基于物联网的智慧水产养殖管控系统的设计与开发

高菊玲

（江苏农林职业技术学院机电工程学院，江苏句容 212400）

0 引言

随着人民生活水平不断提高，人们对水产品的需求量呈现逐年增长态势，促进了国内水产养殖业快速发展，但是目前大多数水产养殖场依然采用传统人工养殖方式。传统人工养殖的弊端在于过度依靠养殖户的个人经验，然而大多数养殖人员的受教育程度偏低，对于水产养殖管理过程粗放，无法做到精细化养殖管理[1-3]。

随着物联网技术和传感器技术的迅速发展，国内外研究学者对水产养殖过程的水质监测与水质调控做了很多的工作。Alam Arif U1等人[4]开发了远程水质监测系统，可实现通过Android端实现对水产养殖区域内的pH、EC、水温等参数。蒋建明、乔增伟等人[5]设计开发了基于可变因子模糊控制的增氧系统，实现了养殖池的均匀增氧。姚梁狄[6]利用STM32单片机，设计开发了养殖水箱环境监控系统，实现了对水产养殖过程的总溶解性固体、pH、水位等信息的精准采集，提高了水产养殖监管效率。王丹丹[7]设计了一种基于ZigBee的水产养殖水质远程监测系统，系统由传感器采集模块、数据处理模块、无线通讯模块三部分组成。

围绕目前我国水产养殖管理过程中遇到的水质信息采集精度低、增氧调控难、智能化程度低等痛点，我们设计开发了一套基于物联网的智慧水产养殖管控系统，系统以物联网技术为基础，PLC控制器为中心，融合传感器采集模块、LoRa无线传输模块、智能增氧模块等，实现对水产养殖水质环境中的溶解氧、pH值、EC值、水温等指标进行实时监测，开发了智能增氧调控系统、WEB端的智慧水产远程管理平台，实现远程对水产养殖地的水质监测与水质智能调控、饲喂等功能。提高了水产养殖的工作效率，为渔农提供智能化、精确化等水产养殖管理系统。

1 智慧水产养殖管控系统设计

1.1 需求分析

中国水产养殖的生产模式已由粗放型向集约型转变，随着信息技术的发展，中国的水产养殖生产逐渐向自动化、智能化发展，优化养殖手段、提升养殖效率、提高水产品产量和品质等。但是目前水产养殖管理过程中还存在着“水质与环境信息采集精度低”“智能化水平不足”等问题，所以亟需开发一套智慧水产养殖管控系统，实现水产养殖过程的智能化管理。系统具体功能如下：

1）实现水产养殖区域内的水质数据与气象环境数据的实时监测、分析与预警；

2）设计与开发增氧机的智能调控系统，通过改变控制频率从而调节电机的转速，实现增氧智能调节；

3）实现通过计算机、手机等移动终端对水产养殖现场的远程管理。

1.2 系统总体设计

智慧水产养殖管控系统由水质监测系统、智能调控系统、水产远程管理系统三部分组成，系统框架图如图1所示。

其中水质监测系统由水质监测传感器、数据采集模块、LoRa无线传输模块三部分组成。能够实现对养殖水域的溶解氧、pH值、EC值、水温等参数进行实时监测，并通过LoRa无线模块将数据发送至安装在岸边的水产智能控制柜中，由智能网关进行数据处理、转发等，可实现通过计算机WEB端进行数据实时与历史数据访问等。

智能调控系统由水泵、投饲机、增氧机、变频器等组成。其中，增氧机选用的是三相380V叶轮增氧机，可实现根据预先设定的水质溶解氧值，结合当前采集的溶解氧实时数据进行智能调控，也可手动通过远程管理平台对每一台增氧机单独设置工作强度，控制模块接收到调控指令后控制变频器，从而调控叶轮增氧机进行智能增氧，当EC传感器采集到当前水产养殖区域内的值高于设定值，即控制换水泵进行换水操作。

水产远程管理系统由智能网关、云服务器、MQTT服务器、WEB端等组成。操作人员可通过计算机WEB端远程对水产养殖区域的水质情况、执行机构工作状态实时监测，手动操控现场执行机构，实现换水、增氧等操作。

1.3 软件平台设计

为提高水产养殖智能化水平，实现通过“云管控”的方式进行水产养殖管理，设计和开发了水产远程管理系统。系统由系统管理、水质监测、智能调控、报警管理四部分组成，软件功能框架如图2所示。系统结合安装在水产养殖现场的传感器终端、无线传输系统、智能控制柜、高清摄像头等硬件，实现了水产养殖过程的水质监测、水质智能调控、异常报警、平台管理等。

图2 软件功能框架图

1）系统管理：包括用户管理、后台维护、设备管理等。

2）水质监测：实时在线获取水产养殖过程中水质数据，并显示出来，为养殖人员管理提供依据，可以进行历史数据的查询、分析，生成历史曲线或报表。

3）智能调控：若获取的水质指标超出正常范围，则自动触发控制装置，如增氧机和换水电磁阀等。

4）报警管理：如果水质数据超出规定标准范围，软件平台发出预警信息，管理人员可以及时响应，包括水质参数的阈值设置、报警通知等。

2 硬件系统的设计

2.1 水质监测系统设计

水质的好坏直接决定了水产品的成活率与品质，传统的依靠现场管理员巡检、实验室水质检测等方式不仅繁琐，而且时效性差。为实现24 h不间断地对养殖区域内的水质情况监测，设计和开发了一套基于LoRa的水质监测系统，系统由传感器模块、MCU模块、LoRa模块、电源模块等组成，系统设计图如图3所示。

图3 水质监测系统设计图

传感器模块由在线式水质传感器探头、浮标、传感器支架、滤网等组成，使用时只需将装置放置在水塘中间，即可实时监测水产养殖区域内的溶解氧、pH、EC、水温等参数。其中，溶解氧是水产养殖过程中最重要的参数，目前溶解氧的检测方式分为膜电极测法与荧光测法两种，膜电极测法原理是将溶解氧（实际上是氧分压）转换成电信号，再经放大、调整（包括盐度、温度补偿），由模数转换显示；荧光测法是基于物理学中特定物质对活性荧光的粹熄原理，使一个发光二极管（LED）发出蓝光照射在荧光帽内表面的荧光物质上，内表面的荧光物质受到激发，发出红光，通过检测红光与蓝光之间的相位差，并与内部标定值比对，从而计算出氧分子的浓度，经过温度和气压自动补偿输出最终值。本系统选择的溶解氧传感器是建大仁科RS-LDO-N01型溶解氧传感器，测量范围0～20 mg/L，测量误差±3%FS，具有反应快、测量精度高、免维护等特征。

MCU模块负责将传感器模块采集到的数据进行数据处理，如数据滤波、校准等。本次设计使用STM32F103C8T6芯片作为MCU，这是一款性价比较高的STM32系列芯片[8-9]。LoRa模块是实现物联网通信的关键，选用了Semtech公司的SX1278LoRa芯片，该芯片工作频段：410～525 MHz；通信速率：0.2～37.5 kbps，可实现长距离、低功耗的数据传输。

2.2 智能增氧调控系统设计

溶解氧是衡量养殖水质好坏的重要指标之一，影响着鱼类的基本生命活动，溶解氧浓度较低时，会造成鱼类缺氧死亡的严重后果[10-12]。在水产养殖过程中，当水溶解氧含量低于5 mg/L，如果未及时采取增氧措施，鱼类会因缺氧窒息而导致死亡。

增氧机主要有喷水式增氧机、叶轮式增氧机、水车式增氧机、充气式增氧机和摇摆式增氧机等，其中叶轮式增氧机主要通过电机带动螺旋桨搅拌水体曝气的原理，实现增氧过程，使用最为广泛。本文以一台380 V、1 kW的叶轮式增氧机为研究对象，设计和开发一套智能增氧调控系统，系统由溶解氧传感器、PLC、变频器、增氧机等组成，溶解氧浓度控制图如图4所示。

图4 溶解氧浓度控制图

实际操作过程，管理人员通过水产远程管理平台设置养殖水池需要达到的溶解氧含量，待设置完成后，系统实时检测养殖水池内的溶解氧实际值，并与设定值进行对比，当养殖水池的溶解氧浓度＜5 mg/L自动启动增氧机，进行持续增氧，通过调节增氧机的转速最终实现恒定增氧，PLC通过RS-485与变频器建立通信方式。变频器设置为4～20 mA电流控制，对应频率输出为0～50 Hz。不同频率输出驱动增氧机产生不同的转速，转速越快，增氧能力越好。

3 水产远程管理系统设计

3.1 系统架构设计

水产远程管理系统由前后端构成，如图5所示，左边虚线框为云服务器内的数据库软件、MQTT消息代理软件等，其中数据库用于存放和调用一些设备数据（包括传感器采集的历史数据等）及业务方面的应用型数据。用户可以通过计算机WEB端的管理平台，对现场养殖水域的水质实时数据、历史数据和专家报表等进行查询。智能控制柜内主要有智能网关、PLC，LoRa无线模块等，本地网关是衔接硬件装备与云服务器的中转站，本地控制采用西门子200smart PLC作为核心控制器，水质传感器采集的参数与执行机构的操作最终在PLC中实现，PLC与智能网关进行数据交互，智能网关内置物联网卡，通过4G网络与服务器建立通信。

图5 水产远程管理系统架构图

通信协议是“物联”的交互语言，目前常用的通信协议有：MQTT、Socket、HTTP等。MQTT协议（Message Queuing Telemetry Transport，消息队列遥测传输协议），是一种基于发布/订阅（Publish/Subscribe）模式的轻量级通信协议，具有轻量、简单、容易实现等特点，在物联网、小型设备、移动应用等方面有广泛的应用，因此本系统采用MQTT协议作为本地硬件系统与云服务通信方式。本地的智能网关可以作为MQTT客户端，也可以作为发布者与订阅者，双向通信的方式在保证数据上传的同时，也保证指令下达。开发的水产远程管理平台同样为MQTT客户端，两个客户端只需同时订阅MQTT服务器发布的主题，即可实现数据交互。

实际操作过程，本地网关订阅MQTT服务的主题，实现周期性水质、气象等数据上报。水产远程管理平台也订阅同样的主题，接受现场实时采集的数据，当操作人员通过水产远程管理平台向主题发送了一条控制增氧机的控制指令，智能网关接受并解析控制指令，向PLC发送数据包，由PLC执行控制指令，这样即完成了一次增氧操作。

3.2 智慧水产养殖管控平台设计

平台开发以简洁、美观、方便作为设计理念，采用B/S架构的分层模式进行设计，有效保障了数据流转的有效性和完整性，提高了数据安全性。WEB端平台如图6所示，由监测模块、远程调控模块、生长视频监控模块、农事管理模块组成。监测模块主要对水产养殖区域内的水质和气象参数进行实时监测与预警，同时可以查看系统自动生成的历史趋势图，方便观察水质变化情况。远程调控模块可实现对增氧泵、电磁阀、投饲机等执行机构的远程操控，同时结合现场视频监控，实现远程水产养殖管理。平台还支持农事活动记录、调度等，对养殖渔场的面积、水产品养殖种类、水产品养殖数量、不同养殖池的水产品生长状况等信息的记录与分析。

图6 管控平台首页图

4 结论

本文利用LoRa无线通信技术，实现安装在多个水产养殖区域内的水质监测装备，通过无线通信，将实时采集的水质信息发送至智能网关，解决了布线难、施工成本高等问题。开发的智能增氧调控系统，实现操作人员通过水产养殖管控平台设定电机转速，从而控制现场的增氧机，实现不同程度的增氧，保证了水产养殖区域内溶解氧浓度恒定在设定值，节约了电能，降低了生产成本。设计开发的智慧水产养殖管控平台实现远程水产养殖现场的水质与环境监测、增氧、投饲等操作，提高了远程管理运维能力，系统在江苏省句容市郭庄镇方溪村水产养殖基地实地测试以来，运行效果良好。