基于NB-IoT的智慧水產(chǎn)養(yǎng)殖系統(tǒng)設(shè)計(jì)

摘 要：目前，我國(guó)傳統(tǒng)水產(chǎn)養(yǎng)殖面臨著自然資源占用率高、環(huán)境污染嚴(yán)重、技術(shù)落后及養(yǎng)殖面積減少等問(wèn)題。為實(shí)現(xiàn)智慧化水產(chǎn)養(yǎng)殖，基于窄帶物聯(lián)網(wǎng)（Narrow Band Internet of Things，NB-IoT）設(shè)計(jì)一款智慧水產(chǎn)養(yǎng)殖系統(tǒng)。該系統(tǒng)采用STM32F103ZET6單片機(jī)為核心處理器，搭配外圍電路及相應(yīng)傳感器實(shí)現(xiàn)復(fù)雜環(huán)境下的數(shù)據(jù)采集、處理功能，并對(duì)比閾值實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制，采集的數(shù)據(jù)通過(guò)NB-IoT無(wú)線通信技術(shù)實(shí)時(shí)發(fā)送至云平臺(tái)，用戶可通過(guò)可視化界面直觀了解實(shí)時(shí)狀況并實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制。

關(guān)鍵詞：水產(chǎn)養(yǎng)殖；NB-IoT；數(shù)據(jù)采集；遠(yuǎn)程控制

中圖分類號(hào)：TP302.1 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：1674-7909-（2023）11-149-4

0 引言

現(xiàn)如今，我國(guó)普遍采用的水產(chǎn)養(yǎng)殖模式需要大量的自然資源和勞動(dòng)力投入［1］。同時(shí)，水產(chǎn)養(yǎng)殖過(guò)程中易出現(xiàn)水質(zhì)惡化問(wèn)題，使水產(chǎn)品的產(chǎn)量與品質(zhì)無(wú)法得到保障［2］。水產(chǎn)養(yǎng)殖戶若無(wú)法及時(shí)掌握養(yǎng)殖水體環(huán)境數(shù)據(jù)，則易影響水產(chǎn)養(yǎng)殖效益?；谡瓗锫?lián)網(wǎng)（Narrow Band Internet of Things，NB-IoT）的智慧水產(chǎn)養(yǎng)殖系統(tǒng)可著重解決以上問(wèn)題，降低養(yǎng)殖成本，實(shí)現(xiàn)高產(chǎn)高質(zhì)養(yǎng)殖。

該系統(tǒng)以低功耗32位單片機(jī)STM32F103ZET6為控制核心，以NB-IoT無(wú)線通信技術(shù)為傳輸方式，將多傳感器組網(wǎng)結(jié)合，可實(shí)現(xiàn)復(fù)雜環(huán)境下多種環(huán)境數(shù)據(jù)采集，能將采集到的溫度、水位、pH值、溶氧量等數(shù)據(jù)通過(guò)可視化大屏直觀顯示，并運(yùn)用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)發(fā)送至系統(tǒng)云端。水產(chǎn)養(yǎng)殖戶可以通過(guò)Web端設(shè)備和移動(dòng)端設(shè)備對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)并對(duì)設(shè)備加以控制，實(shí)現(xiàn)智慧水產(chǎn)養(yǎng)殖系統(tǒng)閾值自動(dòng)比較控制與人機(jī)交互遠(yuǎn)程控制。

1 系統(tǒng)整體方案

隨著水產(chǎn)養(yǎng)殖業(yè)的不斷發(fā)展，水產(chǎn)養(yǎng)殖密度也越來(lái)越高，智能化養(yǎng)殖已經(jīng)是大勢(shì)所趨［3］。該系統(tǒng)采用32位單片機(jī)STM32F103ZET6進(jìn)行信號(hào)處理，通過(guò)溶解氧傳感器、pH值傳感器、水位傳感器和溫度傳感器等多個(gè)傳感器進(jìn)行多維度數(shù)據(jù)采集；當(dāng)傳感器采集的數(shù)據(jù)不在系統(tǒng)設(shè)定的閾值范圍時(shí)，系統(tǒng)自動(dòng)進(jìn)行換水和增氧等操作，使之恢復(fù)正常水平［4］。同時(shí)，該系統(tǒng)通過(guò)NB-IoT模塊將數(shù)據(jù)上傳服務(wù)器，養(yǎng)殖人員可利用云平臺(tái)和客戶端查看水產(chǎn)養(yǎng)殖環(huán)境相關(guān)數(shù)據(jù)，并進(jìn)行指令下發(fā)，可減少人工成本。

該系統(tǒng)總體分為硬件執(zhí)行控制端和軟件顯示控制端兩部分。硬件執(zhí)行控制端以STM32F103ZET6單片機(jī)為核心處理器，搭配外圍傳感器電路實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的采集、處理功能，定時(shí)將串口數(shù)據(jù)發(fā)送至NB-IoT接收端，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)“上云”。軟件顯示控制端由平臺(tái)可視化搭建和智能設(shè)備遠(yuǎn)程控制兩部分構(gòu)成。平臺(tái)可視化搭建實(shí)現(xiàn)復(fù)雜數(shù)據(jù)展示，如水溫、pH值、溶解氧，水位等［5］。智能設(shè)備遠(yuǎn)程控制利用物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)配置微信小程序，工作人員通過(guò)云端下發(fā)指令，對(duì)水泵、投食器等設(shè)備進(jìn)行遠(yuǎn)程控制。該系統(tǒng)具體架構(gòu)如圖1所示。

2 硬件執(zhí)行控制端設(shè)計(jì)

基于NB-IoT的智慧水產(chǎn)養(yǎng)殖系統(tǒng)硬件部分包含主控核心模塊及各類環(huán)境檢測(cè)傳感器，搭配外圍電路，對(duì)水產(chǎn)養(yǎng)殖環(huán)境相關(guān)指標(biāo)的實(shí)時(shí)信息進(jìn)行采集，芯片對(duì)傳回的數(shù)據(jù)信息進(jìn)行ADC轉(zhuǎn)化、量化分析，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的及時(shí)、準(zhǔn)確采集。利用STM32F103ZET6的串口（RX、RD）將采集到的數(shù)據(jù)傳輸至NB-IoT模塊，設(shè)置相應(yīng)的指令對(duì)數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)“上云”操作，根據(jù)閾值設(shè)定實(shí)現(xiàn)增氧機(jī)、水泵、酸（堿）液泵等的自動(dòng)控制。硬件模塊運(yùn)行流程圖如圖2所示。

2.1 主控核心模塊設(shè)計(jì)

主控核心模塊選用STM32F103ZET6為主控芯片，其具有強(qiáng)大的計(jì)算性能，主頻達(dá)到了72 MHz，含有豐富的指令集和高效的指令執(zhí)行速度；具有豐富的外設(shè)接口，支持多種外設(shè)接口；具有大容量存儲(chǔ)空間，512 kB閃存和64 kB SRAM存儲(chǔ)器可以滿足大量數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和處理的需求；具有低功耗設(shè)計(jì)，采用多種省電技術(shù)，如多級(jí)時(shí)鐘系統(tǒng)、低功耗待機(jī)模式等，可以有效降低功耗，延長(zhǎng)電池壽命；具有多種保護(hù)機(jī)制，如堆棧保護(hù)、Flash存儲(chǔ)器保護(hù)等［6］。該芯片滿足智慧水產(chǎn)養(yǎng)殖系統(tǒng)的控制和監(jiān)控等功能需求，能夠保證水產(chǎn)養(yǎng)殖系統(tǒng)穩(wěn)定、可靠。

2.2 數(shù)據(jù)傳輸模塊設(shè)計(jì)

數(shù)據(jù)傳輸模塊是智慧水產(chǎn)養(yǎng)殖系統(tǒng)中至關(guān)重要的一部分，負(fù)責(zé)將傳感器采集到的環(huán)境數(shù)據(jù)通過(guò)網(wǎng)絡(luò)上傳至云平臺(tái)進(jìn)行處理和分析［7］。該系統(tǒng)采用BC28模塊連接NB-IoT網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸。BC28模塊是一種高性能、低功耗的NB-IoT模塊，具有更好的兼容性和穩(wěn)定性，該系統(tǒng)適用于多種不同的應(yīng)用場(chǎng)景，具有較高的可擴(kuò)展性。配置時(shí)所應(yīng)用的AT指令及其功能如表1所示。

2.3 溶解氧測(cè)量模塊設(shè)計(jì)

溶解氧是維持水生生物生命活動(dòng)必不可少的要素［8］。如果水中溶解氧含量過(guò)低，會(huì)導(dǎo)致水生生物缺氧、生長(zhǎng)緩慢、免疫力下降、死亡率增加；如果水中溶解氧含量過(guò)高，魚塘易富營(yíng)養(yǎng)化，也會(huì)對(duì)水生生物造成傷害。

該系統(tǒng)選用膜式溶解氧傳感器，其采用特殊的膜層來(lái)隔離水與氧氣，通過(guò)檢測(cè)氧氣的擴(kuò)散速度計(jì)算得出水中溶解氧的含量。該傳感器利用數(shù)字485通信輸出功能，能夠提供與水中氧的濃度成比例的毫伏輸出或4～20 mA電流輸出。

2.4 水位測(cè)量模塊設(shè)計(jì)

在水產(chǎn)養(yǎng)殖中，監(jiān)測(cè)水位對(duì)于水體管理至關(guān)重要。水位的變化會(huì)影響水體的氧氣含量、水溫、水流動(dòng)速度等參數(shù)，進(jìn)而影響魚類的存活和生長(zhǎng)。

該系統(tǒng)采用壓力式水位傳感器監(jiān)測(cè)水位。該傳感器由測(cè)量元件和信號(hào)轉(zhuǎn)換器構(gòu)成。測(cè)量元件通常是一個(gè)液體密封容器，容器內(nèi)部裝有一個(gè)壓力傳感器和一個(gè)開(kāi)口，開(kāi)口通過(guò)導(dǎo)管與被測(cè)液體相連。當(dāng)液位高度變化時(shí)，被測(cè)液體的壓力也會(huì)隨之改變，壓力傳感器便可以測(cè)量出這些壓力變化。

2.5 酸堿度測(cè)量模塊設(shè)計(jì)

在水產(chǎn)養(yǎng)殖中，水的酸堿度（pH值）是一個(gè)至關(guān)重要的參數(shù)。過(guò)高的pH值會(huì)導(dǎo)致水生動(dòng)物的鰓部和皮膚受到腐蝕和損傷，過(guò)低的pH值則會(huì)影響水生動(dòng)物的代謝和生長(zhǎng)發(fā)育。

該系統(tǒng)采用可充式pH傳感器監(jiān)測(cè)水的pH值。該傳感器通過(guò)浸泡在液體中的pH電極測(cè)量水體中的氫離子濃度，進(jìn)而計(jì)算出水的pH值。pH值傳感器使用前需要進(jìn)行校準(zhǔn)，依次將電極放入3種標(biāo)準(zhǔn)溶液中，記錄對(duì)應(yīng)的輸出電壓值（見(jiàn)圖3），此研究計(jì)算得到的標(biāo)準(zhǔn)曲線表達(dá)式為Y=-5.946 7x+22.255。用所得曲線表達(dá)式計(jì)算，即可得到水體的pH值。

2.6 溫度測(cè)量模塊設(shè)計(jì)

在水產(chǎn)養(yǎng)殖中，不同種類的水生生物對(duì)水溫的要求不同，水溫的變化也會(huì)影響水生生物的生長(zhǎng)和健康［9］。水溫過(guò)低會(huì)減緩水生動(dòng)物的新陳代謝和生長(zhǎng)速度，而水溫過(guò)高則會(huì)影響其呼吸和消化系統(tǒng)的正常功能。

該系統(tǒng)采用DS18B20非浸入式溫度傳感器監(jiān)測(cè)水溫。該傳感器通過(guò)空氣或水面感知水的溫度變化，測(cè)量出水溫。相比傳統(tǒng)的浸入式溫度傳感器，該傳感器安裝更簡(jiǎn)便，能夠避免傳感器被水污染［10］。

3 軟件顯示控制端設(shè)計(jì)

基于NB-IoT的智慧水產(chǎn)養(yǎng)殖系統(tǒng)的上位機(jī)以云服務(wù)器為中心，主要功能是接收下位機(jī)的上發(fā)數(shù)據(jù)并搭建Web平臺(tái)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行展示，對(duì)水產(chǎn)養(yǎng)殖系統(tǒng)進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)控與控制。水產(chǎn)養(yǎng)殖系統(tǒng)管理人員可以在該平臺(tái)上對(duì)水產(chǎn)養(yǎng)殖系統(tǒng)的實(shí)時(shí)及歷史數(shù)據(jù)進(jìn)行查看。

3.1 上位機(jī)可視化平臺(tái)設(shè)計(jì)搭建

利用Spring和Vue技術(shù)搭建系統(tǒng)平臺(tái)，通過(guò)網(wǎng)頁(yè)進(jìn)行數(shù)據(jù)可視化顯示，搭配物聯(lián)網(wǎng)云平臺(tái)引入天氣預(yù)報(bào)API、水產(chǎn)養(yǎng)殖知識(shí)拓展等功能，開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)實(shí)時(shí)顯示數(shù)據(jù)圖表、報(bào)警日志數(shù)據(jù)表格和監(jiān)測(cè)管理的可視化界面。用戶管理、信息管理頁(yè)面便于水產(chǎn)養(yǎng)殖管理人員查閱記錄數(shù)據(jù)。網(wǎng)頁(yè)顯示數(shù)據(jù)圖以動(dòng)態(tài)曲線的方式顯示實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，并與科學(xué)養(yǎng)殖理論數(shù)據(jù)對(duì)比，以便養(yǎng)殖人員對(duì)養(yǎng)殖環(huán)境進(jìn)行監(jiān)測(cè)與調(diào)控。

平臺(tái)的可視化數(shù)據(jù)分析模塊利用Python及其配套的數(shù)據(jù)分析工具完成數(shù)據(jù)分析，充分利用Python在常見(jiàn)的非計(jì)算密集的任務(wù)中節(jié)約開(kāi)發(fā)時(shí)間的優(yōu)勢(shì)，減少項(xiàng)目開(kāi)發(fā)時(shí)間。利用成熟的Hadoop工具和Zookeeper開(kāi)發(fā)框架，通過(guò)Hive搭建數(shù)據(jù)倉(cāng)庫(kù)，利用Kafka搭建消息處理流，實(shí)現(xiàn)總體化分析和預(yù)測(cè)，結(jié)合pH值、水溫及溶解氧含量等數(shù)據(jù)對(duì)養(yǎng)殖環(huán)境進(jìn)行綜合評(píng)估，輔助養(yǎng)殖人員優(yōu)化養(yǎng)殖環(huán)境。

3.2 遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)與控制

微信小程序?qū)儆谳p量級(jí)應(yīng)用程序。利用微信小程序開(kāi)發(fā)助手對(duì)小程序進(jìn)行開(kāi)發(fā)、配置，寫入相應(yīng)的控制程序并提供相應(yīng)的控制接口，可高效地完成對(duì)智慧水產(chǎn)養(yǎng)殖系統(tǒng)的控制和管理。同時(shí)，通過(guò)調(diào)用物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)接口，將水產(chǎn)養(yǎng)殖數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)信息展示在智能設(shè)備和網(wǎng)頁(yè)端上，養(yǎng)殖人員可以通過(guò)手機(jī)、電腦等設(shè)備遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)和管理養(yǎng)殖過(guò)程，實(shí)現(xiàn)養(yǎng)殖過(guò)程的可視化和可控化。在硬件控制端，利用舵機(jī)、步進(jìn)電機(jī)、繼電器等電機(jī)裝置帶動(dòng)水泵、閘門、投食器等設(shè)備工作，從而有效地解放生產(chǎn)力，提高水產(chǎn)養(yǎng)殖的效率與質(zhì)量。遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)與控制模塊示意圖如圖4所示。

4 系統(tǒng)應(yīng)用情況與可推廣性

經(jīng)測(cè)試，該系統(tǒng)在多種復(fù)雜環(huán)境條件下具有穩(wěn)定性強(qiáng)、智能化、高效性等特點(diǎn)。該系統(tǒng)采集數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性和實(shí)時(shí)性有較高的保障，系統(tǒng)的自動(dòng)控制功能也能有效地控制養(yǎng)殖環(huán)境的各項(xiàng)指標(biāo)，提高了養(yǎng)殖效率。用戶可以利用該系統(tǒng)遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)和控制養(yǎng)殖環(huán)境，有效地提高了生產(chǎn)效率和產(chǎn)品質(zhì)量，降低了人工成本和環(huán)境污染。該系統(tǒng)可以廣泛應(yīng)用于水產(chǎn)養(yǎng)殖行業(yè)，特別適用于養(yǎng)殖密度較高的場(chǎng)景，如養(yǎng)殖池、養(yǎng)殖塘等。

該系統(tǒng)采用通用的STM32F103ZET6單片機(jī)和NB-IoT無(wú)線通信技術(shù)，具有很強(qiáng)的可擴(kuò)展性和可定制性。同時(shí)，該系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)和軟件設(shè)計(jì)為模塊化結(jié)構(gòu)，方便用戶根據(jù)實(shí)際需求進(jìn)行改進(jìn)。此外，該系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集和處理功能適用于多種不同的水產(chǎn)養(yǎng)殖環(huán)境和場(chǎng)景，具有很強(qiáng)的通用性和適應(yīng)性。因此，該系統(tǒng)具有很大的推廣潛力。

5 結(jié)語(yǔ)

針對(duì)我國(guó)傳統(tǒng)水產(chǎn)養(yǎng)殖面臨的問(wèn)題，筆者開(kāi)發(fā)出了一種基于NB-IoT的智慧水產(chǎn)養(yǎng)殖系統(tǒng)。該系統(tǒng)主控單元采用STM32F103ZET6微控制器，控制外圍電路和傳感器數(shù)據(jù)的采集、發(fā)送，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化控制；采用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，將處理后的信息通過(guò)NB-IoT無(wú)線通信技術(shù)發(fā)送至物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)；通過(guò)可視化界面，讓用戶了解到魚塘實(shí)時(shí)信息、對(duì)魚塘進(jìn)行遠(yuǎn)程管理，從而實(shí)現(xiàn)高質(zhì)量的現(xiàn)代化水產(chǎn)養(yǎng)殖。該系統(tǒng)將物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、智能檢測(cè)和智能控制有機(jī)結(jié)合，可為水產(chǎn)養(yǎng)殖行業(yè)的智能化、規(guī)范化、科學(xué)化發(fā)展提供有力的技術(shù)支持。

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作者簡(jiǎn)介：張昱恒（2002—），男，本科生，研究方向：物聯(lián)網(wǎng)硬件開(kāi)發(fā)。

通信作者：黃德昌（1983—），男，碩士，高級(jí)實(shí)驗(yàn)師，研究方向：物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)。