基于Modbus RTU的深海網(wǎng)箱養(yǎng)殖遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)

文｜付曉月 黃大志 楊菲菲 王晴 陳慕瑞

為解決傳統(tǒng)網(wǎng)箱養(yǎng)殖自動(dòng)化程度低，養(yǎng)殖現(xiàn)場(chǎng)需人工長期駐守的問題，設(shè)計(jì)了一種基于Modbus RTU的深海網(wǎng)箱養(yǎng)殖遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)。該系統(tǒng)的水質(zhì)傳感器可以采集深海網(wǎng)箱內(nèi)海水的pH、溶解氧、電導(dǎo)率和溫度值等水質(zhì)參數(shù)，監(jiān)控?cái)z像頭用來獲取水面環(huán)境信息，并基于Modbus RTU通信將深海網(wǎng)箱養(yǎng)殖現(xiàn)場(chǎng)采集的水質(zhì)參數(shù)和圖像信息實(shí)時(shí)傳輸?shù)竭h(yuǎn)程監(jiān)控界面，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程電腦端或手機(jī)端的實(shí)時(shí)監(jiān)控。測(cè)試結(jié)果顯示，該遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)功耗較低且運(yùn)行穩(wěn)定，此外，該系統(tǒng)可以遠(yuǎn)程接收控制指令從而實(shí)現(xiàn)深海網(wǎng)箱養(yǎng)殖的設(shè)備供氧。

一、引言

深海網(wǎng)箱養(yǎng)殖作為一種新型的漁業(yè)養(yǎng)殖方式，在漁業(yè)生產(chǎn)中發(fā)揮的作用越來越顯著。深海網(wǎng)箱一般布放在離岸數(shù)千米，水深15～40m的海域，遠(yuǎn)離沿岸使得深水網(wǎng)箱養(yǎng)殖具有水體交換好、養(yǎng)殖容量大、集約化程度高等優(yōu)勢(shì)，但同時(shí)也帶來了一系列新的挑戰(zhàn)：惡劣的天氣條件和多變的海洋環(huán)境威脅到水產(chǎn)養(yǎng)殖系統(tǒng)的安全及運(yùn)行。依靠人工現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行安全監(jiān)測(cè)，成本高、難度大，因此根據(jù)深海網(wǎng)箱所處環(huán)境條件的特殊性，構(gòu)建配套的網(wǎng)箱養(yǎng)殖遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)顯得至關(guān)重要。

本研究提出了一種基于Modbus RTU的深海網(wǎng)箱養(yǎng)殖遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)，將深海網(wǎng)箱養(yǎng)殖現(xiàn)場(chǎng)采集的pH、溶解氧、電導(dǎo)率和溫度值等水質(zhì)參數(shù)和監(jiān)控?cái)z像機(jī)拍攝的圖像信息實(shí)時(shí)傳輸至遠(yuǎn)程監(jiān)控界面，方便用戶實(shí)時(shí)地查看水質(zhì)數(shù)據(jù)。

二、系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

深海網(wǎng)箱養(yǎng)殖遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)主要由網(wǎng)箱監(jiān)控設(shè)備、服務(wù)器和客戶端三部分組成，其總體設(shè)計(jì)方案如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)圖

網(wǎng)箱監(jiān)控設(shè)備放置于養(yǎng)殖網(wǎng)箱上，該設(shè)備負(fù)責(zé)完成網(wǎng)箱養(yǎng)殖區(qū)域水質(zhì)數(shù)據(jù)的監(jiān)測(cè)、數(shù)據(jù)信息的無線傳輸和監(jiān)控?cái)z像機(jī)的電源控制等工作，在獲取到水質(zhì)數(shù)據(jù)后，每隔固定時(shí)間通過Modbus RTU將數(shù)據(jù)上傳至服務(wù)器；監(jiān)控?cái)z像機(jī)負(fù)責(zé)采集養(yǎng)殖區(qū)域周圍的實(shí)時(shí)畫面，將視頻信息上傳至服務(wù)器；監(jiān)控平臺(tái)則負(fù)責(zé)接收養(yǎng)殖現(xiàn)場(chǎng)的監(jiān)控信息，通過登錄手機(jī)端或電腦端查看養(yǎng)殖區(qū)域的水質(zhì)數(shù)據(jù)、網(wǎng)箱位置和實(shí)時(shí)監(jiān)控畫面等，便于用戶隨時(shí)隨地查看當(dāng)前養(yǎng)殖區(qū)域的監(jiān)控信息。

三、系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)硬件組成如圖2所示，主要包括RTU處理模塊、視頻監(jiān)控模塊、電源模塊和水質(zhì)采集模塊。RTU處理模塊負(fù)責(zé)完成對(duì)各模塊的控制、信息處理和無線通信等任務(wù)；水質(zhì)采集模塊采集養(yǎng)殖現(xiàn)場(chǎng)的pH、溶解氧、電導(dǎo)率和溫度值等水質(zhì)參數(shù)；電源模塊的目的是實(shí)現(xiàn)整個(gè)監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)備供電，采用太陽能電池板輸出的12V直流電供電。

圖2 終端硬件組成框圖

四、系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)軟件由Modbus RTU通信協(xié)議、系統(tǒng)界面設(shè)計(jì)、手機(jī)端或電腦端三部分組成。硬件終端主要完成數(shù)據(jù)的采集和轉(zhuǎn)發(fā)工作，用戶先將采集的數(shù)據(jù)信息寫入服務(wù)器，接著將數(shù)據(jù)信息轉(zhuǎn)發(fā)到監(jiān)控終端，實(shí)現(xiàn)監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)的實(shí)時(shí)傳輸。

（一） Modbus RTU通信協(xié)議

該系統(tǒng)采用Modbus RTU通信協(xié)議，通過將現(xiàn)場(chǎng)采集的水質(zhì)參數(shù)和圖像信息傳輸?shù)椒?wù)器，同時(shí)該系統(tǒng)可以遠(yuǎn)程接收控制指令從而實(shí)現(xiàn)深海網(wǎng)箱養(yǎng)殖的設(shè)備供氧。默認(rèn)通訊數(shù)據(jù)格式為：波特率9600bps、8個(gè)數(shù)據(jù)位、1個(gè)起始位、1個(gè)停止位、無校驗(yàn)（9600、n、8、1）。

（二）系統(tǒng)界面設(shè)計(jì)

設(shè)置名字為海洋牧場(chǎng)，選擇協(xié)議為Modbus RTU，添加增氧機(jī)和水質(zhì)傳感器等設(shè)備。將增氧機(jī)設(shè)置為開關(guān)型，連接DO口，其他設(shè)置為數(shù)值型。根據(jù)分辨率設(shè)置小數(shù)，如溫度傳感器為一位小數(shù)，pH值和溶解氧為兩位小數(shù)，如圖3所示。

圖3 增氧機(jī)和傳感器配置

寄存器配置：輸入地址，溫度傳感器01、溫度傳感器02、pH傳感器03、電導(dǎo)率傳感器04和溶解氧傳感器06；網(wǎng)絡(luò)控制器讀取數(shù)據(jù)，選擇功能碼03；寄存器地址為0x0000，偏置是寄存器地址轉(zhuǎn)成十進(jìn)制加1，測(cè)量周期是每分鐘測(cè)1次，為了后面能夠超長待機(jī)可選擇10min一次或者15min一次，如圖4所示。

圖4 寄存器配置

（三）電腦端/手機(jī)端界面設(shè)計(jì)

深海網(wǎng)箱養(yǎng)殖遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)通過設(shè)置各傳感器、增氧機(jī)和寄存器來監(jiān)測(cè)固定水域的pH值、電導(dǎo)率、溶解氧、水溫，通過監(jiān)控?cái)z像頭在室內(nèi)觀測(cè)魚類的狀態(tài)，然后人工通過電腦控制供養(yǎng)，觀測(cè)數(shù)據(jù)，如圖5所示。

圖5 電腦端顯示各水質(zhì)傳感器

手機(jī)端通過登錄小程序，進(jìn)入頁面底端“數(shù)據(jù)”界面，此頁面顯示用戶的設(shè)備監(jiān)測(cè)情況，點(diǎn)擊PH、電導(dǎo)率、溶解氧、溫度選項(xiàng)，會(huì)出現(xiàn)各水質(zhì)參數(shù)的實(shí)時(shí)變化曲線以及各采集時(shí)間點(diǎn)采集到的數(shù)據(jù)，如圖6所示。

圖6 手機(jī)端顯示各水質(zhì)傳感器

五、系統(tǒng)測(cè)試

為了驗(yàn)證監(jiān)控系統(tǒng)運(yùn)行的可靠性，試驗(yàn)借助海洋工程技術(shù)研究中心的海洋工程水池造波機(jī)，長75m、寬25m、深0.5m，多次對(duì)深海網(wǎng)箱養(yǎng)殖現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行監(jiān)測(cè)，獲取水質(zhì)環(huán)境的溫度、pH、溶解氧、電導(dǎo)率等水質(zhì)參數(shù)，并將數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)反饋給養(yǎng)殖人員，本系統(tǒng)也可以自動(dòng)生成各類參數(shù)的報(bào)表，方便工作人員計(jì)算和觀測(cè)。試驗(yàn)結(jié)果顯示，攝像頭水下和水上均能夠正常運(yùn)行，沒有任何問題，清晰度也可以。水質(zhì)傳感器工作正常，監(jiān)測(cè)系統(tǒng)工作正常，信號(hào)傳輸穩(wěn)定，采集數(shù)據(jù)可信。pH傳感器變化差最大為0.05pH、電導(dǎo)率為10μS/cm、溶解氧為0.46mg/L，溫度為0.6℃，這些誤差都在其溫補(bǔ)變化范圍內(nèi)，穩(wěn)定程度良好。

六、結(jié)論

本文設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了一種基于Modbus RTU的深海網(wǎng)箱養(yǎng)殖遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)，硬件部分主要包括電源模塊、RTU處理模塊、水質(zhì)數(shù)據(jù)采集模塊和視頻監(jiān)控模塊，軟件部分基于Modbus協(xié)議的RTU實(shí)現(xiàn)電腦端或者手機(jī)端對(duì)養(yǎng)殖現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)時(shí)監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)的查看。并經(jīng)實(shí)驗(yàn)測(cè)試，該系統(tǒng)能夠長期穩(wěn)定運(yùn)行、系統(tǒng)功耗低、操作簡便、可靠性高，能夠?qū)崿F(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控養(yǎng)殖現(xiàn)場(chǎng)，大幅提升了養(yǎng)殖過程的自動(dòng)化、智能化程度，有較好的應(yīng)用價(jià)值。