基于云服务的水产养殖水质监测系统

覃伟锋，郝文杰，莫胜胜，龙应萍，蔡世媚，范嘉晨

（1.广西师范大学电子工程学院，广西桂林，541004；2.广西师范大学经济管理学院，广西桂林，541004）

0 引言

十四五规划中提出，要进一步提高农业质量效益和竞争力，强化农业科技和装备支撑，建设智慧农业。其中水产养殖在我国农业生产中占有重要的地位，水产养殖对水中的各项参数指标要求很严格，而水中所含物质的监测又较为困难，由此现阶段对淡水鱼监控系统的研究成为重要课题之一。当前水质监测站监测、无线遥感监测、无线传感器网络监测水质参数的实现多采用现场人工检测、分析，而实施人工检测，对工作人员要求严格、技术实现复杂、实时性差。另外，大多数监测系统只能实现本地数据采集、存储，对用户而言无法实现远程实时的一体化监测、显示，而且通常这类设备工作环境要求严格、造价昂贵、功耗高，传感器需要采用特定传感器，特定传感器兼容性差、大规模部署困难、更换麻烦，而且更无法远程控制监测设备工作状态、无法根据实际需要更新节点设备MCU处理器固件[1]。推动水产养殖监测技术信息化、数字化、智慧化，是推动水产养殖优质、高效、安全、环保目标的重要手段[2-3]。基于物联网技术的水体环境在线实时监测系统已有不少研究者讨论，刘传领等设计了包括数据采集模块、通信接口电路、控制核心、LoRa 无线发送模块、远程LoRa无线接收模块和上位机端可视化平台为一体的方案[4]。但当前所设计的方案仍存在成本高等问题，本文所设计的系统进一步发展了LoRa的相关研究，能够高效处理监测数据、提高信息传递效率以及提高对监测数据的综合利用，实现水质监测的自动化、智能化、网络化，降低水质监测成本，本文的研究成果能为理论及实践应用提供一定的借鉴。

1 总体方案设计

本文所设计的水质检测系统，包括无线网络连接的一组水质参数采集节点单元、数据收集网关单元和云服务器单元。水质参数采集节点单元采用LoRa无线时分多址（TDMA）通信技术，将采集到的水质信息传输至网关单元，网关将各节点的数据发送给GSM通信模块，GSM通信模块进而将各个节点的水质信息传给寄存器，经过加密后上传到云服务中心；管理人员在具备网络连接的电脑上登录网站即可以在网站查看各个区域的水质信息，包括常规的PH值、温度、溶解氧、氮含量、电导率和浊度等，系统方案如图1所示。

图1 水质检测系统结构图

2 硬件电路设计

本系统涉及硬件应用的主要有水质参数采集节点单元、数据收集网关单元。

■2.1 水质参数采集节点单元

节点MCU模块为新唐高速1T 8051 单片机系列产品N76E003，N76E003芯片内部时钟工作频率可达 16 MHz,具备18 KB 可编程Flash ROM、可配置Data Flash与高容量1 KB SRAM，支持在线系统更新ISP、IAP，内置两个可灵活配置的全双工多功能UART，节点MCU模块通过串口转485模块读取和设置水质传感器的数据，节点MCU模块根据传感器协议对数据进行解析，在收到网关第二433M无线通信模块发送的查询指令时将数据通过第一433M无线通信模块上报给网关，节点MCU模块也对来自网关单元的其他指令进行解析，若为控制继电器指令则控制继电器工作状态，若为升级固件指令则进入升级状态等待接收升级数据直到升级完成，节点单元和网关单元的通信依靠第一、第二433MHz无线通信模块完成。节点单元结构框图如图2所示。

■2.2 数据收集网关单元

网关MCU模块为意法半导体生产的STM32F103C8T6，STM32F103C8T6是一款基于ARM Cortex-M内核STM32系列的32位的微控制器，72MHz的工作频率，64 KB的可编程Flash存储器和高达20 KB的SRAM，内置三个可灵活配置的全双工多功能UART，两路SPI通信，具备DMA高速传输，12位ADC采样、外部IO中断检测等常用外设。

图2 节点单元结构框图

图3 网关单元结构框图

在网关单元，网关MCU模块通过第二433MHz无线通信模块，定时对各个节点发送查询指令，各节点根据指令里的地址ID和节点保存的地址是否为一致，若一致则将数据上报给网关，否则不做任何处理。在一定时间内网关单元轮询完所有节点单元后，将所有节点单元的数据按照协议进行重新整理，然后通过GPRS模块利用网络主动将数据发送到云服务器。此外，网关单元通过GPRS模块接收到云服务器的指令后，会判断是网关单元数据还是节点单元数据，若为网关单元数据则在网关单元处理，网关单元对云服务器指令解析，若为设置报警值指令则重新保存设置的报警值，若为升级网关MCU模块固件指令则进入升级状态等待接收升级数据直到升级完成；若为节点单元数据，则通过网关单元的第二433MHz无线通信模块将数据转发到节点单元。网关单元结构框图如图3所示。

图5 网关MCU主程序工作流程图

3 软件设计

本系统设计的难点在于节点、网关、服务器各个单元内部对数据的处理以及单元与单元之间数据的传输。节点、网关MCU主程序工作流程图分别如图4、图5所示。

4 系统整体联调

当软件与硬件部分调试完成后，需要进行联合调试，防止软件的适配错误。该测试需要PH控制器、电源、万用表和示波器等仪器仪表。使用万用表测试在发现系统运行失败的情况下，各模块是否出现短路、短路、虚接等情况。在确保各模块正常工作的前提下，检查网关、服务器、节点之间连接的稳定性。由于该过程是匹配程序，因此需对照原理图和程序接口定义同时检查，防止输出输入不对应。最后，要检查程序编写是否符合设计要求，通过PH控制器，与节点采集到的PH数据提供对照，检测系统的误差。

5 结果与结论

用该系统采集PH标准样液，将获得的数据与样液相比，PH采集数据误差<0.1。设备设计小巧灵活，便于安装和大规模部署；整套设备一体化设计，从数据采集到实时显示给用户、从远程对设备进行控制的一站式服务，大大降低了成本和维护费用；可广泛应用于水产养殖、污水处理、自来水厂、海洋环境监测、农业水质监测等，通用性强。