基于物聯(lián)網(wǎng)的智能水產(chǎn)養(yǎng)殖監(jiān)測系統(tǒng)的研究

摘要：隨著全球水資源環(huán)境的惡化和水資源短缺，水質(zhì)問題日益突出，對人們的日常生活和社會發(fā)展產(chǎn)生嚴(yán)重影響。因此，對水資源進(jìn)行監(jiān)測和控制是有利于人類健康與社會發(fā)展。目前，關(guān)于水質(zhì)監(jiān)測的研究已取得許多成果，窄帶物聯(lián)網(wǎng)（NarrowBandInternetofThings，NB-IoT）作為一種新興技術(shù)，被廣泛應(yīng)用于水質(zhì)監(jiān)測領(lǐng)域。在過去的生產(chǎn)生活養(yǎng)殖方式中，養(yǎng)殖人員主要是依靠人為經(jīng)驗(yàn)和天氣情況進(jìn)行養(yǎng)殖，不確定因素帶來的損失巨大。現(xiàn)如今養(yǎng)殖方式講求智能化，來保障批量生產(chǎn)水產(chǎn)品的質(zhì)量與速度有所提升。當(dāng)下可以將無線技術(shù)，人工智能，機(jī)械設(shè)備等技術(shù)應(yīng)用于智慧水產(chǎn)養(yǎng)殖方面，來體現(xiàn)簡單化、高效化。

關(guān)鍵詞：物聯(lián)網(wǎng)水產(chǎn)養(yǎng)殖A/D轉(zhuǎn)換NB-IoT傳輸

中圖分類號：S951.2;TP274

ResearchonIntelligentAquacultureMonitoring

SystembasedonInternetofThings

KOUFuMAZhanjunWANGShuo

DalianOceanUniversity，Dalian，LiaoningProvince，116023China

Abstract：Withthedeteriorationofglobalwaterresourcesandthescarcityofwaterresources，waterqualityissueshavebecomeincreasinglyprominent，seriouslyaffectingpeople'sdailylivesandsocialdevelopment.Therefore，monitoringandcontrollingwaterresourcesisbeneficialforhumanhealthandsocialdevelopment.Atpresent，researchonwaterqualitymonitoringhasachievedmanyresults，andNarrowbandInternetofThings（NBIoT），asanemergingtechnology，iswidelyusedinthefieldofwaterqualitymonitoring.Inthepastproduction，life，andbreedingmethods，breedersmainlyreliedonhumanexperienceandweatherconditionsforbreeding，andthelossescausedbyuncertainfactorswereenormous.Nowadays，aquaculturemethodsemphasizeintelligencetoensurethequalityandspeedofmassproductionofaquaticproductshavebeenimproved.Currently，wirelesstechnology，artificialintelligence，mechanicalequipmentandothertechnologiescanbeappliedtosmartaquaculturetodemonstratesimplicityandefficiency.

Keywords：InternetofThings，Aquaculture，A/DConversion，NBIoTTransmission

1999年，美國麻省理工學(xué)院的凱文·阿什頓首次提出了物聯(lián)網(wǎng)這一概念。經(jīng)過二十多年的發(fā)展，如今物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)已經(jīng)具備了實(shí)際應(yīng)用的可能性[1]。物聯(lián)網(wǎng)是指利用射頻識別技術(shù)、電子代碼等技術(shù)，在互聯(lián)網(wǎng)基礎(chǔ)上構(gòu)建一個能夠?qū)崿F(xiàn)全球物品信息實(shí)時共享的實(shí)物互聯(lián)網(wǎng)[2]。在當(dāng)前的研究過程中，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)根據(jù)有效傳輸距離的不同，劃分出了短距離無線、中距離無線、長距離無線以及有線技術(shù)。通過模擬仿真實(shí)驗(yàn)，考慮到使用環(huán)境和這些通信技術(shù)的特點(diǎn)，本文將采用窄帶物聯(lián)網(wǎng)（NarrowBandInternetofThings，NB-IoT）傳輸技術(shù)，該技術(shù)具有簡單高效地將器件連接到移動網(wǎng)絡(luò)，處理少量數(shù)據(jù)。其優(yōu)勢包括超低功耗、廣覆蓋、易部署、安全性和低成本。

2以NB-IOT為例的硬件設(shè)計

在調(diào)研過程中，選擇用意法半導(dǎo)體（STMicroelectronics）公司推出的STM32F103C8T6作為主控制器。該處理器具有64KFLASH，20K的SＲAM;工作溫度在－40～85℃之間，工作頻率為72MHz，供電電壓為3～3.6V。NB-IoT通信模塊包括天線、SIM存儲卡、串口及供電等，圖1為系統(tǒng)設(shè)計框圖。NB-IoT主芯片選用目前使用較廣泛的BC95-B5，采用無引腳封裝，其最小系統(tǒng)包括復(fù)位電路、晶振電路、電容濾波電路及數(shù)模轉(zhuǎn)換等外圍電路，能夠滿足環(huán)境數(shù)據(jù)的處理需求。SIM存儲卡選用可以直接焊接在M2M模組上貼片式物聯(lián)網(wǎng)卡，實(shí)現(xiàn)可靠物理連接與通信接口，天線選用ipex轉(zhuǎn)sma多頻全向高增益方便裝天線。

2.1數(shù)據(jù)采集模塊

在水下部分最主要的是采集數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)采集采用多參傳感器，這些采集的數(shù)據(jù)將收集的中央控制處理器，通過處理和計算，然后在終端顯示并且同時保存下來；另一種是采集水下情況實(shí)時錄像，將數(shù)據(jù)保存在云端以便于后續(xù)能夠?qū)⒁曨l在終端隨時播放。

2.2終端顯示

Web終端功能強(qiáng)大，可以實(shí)現(xiàn)各種復(fù)雜的應(yīng)用，而且，Web終端可以適應(yīng)不同的操作系統(tǒng)和設(shè)備，無須額外安裝軟件，使用起來更加便捷。移動終端則具有更高的靈活性和便攜性，及時發(fā)現(xiàn)問題并進(jìn)行調(diào)整。綜合來看，將Web終端和移動終端結(jié)合在一起，可以實(shí)現(xiàn)功能的互補(bǔ)，提高用戶的體驗(yàn)，滿足現(xiàn)代養(yǎng)殖業(yè)對智能化、信息化、自動化管理的需求。

3系統(tǒng)硬件總體結(jié)構(gòu)

本次設(shè)計的系統(tǒng)硬件要包含多個功能，如氧含量、pH值、溫度變化等。所以設(shè)計到電路中要設(shè)計到多個方面，包括但不限于傳感器數(shù)據(jù)采集電路、NB-IoT通信電路、SD卡接口電路、MCU及其外圍電路等。而硬件電路中的具體電路不是簡單的堆砌，要通過嵌入式處理器進(jìn)行整合達(dá)到完整統(tǒng)一。

下位機(jī)的控制核心可以選擇STM32L475VET6處理器。這個處理器可以將數(shù)據(jù)由中央控制系統(tǒng)控制下行系統(tǒng)或者由NB-IoT模塊傳輸至中央控制系統(tǒng)。并且在收集到信息的同時及時對數(shù)據(jù)進(jìn)行簡單處理，從而保證對數(shù)據(jù)進(jìn)行篩選，減少了工作量。外圍電路選擇SWD調(diào)試電路、看門狗電路、單片機(jī)系統(tǒng)電路等。而具體的電路負(fù)荷功能也不相同，如GPS電路保證機(jī)器設(shè)備的定位情況，SD卡電路保證存儲本地監(jiān)測數(shù)據(jù)內(nèi)容，供電電路將降壓電源電壓按需分配給各個芯片和必要外部設(shè)備，如圖2所示。

3.1采集溫度模塊

在實(shí)驗(yàn)過程中發(fā)現(xiàn)DS18B20數(shù)字溫度傳感器有著多種優(yōu)點(diǎn)，比如傳統(tǒng)條件下設(shè)計簡單，體積小，價格便宜，很適合進(jìn)行多次實(shí)驗(yàn)等。最主要是精度高和抗干擾能力強(qiáng)。DS18B20溫度傳感器可以把數(shù)據(jù)經(jīng)過中央控制器，進(jìn)行記錄和分析，在數(shù)據(jù)分析的同時也會將結(jié)果告知控制方，從而可以派遣工作人員將溫度進(jìn)行調(diào)節(jié)，維持溫度穩(wěn)定。

3.2采集水位模塊

在實(shí)驗(yàn)過程中發(fā)現(xiàn)HC-SR04超聲波傳感器和JXB-3001-YL系列雨量傳感器有助于水位高度和降雨量進(jìn)行測量。HC-SR04超聲波傳感器測距原理：利用發(fā)射器與接收器計算發(fā)射到接收超聲波的時間t，然后根據(jù)公式S=340t/2計算出與障礙物間的距離S[3]，選擇超聲波的一大原因是接收發(fā)射信號快，可以隨時根據(jù)極端天氣水位變化進(jìn)行測量，尤其在水位暴漲情況下，使得在緊急情況下迅速掌握情況提出策略降低損失。JXB3001-YL系列ABS雨量傳感器最大的特點(diǎn)是可以將數(shù)據(jù)存儲并且長期保存，而且面對復(fù)雜環(huán)境也不會失效，續(xù)航能力強(qiáng)。

3.3采集渾濁度模塊

在實(shí)驗(yàn)中已知WAX-ZD渾濁度傳感器由紅外對管組成，一般進(jìn)行測試水體渾濁度的方式是通過光的照射，光穿過水，相應(yīng)感光接收器接收光源，接收到光越多則水質(zhì)越好，渾濁度越小。同時，接收器會將接收到光的多少轉(zhuǎn)換成對應(yīng)的電壓和電流，將這些信息以電信號的形式進(jìn)行傳遞與記錄，光線越暗則電信號越小。渾濁度等級劃分見表2所列。當(dāng)將傳感器放在工作水域中進(jìn)行工作之時，若發(fā)現(xiàn)水質(zhì)渾濁，就會通過電信號通知中央檢測系統(tǒng)，將水質(zhì)具體情況與相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行上報與保存，這樣用戶就可以通過通知工作人員對水質(zhì)進(jìn)行手動換水保持水質(zhì)干凈。

3.4采集含氧量模塊

本系統(tǒng)水體含氧量檢測采用水質(zhì)熒光法溶解氧傳感器（JXSZ1001-DOY），量程范圍為0～20mg/L，分辨率達(dá)0.02mg/L，已被廣泛用于火電、化工、食品和自來水等含氧量的檢測[4]。使用這個傳感器最大的特點(diǎn)是可以連續(xù)長時間進(jìn)行測量，而且比傳統(tǒng)測量方法更加準(zhǔn)確，當(dāng)用熒光法測量結(jié)束水中的含氧量之后，就會將相應(yīng)的電信號及時傳輸?shù)街醒肟刂破?，并且在?shù)據(jù)上傳過程中一方面將數(shù)據(jù)記錄保存，另一方面會將新的數(shù)據(jù)源源不斷進(jìn)行檢測分析，這樣數(shù)據(jù)就能保持時效性，來讓工作人員分析水域的氧氣變化情況以及對應(yīng)措施，一旦控制器得到的水體含氧量數(shù)據(jù)較低，便能指揮工作人員打開水泵人為制造氧氣。

3.5采集PH值模塊

在實(shí)驗(yàn)過程中，本文選用pH復(fù)合電極測量pH值。pH復(fù)合電極可以分為測量電極和參比電極，整個復(fù)合電極包括絕緣帽、玻璃桿、Ag-AgCL電極、甘汞電極、HCl溶液、KCl溶液、多孔物質(zhì)、玻璃膜。其中測量電極材料為玻璃，參比電極材料為甘汞[5]。

玻璃電極主要由玻璃膜、玻璃桿、Ag-AgCL電極、HCl和KCl溶液構(gòu)成，而甘汞電極則由甘汞金屬構(gòu)成，以此組成的pH復(fù)合電極與被測溶液構(gòu)成原電池，通過電化學(xué)可以測得兩者電極間的電動勢，根據(jù)能特斯方程可以得到電動勢與被測溶液pH值之間的數(shù)學(xué)關(guān)系，能特斯方程如下：

由能斯特方程推導(dǎo)出pH值的計算公式：

能夠通過上述計算公式看出，溫度是影響測量pH值的一個重要關(guān)鍵因素，但是溫度與電壓呈現(xiàn)非線性關(guān)系，因此可以將溫度設(shè)置為合適的確定值，如18℃，或者將溫度設(shè)定為準(zhǔn)備養(yǎng)殖水產(chǎn)品適應(yīng)溫度，這樣測出來的pH值才更為準(zhǔn)確。在選擇具體公司的pH電極，可以將穩(wěn)定性、精準(zhǔn)度、傳輸數(shù)據(jù)速度、使用壽命長、價格便宜等作為選擇標(biāo)準(zhǔn)[6]。

在實(shí)驗(yàn)過程中，調(diào)查數(shù)據(jù)可以發(fā)現(xiàn)，pH值與電信號，尤其是電壓存在線性關(guān)系，可以將pH值通過電信號計算得出。

式（4）中，電壓的大小在0～3V；式（5）中，電壓的大小在0～5V。

在采集數(shù)據(jù)過程中，傳感器并不是直接顯示出pH值，而是通過轉(zhuǎn)換公式進(jìn)行換算得到，一旦發(fā)現(xiàn)pH值不符合所需要的pH值范圍，就會將相關(guān)情況上報，從而及時讓工作人員通過手動改變水質(zhì)pH值的方式，如添加必需藥品，將pH值控制在具體范圍內(nèi)。

當(dāng)前根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析，可以將已得的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行修復(fù)，而修復(fù)的辦法有多種，我們選擇性地將以下幾種方式進(jìn)行分析。

（1）線性插值法：實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)時間間隔較短，而且有部分內(nèi)容缺少，就可以依據(jù)此方法，將實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行短期修改，將誤差性降低。

（2）均值平滑法：可采用如下均值平滑法進(jìn)行水平處理。

當(dāng)數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)有較大異常時，可以通過前后正常數(shù)據(jù)來進(jìn)行比較，這要求變化范圍不能超過±10%，若不在，則認(rèn)為該數(shù)據(jù)存在問題不能使用。此時就可以根據(jù)本次方法來減小誤差。

上式中和分別為相鄰數(shù)據(jù)誤差的閾值。天氣情況在水質(zhì)監(jiān)測過程中起到特殊的作用。實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，天氣情況相似的時候很大概率水質(zhì)情況也會類似，實(shí)驗(yàn)得到數(shù)據(jù)也會十分接近。將這一信息進(jìn)行推廣，如果在某一天的前幾天的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)與這一天實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的誤差在±1%之外，就可以認(rèn)為部分?jǐn)?shù)據(jù)存在實(shí)驗(yàn)問題，進(jìn)而選擇處理。

4總結(jié)與應(yīng)用前景

智慧養(yǎng)殖是水產(chǎn)養(yǎng)殖行業(yè)的發(fā)展趨勢。在過去的“十三五”期間，我國已經(jīng)在水產(chǎn)養(yǎng)殖方面取得了一些成果，如水體監(jiān)控、餌料自動投喂等技術(shù)的集成應(yīng)用。然而，與發(fā)達(dá)國家相比，我國在水產(chǎn)養(yǎng)殖的精準(zhǔn)化、科學(xué)化管理以及高效養(yǎng)殖基地管理等方面還有待提高。

利用物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、人工智能等新興技術(shù)，可以有效解決這些問題。物聯(lián)網(wǎng)水產(chǎn)養(yǎng)殖智能控制系統(tǒng)可以通過智能傳感、通信、水質(zhì)環(huán)境參數(shù)收集、智能聯(lián)網(wǎng)、遠(yuǎn)程自控等技術(shù)手段，實(shí)現(xiàn)對水產(chǎn)養(yǎng)殖的系統(tǒng)化、集約化、高產(chǎn)高效化、安全發(fā)展等進(jìn)行升級改進(jìn)。

此外，發(fā)展物聯(lián)網(wǎng)下的智能水產(chǎn)養(yǎng)殖監(jiān)測系統(tǒng)對于推動我國水產(chǎn)養(yǎng)殖業(yè)的現(xiàn)代化具有重要意義。這不僅有助于提高養(yǎng)殖產(chǎn)量和品質(zhì)，降低養(yǎng)殖成本，還可以減少對環(huán)境的污染，促進(jìn)可持續(xù)發(fā)展。

因此，我國應(yīng)該加大對物聯(lián)網(wǎng)智能水產(chǎn)養(yǎng)殖技術(shù)的研究和推廣力度，助力水產(chǎn)養(yǎng)殖業(yè)的轉(zhuǎn)型升級。同時，政府、企業(yè)和科研機(jī)構(gòu)應(yīng)加強(qiáng)合作，共同推動我國水產(chǎn)養(yǎng)殖業(yè)的繁榮發(fā)展。

我們有理由相信，將物聯(lián)網(wǎng)智能水產(chǎn)養(yǎng)殖檢測系統(tǒng)應(yīng)用于水產(chǎn)養(yǎng)殖行業(yè)，可以讓養(yǎng)殖技術(shù)與養(yǎng)殖方式有質(zhì)的飛躍與發(fā)展。

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