基于物联网的螃蟹养殖基地监控系统设计及应用

刘雨青，李佳佳，曹守启，邢博闻

（上海海洋大学工程学院，上海 201306）

0 引 言

多年来，中国的水产行业由于生产周期长，效率低，劳动强度大等现状严重制约了其健康发展。但是随着中国水产品消费者的日益增长，以及对水产品要求的不断提高，传统的养殖方式越来越不能满足大众的需求。与此同时，物联网这一技术的发展对传统的水产养殖方式带来了革命性的改变，根据调查结果显示，使用物联网技术养殖的水产品品质大大优于粗放式养殖的水产品，同时有效地节约了成本，使渔民增产增收[1]。

对于河蟹养殖来说，不仅范围广，而且河蟹商品在市场上的占有量也在迅速加大，养殖户遍及各地，已初步具有一定的产业形态[2]。但在河蟹的养殖和成长中，也表露出一些有待处理的问题，大多数的养殖户普遍倾向于传统的方法养殖河蟹，水质环境的监测普遍采用人工采样、化学分析的方法，操作耗时，精确度不高、实时性不好，仪器仪表维护困难，以至于最后取得的经济效益并不理想[3]。

针对以上问题，学者们做了很多相关的研究，取得了一些成果。如李慧等设计了基于物联网的安卓平台水产养殖远程监控系统，实现了对于水中传感器数据的远程监测，具有很高的性价比[4]；颜波等将 RFID（radio frequency identification）与无线传感网技术相结合应用到水产养殖领域，提出了基于RFID与无线传感网络的水产品智能化养殖监控系统的架构及应用实施方案[5]；刘星桥等，通过物联网和 GIS技术的融合，实现了水质环境的远程无线测控和区域化水产养殖管理，大大推进水产养殖智能化、自动化系统建设的发展，适应水产养殖的需要[6]；钟兴等基于 ZigBee无线传感网络设计了水产养殖智能监控系统，可实时养殖水环境参数监测预警和自动调节，并针对增氧泵工作的滞后性和非线性的难题，设计了Mamdani控制器[7]。

以上各项研究均对水产养殖起到了积极促进作用，但是所涉及的范围与参数不完全，如对于养殖作物的影响因素不仅仅在于水中的环境，也包括水上和局部气象环境；所应用的技术相对老旧，如ZigBee虽然具有组网特性，但是其传输数据速度慢，并且通信距离较短。本文针对蟹种的养殖过程，基于物联网的系统架构设计了一套全方位的监测与控制系统，以嵌入式与PLC相结合作为控制核心，采用WIFI组网方式将各个子系统连接，可实现对水质、气象、视频数据的监测；对增氧机与投料机设备的控制；以及用户通过APP和网站的方式浏览数据和控制设备。本系统将所有的监测数据保存至数据库，为进一步建立养殖专家知识库和智能养殖系统示范提供科学依据。

1 系统方案设计

整个系统架构由感知层、传输层和应用层组成，即物联网的标准体系架构，如图 1所示。各个层之间通过广域的互联网相互连接，形成从蟹塘养殖基地信息的采集、传输到信息的处理、计算再到用户对信息的获取、控制的一站式服务体系[8]。

1）感知层：由传感器及外围的传感网组成，通过无线组网的方式将水质监测子系统、气象站子系统、视频监测子系统、智能控制子系统连接于一体；

2）传输层：主要由接入网和传输网组成，目的是将感知层所获得的数据进行长距离传输。接入网由运营商的光纤接入，传输网由公网和专网组成。

3）应用层：由远程服务中心，用户以及中间链路部分组成。服务中心的主要功能为：监测数据入口、WEB网站入口、手机APP数据入口、数据分析等，为下属用户提供移动端和PC端的服务。

图1 基于物联网的螃蟹养殖系统整体架构Fig.1 System architecture of crab farming based on internet of things

2 各子系统设计

本系统内各个子系统通过无线组网技术与养殖基地的AP基站相连，各子系统包括无线传输模块、嵌入式控制器和下端传感器。该系统以养殖基地 5个养殖塘作为试验对象，整个养殖基地布放设备如表1所示。

2.1 水质监测子系统

本系统安装有5套水质传感器系统，每套包括温度、溶解氧、pH值3个传感器，分别布置在养殖中心的5个养殖塘中，为实现全天候的水质监测提供数据支持。本系统的优点在于：放弃使用以往ZigBee和Lora的传输方式，无需加入网关，采用WIFI组网，接入AP基站，使数据通过互联网直达服务器，各套水质监测系统相对独立，在此后的测试和维护方面更加方便。

2.1.1 硬件设计

本系统水质监测部分所采用的核心控制芯片为STC15F2K60S2，具有大容量2 048字节片内RAM，增强型8 051内核（STC Y5），速度比传统8 051快7～12倍，双串口/UART，2个完全独立的高速异步串行通信端口[9-10]，整个系统电路原理图如图2所示。供电电源为12 V的电源适配器，经过LM1117-5V稳压芯片产生5 V的电源给单片机及ESP8266 WIFI模块供电，单片机通过串口U1与WIFI模块通信，串口U2通过RS485模块与传感器通信[11-12]。

首先通过AT指令对ESP8266模块进行配置，设置波特率9 600 bps，8位数据位，1位停止位，无校验，工作模式为station；其次将其连入养殖中心的AP基站，最后将透传模式及建立的TCP/IP连接均保存在Flash user parameter区，保证系统下次上电自动建立TCP/IP连接并进入数据透传[13]。

表1 设备布放列表Table 1 Device layout list

图2 水质监测系统电路原理图Fig.2 Circuit diagram of water quality monitoring

传感器采用烟台凯米斯仪器有限公司的RDO-206溶解氧传感器（含有温度数据），精度为 0.001 mg/L；PHG-202PH传感器（含有温度数据），精度为0.01。这两种传感器均采用RS-485（Modbus/RTU）通讯协议，默认波特率9 600 bps，1个起始位，8个数据位，无校验，1个停止位。供电电压为12 V，所有传感器的A、B端与RS485modul的A、B端相接[14]。

2.1.2 软件设计

水质监测子系统基于嵌入式的框架设计完成，通过KEIL软件作为程序开发的集成编译环境[15]，主要的程序流程如图3所示。

1）定时器中断：由于传感器的采集周期为 1 min，芯片STC15FK60S2的定时器的最大值也达不到1 min，因此本系统中采用50 ms定时器中断，并设置定时器标志位[16]；

2）传感器数据读取：通过串口2中断将传感器回传的数据进行解析[17]，如果服从协议，则将传感器数据保存至相应的变量中；

查询pH传感器数据的发送命令为：06 03 00 00 00 04 45 BE，第1个字节表示设备地址；第2个字节表示功能码；第3和第4个字节表示读取寄存器的起始地址；第5和第6个字节表示要读取的寄存器数量；后2个字节表示CRC校验码。传感器返回数据为：06 03 08 03 0A 00 02 01 01 00 01 8D 8A，第1个字节表示设备地址；第2个字节表示功能码；第3个字节表示返回数据的字节数；第4和第5个字节表示pH值数据；第6和第7个字节表示pH值数据小数位个数；第8和第9个字节表示温度数据；第10和第11个字节表示温度数据小数位个数；后2个字节表示CRC校验码。数据解析为：03 0A为pH值读数，转换为十进制为778，00 02表示pH值带2位小数，因此pH值读数为7.78；01 01为16进制温度读数，转换为十进制为257，00 01表示温度数值带1位小数，因此温度读数为25.7 ℃。

图3 水质监测系统程序流程图Fig.3 Program flow chart of the water quality monitoring system

查询溶解氧传感器数据的发送命令为：01 03 26 00 00 04 4F 41，第1个字节表示设备地址；第2个字节表示功能码；第3和第4个字节表示读取寄存器的起始地址；第5和第6个字节表示要读取的寄存器数量；后2个字节表示CRC校验码。传感器返回数据为：01 03 08 00 00 8D 41 00 00 8D 41 12 65，第1个字节表示设备地址；第2个字节表示功能码；第3个字节表示返回数据的字节数；第 4、5、6、7字节表示温度数据；第 8、9、10、11字节表示溶解氧数据；后2个字节表示CRC校验码。数据解析为：溶解氧值为00 00 8D 41，由于为小端存储模式，因此溶解氧值为41 8D 00 00。单精度浮点型在内存以32位二进制形式存在：第1位为符号位，第2-9位为阶码位，第10-32位为2进制小数位值，根据转换规则[18]41 8D 00 00转为浮点数为 17.625，溶解氧值为 17.625mg/L。

3）传感器数据发送：每进入一次定时器中断，定时器标志位增加1，20次循环后，满足1 min定时，对传感器进行数据读取，并由串口 1通过 ESP8266模块采取TCP/IP协议发送至已知的服务器端口，数据格式为json格式[19]：{"Cat":"Crab","Num":001,"O2":17.625,"Tem":17.625,"Ph":7.78}，Num为蟹塘编号，O2为溶解氧，Tem为温度，Ph为pH值，当服务端收到数据后，自动在数据末尾加入时间戳，调试与安装图如图4所示。

2.2 气象站子系统

气象站子系统的主要功能为监测养殖基地的局部气象环境，采用建大仁科 RS-QXZ的气象站传感器硬件，由温度、湿度、风向、风速、气压、雨量、光照传感器组成，均采用RS485通讯方式，本系统核心控制芯片为STC15FK60S2，采集周期为 1 min，数据整合后，通过ESP8266模块发送至服务器端口，其数据格式为：{"Cat":"Env","At":18.67,"Rh":37.80,"Al":16850,"Ap":103.0 7,"As":1.87,"Ax":1,"Ay":0.0}，当服务端收到数据后，自动在数据末尾加入时间戳。数据解析如表2所示。

图4 水质监测系统调试与安装图Fig.4 Debugging and installation diagram of water quality monitoring system

表2 气象站数据解析表Table 2 Weather station data analysis table

2.3 视频系统

由于养殖基地面积大，开放式养殖，场内场外人员结构复杂，依靠仅有的生产人员很难做到安全防范工作。采用型号为DS-2DC7520IW-A的海康威视球机，将其在场内不同位置布设，实现全天24 h实时监控，工作人员在控制室就能随时监控整个养殖场内的情况，提高养殖场昼夜安全和防范资产被盗，方便管理。

除了安装有安防摄像头，系统配备水上和水下高清摄像头，机芯选用海康DS-2CC11A7P-A，可全方位观测螃蟹活动情况、饵料剩余、水质环境变化等信息，不仅可以实现水产养殖全程的可视化，还可及时调整养殖政策，且视频数据可通过云储存、传输，便于远程管理。

所有摄像头的接口为标准的RJ45接口，通过网线接入网络交换机，再由交换机接入无线硬盘录像机，无线录像机接入AP基站，借助萤石云平台，即可实现本地局域网访问，又可实现远程访问[20]，实际部署图如图5所示。

2.4 智能控制子系统

在养殖的过程中，增氧机与投料机是维持蟹种正常生长的必需设备，增氧机为叶轮式增氧机（YL-1.5），投料机为全自动喷射式投料机（STLD-600），本系统采用PLC对两种设备进行控制，同时PLC经过RS485转串口模块与ESP8266（设置方式与水质监测系统相同）相连，达到远程控制的目的。

2.4.1 PLC系统设计

本系统选用西门子 S7 CPU224XP AC /DC/RLY型PLC，它集成了14路开关量输入和10路继电器输出，配有2路模拟量输入和1路模拟量输出，具有2个RS485通信接口，支持 PPI，ModBus，MPI通信协议和自由方式通信[21-22]。

图5 摄像头和气象站部署图Fig.5 Deployment diagram of camera and weather station

系统使用PLC的PORT0通信口完成控制器与远程的通信，输出端口Q0.0控制投料机。使用对应的开关量输入I0.0监测投料机运行状态；使用第二组继电器Q0.4控制叶轮式增氧机，并使用对应的开关量输入I0.4，监测增氧机运行状态，系统投料机和增氧机的接线图如图 6所示。增氧机采用380 V三相交流电机，投料机采用220V交流电机。QS为电源断路器开关，FR为热继电器保护装置，FU为熔断器，KM为交流接触器，KM′为常开主触点，KM*为常开辅助触点，SB为闸刀开关。其工作原理为：闭合断路器QS/QS1，通过SB1/SB2选择手动控制还是智能控制方式，开关合下，表示手动控制，线圈KM1/KM2 通电，主触点 KM1′/KM2′闭合，增氧机/投料机开始工作，同时状态触点KM1*/KM2*闭合；闭合断路器QS/QS1，SB1/SB2不闭合，表示智能控制，当收到远程开启指令时，PLC输出端Q0.4/Q0.0继电器动作，线圈KM1/KM2通电，主触点KM1′/KM2′闭合，增氧机投料机开始工作，同时状态触点 KM1*/KM2*闭合，通过查询I0.0/I0.4的状态得到增氧机和投料机的工作状态。

图6 增氧机、投料机与PLC接线图Fig.6 Wiring diagram of aerator, feeder and PLC

2.4.2 增氧机与投料机远程控制

PLC经过 RS485转串口模块与 ESP8266相连，ESP8266接入基地的AP基站，开启了远程和下端连接链路。远程指令分为远程控制指令和远程查询指令。远程控制指令包括6个字节，如：00 01 01 00 00 05，第1个字节表示设备类型，若为00，表示增氧机，若为01，表示投料机；第2个字节01表示此指令为远程控制指令；第3个字节表示设备编号；第4个字节表示所要控制设备的状态，若为00，表示停止，若为01，表示开启；第5个和第6个字节表示设备开启时长，单位为min，若第4个字节为00，第5个和第6个字节失效。远程查询指令包括6个字节，如：00 00 01 00 00 00，第1个字节表示设备类型，若为00，表示增氧机，若为01，表示投料机；第二个字节00表示此指令为远程查询指令；后3个字节都为00，为扩展字节，无实际意义。当PLC收到远程查询指令后，回复5个字节，如：00 01 00 00 05，第1个字节表示设备类型，若为00，表示增氧机，若为01表示投料机；第2个字节表示机器编号；第3个字节表示设备工作状态，00为停止，01为开启；后2个字节表示设备剩余工作时长。

如要控制1号增氧机工作60 min，2号投料机工作30 min，指令分别为00 01 01 01 00 3C和01 01 02 01 00 1E，同时PLC返回的数据分别为00 01 01 00 3C和01 02 01 00 1E，经过10 min后，查询其工作状态的指令分别为：00 00 01 00 00 00和01 00 02 00 00 00，PLC返回的数据分别为00 01 01 00 32和01 02 01 00 14，表示增氧机还要继续工作50 min，投料机要继续工作20 min。

3 服务端系统框架

服务器是整个系统的核心组成部分，安装为 Linux的发型版本CentOS系统[23]，整体架构如图7所示，后台服务中心主要有：

1）监测设备接入API程序：主要用于获取和控制各种传感器、视频等监控设备上传的信息并存入 MYSQL数据库中。开发工具为IntelliJ IDEA，开发语言为Java，采用Netty高并发框架，利用maven进行构建Jar包，部署在CentOS服务器上[24-25]；

2）后台管理信息API程序：主要提供给PC端浏览器上访问提供接口。开发工具为IntelliJ IDEA，使用Java语言开发，采用SpringMVC框架。使用Mybatis框架实现对数据库表的操作[26]；

3）PC端访问页面主要使用html、css、js开发，开发工具为IntelliJ IDEA，主要提供给用户对于基本信息的增、删、改、查的维护[27]；

4）设计了基于Android系统的APP软件，可以查看池塘温度、溶解氧等参数，可以实时查看池塘实时监控视频，并可以远程控制智能设备。开发工具为 Android studio，开发语言为Java，构建工具为Gradle；与服务端通过Http协议进行通信，格式为Json[28]；

5）养殖基地的气象数据，水质数据和智能设备的工作状态数据使用json格式协议与远程服务中心进行通信，并在CentOS服务器上开启TCP通信端口进行监听[29]；

6）实时视频播放通过集成萤石云Android SDK进行二次开发[30-32]；

7）整个平台的数据库使用MYSQL数据库。

图7 服务器总体框架图Fig.7 Server’s overall framework

4 试验与结果分析

本系统于2016年12月29日正式应用于上海海洋大学崇明蟹种养殖基地，截止到目前已经正常工作超过 18个月。以下将分别对其通信稳定性、数据准确性和Android客户端进行测试。

4.1 通信稳定性测试

一次完整的通信是从下端传感器数据读取，经过中间网络传输，最终到达系统服务器的过程。水质数据与气象数据每隔1 min向服务端上报一次，选取从2017年3月1日到2017年10月15日共计230 d的数据作为样本进行测试。每个池塘应向服务器上报水质数据331 200条，气象站应上报331 200条。将服务器上MYSQL数据库的日志进行读取，分析出如表3所示的结果。

表3 数据丢失率分布Table 3 Distribution of data loss rate

测试结果表明，本系统数据通信平均失败率为1.8%，成功率在98%以上，稳定性良好。

4.2 数据准确性测试

采用哈希公司进口的工业级别标准在线溶氧仪和pH测试仪作为比较对象，于2017年8月13日进行测试，在一天24 h内，每隔1 min采集13号池塘的溶解氧、温度和pH值，共1 440条数据；同时读取本系统对应池塘的水质数据，由于有数据丢失，数据库中含有1 386条数据。为使试验结果具有准确性，根据实际养殖经验，将测试仪的传感器和本系统传感器放在池塘中的同一位置（池塘中心水下40 cm）介于有草区和无草区之间[33]。以时间为横坐标，水质数据为纵坐标，将每两个小时内数据的平均值作为一个数据点，并将所得数据点进行拟合，绘制出如图8所示的对比图。

图8 溶解氧、水温、pH值数据对比Fig.8 Comparison of dissolved oxygen, water temperature and pH value data

通过对以上试验结果进行分析，与标准水质测量仪的测试结果进行对比，本系统溶解氧平均相对测量误差为±0.016 mg/L，温度为±0.031 ℃，pH值为±0.023，数据正确率较高。

4.3 移动端APP应用测试

本系统开发了安卓手机端APP应用，主要功能包括：实时视频查看、养殖塘水质监测、养殖设备控制和基地气象查询4个功能，下面分别对其功能进行测试。

1）实时视频查看：在主界面输入正确的用户名和密码后，将进入视频的小图预览模式，如图9a所示，可以查看养殖基地的布防摄像头视频，养殖塘视频和水下视频，点击其中任一小图，将进入实时视频模式，支持截图和录像以及回放功能；

图9 移动端APP测试界面图9 Mobile terminal APP test interface

2）养殖塘水质环境监测：显示各个养殖塘的最新更新的温度和时间信息，如图9b所示。对于任一养殖塘，通过池塘的溶解氧、pH值和温度详细曲线图，可实时显示一天内各参数的变化趋势，查看具体数据信息，并可设置各参数的最高最低报警值，同时界面下方显示出这一池塘位置、面积、养殖对象、生长周期、投喂饲料和增氧机工作状态信息；

3）养殖设备控制：可通过此前功能界面（见图9c）改变增氧机的工作状态，也可根据溶氧传感器检测数据进行自动控制；

4）基地气象监测：可显示基地气象站的局部气象信息和崇明岛的大范围气象信息，如图9d所示。

5 结 论

本文设计了一套基于物联网技术的螃蟹养殖监测系统。该系统根据服务层，应用层和执行层三层体系结构，分别设计了水质监测系统，气象站系统，视频监控系统以及智能控制系统。整套系统的底层采用嵌入式单片机与PLC相结合的方式，通过ESP8266无线模块进行组网，并设计开发了手机 APP，使系统具备远程监控功能。整个系统通信成功率为 98%以上，溶解氧平均相对测量误差为±0.016 mg/L，温度为±0.031 ℃，pH值为±0.023。

该系统在上海海洋大学崇明蟹种养殖基地进行测试，整个系统运行稳定、智能化程度高，可以节约人力、减少浪费，既实用又经济。作为现代化水产养殖的示范，该系统可为养殖户的生产经营提供科学指导，推动水产养殖的品牌建设，在工厂化水产养殖、育苗和网箱养殖等领域的进一步推广和应用中，为建设全产业链大数据平台提供数据支撑和服务。

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