基于物联网的水产养殖池塘智能管控系统设计

李新成，林德峰，王胜涛，员玉良

（青岛农业大学机电工程学院，山东 青岛 266109）

国务院《关于加快推进水产养殖业绿色发展的若干意见》指出，我国水产养殖业存在养殖环境不达标、养殖布局和产业结构不合理等问题，应加快推进水产养殖业绿色发展，促进产业转型升级。水产生态养殖、绿色科学养殖及水质管控，对推进水产养殖业的供给侧结构改革具有重要的意义[1]。因此，有必要管控养殖池塘环境以确保水质健康，提高养殖池塘水质质量，促进水产养殖业绿色发展[2]。

世界自动化渔业设备已出现多年，我国设备先进程度和操作人员技术水平都有提高余地[3,4]。1980年日本世界首个自动化鲑鱼养殖场出现，此养殖场采用摄像机与旋转投饵装置。德国使用自动连续水产养殖系统，特别是各种高效水净化装置，养殖密度可达100kg/m3。美国的鱼类人工繁殖和幼苗培育也已实现了工业化，养殖场的大部分工作可由计算机自动控制。丹麦一个2000m3的虹鳟养殖场年产量不低于42t，但只需一人即可完成管理。

影响水产养殖生产的因素有很多，传统经验难以复制先进的水产养殖模式，更无法实现精细水产养殖。目前，水产养殖环境的监测和控制大多由人工完成，经验性强，实时性差，无法保证及时有效管控池塘环境。物联网技术发展迅速，为渔业的转型提供了强有力的技术支撑。水产养殖与物联网技术的整合将是我国渔业转型升级的关键之一[5-9]。

本研究提出一种以物联网技术为基础，单片机为控制核心，集云计算、水质传感检测以及无线网络等技术于一体的水产养殖池塘智能管控系统[8]。该系统对养殖生产过程中的水体温度、pH、盐度、溶解氧和氨氮含量等水质指标实时监控与处理，上位机、下位机与App 三者配合对池塘渔业进行全方位、自动化、智能化、移动式管控，实现水产养殖池塘全天24h 的监控与管理[10-12]。

1 系统概述

1.1 系统总体设计

本系统主要由下位机、上位机以及App 三部分组成。下位机包括主控CPU、传感器模块、无线通信模块、电源模块与电气设备模块等，实现数据的采集、发送以及下发指令的执行；上位机署于Windows系统的阿里云服务器，主要对下位机上传的数据进行存储、判断与下发控制下位机的指令；App 运行于Android 操作平台，主要进行数据的实时显示与过往数据追溯以及发出控制下位机设备的指令。系统组成示意如图1 所示。

1.2 系统下位机设计

系统下位机完成水质参数的采集、处理、上传及控制各种执行机构的启停。水质参数主要由温度传感器、pH 传感器、盐度传感器、溶解氧传感器与氨氮传感器等采集完成；数据经无线通信模块上传；执行机构主要包括投饵机、水泵与增氧泵（图2）。

1.2.1 主控CPU

考虑到传感器种类及数量较多，CPU 要具有较高的数据处理能力与较快的运行速度；主控CPU 还需承担上位机指令的解析与手机模块大量的数据交换工作，所以系统采用意法半导体（ST）公司出品的STM32F103ZET6 单片机作为主控CPU。该单片机性价比高，运算能力强，符合本系统的需求。

1.2.2 传感器模块

传感器模块主要测量养殖池水体的温度、pH、浊度、盐度、溶解氧与氨氮含量等水质参数，以此判断养殖池塘水质是否达标。当参数超过了设置阈值的正常范围，上位机会发出警告，并发送指令至下位机执行相应操作。为了使测得的水产养殖池溏水质参数更准确，根据国标《渔业水质标准》（标准号GB11607-89），比较了同类传感器的多种型号，最终选择了以下六种传感器。与国内外的同类传感器相比，该传感器可靠性高，稳定性和重复性好。传感器的具体信息如表1 所示。

表1 传感器信息Tab.1 Information on the sensors used in the system

系统目前只采用了温度传感器、pH 传感器与浊度传感器。其中pH 传感器的电路原理如图3 所示。

1.2.3 无线通信模块

多数水产养殖池塘远离居民区，网络还未达到全面普及，本系统选择2G 空中网络作为下位机与上位机通信的方案。SIM800A 的工作频率分为GSM与GPRS 两种，性能稳定，外观小巧，故选用SIM800A手机模块作为通讯的硬件设备。

1.2.4 电气设备控制

系统下位机的电气设备主要有三种，分别为增氧机、投饵机与水泵，均为220V 供电，由继电器控制电器设备的开关。当收到上位机或者App 发送的指令，下位机控制相应电气设备开关。

1.2.5 系统供电电路

系统的稳定运行需要安全稳定的电源，本系统需要的电源电压为+3.3V、+5.0V、+12.0V 和交流220V。根据系统的设计需求，采用220V 市电供电，利用开关电源提供+5V 供电，LM2596 稳压电源模块为系统提供+3.3V 电压，XL6009 升压模块可将+5V 升至+12.0V 电压。

1.3 系统上位机设计

上位机是整个系统的数据中枢，负责将系统各个部分有机地串联到一起，其功能主要分为参数设置、数据通信、判断、存储、实时显示以及指令生成等部分。上位机软件使用C++语言在Qt Creater 平台进行开发。程序运行流程图如图4 所示。

上位机数据处理包括三部分：上位机对下位机上传数据的处理，对App 请求数据的处理以及转发App 给下位机的指令。数据处理所需的阈值可通过界面中的警报参数设置功能进行设置。

1.4 系统App 设计

用Android App 查看养殖池水质参数，并实现手机控制电气设备。Android App 的运行平台为安卓智能手机，主要完成下位机的远程控制、数据的实时浏览以及过往数据追溯等功能[13-16]，运行流程如图5 所示。

2 结果与分析

本系统选用40cm×40cm×50cm 的鱼缸模拟水产养殖池塘环境，在实验室进行了大量的模拟实验。为使实验变量唯一，在鱼缸的一侧标定了放置传感器的位置，将所有的传感器定点放置（图6）。

2.1 通信模块测试

首先调试下位机的手机模块。经过测试，水质参数的上传成功率为100%。由于实验在室内进行，手机模块2G 网络延时在300ms 左右，加上下位机的数据处理时间，传输耗时不超过800ms，上位机发出相应指令控制电气设备开关或者查看水质参数约1s。

2.2 传感器模块测试

温度传感器采用DS18B20，精度可达±0.5℃。将水银温度计插入水中。结果表明两者测量结果在误差允许范围之内。调试过程中发现，pH 传感器受温度影响较为微弱，测试环境稳定时，pH 基本不变。为了证明pH 传感器的测量灵敏，精度较高，从实验结果中选取10 组数据，水质参数趋势如图7所示。

由图7 可知，池塘模拟环境温度稳定不变，第四组数据的pH 和浊度突然增加，是此时加入了少量含有酵母粉的弱碱性鱼饵。

2.3 电气设备测试

增氧机、投饵机与水泵等电气设备接收到相应的指令后均能正常工作。测试中设备运行24h 发现，期间有两次下位机与上位机断开连接的情况，但能自动及时恢复连接。主要是因为程序内加入了手机模块连接状态判断：当手机模块串口收到数据发送失败的指令后会重新初始化手机模块进行连接，不影响系统的运行。笔者判断两次断开连接的原因可能是2G 信号变弱导致。

2.4 Android App 测试

经测试表明，Android App 可以在任何时间连接阿里云服务器对下位机进行控制和模拟养殖池塘水质参数的查看。手机App 的工作界面如图8 所示。

2.5 上位机测试

上位机部署于阿里云服务器，测试结果显示，上位机工作正常，可以在任何时间查看模拟养殖池水质参数，控制、接收下位机电气设备，并执行手机App 的指令。上位机工作界面如图9 所示。

综上所述，所研制的基于物联网的水产养殖池塘智能管控系统上位机、下位机及Android App 三个部分均能正常工作，且运行稳定。

3 结论

基于物联网技术的水产养殖池智能管控系统，分别开发了上位机、下位机及Android App，实现了养殖池塘水质的24h 不间断调控与远程控制。具体包括以下几项工作：

（1）完成了一台性能稳定的下位机，可用来检测与调控水质的温度、pH 和浊度等参数；

（2）完成了Android App 程序的编写，可进行简单的数据查看与指令发送；

（3）完成了作为数据中转与数据判断的上位机，可保证三者有机的结合。

模拟试验显示，该系统运行稳定、可靠性高、响应速度快，对后续现场试验积累了经验，奠定了技术基础，具有一定的现实意义。