基于云平台的渔业养殖投喂与监测装置设计与实现

陈蔚然，张华珺，潘 博

（皖西学院电气与光电工程学院，安徽 六安 237000）

引言

随着国家政策的鼓励与支持以及渔业养殖具有的良好利润前景，越来越多的人选择进入渔业养殖这一行业。但事实上我国淡水鱼产业一直处于散点发展状态，是产业秩序混乱，缺乏产业组织，缺乏产业发展，进而缺乏产业竞争力的弱质产业。面对当前鱼类的养殖，出现养殖品种质量下降、养殖捕捞产量降低、养殖收益较低等问题。水产养殖过程中，饲料投喂是主要工作之一，投饲技术的发展对提高产业的生产效率具有重要作用。早期人力成本相对较低，养殖业采用传统粗放式的管理模式，主要依赖人工投喂，效率低。随着养殖业的发展，养殖规模增大，人力成本越来越高，人工投喂逐渐不能满足生产需要[1]。同时，良好的水质对鱼类的养殖起着决定性作用，不同的鱼类有不同的水质要求，在适合的水质中饲养合适的鱼才可将养殖户的利益最大化。有效调节水质可在一定程度上保证水产品养殖数量和养殖质量[2]。因此，本文对一种基于云平台的渔业养殖投喂与监测装置做出了相关研究和设计。物联网（Internet of Thing）技术是互联网的重要部分，现代生活诸多场景都运用物联网技术。物联网中的深度学习研究主要应用在人工智能、技术与管理和流媒体领域。由此可以看出，根据需求推动发展，对基于信息技术发展智能化、信息化要求较高的领域是物联网中的深度学习相关研究的推动者和成果应用者[3]。其应用已延伸到生活的各个方面，在现代的物联网控制应用当中，主要强调的是智能监管[4]。该设计基于云平台现有的表达方式和运算的规律，完成互联网与机器的相应连接，将传感器检测的各类数据通过MQTT 协议上传至云端服务器，云端解析后传输到用户的手机APP 中，实现远程读取水质数据，远程控制饲料投喂等操作。

1 系统整体方案设计

1.1 系统组成

本产品的系统包括一个上位机监控和一个控制终端，上位机监控指用户手机APP 中对饲料的定量投喂设置以及对鱼类养殖环境的监测，控制终端主要分为饲料分料系统、饲料投喂系统、水质监测系统、控制系统4大部分。系统组成结构见图1。上位机与控制终端的连接为通过物联网MQTT通信协议在用户手机间发送和接收相关信息，将水质、温度等信息反馈给用户。控制分料的步进电机由Arduino板与驱动模块对其进行控制与设定，ESP8266 连接WiFi来接收相关消息，通过串口输出的高低电平给予继电器来控制风机的启动与关闭以此控制饲料的投喂。利用风机将通过管道与分料系统分料的定量饲料抛洒至池塘。

1.2 系统工作原理

基于云平台的渔业养殖投喂与监测装置接入云平台，由用户设定数值，投料装置开始工作。分料装置分料，落入风送装置中，利用风送装置将饲料从管道中抛出，饲料投喂完成后，传感器通过互联网将数据反馈至用户手机APP 客户端。同样，水质检测功能也通过云平台进行，通过用户在手机APP 中设置水温阈值和水浑浊度阈值进行实现，阈值设置之后机器对应的水温模块与水浑浊度模块开始工作，模块对鱼塘水质进行相应的阈值判断，系统判断是否超过阈值，若未超过阈值，则水质安全，继续工作，若超过阈值，模块将数据反馈到用户手机APP 客户端。用户还可自行设置未来水温与水浑浊度的阈值，此功能利于帮助用户改变鱼类养殖环境，使养殖环境更加适合所养殖鱼类。

1.3 操作可行性分析

系统控制流程见图2。

饲料投喂量（S）=鱼种放养量（W）×净增重量倍数（E）×饲料系数（R）。

本团队测得全价配合饲料的饲料系数（R）为2～2.5，对于混合饲料的饲料系数（R）为3～3.5。鱼种净增重量倍数（E）为4～5。

饲料投喂量（S）=鱼种放养量（W）×3.25（E）×2.75（R）（不同放养量结果会有差异）

对于送料装置，外部外圈直径（D）：22 cm ；内部内圈直径(r）：3 cm ；装置高（H）：10 cm。

饲料投喂量（S）=1/6×［（D/2）2-（r/2）2］×π×H=220 cm3。由上计算可得：机器饲料投喂量为220cm3，一般鱼种放养的投喂量的范围为218.2 cm3～223.3 cm3之间，因此由上述计算可得，该机器饲料投喂量符合一般鱼类饲料投喂量要求。

1.4 技术难点

（1） Arduino的精准性不足。由于Arduino是基础的单片机智能控制系统，对信号的接收和发送会有较大的局限性，因此无法准确地测量鱼塘的水质和水温，出现一定的误差。（2）饲料的精准定量。用户利用手机APP 通过物联网对ESP8266 进行通信传递，使机器接收到ESP8266 所发出的信号，继而启动分料装置和吹料装置。在此过程中可能会因为分料装置的阻塞卡顿致使无法吹出定量饲料，从而影响鱼的摄食。（3） 浊度传感器与温度传感器灵敏度的调节。户外池塘的环境变化较大，传感器因部分其它因素的干扰导致监测不灵敏，监测数据有误差。

2 系统硬件设计

整体硬件结构可分为环境监控和养殖管理两大环节[5]。本设计的动力来源为外部供电，机械结构主要分为3 个部分，上部的储料装置、中部的分料装置和底部的吹料装置。

风送式饲料投喂装置是产品主要的装置之一，主要由鼓风机启动后产生的强大风力将管道中的鱼饲料吹出，达到播撒的目的。分料装置——步进电机，以分料转盘中心为轴承固定于光杆上，转盘外部连接惰轮。利用惰轮上的传送带连接步进电机上的小惰轮，完成步进电机对分料转盘的运行与控制。风送式饲料投喂的方式类似于人工抛洒饲料方式，其本质都是利用“力”将饲料抛洒出去。用户可以将一天甚至多天的投喂量全部投入储料装置，饲料从中部的分料装置因重力落入下方的投喂管道。在投喂管道的末端存在有220 V 5 A的鼓风机，当机器启动，中部分料装置的饲料落入底部管道，5 v 的Arduino 板将信号传递给分料电机，ESP8266利用所得的高低电平信号来控制继电器，Arduino 将接收到的信号传递至驱动器，驱动器对分料电机进行控制饲料的定量下落，并使继电器对主要大型部件220 V 鼓风机进行定时开启与关闭指令的执行，控制鼓风机启动。装置整体建模，见图3。

3 系统监测界面设计

该设计利用ESP8266 芯片连接Wi-Fi 接入阿里云平台，完成互联网与机器的连接。ESP8266-WiFi 无线模块将控制信号传输到继电器中，继电器对位于风送装置的鼓风机进行控制，之后由Arduino对分料驱动器进行控制，使分料电机进行转动，从而根据用户的需求进行调节，以此达到饲料定量投喂的目的。同时，为提高机器的使用寿命，用户可通过手机APP 自行设定本产品启动与关闭的时间段，以此来减少产品在不需要投喂饲料时或在待机状态下所造成额外的能源损耗，提高电源的使用时间，同时降低电源过度使用所增加的用户自身养殖的成本。

水质监测功能同样利用云平台进行，通过用户在手机APP 中设置水温阈值和水浑浊度阈值实现，阈值设置之后机器相应的水温模块和水浑浊度模块开始工作，模块对鱼塘水质进行相应的阈值判断，系统判断是否超过阈值，若未超过阈值，则水质安全，继续工作，若超过阈值，模块将数据反馈至用户手机APP 客户端，见图4。

4 系统组装与调试

4.1 系统硬件部分组装

本研究所述产品的实物见图5、图6。

4.2 程序部分调试

软件部分主要利用所编写的语言程序来配合相应的硬件电路，控制所设计电路实现所预期的功能。Arduino单片机的程序可使用C 语言，也可使用汇编语言，或二者的结合，本设计使用C 语言编写程序实现单片机对ESP8266 和步进电机的控制功能。

为应对程序控制过多的硬件造成的系统不稳定，我们采用ESP8266 对Arduino 进行控制，以此控制步进电机的驱动，利用两部分控制可增加系统的稳定性，同时可降低控制的延迟，加强饲料投喂数量的精确控制。为实现饲料投喂的智能控制，本团队增加了水温的阈值设定。当水温低于设定的阈值，即停止饲料的投喂，并通过移动端向用户发送信息。

在本团队的测试实验中，发现系统的数据对速度有所限定，有短时间延迟，因此本团队增加刷新控制，用户只需点击即可完成刷新指令的实行，快速完成数据的刷新，查看实时的数据信息。同时本团队留有足够的控制引脚满足机器功能的开发，为面对不同的情况实现不同的功能留有足够的功能选项，可根据用户是否需要来决定是否启用上述功能。我们在移动端留有debug窗口，可对命令的实行情况及工作信息有所了解，实现对系统的有效调试，满足系统调试的需要。

5 结论

本研究所述产品整体结构设计合理，易于上手操作，人机交互性强，用户只需将机器带到指定工作地点即可运行工作。对饲料的投喂及鱼塘水质的监测有精确的把控，节约人力物力，在一定程度上为智慧渔业的发展提供动力。