智慧生态水质pH值监测系统模型的设计与实现

陈淑娴，何文斌，张妥香，黄琦增

（广西农业职业技术大学，广西 南宁530007）

1 设计背景

在中国的国民产业中，水产养殖业占据着重要的地位，它不仅可以繁荣农村经济，同时也为保护生态环境维持生态和谐发挥着重要的作用。在农业水产养殖中，鱼苗的孵化、生长、培育都离不开水，因此水质是重要的环境要素之一。它的好坏决定了生态系统的稳定与否。适宜的生存环境和条件是水产品生产的基础，不仅能有效缩短生物的养殖周期，还能减少养殖成本，从而获得更大的经济利益[1]。

然而，以中国目前的渔业行情来看，对于一般的水产养殖户来说，主要的水产养殖方式仍然以经验判断和决策为主，即通过观察水的颜色、浑浊程度、散发的气味以及测量的水温来判断水质的好坏[2]。如若养殖户对水体的参数或环境的判断存在偏差，或是不能及时洞悉水质的变化规律，将会影响作物的生长效率，严重的甚至会造成疾病频发，导致资源的浪费和巨大的经济损失。因此，对水质参数的实时有效监测尤为重要，亟需使智能化和信息化的养殖方式取代传统的养殖模式，使其成为水产业发展的主要方向。

近年来，随着乡镇振兴战略的大力开展以及国家对于农业信息化现代化建设的高度重视，物联网技术逐步走进农业生产的各个环节，物联网技术的不断发展也为水产养殖水质的在线监测提供了很大的帮助。为此，本文将基于物联网技术的应用，研究设计一款智能生态水质pH值监测系统的简易模型，为助力乡村振兴建设，提高农业生产的时效性，改善养殖农户的工作方式提供建议。

2 设计任务

针对国内外水质pH值监测系统未来的发展趋势，本设计根据要实现的功能和要求，主要需完成如下工作内容：①传感检测搭建。根据水质监测系统的实际需求，利用无线传感技术，完成传感器元件选型，实现对水质pH值参数的采集和监测。②硬件设计和制作。对该系统中涉及到的电源、物联网控制器、传感元件等硬件设备进行电路设计、实物组装调试。③软件功能和组网设置。通过传感检测设备、物联网控制器与手机APP的无线通讯连接，实现水质数据资源实时共享和用户在线查看，同时包含非常态自动报警设计、手机远程遥控功能和水体自动调节功能。

3 物联网技术简介

3.1 物联网的技术定义

本设计内容是基于物联网技术的应用之一。物联网，英文简称IOT（Internet Of Things）。2005年，国际电信联盟组织在发布的报告中，正式给出了“物联网”的概念和涵义，即物联网是通过二维码识读设备、射频识别（RFID）装置、红外感应器、全球定位系统等信息传感设备，按照约定的协议，把任何物品与互联网相连接，进行信息交换和通信，以实现智能化识别、定位、跟踪、监控和管理的一种网络[3]。

3.2 物联网的层级架构

在人体系统结构中，五官接收外界信息，神经系统传递信息至大脑，由大脑分析后发出相应的指令，来驱使人们完成相应的动作。物联网系统其实与人体结构相似，也包含了信息感知、信息传递、信息应用3个层级。由于物体本身不具备与人相同的感官能力，这就需要借助外部的传感器设备来进行信息的采集和识读。通过在物体上放置不同种类的传感器节点，则赋予了物体不同类型的感官。例如，光敏传感器可识别光线，等同于人类的视觉；声敏传感器可识别环境声音，等同于人类的听觉等。通过互联网把这些大数据传输至相应的应用设备，通过能力超级强大的中心计算机群，对其中的人、机器、设备进行处理。这就实现人类与物理系统的整合与交流。因此，一个完整的物联网体系，可以划分为感知层、网络层和应用层3个层级[3]。物联网的层级结构如图1所示，这3个层级形成了目前正普遍使用的基本架构。物联网技术现已广泛应用于生活生产建设各个领域。

图1 物联网体系结构

3.3 物联网技术在农业中的应用

随着电子信息技术的不断发展，信息化技术在农业方面的应用也越来越受到广泛重视。为了解决农业生产过程当中的效率低下、利用率低、信息化和产业化能力不足等问题，智慧农业技术的理念应运而生。智慧农业的发展离不开物联网技术的应用。通过物联网中的各类传感器等，广泛地采集农业生产养殖运输过程中的信息，信息经处理后利用网络传输通道进行可靠传输，最终控制各项终端，实现农业生产过程中的智能化管理过程。目前，物联网在农业中的应用包含了大田种植、果园种植、农产品物流、畜禽养殖、温室种植、农产品安全溯源等方面。

4 整体设计方案

4.1 整体结构方案

智慧生态水质pH值监测系统通过传感器对水质pH值进行采集，并通过网络进行上传至智能控制终端，从而实现对养殖水质的监控和管理。在物联网技术的控制下，当pH值高于或低于正常值时，及时通过智能手机将报警信息通知相关人员，并且自动开启水泵装置进行加水调节，它同样也具备物联网的3层体系架构：感知层、网络层和应用层[4]。在感知层，对鱼塘pH值进行实时全面采集与监测；在网络层，通过移动通信网络传输方式对信息进行传输与汇集；在应用层，则是对采集到的信息进行处理，对水泵等设备进行调节管控，在用户端实现水质的综合管理[5]。系统架构如图2所示。

图2 系统架构

经过分析，可知该系统各层级所对应的具体设备如表1所示。

表1 监测系统主要设备表

4.2 整体设计思路

该设计实施采用的思路如图3所示，首先是软件功能的设计与验证，通过在物联网设计平台上进行检测系统的搭建进行该系统的验证，而后对系统所需的硬件进行安装，并实现网络数据连接，最终对产品的功能进行调试验证可行性[6-7]。

图3 设计思路

5 系统设计过程

5.1 设计工具简介

本次系统模型设计采用的辅助工具是机智云物联网开发平台。该平台是由机智云物联网公司面向广大用户推出的零门槛自助式开发平台。通过使用平台提供的工具，则可快速实现物联网平台产品的设计开发、搭建、调试等服务，帮助使用者更快的进行学习的同时，降低了开发的成本，提高开发的速度。

5.2 产品设计过程

为了更好地验证该智慧水质pH值监测系统的可行性，需通过“机智云”物联网开发平台进行产品的搭建和虚拟验证。具体的设计步骤如下所示。

5.2.1 注册并登录“机智云”平台

首先，登录“机智云”官方网络平台，进入个人开发者中心进行账号的注册并登录，如图4所示。

图4 “机智云”网页登录界面

5.2.2 创建设计产品

登录网页后则开始进行产品的创建。在产品创建界面，需要定义产品的分类、名称以及使用的网络技术方案等。产品的分类选择“农林业生态”下方的“农业检测”条目，并将产品名称定义“智慧生态水质pH值监测系统”，技术方案选择“移动网络方案”，即可完成产品创建。“机智云”创建产品界面如图5所示。

图5 “机智云”创建产品界面

5.2.3 创建设备功能

完成产品的创建后，接着进入数据点的创建界面，进行设备功能的创建。在该页面中，需要依次创建该系统具备的功能，例如读取pH值参数、报警功能验证等。具体的操作步骤为：点击“新建数据点”，并输入相应的信息。“机智云”创建设备功能界面如图6所示，pH值参数名称设为pH_DATE，读写类型为只读型，数据类型为数值型，数据范围是0～14；报警参数名称设为alarm，读写类型为报警，数据类型为布尔型。

图6 “机智云”创建设备功能界面

5.2.4 系统功能验证

最终是所创建产品的功能验证。即先通过手机下载机智云APP，并将手机与前述所创建的虚拟设备进行连接，即通过手机扫描界面提供的虚拟设备二维码实现绑定。接着再通过在电脑界面上拖动条模拟pH值为7.8，并将alarm（报警）设为1，点击推送，检验手机PP是否实时接收，用以验证产品的功能[8]。“机智云”网页功能验证界面如图7所示，“机智云”APP接收界面如图8所示。

图7 “机智云”网页功能验证界面

图8 “机智云”APP接收界面

6 系统安装与调试

根据上一章节在“机智云”平台的设计验证结果，可进行硬件的组装与调试。

6.1 硬件组装及组网设置

6.1.1 系统硬件搭建

将电源线、pH值传感器、水泵组件、蜂鸣器等连接至物联网控制器，将系统上电运行，并确保接线正确和运行正常。安装接线图9所示，安装实物如图10所示[9-10]。

图9 系统安装接线示意图

图10 安装实物图

6.1.2 手机APP获取

下载与物联网控制器相配套的手机APP，并完成手机APP账号注册及登录。

6.1.3 系统网络连接

登录手机APP，在“添加设备”界面扫码设置，实现手机APP与物联网控制器的网络连接与绑定，并在手机界面设置添加对应的传感器型号，实现手机界面对传感器采集参数的实时显示和监测。添加传感器设备界面如图11所示。

图11 添加传感器设备界面

6.2 系统运行调试

6.2.1 pH值矫正

在对该系统进行功能验证之前，首先需要进行pH值矫正，即通过使用标准酸碱溶液试剂（pH=4、pH=7、pH=9.18）对pH值测量值进行误差矫正，调整手机APP显示的pH值与标准试剂实际pH值相符，确保手机显示无偏差。标准酸碱溶液试剂如图12所示。

图12 标准酸碱溶液试剂

6.2.2 报警功能调试

根据鱼塘养殖的水质pH值要求为7～8.5，将手机上的pH值正常范围设置在此区间。验证当pH值超出此范围时，是否即可发出报警通知。pH值范围设置如图13所示。

图13 pH值范围设置

6.2.3 水质自动调节功能调试

利用酸性溶液模拟酸雨进行添加，验证当水质pH值低于7时，控制器可发送指令驱使水泵启停，实现对鱼塘水质的自动调节效果。

6.2.4 手机远程控制功能测试

将手机带至室外，通过APP上的控制按钮对水泵的开关进行远程控制调节，验证远程通信控制功能的可行性。

6.2.5 运行结果反馈

通过对上述各项功能进行一一验证，结果反馈，当在正常范围的水池里滴入酸性试剂使得水质的pH值低于7或是滴入碱性试剂使得pH值高于8.5时，报警蜂鸣器可即刻响起，且同时发送报警信息至手机APP，并能自动启动水泵加水以调节水质。当pH值恢复至正常值范围后，水泵自动停止加水。在加水的过程中，也可通过手机APP远程遥控水泵的启停实现智能化控制。

7 结语

该设计模型通过手机实现对水体环境数据的监测和调控，将物联网技术与农业生产相结合，测试功能良好，除此之外采用移动通信网络技术可实现无线传输，具有功耗低、无需布线、传输速率高、健康安全等特点。但该设计仅针对水产养殖中pH值一项参数进行监控。其实水产养殖中还涉及溶解氧、水温等多项系数的监测，后续希望对该设计系统加以完善，提升其功能性并加以推广。