一种鲈鱼养殖远程水质监测系统

钱平，鲜学丰，顾才东，彭喜钰，罗文煜

（1.苏州市职业大学计算机工程学院，苏州215104；2.江苏省现代化企业信息化应用支撑软件工程技术研究开发中心，苏州215000）

0 引言

中国是世界上最大的水产品消费国和生产国，太湖片区的鲈鱼养殖规模庞大，仅苏州市范围内2018 年数据统计全市加州鲈鱼池塘养殖面积达到3.6 万亩，年产量超过2.5 万吨，年产值超过7 亿元，已成为苏州市致富渔农的主要水产养殖品种之一[1]。然而由于养殖户对鱼塘水质监测不到位，在水质发生变化的时候未能及时发现，导致大量的鲈鱼死亡，造成严重的经济损失。所以建立安全的鱼塘远程水质环境监测系统是一项重要的工作。

如果鱼塘水质发生变化，超过鲈鱼的可承受范围就会导致大面积的死亡或得病。因此针对鲈鱼较为敏感的三个水质参数及温度、pH 值、溶解氧进行监测。随着物联网通信技术、移动互联技术的不断发展，通过无线方式实时地采集鱼塘水质环境，并能提供实时地预警信号。采用这种方式满足我国农业结构调整改革要求[2]，与以往采用人工水质实验分析方式比较，远程自动水质监测大大减少了人力成本的投入，对减小鲈鱼养殖风险及提高产品品质和产量有着重要意义。

1 系统总体结构

远程水质监测系统总体结构如图1 所示，该监测系统包括检测层、传输层以及监测层[3]。检测层主要是水质检测的各类传感器将检测到的数据交由STM32单片机处理，然后通过RS-485 通信传输到4G-DTU模块；传输层主要是通过4G 信号将数据传输到透传云至服务器端；监测层主要是已经开发好的服务器端通过监测软件实现PC 端和手机端的参数设置、远程监控、数据管理等功能。

2 系统硬件构成

本文鲈鱼养殖数值监测系统的底层硬件主要是如图1 所示整体系统中的检测层，主要包括温度、pH 值、溶解氧在内的水质参数采集模块，STM32 单片机数据处理模块以及4G-DTU 无线传输模块。水质参数通过三个传感器进行数据采集，并通过单片机进行数据的相应处理，通过RS-485 通信传输给4G-DTU 模块。

图1 远程水质监测系统总体结构图

2.1 水质参数采集模块

水温检测采用温度传感器DS18B20，温度传感器选择DS18B20 在于它独特的单总线接口方式[4]，DS18B20 在与微处理器连接时仅需要一条口线即可实现微处理器与DS18B20 的双向通讯，大大提高了系统的抗干扰性。测试范围可高达125℃低至-55℃，精度为±0.5℃，并且使用时不需要任何外围元件。

pH 检测模块选用了量程为0-14、低功耗、稳定时间短、可串口输出酸碱度采集模块。该模块由pH 电极和数据处理模块组成，使用前可通过串口调试助手发送相关AT 指令与标准pH 试剂配合进行模块数据校准，可与单片机进行串口通信。

溶解氧检测模块由原电池溶解氧电极和溶解氧变送器模块组成。电池溶解氧电极检测原理是氧在银阴极上被还原为氢氧根离子，并同时向外电路获得电子；铅阳极被氢氧化钾溶液腐蚀，生成铅酸氢钾，同时向外电路输出电子。接通外电路之后，便有信号电流通过，其值与溶氧浓度成正比。以此测定溶液中氧气的含量和变化。由于电流信号的变化量比较微弱，因此采用需要连接溶解氧变送器模块，该模块输出为0-5V，可通过单片机进行模数转换后测得数据。

2.2 4G-DTU无线传输模块

4G-DTU 无线传输模块主要负责单片机处理后的数据无线传输至远程的“透传云”服务器。该模块是一种物联网无线数据传输终端设备，提供了RS-485、TTL等通讯接口，内嵌TCP/IP 协议，实现机器与机器之间的透明传输，支持各运营商的4G 网络，提高了水质数据传输的高效性和组网的灵活性。本模块可以发送心跳包与服务器保持连接，保证水质数据监测的稳定性和完整性。

2.3 STM32单片机数据处理模块

控制核心芯片选用STM32 系列STM32F103ZET6芯片，该芯片性能优越，满足本系统的功能要求[5]。本系统的主要硬件结构图如图2 所示。

图2 主控板硬件结构图

温度传感器通过板载上拉电阻直接与单片机I/O口连接；pH 传感器经过数据处理后与单片机串口3 连接；溶解氧传感器经过变送器后得到相应电压值与单片机A/D 外设连接。三种参数经过单片机串口输出、模数转化处理实时显示于LCD 显示屏，方便操作人员查看。测得并处理后的水质参数数据通过单片机RS-485 外设与4G-DTU 连接，实现数据的无线传输。

2.4 硬件模块程序设计

系统硬件模块程序主要包括各个水质参数采集模块数据分析处理过程和数据传输发送过程。水质参数采集程序主要包含温度、pH 值、溶解氧在内的三种参数的处理[6]，主要针对DS18B20 的初始化和温度转换函数，pH 值读取初始化和STM32 单片机的串口3 接收和发送数据初始化函数，溶解氧值读取初始化和STM32 单片机的ADC 函数初始化。还有针对STM32单片机的LCD 显示屏函数初始化以及延时函数等基本函数的初始化。系统开机时循环读取三种水质参数的数据并进行处理现实于ADC 显示屏。数据传输发送程序主要包含STM32 单片机的RS-485 函数初始化以及传输数据格式的定义，并通过RS-485 接口循环填充发送缓存区，并由4G-DTU 设备不断读取数据。图3 为硬件系统编程流程图。

图3 硬件系统编程流程图

3 系统软件应用

3.1 远程通信设计

本监测系统中的4G-DTU，支持3 大运营商的APN，内嵌TCP/IP 协议栈，可实现网络透传模式，工作性能稳定可靠，组网简单灵活，数据传输延时小，支持断线自动重连、自动重启，确保水质参数传输的稳定性和连续性。本监测系统采用4G-DTU 配套的“透传云”，透传云可实现多个DTU 终端连接。也可使用相关串口调试工具对DTU 内部参数进行设置，USB 串口信息固定波特率为115200、无校验、8 位数据位、1 位停止位，方便后续配置。通讯串口设置完成后，配置DTU系列参数，包括序列号、服务器地址、心跳包内容、心跳包上报时间、数据格式等内容[7]。

本监测系统具体利用TCP 协议连接远程服务器平台，首先添加设备并命名为水质监测设备，填写水质参数上报周期为120 秒，添加3 种传感器分别命名为温度、pH 值、溶解氧，数据类型均为数值型，并保留两位小数，添加对应的数据单位。本DTU 采用RS-485 与STM32 连接，所以单片机程序中发送的数据协议标签必须与DTU 接收的数据协议标签保持一致。采用的数据协议格式定义如表1 所示。

表1 传输数据洗衣格式

符合数据格式的水质参数信息经过DTU 通过运营商4G 网络传输至远程服务器，通过上位机软件实现查看、统计等操作。

3.2 监测软件应用

水质监测系统软件功能主要分为系统管理、数据查询、实时显示、数据下载、阈值设置五个模块。软件系统功能模块图如图4 所示。

图4 软件系统功能模块图

系统管理主要是包括用户账号管理、角色管理和数据备份管理。数据查询主要可实现按时间查询或按参数查询，可以柱状图或曲线图呈现直观走势。数据下载包括选参下载或选时下载，形成Excel 数据表格。实时显示包括实时数字显示和实时曲线显示，图5 为系统测试手机端实时显示界面。阈值设置主要包括阈值设定和报警处理，图6 为pH 值在设定规定阈值之外触发的报警微信通知测试界面[8]。

4 实地测试与应用

系统的实地测试选在苏州市吴江区的某养殖户，该养殖户共有两个鱼塘，面积分别为12 亩和10 亩。鲈鱼养殖过程中对水质监测的重点时期为每年的4 月至10 月，期间每天的水质变化比较大，养殖户面临繁重的巡查工作[9]。因此在鱼塘远离增氧机角落位置分别放入检测设备，图7、图8、图9 分别为2019 夏某天24 小时的溶解氧变化曲线图，pH 值变化曲线图，水温变化曲线图。

图5 手机端数据实时监测界面

图6 微信设备报警通知

图7 鱼塘24小时溶解氧含量变化曲线图

鲈鱼对溶解氧含量极为敏感，这也是重点监测该参数的原因，鲈鱼对溶解氧含量的适宜范围为5-8mg/L，小于1.8mg/L 左右便开始浮头，大于13mg/L 左右时鲈鱼容易的气泡病。从图7 可以看出20 点至次日8点受到气压降低等影响，溶解氧比较低，下午两点左右由于受到藻类光合作用的影响达到峰值。

鲈鱼最适宜在中性或微碱性水中生长，在pH 值为6-9 内属于安全范围，当pH 值小于6 时鲈鱼容易患各种鱼病，偏酸性水也易导致藻类繁殖对鲈鱼产生危害，当pH 值大于9 时，鱼鳃受到腐蚀，出现不正常的血丝，保持pH 值稳定也是至关重要。从图8 可以看出当天pH 值较为稳定。

图8 鱼塘24小时pH值变化曲线图

图9 鱼塘24小时水温变化曲线图

鲈鱼最适宜在水温为20-30℃环境中生长，水温在10℃以上开始进食，温度较低时开始进入冬眠状态。从图9 看出监测当天为夏天温度适宜鲈鱼的生产。水温环境的监测也是整个系统的辅助监测参数。

通过实时的水质监测可以随时关注水质变化，避免鲈鱼浮头等产生的损失。通过每天的数据观测和曲线走势经过长期的观测可以总结出相对完善的养殖经验，提高养殖效率和养殖质量。

5 结语

本文以无线传输为目标，采用4G-DTU 无线传输模块，设计基于STM32F103ZET6 单片机的无线鲈鱼养殖水质监测系统。整个系统结构简单，可扩展性强，成本低。系统满足鲈鱼对水质环境敏感的基本参数的监测，具有较高的稳定性和可靠性。系统实现了鱼塘水质的远程实时监测和报警功能，大大减少了人力成本和时间成本的投入，减少养殖户因水质监测不到位导致的经济损失。同时可以收集长期的水质周期性变化，可根据历史数据丰富养殖经验，提高养殖效率，有利于鲈鱼质量的提升，在鲈鱼养殖领域有着广阔的应用前景。