智慧蝦稻養(yǎng)殖管理系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)

姚 毅，謝東輝，李裕衛(wèi)，付佳威，朱文勇，藍 嵐，肖藝嘉，楊宗英

（1.南昌市農(nóng)業(yè)科學院 南昌市農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)智能裝備集成開發(fā)重點實驗室，江西 南昌 330038；2.江西悅濃智能科技股份有限公司，江西 南昌 330038；3.中國聯(lián)通南昌市分公司，江西 南昌 330038）

0 引 言

如何實現(xiàn)按漁業(yè)養(yǎng)殖品種生長需求進行漁業(yè)養(yǎng)殖環(huán)境的有效調(diào)控，類似的一系列問題在傳統(tǒng)漁業(yè)生產(chǎn)模式下一直被“模糊”處理。現(xiàn)在，應用物聯(lián)網(wǎng)（Internet of Things, IoT）、3S（GIS地理信息系統(tǒng)、GPS全球定位系統(tǒng)和RS遙感技術(shù)）、云計算（Cloud Computing）和大數(shù)據(jù)（Big Data）代表的新一代信息及控制技術(shù)已能實現(xiàn)養(yǎng)殖環(huán)境參數(shù)實時獲取，遠程自動化控制漁業(yè)養(yǎng)殖設(shè)備運行。項目組基于利用上述技術(shù)開發(fā)的稻蝦綜合智慧蝦稻養(yǎng)殖系統(tǒng)對傳統(tǒng)經(jīng)驗型蝦稻綜合養(yǎng)殖模式進行技術(shù)改造升級，實現(xiàn)精準漁業(yè)養(yǎng)殖，解決現(xiàn)有養(yǎng)殖痛點問題，進而實現(xiàn)蝦稻養(yǎng)殖模式的產(chǎn)業(yè)升級。

1 物聯(lián)網(wǎng)智慧蝦稻養(yǎng)殖系統(tǒng)的總體架構(gòu)

本系統(tǒng)包括蝦稻環(huán)境監(jiān)測終端子系統(tǒng)、蝦稻設(shè)備遠程控制終端子系統(tǒng)、蝦稻視頻監(jiān)控子系統(tǒng)。蝦稻環(huán)境監(jiān)測和設(shè)備遠程控制終端子系統(tǒng)采用cat.1（LTEUE-Category1）和WiFi無線通信技術(shù)，主控芯片采用兆易創(chuàng)新研發(fā)的專用于工業(yè)和農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備、型號為GD32F103RCT6的集成芯片，可應用于農(nóng)業(yè)環(huán)境數(shù)據(jù)采集終端和農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)控制終端。通過環(huán)境數(shù)據(jù)采集終端板載SN65LBC184D芯片采集傳感器數(shù)值。環(huán)境監(jiān)測和控制終端多個節(jié)點連接，既可以通過WiFi傳輸模式構(gòu)成局域群體式無線通信網(wǎng)，又可以通過cat.1傳輸方式構(gòu)成廣域無線通信網(wǎng)。系統(tǒng)還會將數(shù)據(jù)信息傳輸?shù)侥喜修r(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)智能裝備集成開發(fā)重點實驗室自建的農(nóng)業(yè)邊緣云平臺。農(nóng)業(yè)科研人員和蝦稻綜合種養(yǎng)殖戶等相關(guān)人員可以通過移動端和PC端進入管理界面，實時觀測蝦稻養(yǎng)殖相關(guān)參數(shù)，開展有針對性的農(nóng)業(yè)設(shè)備遠程自動化控制。環(huán)境監(jiān)測和設(shè)備遠程控制采用的有線通信方式有兩種：一種是RS 485，用于讀取傳感器數(shù)據(jù)；另一種是串口（UART），用于與IoT模組通信。

為便于用戶使用該系統(tǒng)，在農(nóng)業(yè)環(huán)境數(shù)據(jù)采集終端和農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)控制設(shè)備端增加了HMI串口觸摸屏模塊，對蝦稻養(yǎng)殖水體溫度、pH值、溶解氧、氣壓、濕度、光照等數(shù)據(jù)進行直觀顯示，可以在蝦稻養(yǎng)殖現(xiàn)場實現(xiàn)人機交互功能。通過場地內(nèi)布設(shè)的視頻監(jiān)控球機，可以遠程直觀地了解蝦稻養(yǎng)殖場地實時現(xiàn)場狀況和養(yǎng)殖過程。

本系統(tǒng)業(yè)務功能包含三個部分：（1）蝦稻環(huán)境數(shù)據(jù)檢測采集部分；（2）農(nóng)業(yè)設(shè)備遠程自動化控制部分；（3）蝦稻視頻監(jiān)控部分。蝦稻綜合智慧養(yǎng)殖系統(tǒng)架構(gòu)如圖1所示。

圖1 蝦稻綜合智慧養(yǎng)殖系統(tǒng)架構(gòu)

2 系統(tǒng)硬件涉及的終端設(shè)備器件選型

2.1 主控單元模塊設(shè)計

本系統(tǒng)分別采用STM32F407VET6和GD32F103RCT6集成芯片作為數(shù)據(jù)處理和控制中心。GD32F103RCT6集成芯片是基于ARM Cortex-M3內(nèi)核的GD32系列32位通用MCU產(chǎn)品，主頻為108 MHz，具有出色的處理性能。片內(nèi)閃存（FLASH）為1 024 KB，RAM為96 KB，供電電壓范圍為2.6～3.6 V，內(nèi)核的供電電壓為1.2 V，I/O口可承受5 V電平，內(nèi)嵌實時時鐘（RTC）和2個看門狗（WDG），具有掉電復位（PDR）、上電復位（POR）及電壓監(jiān)測（LVD）功能。提供多達3個12位ADC、最多2個12位DAC、最多10個通用16位定時器、2個基本定時器和2個PWM高級定時器，以及標準和高級通信接口：最多3個SPI、2個 I2C、3個 USART、2個 UART、2個 I2S、1個 USBD、1個CAN和1個SDIO。幾種節(jié)能模式使喚醒延遲和功耗之間的最大優(yōu)化更加靈活，在低功耗應用中尤其重要。GD32F103RCT6能滿足系統(tǒng)的設(shè)計要求。芯片典型應用電路及供電模塊部分設(shè)計如圖2、圖3、圖4所示。

圖2 STM32F407典型應用電路

圖3 GD32F103典型應用電路

圖4 供電模塊設(shè)計

485通信電路采用SN65LBC184D芯片、RS 485總線和傳感器進行通信，不僅可發(fā)揮該總線協(xié)議傳輸距離遠、抗干擾能力強的優(yōu)勢，也可以根據(jù)實際需要增減傳感器數(shù)量，使系統(tǒng)的靈活性和可擴展性大大增強，可滿足多場景和個性化需求。設(shè)計如圖5所示。

圖5 485通信電路模塊設(shè)計

2.2 蝦稻水質(zhì)監(jiān)測終端接入的傳感器類型和主要參數(shù)

2.2.1 水溫傳感器集成開發(fā)

小龍蝦屬于水生變溫動物，體溫隨養(yǎng)殖水體環(huán)境溫度的變化而變化，它可以在江西省自然越冬，一般生存水溫為1～40 ℃，水溫低于15 ℃時生長較慢，水溫為25～30 ℃時生長較快。蝦稻養(yǎng)殖水溫的變化主要是隨氣溫的變化而變化[1]。在整個小龍蝦養(yǎng)殖周期內(nèi)，前期因為水草生長需要充足的陽光照射，養(yǎng)殖水體水位維持在25～50 cm；養(yǎng)殖中后期，夏季陽光照射強度加大，通過逐漸加深養(yǎng)殖水位到1 m左右，將養(yǎng)殖水溫保持在25～30 ℃的范圍內(nèi)，并可采用定量換水的方法，保障小龍蝦在合適的水溫下生長。

采用DS18B20水溫傳感器并集成在pH和溶解氧傳感器中。DS18B20測量溫度范圍寬，為-55～125 ℃；測量精度高，在-10～85 ℃范圍內(nèi)精度為±0.5 ℃。該傳感器具有經(jīng)濟性好、抗干擾能力強、使用方便等優(yōu)點，適合于惡劣環(huán)境的現(xiàn)場溫度測量。

2.2.2 氣壓、氣溫、大氣濕度傳感器集成開發(fā)

蝦稻養(yǎng)殖水溫和區(qū)域氣溫有很好的一致性，年、季、月、日變化規(guī)律也比較一致，氣溫的變化對水溫的變化有很強的指向性[2]。研究認為，持續(xù)高溫時，各種病毒、細菌等病原微生物迅速繁殖，小龍蝦養(yǎng)殖疾病暴發(fā)，容易造成小龍蝦大量死亡[3-5]。氣壓、大氣濕度也是蝦稻養(yǎng)殖環(huán)境監(jiān)測的關(guān)鍵參數(shù)。上述三組參數(shù)傳感器采用集成壁掛方式掛載在養(yǎng)殖環(huán)境監(jiān)測終端上，采用12～24 V DC直流供電，最大功率為0.4 W，輸出信號為RS 485，溫度范圍為-40～80 ℃，相對濕度范圍為0～100%，濕度分辨率為0.1，響應時間為≤15 s（風速為1 m/s）。

2.2.3 pH值傳感器集成開發(fā)

經(jīng)研究分析，水體pH值（即酸堿度）是水質(zhì)的重要指標[6-8]。在養(yǎng)殖水體中，pH值十分直觀地反映著水質(zhì)的變化，比如藻類的活力、二氧化碳的存在狀態(tài)等，都可以通過pH值的大小和日變化量來推斷是否在正常范圍內(nèi)。pH值也是影響蝦生長的重要指標，在養(yǎng)殖早期，特別是放苗的時候，pH值若太高，則放入塘的蝦苗就會蛻殼十分困難或蛻不了殼，鰓絲腫脹，造成小龍蝦采食差、爬邊上岸，影響蝦的正常生長。

本系統(tǒng)采用的探頭由pH玻璃電極和氯化銀參比電極復合組成，信號穩(wěn)定、精度高、測量范圍寬、線性度好、防水性能好、使用方便、便于安裝，可進行pH值的測量，具有溫度自動補償功能。供電電源為12～24 V-DC直流，耗電≤0.15 W（12 V-DC，25 ℃），測量精度為±0.5，pH值量程為0～14，測量分辨率為0.01，響應速度≤15 s。

2.2.4 養(yǎng)殖水體溶解氧傳感器集成開發(fā)

研究顯示，水體溶解氧是小龍蝦養(yǎng)殖的重要指標參數(shù)[9-12]，水體溶解氧低于2 mg/L時，小龍蝦產(chǎn)量下降明顯；當?shù)陀?.5 mg/L時，如果沒有攀爬物輔助其浮出水面呼吸，易造成其大量死亡。小龍蝦養(yǎng)殖水體中溶解氧的含量一般應高于3 mg/L。

本系統(tǒng)使用水質(zhì)熒光法溶解氧傳感器對養(yǎng)殖水體溶解氧進行監(jiān)測。該傳感器采用的是熒光淬滅原理進行測量，熒光法能夠克服傳統(tǒng)經(jīng)典測量方法不能在線連續(xù)測量的缺點，具有不消耗氧氣和探頭、不受磁場干擾、靈敏度高、檢出限低、壽命長、可持續(xù)在線監(jiān)測等優(yōu)點，獲得了廣泛的應用。水質(zhì)熒光法溶解氧傳感器可以廣泛應用于火電、化工化肥、冶金、環(huán)保、制藥、生化、食品等領(lǐng)域?qū)θ芤褐腥芙庋踹M行連續(xù)監(jiān)測。連續(xù)監(jiān)測數(shù)據(jù)通過RS 485接口進行數(shù)字化整定分析后轉(zhuǎn)換為標準的RS 485信號，通過ModBus-RTU協(xié)議連入蝦稻環(huán)境監(jiān)測終端，實現(xiàn)監(jiān)控與記錄。供電電源為9～24 V-DC直流，耗電≤0.15 W（12 V-DC，25 ℃），測量精度為±3.0%，量程為0～20 mg/L。

2.3 蝦稻物聯(lián)網(wǎng)控制終端設(shè)計開發(fā)

繼電器部分設(shè)計為4路繼電器，如圖6所示。

圖6 繼電器模塊設(shè)計

3 蝦稻綜合管理系統(tǒng)視頻監(jiān)控部分設(shè)計與實現(xiàn)

如圖7所示，通過布設(shè)有線和無線視頻監(jiān)控系統(tǒng)，在PC端和手機客戶端隨時隨地遠程查看蝦稻生產(chǎn)情況、各漁業(yè)設(shè)備的運行狀態(tài)、生產(chǎn)情況，管理人員可以遠程輕松監(jiān)控、管理作業(yè)生產(chǎn)，大大減輕工作負擔，同時為后期農(nóng)產(chǎn)品溯源提供視頻依據(jù)。

圖7 視頻監(jiān)控子系統(tǒng)架構(gòu)

4 系統(tǒng)軟件設(shè)計

4.1 系統(tǒng)軟件設(shè)計流程

基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的智慧蝦稻養(yǎng)殖系統(tǒng)軟件開發(fā)部分的程序流程如圖8所示。

圖8 軟件程序流程

4.2 系統(tǒng)采用的主要通信方式和程序設(shè)計函數(shù)

系統(tǒng)開機初始化后便會通過IoT模組連接服務器，然后通過狀態(tài)機循環(huán)讀取傳感器數(shù)據(jù)，到設(shè)定時間后打包數(shù)據(jù)拷貝到發(fā)送緩沖區(qū)，主循環(huán)檢測到發(fā)送緩沖區(qū)中有數(shù)據(jù)便會發(fā)送至服務器；服務器下發(fā)指令會被拷貝到接收緩沖區(qū)，如接收緩沖區(qū)有數(shù)據(jù)便被MCU解析并執(zhí)行相應指令，以下是本系統(tǒng)的主要設(shè)計函數(shù)：

（1）處理IoT發(fā)送緩沖區(qū)函數(shù)：void TxDataBuf_Deal（unsigned char *data，int size）；

（2）處理服務器下發(fā)數(shù)據(jù)函數(shù)：void MQTT_DealPushdata_Qs0（unsigned char *redata）；

（3）IoT模組連接服務器函數(shù)：unsigned char WiFi_Connect_IoTServer（void）；

（4）獲取傳感器狀態(tài)機數(shù)據(jù)函數(shù)：u8 get_sensor_info_process（const int64_t c_ms，sensor_info_t* p_psg）。

5 結(jié) 語

本文針對蝦稻綜合種養(yǎng)模式下克氏原鰲蝦（小龍蝦）生長階段特異化水質(zhì)調(diào)控需求，開發(fā)了一套物聯(lián)網(wǎng)環(huán)境監(jiān)測和設(shè)備控制終端及養(yǎng)殖水質(zhì)調(diào)控管理系統(tǒng)。后續(xù)將開展自動化調(diào)節(jié)養(yǎng)殖水體深度進而調(diào)節(jié)養(yǎng)殖水溫的試驗，主要是根據(jù)蝦稻養(yǎng)殖水體的實際水溫，加深養(yǎng)殖水體深度，調(diào)節(jié)水體溫度。通過將遠程自動化水泵納入管理云平臺，根據(jù)實時水溫參數(shù)實現(xiàn)水泵自動化開關(guān)，提升蝦稻管理的效率。另外，還考慮應用無人旋翼機潑灑顆粒增氧劑的方式，提升蝦稻養(yǎng)殖溶解氧調(diào)控能力。