基于多參數(shù)傳感器的克氏原螯蝦養(yǎng)殖水質監(jiān)測系統(tǒng)

陳小琳，劉乃森，尹思慧，黃鴻兵，劉慧，張文宇，曹靜*

（1.江蘇省農業(yè)科學院農業(yè)信息研究所，江蘇 南京 210014；2.淮陰師范學院，江蘇 淮安 223300；3.江蘇省淡水水產研究所，江蘇南京 210017；4.仲愷農業(yè)工程學院農業(yè)與生物學院，廣東 廣州 510225；5.淮安生物工程高等職業(yè)學校，江蘇 淮安 223232）

小龍蝦（Procambarus clarkii）是甲殼綱、十足目、螯蝦科水生動物。也稱克氏原螯蝦、紅螯蝦和淡水小龍蝦，為淡水經濟蝦類。具有肉質鮮美、雜食性、生長速度快、繁殖和適應能力強、養(yǎng)殖周期短、投入成本低等特點[1]，迅速成為我國重要的水產經濟動物。然而，因受外界環(huán)境[2]、高密度養(yǎng)殖等因素影響，養(yǎng)殖水質的變化直接影響了小龍蝦的生長和收獲時間，從而影響小龍蝦產量、品質和養(yǎng)殖戶的收益[3]。因此，需要準確、快速、實時地監(jiān)測養(yǎng)殖小龍蝦的水質，及時采取措施對水質進行調控。

傳統(tǒng)的水質監(jiān)測方法主要依賴于人工實地取樣、實驗室分析測試，費時費力，時效性差，影響水質調控效果，不能滿足目前健康養(yǎng)殖的需求。目前，隨著信息技術的不斷發(fā)展，水產養(yǎng)殖水質監(jiān)測已由人工監(jiān)測階段發(fā)展到了自動監(jiān)測階段。國內外專家學者針對水產養(yǎng)殖環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)進行了大量研究[4-8]。江先亮[9]等基于無人船，設計了一種水產養(yǎng)殖水質動態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)，改進了監(jiān)測覆蓋范圍小和監(jiān)測網絡部署不靈活的問題；Stavrakidis-Zachou 等[10]設計了一套用于模擬氣候狀況對水產養(yǎng)殖影響的決策系統(tǒng)，對養(yǎng)殖戶的生產提供了幫助；錢平等[11]設計了一種基于窄帶物聯(lián)網養(yǎng)殖遠程水質監(jiān)測系統(tǒng)，實現(xiàn)了遠程數(shù)據采集、水質監(jiān)測和管理功能。目前的水產養(yǎng)殖水質監(jiān)測系統(tǒng)各具特點，但或多或少存在布設傳感器種類繁多、需要定期人工清洗或更換電池、監(jiān)測位置不靈活、部署成本偏高、操作煩瑣、無法實現(xiàn)遠程實時一體化監(jiān)測等問題?，F(xiàn)設計了一種自帶清潔功能的水質監(jiān)測系統(tǒng)，監(jiān)測位置靈活、方便部署、操作簡便，利用太陽能供電，能遠程實時監(jiān)測溶解氧、pH 值、氧化還原電位（ORP）、電導率/鹽度、氨氮、濁度6 個參數(shù)，方便養(yǎng)殖戶對養(yǎng)殖水質實時、高效、準確把握，為水質調控和小龍蝦養(yǎng)殖生產管理提供技術支撐。

1 系統(tǒng)整體架構

基于多參數(shù)傳感器的克氏原螯蝦養(yǎng)殖水質監(jiān)測系統(tǒng)主要由感知層、傳輸層以及應用層組成。

感知層利用多種水質參數(shù)傳感器對養(yǎng)殖水體進行監(jiān)測，傳輸層將感知層采集到的水質數(shù)據，通過相應傳輸協(xié)議傳輸給應用層，應用層將感知層采集到的數(shù)據進行整合分析，呈現(xiàn)給養(yǎng)殖戶，便于養(yǎng)殖戶進行相關的操作。

監(jiān)測系統(tǒng)可以通過接收指令采集水質數(shù)據，也可定時采集數(shù)據。監(jiān)測系統(tǒng)使用NB-IOT 模塊與外界通信，用戶可通過網站或手機發(fā)送采集指令。當NB-IOT 模塊接收到外界信息后，控制模塊對信息進行解碼、校驗，確定為采集指令后，控制傳感器采集水質數(shù)據，將數(shù)據編碼后通過NB-IOT模塊發(fā)送給到服務器，服務器會將數(shù)據推送給養(yǎng)殖戶的手機APP。系統(tǒng)由太陽能供電。系統(tǒng)架構見圖1。

圖1 系統(tǒng)架構

2 硬件設計

2.1 硬件電路

水質數(shù)據采集模塊包括水溫傳感器、溶解氧傳感器、pH 值傳感器、氨氮傳感器、電導率傳感器、自動清洗器以及MSP430G2553 微控制器、RS232/RS485 轉換使用芯片MAX3160。MSP430G2553 微控制器與其他部件的通信使用RS232，因RS232 的通信距離較近，所以水質參數(shù)傳感器使用RS485 通信，系統(tǒng)中RS232 與RS485 通信由相關芯片負責轉換，系統(tǒng)使用太陽能板和儲能電池為采集供電。MSP430G2553 微控制器使用RS232 與通信模塊傳輸信息，通信模塊使用Modbus/RTU 通訊協(xié)議與外界通信。系統(tǒng)的硬件電路設計見圖2。

圖2 硬件電路

MSP430G2553 微控制器中寫有控制軟件，軟件的工作流程見圖3。軟件實現(xiàn)了2 種數(shù)據采集模式，分別為定時采集和指令采集，系統(tǒng)可同時工作在定時模式和指令模式，也可單獨工作于其中一種模式。當工作在定時采集模式時，軟件會啟動定時器，當定時時間到，控制設備自動清洗傳感器，隨后依次采集水溫、溶解氧、pH 值、氨氮和電導率等數(shù)據，采集完成后對數(shù)據編碼并向外發(fā)送，等待下一次定時時間到。當系統(tǒng)接收到信息后，對信息校驗、解碼，如果為采集指令，則控制傳感器采集水質數(shù)據，如果不是有效的采集指令，則無動作執(zhí)行。

圖3 硬件嵌入式程序的工作流程

2.2 機械結構設計

機械結構包括浮體、支架、太陽能板、儀表盒，主要機械結構見圖4。浮體的密度小，浮力大，為其他機械部件提供支撐。支架由多個部件組裝而成，部件間多以長條形的滑孔配合螺絲固定，該設計可兼容安裝不同尺寸的太陽能板、儀表盒。太陽能板安裝在支架的上表面，儲能電池以及控制電路安裝于儀表盒內，儀表盒的安裝位置在太陽能板的正下方，太陽能板可為儀表盒遮光，避免了陽光直射，使得儀表盒內的溫度略低于氣溫，同時該安裝位置也了方便了檢修維護。支架的立柱共有4 個，其中兩個立柱上設置有掛載傳感器的固定孔，這兩個立柱在浮體上處于對稱位置，保證了掛載傳感器后整個設備的重心在浮體中心的正下方，以維持設備在水面漂浮時的穩(wěn)定性。立柱上固定孔有3 個，位于不同的高度，可方便的調整傳感器在水中的深度。

圖4 主要機械結構設計

3 軟件設計

傳感器采集到的數(shù)據，由環(huán)境傳感數(shù)據可視化系統(tǒng)（ESDVS）V1.0（以下簡稱為可視化系統(tǒng)）進行存儲?？梢暬到y(tǒng)要求計算機處理器主頻1 GHz 以上，內存需4 G 以上，硬盤可用空間2 G 以上；需要有Microsoft Windows 7/8/8.1/10，Microsoft Server 2008/2008 R2/2012/2012 R2/2016/2019 等操作系統(tǒng)，裝有NET Framework 4.8。

可視化系統(tǒng)主服務通過監(jiān)聽90 端口，實時獲取環(huán)境傳感器通過TCP 協(xié)議發(fā)回的數(shù)據流。服務程序會以純文本格式，按精確到10-7s 的時間戳為文件名，存儲在Temp 文件夾下。服務會將日志存儲于ServiceLog.txt 文件內。備份服務與主原理相同，但僅在監(jiān)測到離線的情況下接收數(shù)據并存儲。

3.1 瀏覽概覽

輸入設置的網址，概覽頁即顯示在瀏覽器中，見圖5。用戶可在概覽頁中查看目前環(huán)境感知傳感器個數(shù)、布設的試驗點數(shù)目、目前服務器狀況、本日、本月和總數(shù)據量。在傳感器列表中，可瀏覽傳感器所在試驗點、接入日期和目前狀態(tài)。點擊傳感器編號或試驗點名稱，即可導航到對應傳感器或試驗點。

圖5 概覽頁面

3.2 瀏覽試驗點

在概覽頁點擊試驗點名稱或任意頁面，點擊左側導航欄中試驗點節(jié)點，即可展開所有試驗點，點擊任意試驗點可查看試驗點名稱、經緯度、建立時間、試驗點布設的所有傳感器編號、接入日期和當前狀態(tài)。點擊傳感器編號可導航到傳感器頁面（圖6）。

圖6 試驗點頁面

3.3 瀏覽傳感器

在概覽頁點擊傳感器編號或任意頁面，點擊左側導航欄中傳感器節(jié)點，即可展開所有傳感器，點擊任意傳感器可查看傳感器所在試驗點、安裝時間、目前狀態(tài)和24 h 內空氣溫濕度、土壤溫度和含水量、照度和二氧化碳、大氣壓等環(huán)境數(shù)據圖。點擊傳感器編號可導航到傳感器頁面（圖7）。

圖7 傳感器頁面

3.4 手機界面

為了能隨時隨地查看相關信息，同時開發(fā)了手機端，可以直觀地查看所測量的數(shù)據，并簡單地做出判斷。手機端界面見圖8。

圖8 環(huán)境感知數(shù)據可視化系統(tǒng)手機端

4 系統(tǒng)應用

該系統(tǒng)于2022 年9 月—5 日，在江蘇省淡水水產研究所浦口以及揚中基地，進行了示范與應用。結果表明，能夠滿足實際使用需求。

5 討論

基于多參數(shù)傳感器的克氏原螯蝦養(yǎng)殖水質監(jiān)測系統(tǒng)，在養(yǎng)殖基地進行了示范應用，結果表明，遠程實時監(jiān)測的數(shù)據變化趨勢與實際變化趨勢一致，能滿足對養(yǎng)殖水質實時、高質量和準確的把握，為水質調控和克氏原螯蝦養(yǎng)殖生產管理提供了技術支撐。

該系統(tǒng)利用浮漂裝置，在上面搭載太陽能，有效解決了監(jiān)測位置不靈活、部署成本偏高、需要更換電池等問題。同時多參數(shù)水質傳感器上還配備了自動清洗裝置，可以設定自動清洗間隔時間和自動清洗圈數(shù)，以適應不同清潔程度的水體。自動清洗裝置可以有效清潔傳感器表面，防止微生物附著，減少了維護成本。除此之外，前端的傳感器保護罩用來保護內部傳感器避免損壞，保護罩四周開有槽孔，可以有效預防大的懸浮顆粒和生物對傳感器探頭的破壞，同時不會影響測量的準確性。

本系統(tǒng)只能對水質進行遠程實時監(jiān)測并做出簡單的判斷，還未做到對監(jiān)測數(shù)據進行分析處理后，發(fā)送指令給相對應的養(yǎng)殖設備，實現(xiàn)智能控制，需要在今后的研究中進行拓展和完善。