基于Modbus RTU的深海网箱养殖远程监控系统

文｜付晓月 黄大志 杨菲菲 王晴 陈慕瑞

为解决传统网箱养殖自动化程度低，养殖现场需人工长期驻守的问题，设计了一种基于Modbus RTU的深海网箱养殖远程监控系统。该系统的水质传感器可以采集深海网箱内海水的pH、溶解氧、电导率和温度值等水质参数，监控摄像头用来获取水面环境信息，并基于Modbus RTU通信将深海网箱养殖现场采集的水质参数和图像信息实时传输到远程监控界面，实现远程电脑端或手机端的实时监控。测试结果显示，该远程监控系统功耗较低且运行稳定，此外，该系统可以远程接收控制指令从而实现深海网箱养殖的设备供氧。

一、引言

深海网箱养殖作为一种新型的渔业养殖方式，在渔业生产中发挥的作用越来越显著。深海网箱一般布放在离岸数千米，水深15～40m的海域，远离沿岸使得深水网箱养殖具有水体交换好、养殖容量大、集约化程度高等优势，但同时也带来了一系列新的挑战：恶劣的天气条件和多变的海洋环境威胁到水产养殖系统的安全及运行。依靠人工现场进行安全监测，成本高、难度大，因此根据深海网箱所处环境条件的特殊性，构建配套的网箱养殖远程监控系统显得至关重要。

本研究提出了一种基于Modbus RTU的深海网箱养殖远程监控系统，将深海网箱养殖现场采集的pH、溶解氧、电导率和温度值等水质参数和监控摄像机拍摄的图像信息实时传输至远程监控界面，方便用户实时地查看水质数据。

二、系统总体设计

深海网箱养殖远程监控系统主要由网箱监控设备、服务器和客户端三部分组成，其总体设计方案如图1所示。

图1 系统总体结构图

网箱监控设备放置于养殖网箱上，该设备负责完成网箱养殖区域水质数据的监测、数据信息的无线传输和监控摄像机的电源控制等工作，在获取到水质数据后，每隔固定时间通过Modbus RTU将数据上传至服务器；监控摄像机负责采集养殖区域周围的实时画面，将视频信息上传至服务器；监控平台则负责接收养殖现场的监控信息，通过登录手机端或电脑端查看养殖区域的水质数据、网箱位置和实时监控画面等，便于用户随时随地查看当前养殖区域的监控信息。

三、系统硬件设计

系统硬件组成如图2所示，主要包括RTU处理模块、视频监控模块、电源模块和水质采集模块。RTU处理模块负责完成对各模块的控制、信息处理和无线通信等任务；水质采集模块采集养殖现场的pH、溶解氧、电导率和温度值等水质参数；电源模块的目的是实现整个监控系统的设备供电，采用太阳能电池板输出的12V直流电供电。

图2 终端硬件组成框图

四、系统软件设计

系统软件由Modbus RTU通信协议、系统界面设计、手机端或电脑端三部分组成。硬件终端主要完成数据的采集和转发工作，用户先将采集的数据信息写入服务器，接着将数据信息转发到监控终端，实现监控数据的实时传输。

（一） Modbus RTU通信协议

该系统采用Modbus RTU通信协议，通过将现场采集的水质参数和图像信息传输到服务器，同时该系统可以远程接收控制指令从而实现深海网箱养殖的设备供氧。默认通讯数据格式为：波特率9600bps、8个数据位、1个起始位、1个停止位、无校验（9600、n、8、1）。

（二）系统界面设计

设置名字为海洋牧场，选择协议为Modbus RTU，添加增氧机和水质传感器等设备。将增氧机设置为开关型，连接DO口，其他设置为数值型。根据分辨率设置小数，如温度传感器为一位小数，pH值和溶解氧为两位小数，如图3所示。

图3 增氧机和传感器配置

寄存器配置：输入地址，温度传感器01、温度传感器02、pH传感器03、电导率传感器04和溶解氧传感器06；网络控制器读取数据，选择功能码03；寄存器地址为0x0000，偏置是寄存器地址转成十进制加1，测量周期是每分钟测1次，为了后面能够超长待机可选择10min一次或者15min一次，如图4所示。

图4 寄存器配置

（三）电脑端/手机端界面设计

深海网箱养殖远程监控系统通过设置各传感器、增氧机和寄存器来监测固定水域的pH值、电导率、溶解氧、水温，通过监控摄像头在室内观测鱼类的状态，然后人工通过电脑控制供养，观测数据，如图5所示。

图5 电脑端显示各水质传感器

手机端通过登录小程序，进入页面底端“数据”界面，此页面显示用户的设备监测情况，点击PH、电导率、溶解氧、温度选项，会出现各水质参数的实时变化曲线以及各采集时间点采集到的数据，如图6所示。

图6 手机端显示各水质传感器

五、系统测试

为了验证监控系统运行的可靠性，试验借助海洋工程技术研究中心的海洋工程水池造波机，长75m、宽25m、深0.5m，多次对深海网箱养殖现场进行监测，获取水质环境的温度、pH、溶解氧、电导率等水质参数，并将数据实时反馈给养殖人员，本系统也可以自动生成各类参数的报表，方便工作人员计算和观测。试验结果显示，摄像头水下和水上均能够正常运行，没有任何问题，清晰度也可以。水质传感器工作正常，监测系统工作正常，信号传输稳定，采集数据可信。pH传感器变化差最大为0.05pH、电导率为10μS/cm、溶解氧为0.46mg/L，温度为0.6℃，这些误差都在其温补变化范围内，稳定程度良好。

六、结论

本文设计实现了一种基于Modbus RTU的深海网箱养殖远程监控系统，硬件部分主要包括电源模块、RTU处理模块、水质数据采集模块和视频监控模块，软件部分基于Modbus协议的RTU实现电脑端或者手机端对养殖现场的实时监控数据的查看。并经实验测试，该系统能够长期稳定运行、系统功耗低、操作简便、可靠性高，能够实现远程监控养殖现场，大幅提升了养殖过程的自动化、智能化程度，有较好的应用价值。