基于物联网的鱼塘水质监控系统的设计与实现

徐爽，易东

（银川能源学院，宁夏银川，750021）

0 引言

水质监测是现代渔业养殖过程中的一个关键环节，鱼塘中水质的好坏直接影响渔业养殖的产量与质量。传统的监测方法存在很多弊端，如养殖人员定时巡查，根据经验粗略判断水质情况，存在很大误差；或者用水质检测的相关仪器设备，检测耗时费力。现代水产养殖水质监控技术正在向着智能化、自动化、高效便捷化发展。国内许多科研院所和高校在水质监测方面已经开展了较多的研究，并在水产养殖方面得到了一定的应用，但是由于存在监控系统布线复杂、运营维护成本高、实时监测性差、远程控制困难等原因而导致在渔业水质监控方面的应用还比较缓慢。

本文利用传感器、单片机、自动控制和物联网技术，建立了一个多传感器检测鱼塘水质的监控系统，可以监测温度，PH值、水位、溶解氧含量等多种水质参数，并且可以通过手机APP或物联网实时了解水质信息和远程控制相关设备。系统实现了监测数据的分析、存储、查询、反馈和调节等智能化管理，有效地提高了管理效率与经济效益 ，减轻了管理人员的劳动强度。

1 系统总体设计及工作原理

系统包括STC15W4K56S4单片机模块、传感器采集模块、声光报警模块、GPRS通信模块、OLED液晶显示模块和继电器控制模块等组成，总体结构框图如图1所示。利用水温、pH值、水位和溶解氧传感器采集鱼塘水质参数送到单片机进行分析与处理，再把数据信息通过GPRS上传到物联网云端服务器上，如果水质参数超出设定值便会报警，同时可以控制相应的设备进行调节。鱼塘管理人员可以通过现场OLED液晶屏查看水质参数信息，也可以利用手机APP或物联网远程监控鱼塘水质参数的变化。

图1 系统总体结构框图

2 系统硬件电路设计

2.1 单片机

主控芯片选择STC15W4K56S4单片机，它采用STC第九代加密技术，内部有时钟和复位电路，不需要外部时钟和复位电路。STC15W4K56S4单片机利用IAP技术，可以省掉外部EEPROM；同时具有8通道10位脉宽调制；8通道10位高速ADC，每秒30万次；单片机内部有56K字节EEPROM ，擦写次数10万次以上；4K字节的大容量SRAM；一组高速同步串行通信端口SPI；具有超强抗干扰、抗静电、低功耗等优点。

2.2 数据采集模块

2.2.1 水温测量电路

水温测量采用DS18B20水温传感器，它的工作电源电压为3.0～5.5V；9～12位可调分辨率；测量范围为-55℃～125℃，在-10℃～+85℃时精度为±0.5℃，传感器探头外部有不锈钢保护管，可直接放入鱼塘水中。电路如图2所示，水温传感器的2引脚与单片机的P4.7口相连接。

图2 水温传感器电路

2.2.2 PH测量电路

PH值测量选择DF-SEN0161传感器，它常用于水产养殖、环境水检测等领域，PH是衡量溶液的酸碱程度。传感器的工作电压为DC 5V；测量的范围为PH 0-14；精度为±0.1PH（25℃）；工作环境温度为-10℃～50℃。电路如图3所示，PH传感器的2引脚与单片机的P1.6口相连接。

图3 PH传感器电路图

2.2.3 水位测量电路

水位测量选择D3B水位传感器，它利用传感器中央的压力感应膜来实现对鱼塘水位的测量。其工作电压为4.2～6.2V；压力范围为0～1000mm水柱；电压输出为0.23～4.9V；线性度为0.2%。电路如图4所示，水位传感器的2引脚与单片机的P1.5口相连接。

图4 水位传感器电路

2.2.4 溶解氧测量电路

由一个阳极和一个与传导性电解质连接的阴极组成的溶解氧传感器，输出的电流值与水中的氧浓度成比例关系，于是就可以根据输出的电流来计算出水中的溶解氧含量。溶解氧传感器即使在各种恶劣水质中，膜也不容易损坏，在水文监测、废水处理、鱼塘水质、生物等领域应用广泛，其检测范围是0～20mg/L，分辨率为0.1mg/L。电路如图5所示，溶解氧传感器的2引脚与单片机的P1.4口相连接。

图5 溶解氧传感器电路

2.3 液晶显示模块

系统采用OLED液晶屏显示，它既能显示英文字符，又能显示中文字符。由于其自身发光特性，不需要背光，具有能耗低、体积小、清晰度高等优点。可实时显示系统采集的水质参数，液晶显示电路如图6所示， 3引脚SCL与单片机的P2.6口相连接；4引脚SDA与单片机的P2.7口相连接。

图6 液晶显示电路

2.4 GPRS通信模块

GPRS通信模块采用SIM800C，它的抗干扰强、工作稳定、外围电路集成度高，适合用于语音、短信、GPRS数据服务、蓝牙等各种领域。四个工作频段GSM/ GPRS 850/900/1800/1900MHz；最大传输速率85.6kbps；支持3.3V和5V TTL串口以及5～18V的宽电压范围；操作温度-40℃～+85℃。电路如图7所示，GPRS通信模块3引脚TXD与单片机的P0.0口相连连；4引脚RXD与单片机的P0.1口相连接。

图7 GPRS通信接口电路

2.5 继电器控制模块

继电器控制电路包括三个部分。电路如图8所示，分别是继电器控制的加热片开关电路、水泵开关电路和氧气泵开关电路。当前水温低于预设值时，加热棒工作，反之停止；当前水位低于预设值时，水泵工作，反之停止；当前溶氧量低于预设值时，氧气泵工作，反之停止。其中继电器控制加热片开关电路与单片机的P5.4引脚相连接，继电器控制水泵开关电路与单片机的P5.0引脚相连接，继电器控制氧气泵开关电路与单片机的P4.6引脚相连接。

图8 继电器控制电路

2.6 声光报警模块

当监测到鱼塘水情超过或低于预设值时蜂鸣器发出报警信号。声光报警电路如图9所示，三极管基极与电阻R3连接，电阻R3另一端与单片机的P2.5引脚相连接。

图9 声光报警电路

3 系统软件设计

系统的软件设计主要包括采集终端软件设计和物联网监测平台软件设计。

3.1 采集终端软件设计

单片机编程开发工具选用KEIL软件，C51语言。C51语言编写的程序便于修改、维护以及升级。采用模块化设计思想，采集终端程序由主程序模块和一系列子程序模块组成。主程序完成系统的初始化和调用子程序操作。各子程序包含传感器采集数据、液晶显示、声光报警、GPRS通信和串口初始化等模块。软件程序流程如图 10所示。

图10 系统程序流程图

3.2 物联网监测平台软件设计

物联网监测平台使用中国移动打造的OneNet开放平台，OneNET平台作为连接和数据的中心，能适应各种传感网络和通信网络，帮助开发者轻松实现设备接入与设备连接，快速完成产品开发部署，从而降低产品研发、运行和运维成本。

OneNet平台产品开发部署的流程：注册并登录，创建产品，创建设备，新增数据流，新建应用并发布。采用公开的 HTTP 协议，应用生成 了四种水质参数曲线、三个报警显示和三个设备开关。监测平台会不断查询数据是否更新，并将已更新的数据显示在平台网页上，OneNet 监测平台实现了数据的接收、处理、存储和查询等功能。

4 系统测试及结果分析

利用调试好的系统在宁夏灵武某鱼塘进行试验，实时监测鱼塘水中温度、pH 值、溶解氧和水位信息，同时物联网云端服务器能够及时接收GPRS模块传送的水质参数信息，并将水质参数信息全部保存到云端数据库。用户可以随时远程查看鱼塘水质情况，并控制水泵、氧气泵、加热片的开关。系统测量值与标准仪器测量结果经过多次测试比较，得到温度绝对误差0.5℃，PH值绝对误差0.3，溶解氧绝对误差0.3mg/L，水位绝对误差1cm，测量精度满足实际检测要求。

5 结语

基于单片机的鱼塘水质监控系统实现了参数信息的采集、传输、分析、显示等功能，能够实时监测鱼塘水中的温度、PH值、水位溶解氧含量等信息。管理人员可以利用物联网WEB网页进行远程监测与控制。通过实际测试表明，系统各项指标和功能均达到设计要求，系统运行稳定可靠，智能化程度高，硬件成本低又容易扩展出新的功能，具有较好的市场推广价值。