基于物联网的智能水产养殖管理系统的设计

2017-08-16吴祖猎余童杰陈厚正陈柳江

制造业自动化 2017年6期

关键词：浮箱增氧机水产

吴祖猎，余童杰，陈厚正，陈柳江

（电子科技大学中山学院电子信息学院，中山 528402）

基于物联网的智能水产养殖管理系统的设计

吴祖猎，余童杰，陈厚正，陈柳江

（电子科技大学中山学院电子信息学院，中山 528402）

目前水产养殖业较多依赖人工经验，不仅风险大，而且物资和人力资源浪费比较严重，致使水产养殖经济效益不高。充分利用物联网的技术优势，并针对水产养殖业的特点对设备和养殖过程进行智能管理，与现有传统养殖模式相比，能够有效降低风险与能源消耗，提高水产品的品质和生产效率，并可减少因使用药物对环境造成的不良影响。

物联网；水产养殖；远程控制；无线组网

0 引言

我国是水产养殖大国，水产养殖产量占全世界的三分之二左右[1]。但多年来，我国水产养殖业主要沿用粗放经营的传统方式[1]。近年来，养殖模式和技术的落后、水域资源逐渐短缺、水体污染逐年加重、水产品食品安全问题时有发生等，使得传统养殖模式受到重大挑战。如何适应新形势，建设智能水产养殖系统，方便、有效、实时地对水产养殖环境和养殖生物生长情况进行监测、控制，已经成为目前我国水产养殖现代化发展的热点[1]。

国内从事水产养殖管理系统研发的较少，而且多数都有一定局限性。目前市场上的产品，多数只能检测溶解氧和温度，只能独立控制2路增氧机，只能有线传回采集的数据,而且大部分没有接入互联网，只是个现场控制器与报警器。有少部分接入了互联网，但仍有平台单一、模式单一、检测能力和控制能力有限等不足。

目前我国水产养殖业正处于由传统渔业向现代渔业转变的历史时期，抓住发展机遇，实现历史性的跨越需要信息技术等高新技术作为技术支撑[2]。物联网技术是信息技术发展的一次革命，它是一种将所有物品连接互联网，实现智能化识别管理的技术[3]。本文充分利用物联网的技术优势，并针对水产养殖业的特点，设计了基于物联网的智能水产养殖管理系统。

图1 系统结构示意图

1 总体设计

系统由水质数据采集器、主机、电机控制器、移动客户端等构成，如图1所示。

每个池塘中放一个浮箱，其中装有溶解氧、温度、PH值、盐度等传感器，各个传感器采集数据后，由数据采集系统打包，然后通过无线模块传输至主机进行数据分析，并做出相应处理。比如，根据池塘中溶解氧的浓度，发送指令给机房控制器，打开或关闭增氧机。

用户可用微信、APP、短信、主机、电机控制器共5种操作平台来进行各种操作，查看溶解氧、温度、PH值、盐度、系统运行模式、电机运行状态等，设置工作模式、定时,对增氧机等设备进行手动控制等。

2 下位机设计

2.1 主机

主机主要由主控电路、无线通信模块、GSM模块、7寸触摸屏、电源电路等组成，如图2、图3所示。主控芯片采用增强型51单片机STC15F4K60S4，拥有4个完全独立的串口。数据传输采用313-325.6MHz频段的无线传输模块，使用窄带射频传输，同时内嵌FEC前向纠错算法，能主动纠正被干扰的数据包，抗干扰能力强。GSM模块采用工业级的SIM800C，支持4频，全球使用。屏幕采用7寸增强型USART HMI串口屏，支持休眠和触摸唤醒功能。主机能够通过数字、表格或曲线等方式显示水质参数和设备状态。遇到险情时，能够立即弹出警报信息，并进行相应处理，如自动开启相应设备、启动警报器、拨打用户电话等。主机程序程序框图如图4所示。

2.2 数据采集器（浮箱）

图2 主机主控电路

图3 主机电源电路

图4 主机程序框图

数据采集器（浮箱）由单片机、A/D转换电路、多种传感器、无线模块和电源电路组成，如图5所示。每个浮箱都有唯一的ID号，主机与浮箱通信时，根据不同的ID来确定数据来自哪口池塘。每个浮箱里装有用于水质检测的传感器，分别是：溶解氧传感器（带有温度传感器）、PH传感器、盐度传感器。传感器布置的深度取决于池塘养殖物活动水层，如果主养鱼类为中上层鱼类，可以将传感器布置在距离水面50cm处[2]。浮箱采用太阳能供电，用锂电池储能，在连续阴天风雨天的情况下可以供电10天以上，另外也预留干电池槽和外加电源接口。能耗约束和能量均衡是数据采集器需要重点考虑和解决的问题[4]。为了减少节点能耗，网络一般要采用节点休眠机制[5]。从功耗和可靠性综合考虑，浮箱60秒采集一次数据并传回主机，然后进入休眠状态。无线模块发送完数据后，也进入休眠状态，等待下一次被唤醒。

2.3 电机控制器

一个负载控制箱可控制8路输出，每路都包括、空气开关、电机综合保护器、交流接触器，对电机提供过流、漏电、短路和缺相保护，特别是缺相，因为缺相很容易烧掉增氧机。电机控制器通过无线模块收到来自主机的指令后，由单片机控制继电器，再由继电器控制交流接触器，最后由交流接触器在电机综合保护器保护下启动增氧机等设备。池塘的增氧机的功率一般为1000VA到4000VA。以4000VA估算，额定功率×U×I×cosφ，功率因素cosφ一般在0.7～0.9，按0.7算，综合考虑成本和安全因素，每路输出由一个额定电流12A的交流接触器控制。当控制三相星形负载和三相三角型负载时，理论上最大可以控制视在功率以内的三相感性负载，或额定功率P＝7800W以内的三相阻性负载。当控制单相交流负载时，理论上最大可以控制视在功率S=380×12≈4500VA以内的单相感性负载，或额定功率P＝4500W以内的单相阻性负载。

3 上位机设计

手机的普及及无线网络的发展壮大，使得操作终端越来越便捷，通过手机即可对水产养殖进行远程控制，使得物联网技术在水产养殖中应用方面的需求更加强烈[6]。上位机的部署环境为Window NT+PHP+Apache+Mysql，开发平台为Webstorm+Zend Studio，使用Webstorm编辑HTML、CSS以及Javascript，使用Zend Studio来编辑PHP代码。同时，本系统还引入了Mysql数据库，利用该数据库可以方便、有效地对用户数据进行存储，以免丢失。Mysql轻巧、免费、开源等特性非常适合本系统使用。Javascript的引入，使得前端交互性大大提升，使得网页有了动态效果，数据可以后台交互。CSS的引入，使得HTML代码的样式控制变得更加容易。PHP作为一种轻量级语言，大量的开源代码也是它的优势所在，故而在本系统中，使用了PHP语言作为服务器后台语言。状态显示界面如图6所示，设置界面如图7所示。

图5 A/D转换电路

图6 状态界面

图7 设置界面

4 可靠性设计

4.1 “主机+副机”模式

本系统采用“主机+副机”模式，副机由电机控制器充当。电机控制器能够在主机漏发或误发指令的情况下及时发现问题。主机每30秒发一个心跳信号给电机控制器，表示正在正常运行。如果电机控制器超过30秒没收到任何信息，则判定主机工作不正常，于是就启动备用方案，即电机控制器充当主机来维持增氧系统的运行，同时给用户相应的警报。这样，即使主机出现故障无法正常工作，也不会使整个系统陷入瘫痪。另一方面，若溶解氧含量很低了，而主机仍发给它关闭增氧机的指令，那么电机控制器就会跟主机确认情况，如果还要关闭，那就主动去读取水质数据并分析，再做决定，以降低误操作风险。

4.2 数据可靠度高

数据采集时，先连续采集两次，若两次数据的偏差超出允许范围，则表示数据有误，需要重新采集。若两次数据的偏差在允许范围内，则求其平均值。数据上传主机时也是传两次，若两次数据不一样，则表示出现误包，于是主机就给采集系统返回一个指令，让它重新传输。此外，主机传指令给电机控制器也如此处理。数据和指令传输时采用循环冗余校验（CRC），以便及时、准确发现误包。CRC是由分组线性码发展而来，其主要应用是二元码组。由于检错能力强、误判概率很低等优点，被广泛应用于工业测控和数据通信领域[4]。

5 结束语

水产养殖要想达到高产、高效，除了要有理想的池塘条件、优质的饲料、健康的鱼种以及合理的放养密度外，还要具备良好的水质[7]。本系统通过实时采集与智能控制手段，改善和控制水质，为鱼虾等提供了最佳养殖环境，提高了水产品的品质。应用该系统可以改变生产管理模式，为水产的大规模集约化生产提供技术保障，促进其向工业化和信息化转型。

[1] 杨宁生,袁永明,孙英泽.物联网技术在我国水产养殖上的应用发展对策[J].中国工程科学,2016,18(3):57-61.

[2] 陈浩成,袁永明,马晓飞,等.基于物联网的水产养殖水质监控集成技术[J].农村经济学,2013(18):324-326.

[3] 杨金明,余情,朱红飞,等.基于物联网技术的水产养殖智能管理系统设计[J].湖北农业科学,2016,55(16):4276-4279.

[4] 胡永利,孙艳丰,尹宝才.物联网信息感知与交互技术[J].计算机学报,2012,35(6):1147-1163.

[5] 李晓珍,苏建峰.循环冗余校验CRC算法分析及实现[J].信息科技,2010(13):100-101.

[6] 郭玉环.物联网技术在水产生态养殖中的应用探究[J].河北渔业,2016(10):54-55.

[7] 任芳.浅谈物联网水质在线监测系统在水产养殖中的应用[J].山西科技,2014,29(4):154-156.

Design of intelligent aquaculture management system based on internet of things

WU Zu-lie, YU Tong-jie, CHEN Hou-zheng, CHEN Liu-jiang

TP393

：B

1009-0134(2017)06-0019-04