)殖業(yè)的發(fā)展，養(yǎng)殖規(guī)模增大，人力成本越來越高，人工投喂逐漸不能滿足生產(chǎn)需要[1]。同時，良好的水質(zhì)對魚類的養(yǎng)殖起著決定性作用，不同的魚類有不同的水質(zhì)要求，在適合的水質(zhì)中飼養(yǎng)合適的魚才可將養(yǎng)殖戶的利益最大化。有效調(diào)節(jié)水質(zhì)可在一定程度上保證水產(chǎn)品養(yǎng)殖數(shù)量和養(yǎng)殖質(zhì)量[2]。因此，本文對一種基于云平臺的漁業(yè)養(yǎng)殖投喂與監(jiān)測裝置做出了相關(guān)研究和設(shè)計。物聯(lián)網(wǎng)（Internet of Thing）技術(shù)是互聯(lián)網(wǎng)的重要部分，現(xiàn)代生活諸多場景都運用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)。物聯(lián)網(wǎng)中的深度學(xué)習(xí)研究主要應(yīng)用在人工智能、技術(shù)與管理和流媒體領(lǐng)域。由此可以看出，根據(jù)需求推動發(fā)展，對基于信息技術(shù)發(fā)展智能化、信息化要求較高的領(lǐng)域是物聯(lián)網(wǎng)中的深度學(xué)習(xí)相關(guān)研究的推動者和成果應(yīng)用者[3]。其應(yīng)用已延伸到生活的各個方面，在現(xiàn)代的物聯(lián)網(wǎng)控制應(yīng)用當(dāng)中，主要強(qiáng)調(diào)的是智能監(jiān)管[4]。該設(shè)計基于云平臺現(xiàn)有的表達(dá)方式和運算的規(guī)律，完成互聯(lián)網(wǎng)與機(jī)器的相應(yīng)連接，將傳感器檢測的各類數(shù)據(jù)通過MQTT 協(xié)議上傳至云端服務(wù)器，云端解析后傳輸?shù)接脩舻氖謾C(jī)APP 中，實現(xiàn)遠(yuǎn)程讀取水質(zhì)數(shù)據(jù)，遠(yuǎn)程控制飼料投喂等操作。

1 系統(tǒng)整體方案設(shè)計

1.1 系統(tǒng)組成

本產(chǎn)品的系統(tǒng)包括一個上位機(jī)監(jiān)控和一個控制終端，上位機(jī)監(jiān)控指用戶手機(jī)APP 中對飼料的定量投喂設(shè)置以及對魚類養(yǎng)殖環(huán)境的監(jiān)測，控制終端主要分為飼料分料系統(tǒng)、飼料投喂系統(tǒng)、水質(zhì)監(jiān)測系統(tǒng)、控制系統(tǒng)4大部分。系統(tǒng)組成結(jié)構(gòu)見圖1。上位機(jī)與控制終端的連接為通過物聯(lián)網(wǎng)MQTT通信協(xié)議在用戶手機(jī)間發(fā)送和接收相關(guān)信息，將水質(zhì)、溫度等信息反饋給用戶?？刂品至系牟竭M(jìn)電機(jī)由Arduino板與驅(qū)動模塊對其進(jìn)行控制與設(shè)定，ESP8266 連接WiFi來接收相關(guān)消息，通過串口輸出的高低電平給予繼電器來控制風(fēng)機(jī)的啟動與關(guān)閉以此控制飼料的投喂。利用風(fēng)機(jī)將通過管道與分料系統(tǒng)分料的定量飼料拋灑至池塘。

1.2 系統(tǒng)工作原理

基于云平臺的漁業(yè)養(yǎng)殖投喂與監(jiān)測裝置接入云平臺，由用戶設(shè)定數(shù)值，投料裝置開始工作。分料裝置分料，落入風(fēng)送裝置中，利用風(fēng)送裝置將飼料從管道中拋出，飼料投喂完成后，傳感器通過互聯(lián)網(wǎng)將數(shù)據(jù)反饋至用戶手機(jī)APP 客戶端。同樣，水質(zhì)檢測功能也通過云平臺進(jìn)行，通過用戶在手機(jī)APP 中設(shè)置水溫閾值和水渾濁度閾值進(jìn)行實現(xiàn)，閾值設(shè)置之后機(jī)器對應(yīng)的水溫模塊與水渾濁度模塊開始工作，模塊對魚塘水質(zhì)進(jìn)行相應(yīng)的閾值判斷，系統(tǒng)判斷是否超過閾值，若未超過閾值，則水質(zhì)安全，繼續(xù)工作，若超過閾值，模塊將數(shù)據(jù)反饋到用戶手機(jī)APP 客戶端。用戶還可自行設(shè)置未來水溫與水渾濁度的閾值，此功能利于幫助用戶改變魚類養(yǎng)殖環(huán)境，使養(yǎng)殖環(huán)境更加適合所養(yǎng)殖魚類。

1.3 操作可行性分析

系統(tǒng)控制流程見圖2。

飼料投喂量（S）=魚種放養(yǎng)量（W）×凈增重量倍數(shù)（E）×飼料系數(shù)（R）。

本團(tuán)隊測得全價配合飼料的飼料系數(shù)（R）為2～2.5，對于混合飼料的飼料系數(shù)（R）為3～3.5。魚種凈增重量倍數(shù)（E）為4～5。

飼料投喂量（S）=魚種放養(yǎng)量（W）×3.25（E）×2.75（R）（不同放養(yǎng)量結(jié)果會有差異）

對于送料裝置，外部外圈直徑（D）：22 cm ；內(nèi)部內(nèi)圈直徑(r）：3 cm ；裝置高（H）：10 cm。

飼料投喂量（S）=1/6×［（D/2）2-（r/2）2］×π×H=220 cm3。由上計算可得：機(jī)器飼料投喂量為220cm3，一般魚種放養(yǎng)的投喂量的范圍為218.2 cm3～223.3 cm3之間，因此由上述計算可得，該機(jī)器飼料投喂量符合一般魚類飼料投喂量要求。

1.4 技術(shù)難點

（1） Arduino的精準(zhǔn)性不足。由于Arduino是基礎(chǔ)的單片機(jī)智能控制系統(tǒng)，對信號的接收和發(fā)送會有較大的局限性，因此無法準(zhǔn)確地測量魚塘的水質(zhì)和水溫，出現(xiàn)一定的誤差。（2）飼料的精準(zhǔn)定量。用戶利用手機(jī)APP 通過物聯(lián)網(wǎng)對ESP8266 進(jìn)行通信傳遞，使機(jī)器接收到ESP8266 所發(fā)出的信號，繼而啟動分料裝置和吹料裝置。在此過程中可能會因為分料裝置的阻塞卡頓致使無法吹出定量飼料，從而影響魚的攝食。（3） 濁度傳感器與溫度傳感器靈敏度的調(diào)節(jié)。戶外池塘的環(huán)境變化較大，傳感器因部分其它因素的干擾導(dǎo)致監(jiān)測不靈敏，監(jiān)測數(shù)據(jù)有誤差。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計

整體硬件結(jié)構(gòu)可分為環(huán)境監(jiān)控和養(yǎng)殖管理兩大環(huán)節(jié)[5]。本設(shè)計的動力來源為外部供電，機(jī)械結(jié)構(gòu)主要分為3 個部分，上部的儲料裝置、中部的分料裝置和底部的吹料裝置。

風(fēng)送式飼料投喂裝置是產(chǎn)品主要的裝置之一，主要由鼓風(fēng)機(jī)啟動后產(chǎn)生的強(qiáng)大風(fēng)力將管道中的魚飼料吹出，達(dá)到播撒的目的。分料裝置——步進(jìn)電機(jī)，以分料轉(zhuǎn)盤中心為軸承固定于光桿上，轉(zhuǎn)盤外部連接惰輪。利用惰輪上的傳送帶連接步進(jìn)電機(jī)上的小惰輪，完成步進(jìn)電機(jī)對分料轉(zhuǎn)盤的運行與控制。風(fēng)送式飼料投喂的方式類似于人工拋灑飼料方式，其本質(zhì)都是利用“力”將飼料拋灑出去。用戶可以將一天甚至多天的投喂量全部投入儲料裝置，飼料從中部的分料裝置因重力落入下方的投喂管道。在投喂管道的末端存在有220 V 5 A的鼓風(fēng)機(jī)，當(dāng)機(jī)器啟動，中部分料裝置的飼料落入底部管道，5 v 的Arduino 板將信號傳遞給分料電機(jī)，ESP8266利用所得的高低電平信號來控制繼電器，Arduino 將接收到的信號傳遞至驅(qū)動器，驅(qū)動器對分料電機(jī)進(jìn)行控制飼料的定量下落，并使繼電器對主要大型部件220 V 鼓風(fēng)機(jī)進(jìn)行定時開啟與關(guān)閉指令的執(zhí)行，控制鼓風(fēng)機(jī)啟動。裝置整體建模，見圖3。

3 系統(tǒng)監(jiān)測界面設(shè)計

該設(shè)計利用ESP8266 芯片連接Wi-Fi 接入阿里云平臺，完成互聯(lián)網(wǎng)與機(jī)器的連接。ESP8266-WiFi 無線模塊將控制信號傳輸?shù)嚼^電器中，繼電器對位于風(fēng)送裝置的鼓風(fēng)機(jī)進(jìn)行控制，之后由Arduino對分料驅(qū)動器進(jìn)行控制，使分料電機(jī)進(jìn)行轉(zhuǎn)動，從而根據(jù)用戶的需求進(jìn)行調(diào)節(jié)，以此達(dá)到飼料定量投喂的目的。同時，為提高機(jī)器的使用壽命，用戶可通過手機(jī)APP 自行設(shè)定本產(chǎn)品啟動與關(guān)閉的時間段，以此來減少產(chǎn)品在不需要投喂飼料時或在待機(jī)狀態(tài)下所造成額外的能源損耗，提高電源的使用時間，同時降低電源過度使用所增加的用戶自身養(yǎng)殖的成本。

水質(zhì)監(jiān)測功能同樣利用云平臺進(jìn)行，通過用戶在手機(jī)APP 中設(shè)置水溫閾值和水渾濁度閾值實現(xiàn)，閾值設(shè)置之后機(jī)器相應(yīng)的水溫模塊和水渾濁度模塊開始工作，模塊對魚塘水質(zhì)進(jìn)行相應(yīng)的閾值判斷，系統(tǒng)判斷是否超過閾值，若未超過閾值，則水質(zhì)安全，繼續(xù)工作，若超過閾值，模塊將數(shù)據(jù)反饋至用戶手機(jī)APP 客戶端，見圖4。

4 系統(tǒng)組裝與調(diào)試

4.1 系統(tǒng)硬件部分組裝

本研究所述產(chǎn)品的實物見圖5、圖6。

4.2 程序部分調(diào)試

軟件部分主要利用所編寫的語言程序來配合相應(yīng)的硬件電路，控制所設(shè)計電路實現(xiàn)所預(yù)期的功能。Arduino單片機(jī)的程序可使用C 語言，也可使用匯編語言，或二者的結(jié)合，本設(shè)計使用C 語言編寫程序?qū)崿F(xiàn)單片機(jī)對ESP8266 和步進(jìn)電機(jī)的控制功能。

為應(yīng)對程序控制過多的硬件造成的系統(tǒng)不穩(wěn)定，我們采用ESP8266 對Arduino 進(jìn)行控制，以此控制步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動，利用兩部分控制可增加系統(tǒng)的穩(wěn)定性，同時可降低控制的延遲，加強(qiáng)飼料投喂數(shù)量的精確控制。為實現(xiàn)飼料投喂的智能控制，本團(tuán)隊增加了水溫的閾值設(shè)定。當(dāng)水溫低于設(shè)定的閾值，即停止飼料的投喂，并通過移動端向用戶發(fā)送信息。

在本團(tuán)隊的測試實驗中，發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)對速度有所限定，有短時間延遲，因此本團(tuán)隊增加刷新控制，用戶只需點擊即可完成刷新指令的實行，快速完成數(shù)據(jù)的刷新，查看實時的數(shù)據(jù)信息。同時本團(tuán)隊留有足夠的控制引腳滿足機(jī)器功能的開發(fā)，為面對不同的情況實現(xiàn)不同的功能留有足夠的功能選項，可根據(jù)用戶是否需要來決定是否啟用上述功能。我們在移動端留有debug窗口，可對命令的實行情況及工作信息有所了解，實現(xiàn)對系統(tǒng)的有效調(diào)試，滿足系統(tǒng)調(diào)試的需要。

5 結(jié)論

本研究所述產(chǎn)品整體結(jié)構(gòu)設(shè)計合理，易于上手操作，人機(jī)交互性強(qiáng)，用戶只需將機(jī)器帶到指定工作地點即可運行工作。對飼料的投喂及魚塘水質(zhì)的監(jiān)測有精確的把控，節(jié)約人力物力，在一定程度上為智慧漁業(yè)的發(fā)展提供動力。