基于物联网技术的水产养殖智能控制系统

欧阳兆彰，张俊良，吴焕转

（1 江门职业技术学院，529000，广东江门；2 江门中医药技术学院，529000，广东江门）

目前，广东珠西地区的水产养殖在沿海乡村极具规模，但智能设备的应用依旧有限，还是以人工作业为主，无法摆脱工作时间过长的现状。养殖户需投入较大的时间成本进行蹲点值守，每天定时喂养、换水，并时刻提防停电、水质变坏等突发情况，稍有不慎就可能造成无法挽回的巨大损失。长期固守在农村地区，缺少自由，养殖工作更不被年轻人认同，行业发展前景暗淡。

1 水产养殖智能控制国内外现状

国外的主要研究方向，是致力于将物联网、人工智能、云计算等信息技术与水产养殖相结合，实现精准化、无人化的养殖[1]。国内，主要集中于研究实时监控水温、水质、溶解氧、pH 等要素，以减少水产养殖的风险[2-3]。

但是，智能控制产品在养殖户中推广使用十分有限，主要是因为养殖的品种、池塘建设、养殖前期准备、水产品成长过程等关键因素各有不同。在智能控制产品设计研制的整个过程中，养殖户必须全程参与决策，但他们对于智能产品所涉及的技术知识与控制理论十分陌生，很难驾驭此类软件与设备；另外，大多数养殖户以家庭作坊为主，规模较小，平均每年的利润就在10 万元左右，如需要他们增设价格贵、操作复杂、维护费用高的设备，养殖户热情不高，认可程度较低。

针对上述情况，研制成本合理、操作简单，能分担养殖过程中的断电抢险、水质监控、饲料投喂等任务，减轻养殖户劳动强度，实现无人值守的水产养殖智能控制系统十分必要。

2 水产养殖智能控制系统研制

2.1 系统主要构成框架

基于农村无线网络建设的全面覆盖与4G 物联网技术，本文自主研发的水产养殖智能控制系统包含ATS（Automatic transfer switching）模块、云监控模块、pH 测控模块、饲料投放控制模块等功能模块，用户可根据实际需求进行定制组合，极其利于推广。系统主要由远程开关单元、4G 通信单元组成，借助4G 物联网技术，能为各功能模块提供远程控制、断电报警、上电自锁等功能及Wi-Fi 信号，在手机平台可实现设备远程启动、工作状态判断、多人分享、设备启停报送等功能，大大减轻水产养殖的时间投入，实现无人值守。结构框架如图1 所示。其中远程开关单元选用某品牌JYDAM0455 型作为核心部件，能远程控制24 V、220 V 的继电器、接触器，实现线路通断报警与云平台数据处理。

图1 系统主要构成框架

2.2 ATS 模块

ATS 模块可解决无人值守时突发断电的问题。供电意外情况时有发生，更甚的是别有用心的人恶意关停设备电源。为防止意外，养殖户不单养狗防盗，还要在池塘旁边搭建茅屋日夜看守，特别在寒冷与风雨天气，十分艰苦。ATS 模块可以将智能控制系统从市电电源自动换接至备用发电机电源，以确保增氧机等养殖设备连续、可靠运行。ATS 模块具备电气联锁、切换延时与市电优先功能。切换延时功能可保证电源转换时电参数的稳定性，防止电源短路；市电优先功能，保证供电时，即使在发电机组供电状态的任何时候，只要市电恢复正常，也立刻切换至市电供电。其电气原理如图2 所示。

图2 ATS 模块电气原理

本系统的ATS 模块可搭配市面上大多数的发电机（只需具备电气启动的功能），并在此基础上，增设自动、远程总控。自动模式时，利用远程开关单元实现手机总控。启用ATS 功能时，即继电器KA3 线圈上电，发电机电气启动的常开触点闭合；反之断开，屏蔽ATS功能。手动操作时，按下原有的手动开关（SB1）即可启动发电机。

KA1 是某品牌型号为H3Y-2H 的时间继电器，由一对瞬时开关与一对延时开关组合。模块工作过程：市电正常，线圈KA1 上电，KA1 的瞬时常开开关使发电机启动线路断开，发电机为待机状态。KA1 的延时常开触点经过5 s 左右闭合，接入系统带动负载；当市电出现故障时，KA1 失电，瞬时常开开关闭合，发电机立即启动，KA2 的常开触点经过5 s 左右延时，使负载切换至发电机；当市电恢复时，KA1 上电，发电机停止，KA2 断电，负载切换回市电，发电机组自动停机。

2.3 pH 测控模块

加强水质调控是水产养殖的关键。根据《渔业水质标准》[4]，最佳养殖水质的pH 值是7.5～8.5。当水质pH值小于6.5 时，鱼类呼吸困难、饲料消化率低，生长放缓；当pH 值高于9 时，水质呈强碱性，严重时可致鱼类死亡。养殖户须经常巡塘观察，定期监测，做好换水工作。当pH 异常时，根据情况，投放适量生石灰或明矾粉进行pH 修正。特别遇到夜间大雨，雨水流入及周边有机物被冲刷进池塘，短时间就可改变水质，更需养殖户迅速应对。因此，有效监测水质pH 值变化，及时通知养殖户，并实施有效修正手段，对保障水产养殖具有积极意义。

结合科学养殖知识与经验，开发pH 测控模块，控制流程如图3 所示。当pH 检测数据异常时，通过远程开关单元，立刻报送给养殖户手机。

图3 控制流程

生石灰、明矾与EM 菌的投放可利用市面上现有的远程鱼料投放器，只需配备Wi-Fi 信号，即可实现远程操作。利用远程开关单元的定时功能，可实现自动定时换水功能（先排水，后进水）。pH 检测采用带高/低限输出的传感器，当pH 大于9 时，H1 闭合，远程开关单元检测到电信号，手机报警。在防错模式下，即KA6 断开时，明矾粉末投放机必须在H1 闭合时，电源才可通电，允许工作，目的是防止生石灰和明矾的错误使用。如无需该功能，切换回手动模式，接通KA5、KA6 即可，生石灰与明矾的投放设备不受pH 监测影响。电气原理图如图4 所示，关键电气部件控制如表1 所示。

表1 电气部件对应控制设备

图4 pH 检测模块电气原理图

2.4 饲料抛投控制模块

饲料的喂养量与喂养次数需根据水产品成长阶段进行调整，定时与适量投放至关重要。根据走访可知，饲料商一般会免费赠送饲料抛投机供养殖户使用。但是，设备使用率极低，主要原因是:该设备没有定时、定量运行等重要功能，必须手动启停；出于私心，供应商为了更快消耗饲料，设备投料量大、速度快，不符合科学养殖要求。

本系统的饲料投放控制模块针对现有的饲料投喂设备缺点，结合远程开关单元的定时功能与变频器的调速作用，对投料机可实施定时运行、自动操作。能大大减轻劳动强度，切实解决养殖户无人守值下的饲料投放问题。鱼塘要做到饲料投喂全覆盖，一般需要多台设备在不同地点进行抛投，如每台投喂设备都需要独立的变频器进行驱动，将大大增加设备投入成本。本模块设计一台变频器轮流控制多台饲料抛投设备，电气原理图如图5 所示。变频器SFW 为正转启停信号，RL/RH 是高、低速设定，对应成长期与成熟期不同的饲料投喂量。利用远程开关单元的定时功能，依次接通KA11、KA12、KA13，以90 s 为一工作周期，每台饲料机依次接入变频器，工作时长为15 s，时间流程如表2所示。

表2 工作时间流程

图5 饲料模块电气原理图

3 结语

本文研发的智能控制系统，借助市面上现有的技术成熟的控制部件进行整合优化，可兼容养殖户原有的设备，如监控摄像头、发电机、水泵、增氧机等，大大降低设备投入费用。另外，系统运行维护费用极低，其中4G 通信单元为各智能部件的远程控制提供Wi-Fi 信号，流量卡如使用60 G/年的4G 流量包年套餐，年费不到百元，比起当前农村养殖户使用手机报警业务，费用更低，功能更强大、完善，极大利于市场推广。