基于物联网技术的鱼类养殖环境监控系统

蔡骞+纪然然+彭晶晶+吕进龙

摘 要：设计一个基于物联网技术的鱼类养殖环境监控系统，该系统实现了对水温、溶解氧、pH值等参数的采集、处理和预警，同时实现了视频监控、增氧机自动控制以及鱼类的投食功能。该系统适用于目前大多数情况的水产养殖和水环境监测，并增加了水环境中重金属含量监测的特色功能。

关键词：监控系统；鱼类养殖；物联网；ZigBee

中图分类号：TP393 文献标识码：A 文章编号：2095-1302（2015）03-00-04

0 引 言

长期以来，我国水产养殖环保意识淡薄、养殖密度过高等问题，导致养殖病害呈逐年加重之势，以至于水域环境遭到不同程度的破坏，水产品质量安全得不到有效保障，解决水产养殖环境状况已经成为水产养殖业持续健康发展的重要课题。

影响水产养殖环境的关键参数是水温、溶氧、氨氮、重金属、pH值等。目前国内的水产养殖业其水质监测基本上仍处于人工取样、化学分析的人工监测阶段，其耗时费力、精确度不高，并且需要有专业人员进行操作。该鱼类养殖系统结构清晰，配置简单，功能易扩展等，实现了对水温、溶解氧、pH值以及重金属含量等多参数的采集、处理和预警。同时，还可以自动控制增氧机、投食机等设备，实现自动喂食和增氧。

1 总体设计

本系统主要由感知系统、网络层传输系统、应用层系统（包括手动采集导入系统、数据处理展示系统和控制系统等）三大部分组成。感知层解决的是人类世界和物理世界的数据获取问题。它首先通过传感器、摄像机等设备，采集外部物理世界的数据，然后通过RFID、条形码、蓝牙、红外等短距离传输技术传递数据。感知层所需要的关键技术包括检测技术、短距离无线通信技术等。本系统的感知系统主要是指感知层设备所组成的硬件系统，包括了传感器、摄像机、控制设备等，负责获取各类数据、视频，并传输给后台处理；同时根据预警情况，对设备进行控制。

网络层传输系统主要包括ZigBee和无线通信、以太网两大部分。ZigBee技术是一种近距离、低复杂度、低功耗、低速率、低成本的双向无线通讯技术，主要用于距离短、功耗低且传输速率不高的各种电子设备之间进行数据传输以及典型的有周期性数据、间歇性数据和低反应时间数据之间的传输应用。本系统中ZigBee通信主要用于传感器和采集模块之间的数据通信，解决了传统环境监测方案中遇到的布线困难、成本高等问题。无线通信、以太网部分主要用于采集控制设备和后台管理中心之间数据交互、视频传输等功能。如果现场适合布线，可以采取以太网通信方式，但大多数都是采用无线通信的方式，使用3G或者4G的技术，具有无需布线，方便快捷等优点。

应用层系统包括手动采集导入系统、数据处理展示系统和控制系统三部分。手动采集导入系统是用于手持设备对水样进行重金属检测后，把测试结果导入系统，系统根据导入的数据进行分析处理，然后进行预警等；数据处理展示系统是对数据中心处理后的数据、视频等进行汇总，把相关的图表、报表等展现给用户；控制系统是根据预警信息或提示，可以自动或者人工对增氧机、投食机等设备进行控制，实现自动喂食和增加氧气。系统结构图如图1所示：

图1 系统结构图

1.1 硬件设计

本系统所用主要硬件设备包括水温传感器、pH传感器、溶解氧传感器、重金属检测设备、视频采集设备、网关设备、控制设备、视频服务器等。

水温传感器从结构上讲与传统的传感器没有什么变化，但它的作用是向发动机控制单元提供一个温度变化的模拟量信号。它的供电电压是由控制单元提供的5 V电源，返回控制单元的信号为1.3～3.8 V的线性变化信号。

pH传感器是用来检测被测物中氢离子浓度并将其转换成相应的可用输出信号的一种传感设备，通常由化学部分和信号传输部分构成。pH传感器常用于进行对溶液、水等物质的工业测量。

溶解氧传感器是一种用于测量氧气在水中的溶解量的传感设备，用于水中含氧量的测量，通过调节，以便维持最佳的生态和生长环境。

重金属，实际上主要是指汞、镉、铅、铬、砷等金属或类金属，也指具有一定毒性的一般重金属，如铜、锌、镍、钴、锡等。在天然水体中一般重金属产生毒性的范围大约在1～10mg/L之间，而汞，镉等产生毒性的范围在0.01～0.001mg/L之间。重金属检测方面，日本和欧盟国家有的采用电感耦合等离子质谱法（ICP-MS）分析，但仪器成本高。也有的采用X荧光光谱（XRF）分析，优点是无损检测，可直接分析成品，但检测精度和重复性不如光谱法。目前最新流行的检测方法是阳极溶出法，检测速度快，数值准确，可用于现场等环境应急检测。

而视频方面，根据不同的监视对象和要求，摄像机应做不同的配置，对大范围的室外空间监视，并要求看清整体目标的场景，配置球形云台防护罩，带动摄像机做上下左右扫描，摄像机配置22倍镜头以短焦距（广角）作整体监视，以长焦距（拉近）分辨具体细节（全遥控方式）；对小范围空间或单个目标监视，可用固定摄像机配置定焦镜头监视。

在主要硬件设备中，水温传感器、pH传感器、溶解氧传感器、重金属检测设备等，主要负责环境数据的采集，并把采集的数据通过ZigBee协议传送给网关设备或者导入系统数据中心；网关设备通过以太网或者无线网络方式，负责把数据传送给数据中心服务器；而视频采集设备、视频服务器，负责采集存储视频和图像；控制设备主要功能是接收软件平台系统的指令，对增氧机、投食机等设备进行控制（如进行启动、停止等操作），并把设备的运行状态返回给软件平台系统。

该系统硬件部分主要部署图如图2所示：

图2 硬件部署图

1.2 软件设计

该系统软件主要功能包括水温、水深、pH值、含氧量等数据的采集、处理、保存；重金属含量测试数据的导入；视频信息实时显示以及历史查询；对自动控制增氧机、投食机等设备进行控制指令的下发以及设备状态的查询；以及在采集到的鱼池参数超出标准时可进行报警等功能。

根据系统软件的主要功能，本软件系统模块划分主要包括：数据采集与处理模块，负责传感信息和视频信息的采集、处理与保存；数据导入模块，主要是把离线设备检测的重金属数据导入本系统中，供用户查询使用；设备控制模块，主要是根据用户指令或者自动控制的参数设置，下发控制设备信息，并返回设备控制以后的状态；数据查询模块，主要是供用户查询实时的数据和历史数据，并把查询的结果比如数据曲线或者报表，展示给用户；自动报警模块，对采集的数据信息超过警戒后，自动给用户提示的功能，以方便用户及时地进行处理。系统流程图如图3所示：

图3 系统流程图

本系统启动开始，软件平台系统自动根据设置，进行采集数据，然后进行数据处理。当数据达到报警设置的条件，对用户进行报警，如果数据正常，则进行数据保存，如果产生报警，再根据系统设备检查是否需要下发设备控制指令，该指令也可以由操作人员进行手动点击下发，再把操作结果返回给用户。系统对导入和采集的数据，进行处理后，保存到存储服务器，供用户进行提取和查询。

系统根据设置，自动进行采集数据。其中，采集数据的主要代码如下：

int RevData（char * strbuff）

{

int retVal；

WSADATA wsaData；

DWORD dwIP = 0；

//域名解析

HOSTENT* pHS = gethostbyname（strdomain）；

if（ pHS ！= NULL）

{

in_addr addr；

CopyMemory（&addr.S_un.S_addr， pHS->h_addr_list[0]， pHS->h_length）；

dwIP = addr.S_un.S_addr；

}

else

{

return 0；

}

SOCKET sckTongJi = socket（AF_INET， SOCK_STREAM， 0）；

//定义地址结构体 并初始化

SOCKADDR_IN addrSvr；

addrSvr.sin_family = AF_INET；

addrSvr.sin_addr.S_un.S_addr = dwIP；

addrSvr.sin_port = htons（80）； //使用网络字序

retVal = connect（sckTongJi， （SOCKADDR*）&addrSvr， sizeof（SOCKADDR_IN））；

if （retVal）

{

//AfxMessageBox（"connect error！"）；

WSACleanup（）；

return 0；

}

memset（strbuff， 0， sizeof（strbuff））；

recv（sckTongJi， strbuff， 4096， 0）；

closesocket（sckTongJi）；

WSACleanup（）；

}

用户进行查询数据后，软件系统根据查询得到的数据绘制出数据曲线图。其中，绘制溶解氧曲线的主要代码如下：

void CDrawCoorView：：OnDraw（CDC* pDC）

{

CDrawCoorDoc* pDoc = GetDocument（）；

ASSERT_VALID（pDoc）；

const int num=6；

float initX[num]={1，2，3，4，5，6}；

float initY[num]={0，2，4，6，8，10}；

//分别取得X和Y最大值，最小值

float maxX=initX[0]；

float minX=initX[0]；

float maxY=initY[0]；

float minY=initY[0]；

for（int i=0；i

{

if（initX>maxX）

maxX=initX；

if（initX

minX=initX；

if（initY>maxY）

maxY=initY；

if（initY

minY=initY；

}

//确定图象显示大小

int width=500；

int height=300；

const int mytop=20；

const int mybottom=40；

const int myleft=50；

const int myright=40；

//确定X，Y轴每单位显示宽度

float intervalX=（width-myleft-myright）/（maxX-minX）；

float intervalY=（height-mybottom-mytop）/（maxY-minY）；

//绘制曲线

pDC->MoveTo（int（myleft+（initX[0]-minX）*intervalX），

int（height-（mybottom+（initY[0]-minY）*intervalY）））；

for（i=0；i

{

pDC->LineTo（int（myleft+（initX-minX）*intervalX），

int（height-（mybottom+（initY-minY）*intervalY）））；

}

}

2 系统调试

2.1 传感器的调试

传感器上电后，通过ZigBee协议自动与网关设备进行组网，然后可以通过软件采集传感器的数据。如果采集上来的数据不准确，通常是由下面三个方面问题引起的：传感器输出电流不对（常用传感器输出为电流型）、传感器量程配置不对、数据计算错误。传感器输出电流不对是传感器设备问题，可以更换新的传感器；传感器量程配置不对可以通过配置说明书进行纠正；而数据计算错误是软件方面的Bug引起的，需调试并修改软件。

2.2 视频图像的调试

在视频的调试过程中，常常发现有视频画面抖动或者不清晰的问题。视频画面抖动，通常是由视频信号线问题或者电磁干扰引起的，更换新的视频信号线或者查找周围干扰源并消除干扰，抖动现象就会消失。而视频不清晰，如果经过调节焦距等操作，仍然达不到预期的效果，则说明是摄像机的选择不适合。摄像机种类很多，不同的环境需要采用不同的摄像机，以达到预期的效果。比如：室外定点监视目前最常用的是红外一体化摄像机，有特殊要求可选择阵列红外摄像机，双CCD阵列摄像机等；而室外动点监视常用的是智能球机，可以分高速球、中速球、低速球，根据需要来选择，也可以选择普通摄像机；室内一般也可以选用红外一体化摄像机，但用的更多的是半球吸顶式摄像机，可以选择是否带红外，镜头大小等。还有，局部光线强的环境，选择背光或抑光补偿能力强的摄像机或直接选用宽动态摄像机。

2.3 软件系统的调试

如果硬件调试完毕，通过软件显示的数据或者曲线不准确，则是由软件系统引起的，通过排查并修复软件系统的Bug，可以展示正确的结果。本软件系统经过调试后，可以正确的显示水温、溶解氧、pH值等数据曲线，其中溶解氧传感器的数据曲线如图4所示：

图4 溶解氧数据曲线

3 结 语

本系统已经成功应用在多个水产养殖实验基地，大大提高了工作效率和人工成本，获得了用户的好评。本系统和传统的水产监控系统相比，具有下列一些特色和创新：

针对水中含有重金属常常离线检测，本系统开发了重金属数据导入系统，使整个水域的环境参数更加真实和完整。

本系统可以根据报警信息设置，自动对溶解氧等设备进行控制，也可以通过人工的方式去控制增氧机、投食机等设备。

本系统可以通过调节视频设备，通过视频直接观察水域的情况和被控制设备的状态，大大提高了操作的安全性。

本系统可以对水产类特别是鱼类养殖环境中水的温度、水位，氧含量等情况进行7*24小时的连续监测。由于系统可实现远程监控，即使没有人员在监测现场，也可以全面了解水域的环境情况，在水产养殖应用中具有很强的实际意义。另外，本系统不仅包含电脑客户端软件，也含有移动终端操作使用的APP，大大提高了系统使用的便捷性。同时，系统设计时，兼顾了稳定性、可靠性、可扩展性等特点。

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