基于物联网技术的规模化水产养殖智能监控系统设计

张志杰

摘 要

中国水产养殖业发展迅速、总量巨大，传统的水产监控手段已不适用于现今的状况，而基于物联网技术的智能监控能较好地适应新世纪的需求，它协调了低成本、高效率两种需求，提供详尽且精确的数据，真正地将科学融入了生产之中。

【关键词】水产养殖 智能监控 物联网

中国的水产养殖历史源远流长，可以追溯到三千年前，而如今中国的水产养殖业没有辜负这段历史，在世界上拥有举足轻重的产量比（占全球总产量的百分之七十五）。改革开放后水产养殖逐步地替代了传统的捕捞，从八十年代起两者的产量持平，到二十一世纪初水产养殖的产量占水产品总产量的百分之七十。故而陈旧的养殖手段已然无法适应当今水产养殖业的快速发展，伴随物联网技术的抬头，新世纪的变革已悄然而至。

1 物联网技术的优势

陈旧的养殖手段存在着诸多问题，比如效率低、收益率低、破坏环境等等。但以上种种弱点皆是由缺乏科学性导致，以经验为指导的旧养殖手段已经不适应当代的生产需求，而传统的人力监控手段更是落后。但是物联网技术的出现使得智能监控水溶氧含量、酸碱性等等环境数据成为了可能。

物联网技术以ZigBee技术为核心，它基于IEEE802.15.4协议，简单、方便、能耗小、续航能力高、价格亲民。这将现代机械自动化与传统的水产养殖结合在了一起，将节能、环保与高效率无缝结合在一起，最终实现了水产养殖业的智能化。

2 关键技术

2.1 传感器技术

人类通过感觉来感知外界，除了视听嗅味触五感以外，还有冷热感、方向感等等，人类也只能通过这样来获得外界的信息，所以基于传感器的监控技术也仅仅是人类感觉的延长，倘若游离到感觉之外，那就称不上所谓的监控技术了。一般用到的传感器大致有光敏、声敏、气敏、味敏、压敏、热敏、湿敏等几种传感器。在本次设计中用到的主要有溶解氧传感器、PH值传感器、盐度传感器、浊度传感器、氦氮传感器等几种。传感器的原理很简单，假如要监控水的酸碱度，那么用到的是PH值传感器，水中PH值的高低将影响到传感器的电阻值（因为传感器中有对PH值变化敏感的半导体），换句话说不同的PH值对应不同的电阻值，再将电阻值转变成肉眼可见的数值显示在屏幕上，这就达到了监控PH值的效果。

2.2 ZigBee技术

假如说本次设计的监控系统是一只章鱼，那么传感器就是章鱼的触手，而ZigBee网络则是章鱼的神经。ZigBee其实对很多人来说并不陌生，小米的智能家居便是使用ZigBee协议，其最大的特征是短距离、低速率、低功耗，非常适合续航能力要求高的智能水产养殖。而另一个ZigBee的巨大优势则是安全性极高，至今尚未发现一起破解的先例。虽然在各方面Z-Wave可以替代ZigBee，但Z-Wave所使用的频段在国内是非民用频段。

3 系统设计架构

3.1 底层设计

底层是传感器节点，密集分散在养殖区之中，包括溶解氧传感器、PH值传感器、盐度传感器、浊度传感器、氦氮传感器等多种传感器，它们会自动搜索并参与到ZigBee的自组网中，同时也会把本节点的网络IP一并发过去。

本传感器的处理器采用CC2530处理器，除了处理器外，还包括电池、CCDBUGER调试接口、串口、功放模块，并接有溶解氧、PH值、盐度、浊度、氦氮等传感单元，如果希望传感器可以接受命令，还可以接上增氧泵、水泵等控制器。

3.2 中层设计

中层是ZigBee的无线自组网，需要有能对传感器发起信息的响应能力。当传感器收集到数据后，将自动上传到无线自组网中，无线自主网就像神经一样，将数据上传到“大脑”，也就是上位机之中。而上位机想要对各节点下达命令的话，也是会将命令流入无线自组网中再通过自组网传递给传感器节点的。当数据抵达无线自组网时，自组网本身还要对数据进行粗处理，以满足上位机或传感器的需求。

无线自组网由协调器节点产生，协调器节点同样使用CC2530处理器，并包括了晶振、DB9串口、LED等各类外设模块以满足全方位的需求。值得注意的是为确保通信范围足够的大，协调器的RF前端正是TI公司的CC2591，并集成了包括功率放大器在内的一系列放大器。这使得仅需少量的电流便可以有效扩大网络覆盖范围。

3.3 顶层设计

上层则包括了上位机、数据库、远程监控终端等等。数据上传到上位机中时，上位机会将数据保存到数据库中，并将处理过的数据呈现在远程监控终端的屏幕上。这里可以将上位机与数据库等合并称为监控中心，其能力除了保存数据、显示数据外还有调和数据、发布数据、命令等等。

4 结论

一方水土养一方人，水产品关系到人民的幸福，水产养殖本身就是一种需要和大自然紧密联系起来的行业，以破坏环境为代价进行水产养殖本就是一件杀鸡取卵的差劲交易，物联网技术可以将人类科技同大自然联系起来，已达到一种和谐的境界。传统的人工养殖对水质变化反应迟钝，迟钝到等到无法挽回的时候才反应过来，这份迟钝不知浪费了多少人力与自然资源，倘若想要做出敏捷的反应那就需要巨大的人力资源，直接提升了成本。智能水产养殖同时解决了两种需求，它以物联网技术为核心，实时检测水质状况，提供详尽且精确的数据，还允许远程控制，真正地将科学融入了生产。不仅如此，同样的系统亦可以无缝链接到农业、畜牧业之中，具背了强大的潜在价值。

参考文献

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[4]颜波，石平.基于物联网的水产养殖智能化监控系统[J].农业机械学报，2014，45（1）：259-265.DOI：10.6041/j.issn.1000-1298.2014.01.040.

作者单位

北海职业学院电子信息工程系 广西壮族自治区北海市 536000