养殖池水环境监控系统设计

付 兰，赵希珍，张冬香，薛小松

（江苏农林职业技术学院，江苏 句容 212400）

0 引言

水产养殖承担了部分食品安全的重任，确保养殖户能有稳定、可靠的水产养殖收益是我国水产养殖行业能平稳发展的关键[1]。在水产养殖行业中， 越来越多的养殖户采用养殖池的形式进行养殖， 这就对池中的水质监测提出了较高的要求。由于养殖环境采用饵料投喂且存在养殖对象自身代谢，所以水中会产生大量的NH4-N和BOD，同时伴随DO 降低，这些变化都不利于养殖对象生长[2]。而当前池塘养殖集约化发展程度较低，相关配套设施比较匮乏。因此，实时水质监控对养殖池养殖尤为重要，普通水质监控系统存在难以解决长距离通信、维护困难以及能源匮乏等问题。

国内外企业已经设计了多款水质监控系统，这些系统主要利用ZigBee网络、LoRa网络进行区域内的短距离通信[3]，系统基于传统的单片机或ARM板进行开发，通过普通的显示屏显示测试结果。但农户在使用过程中均存在以下问题：系统专业性强，需要专业技术人员安装与维护，造成使用成本增加；系统可靠性低，参数误差大；可视性不强，农户不易理解。这些问题导致产品推广难度大，农户使用意愿低[4]。

1 设计目标

一是将传感器端采集的数据，通过CC2530芯片利用ZigBee协议将监测到的养殖池的水环境参数（温度等），水质参数（溶氧度、PH值、氨氮浓度等）数据汇总到ZigBee协调器；二是协调器通过485总线将数据汇总到布置在养殖池边的网关，网关配备上位机可以在池边直接查看水质环境监测结果；三是网关利用4G/5G信号接入云平台，实现远程互联网登录查看实时监测数据。

ZigBee节点具有成本低、功耗低、能够自组网、布置方便的优点，适用于户外环境，且维护方便。数据汇总后采用可靠性强的485总线，将接线方式设计成可以直接插拔的形式，方便用户使用，维护过程中可以直接采用插拔的方式进行替代更换。

2 系统整体架构

图1 系统整体架构图

系统整体架构包括四部分，感知端各类水质监测传感器，传送信号的ZigBee节点（CC2530），网关设备以及远程监测的云平台和终端。

传感器检测到水质参数信号通过有线方式传递给ZigBee节点，ZigBee节点以无线通信方式将信号汇聚到协调器，ZigBee协调器接收到网络中的数据包自动识别参数类别然后传送给网关，网关集成了上位机软件以及传送数据到云平台的功能。

2.1 系统感知层设计

由于传感器传递的是模拟信号，所以系统采用485接线方式，并将接线设计成直接插拔的形式， 便于用户直接插拔使用，降低维护和保养难度，养殖户可以自行更换维护设备，降低使用成本。

为了降低节点能耗，系统设计每间隔5分钟采样一组数据。由于传感器探头属于敏感元器件，长时间使用为降低检测数据的准确率，所以养殖池中的传感器需周期性取出进行清洁维护，周期一般为每两周维护一次。

图2 传感器与ZigBee节点连接方式

2.2 系统网络层设计

养殖池水环境监控系统中混合采用了485通信方式、ZigBee无线通信方式、4G通信方式、Internet通信方式，由于通信协议的不同，所以需要使用不同的协议转换器，如485转ZigBee模块， ZigBee转4G模块等。

485有线方式传输传感器检测到的模拟信号， ZigBee传输用于解决水池中布线困难的问题，节点采用干电池供电，4G通信模块解决了户外连接互联网的问题。

数据采集模块在获取水质传感器检测到的数据前会进行初步整理与处理，然后再进行传送，提高能量使用效率，避免网络中出现大量冗余数据。

2.3 系统应用层设计

网关设备上位机集成了嵌入式设备，设备包括微控制器（STM32）、MCGS显示触摸设备、4G/5G通信模块。

控制核心选用STM32微功耗控制器，该控制器处理能力强、运算速度快、易开发，能满足本系统使用。现场采集的水质参数以图形方式显示在NCGS显示屏幕上，便于养殖户随时查看。通信模块将数据上传至云平台数据库。远程用户可通过手机APP、PC等设备随时查看。云平台还将对数据进行处理，当监测的的水质参数出现异常时，将通过应用层发出报警信号，提示养殖户作出处理，调控水质，确保养殖安全，增产增效。

图3 系统网关连接方式

3 软件设计

本文设计的系统云平台使用阿里云，并进行微信小程序开发。所开发的微信小程序能将传感器检测到的数据显示在移动端，主要包括检测到的水质基本信息，数据安全临界值，历史状态等。同时可以进行阈值更改设计，可以人为设置阈值范围，当监测到的数据超过阈值范围时，设置了短信报警提醒，故障设备自动显示数据异常。

4 结束语

本系统设计针对养殖户对养殖池水环境监测实际需求，从维护方便、使用成本低等方便进行设计。采用简单的热插拔方式进行设计，养殖户不依赖于专业技术人员即可完成对损坏设备的更新与维护，方便使用。有效提高了养殖池水产养殖日常管理效率，降低了设备使用成本，提高收益。