智慧虾稻养殖管理系统的设计与实现

姚 毅，谢东辉，李裕卫，付佳威，朱文勇，蓝 岚，肖艺嘉，杨宗英

（1.南昌市农业科学院 南昌市农业物联网智能装备集成开发重点实验室，江西 南昌 330038；2.江西悦浓智能科技股份有限公司，江西 南昌 330038；3.中国联通南昌市分公司，江西 南昌 330038）

0 引 言

如何实现按渔业养殖品种生长需求进行渔业养殖环境的有效调控，类似的一系列问题在传统渔业生产模式下一直被“模糊”处理。现在，应用物联网（Internet of Things, IoT）、3S（GIS地理信息系统、GPS全球定位系统和RS遥感技术）、云计算（Cloud Computing）和大数据（Big Data）代表的新一代信息及控制技术已能实现养殖环境参数实时获取，远程自动化控制渔业养殖设备运行。项目组基于利用上述技术开发的稻虾综合智慧虾稻养殖系统对传统经验型虾稻综合养殖模式进行技术改造升级，实现精准渔业养殖，解决现有养殖痛点问题，进而实现虾稻养殖模式的产业升级。

1 物联网智慧虾稻养殖系统的总体架构

本系统包括虾稻环境监测终端子系统、虾稻设备远程控制终端子系统、虾稻视频监控子系统。虾稻环境监测和设备远程控制终端子系统采用cat.1（LTEUE-Category1）和WiFi无线通信技术，主控芯片采用兆易创新研发的专用于工业和农业物联网设备、型号为GD32F103RCT6的集成芯片，可应用于农业环境数据采集终端和农业物联网控制终端。通过环境数据采集终端板载SN65LBC184D芯片采集传感器数值。环境监测和控制终端多个节点连接，既可以通过WiFi传输模式构成局域群体式无线通信网，又可以通过cat.1传输方式构成广域无线通信网。系统还会将数据信息传输到南昌市农业物联网智能装备集成开发重点实验室自建的农业边缘云平台。农业科研人员和虾稻综合种养殖户等相关人员可以通过移动端和PC端进入管理界面，实时观测虾稻养殖相关参数，开展有针对性的农业设备远程自动化控制。环境监测和设备远程控制采用的有线通信方式有两种：一种是RS 485，用于读取传感器数据；另一种是串口（UART），用于与IoT模组通信。

为便于用户使用该系统，在农业环境数据采集终端和农业物联网控制设备端增加了HMI串口触摸屏模块，对虾稻养殖水体温度、pH值、溶解氧、气压、湿度、光照等数据进行直观显示，可以在虾稻养殖现场实现人机交互功能。通过场地内布设的视频监控球机，可以远程直观地了解虾稻养殖场地实时现场状况和养殖过程。

本系统业务功能包含三个部分：（1）虾稻环境数据检测采集部分；（2）农业设备远程自动化控制部分；（3）虾稻视频监控部分。虾稻综合智慧养殖系统架构如图1所示。

图1 虾稻综合智慧养殖系统架构

2 系统硬件涉及的终端设备器件选型

2.1 主控单元模块设计

本系统分别采用STM32F407VET6和GD32F103RCT6集成芯片作为数据处理和控制中心。GD32F103RCT6集成芯片是基于ARM Cortex-M3内核的GD32系列32位通用MCU产品，主频为108 MHz，具有出色的处理性能。片内闪存（FLASH）为1 024 KB，RAM为96 KB，供电电压范围为2.6～3.6 V，内核的供电电压为1.2 V，I/O口可承受5 V电平，内嵌实时时钟（RTC）和2个看门狗（WDG），具有掉电复位（PDR）、上电复位（POR）及电压监测（LVD）功能。提供多达3个12位ADC、最多2个12位DAC、最多10个通用16位定时器、2个基本定时器和2个PWM高级定时器，以及标准和高级通信接口：最多3个SPI、2个 I2C、3个 USART、2个 UART、2个 I2S、1个 USBD、1个CAN和1个SDIO。几种节能模式使唤醒延迟和功耗之间的最大优化更加灵活，在低功耗应用中尤其重要。GD32F103RCT6能满足系统的设计要求。芯片典型应用电路及供电模块部分设计如图2、图3、图4所示。

图2 STM32F407典型应用电路

图3 GD32F103典型应用电路

图4 供电模块设计

485通信电路采用SN65LBC184D芯片、RS 485总线和传感器进行通信，不仅可发挥该总线协议传输距离远、抗干扰能力强的优势，也可以根据实际需要增减传感器数量，使系统的灵活性和可扩展性大大增强，可满足多场景和个性化需求。设计如图5所示。

图5 485通信电路模块设计

2.2 虾稻水质监测终端接入的传感器类型和主要参数

2.2.1 水温传感器集成开发

小龙虾属于水生变温动物，体温随养殖水体环境温度的变化而变化，它可以在江西省自然越冬，一般生存水温为1～40 ℃，水温低于15 ℃时生长较慢，水温为25～30 ℃时生长较快。虾稻养殖水温的变化主要是随气温的变化而变化[1]。在整个小龙虾养殖周期内，前期因为水草生长需要充足的阳光照射，养殖水体水位维持在25～50 cm；养殖中后期，夏季阳光照射强度加大，通过逐渐加深养殖水位到1 m左右，将养殖水温保持在25～30 ℃的范围内，并可采用定量换水的方法，保障小龙虾在合适的水温下生长。

采用DS18B20水温传感器并集成在pH和溶解氧传感器中。DS18B20测量温度范围宽，为-55～125 ℃；测量精度高，在-10～85 ℃范围内精度为±0.5 ℃。该传感器具有经济性好、抗干扰能力强、使用方便等优点，适合于恶劣环境的现场温度测量。

2.2.2 气压、气温、大气湿度传感器集成开发

虾稻养殖水温和区域气温有很好的一致性，年、季、月、日变化规律也比较一致，气温的变化对水温的变化有很强的指向性[2]。研究认为，持续高温时，各种病毒、细菌等病原微生物迅速繁殖，小龙虾养殖疾病暴发，容易造成小龙虾大量死亡[3-5]。气压、大气湿度也是虾稻养殖环境监测的关键参数。上述三组参数传感器采用集成壁挂方式挂载在养殖环境监测终端上，采用12～24 V DC直流供电，最大功率为0.4 W，输出信号为RS 485，温度范围为-40～80 ℃，相对湿度范围为0～100%，湿度分辨率为0.1，响应时间为≤15 s（风速为1 m/s）。

2.2.3 pH值传感器集成开发

经研究分析，水体pH值（即酸碱度）是水质的重要指标[6-8]。在养殖水体中，pH值十分直观地反映着水质的变化，比如藻类的活力、二氧化碳的存在状态等，都可以通过pH值的大小和日变化量来推断是否在正常范围内。pH值也是影响虾生长的重要指标，在养殖早期，特别是放苗的时候，pH值若太高，则放入塘的虾苗就会蜕壳十分困难或蜕不了壳，鳃丝肿胀，造成小龙虾采食差、爬边上岸，影响虾的正常生长。

本系统采用的探头由pH玻璃电极和氯化银参比电极复合组成，信号稳定、精度高、测量范围宽、线性度好、防水性能好、使用方便、便于安装，可进行pH值的测量，具有温度自动补偿功能。供电电源为12～24 V-DC直流，耗电≤0.15 W（12 V-DC，25 ℃），测量精度为±0.5，pH值量程为0～14，测量分辨率为0.01，响应速度≤15 s。

2.2.4 养殖水体溶解氧传感器集成开发

研究显示，水体溶解氧是小龙虾养殖的重要指标参数[9-12]，水体溶解氧低于2 mg/L时，小龙虾产量下降明显；当低于0.5 mg/L时，如果没有攀爬物辅助其浮出水面呼吸，易造成其大量死亡。小龙虾养殖水体中溶解氧的含量一般应高于3 mg/L。

本系统使用水质荧光法溶解氧传感器对养殖水体溶解氧进行监测。该传感器采用的是荧光淬灭原理进行测量，荧光法能够克服传统经典测量方法不能在线连续测量的缺点，具有不消耗氧气和探头、不受磁场干扰、灵敏度高、检出限低、寿命长、可持续在线监测等优点，获得了广泛的应用。水质荧光法溶解氧传感器可以广泛应用于火电、化工化肥、冶金、环保、制药、生化、食品等领域对溶液中溶解氧进行连续监测。连续监测数据通过RS 485接口进行数字化整定分析后转换为标准的RS 485信号，通过ModBus-RTU协议连入虾稻环境监测终端，实现监控与记录。供电电源为9～24 V-DC直流，耗电≤0.15 W（12 V-DC，25 ℃），测量精度为±3.0%，量程为0～20 mg/L。

2.3 虾稻物联网控制终端设计开发

继电器部分设计为4路继电器，如图6所示。

图6 继电器模块设计

3 虾稻综合管理系统视频监控部分设计与实现

如图7所示，通过布设有线和无线视频监控系统，在PC端和手机客户端随时随地远程查看虾稻生产情况、各渔业设备的运行状态、生产情况，管理人员可以远程轻松监控、管理作业生产，大大减轻工作负担，同时为后期农产品溯源提供视频依据。

图7 视频监控子系统架构

4 系统软件设计

4.1 系统软件设计流程

基于物联网技术的智慧虾稻养殖系统软件开发部分的程序流程如图8所示。

图8 软件程序流程

4.2 系统采用的主要通信方式和程序设计函数

系统开机初始化后便会通过IoT模组连接服务器，然后通过状态机循环读取传感器数据，到设定时间后打包数据拷贝到发送缓冲区，主循环检测到发送缓冲区中有数据便会发送至服务器；服务器下发指令会被拷贝到接收缓冲区，如接收缓冲区有数据便被MCU解析并执行相应指令，以下是本系统的主要设计函数：

（1）处理IoT发送缓冲区函数：void TxDataBuf_Deal（unsigned char *data，int size）；

（2）处理服务器下发数据函数：void MQTT_DealPushdata_Qs0（unsigned char *redata）；

（3）IoT模组连接服务器函数：unsigned char WiFi_Connect_IoTServer（void）；

（4）获取传感器状态机数据函数：u8 get_sensor_info_process（const int64_t c_ms，sensor_info_t* p_psg）。

5 结 语

本文针对虾稻综合种养模式下克氏原鳌虾（小龙虾）生长阶段特异化水质调控需求，开发了一套物联网环境监测和设备控制终端及养殖水质调控管理系统。后续将开展自动化调节养殖水体深度进而调节养殖水温的试验，主要是根据虾稻养殖水体的实际水温，加深养殖水体深度，调节水体温度。通过将远程自动化水泵纳入管理云平台，根据实时水温参数实现水泵自动化开关，提升虾稻管理的效率。另外，还考虑应用无人旋翼机泼洒颗粒增氧剂的方式，提升虾稻养殖溶解氧调控能力。