基于多参数传感器的克氏原螯虾养殖水质监测系统

陈小琳，刘乃森，尹思慧，黄鸿兵，刘慧，张文宇，曹静*

（1.江苏省农业科学院农业信息研究所，江苏 南京 210014；2.淮阴师范学院，江苏 淮安 223300；3.江苏省淡水水产研究所，江苏南京 210017；4.仲恺农业工程学院农业与生物学院，广东 广州 510225；5.淮安生物工程高等职业学校，江苏 淮安 223232）

小龙虾（Procambarus clarkii）是甲壳纲、十足目、螯虾科水生动物。也称克氏原螯虾、红螯虾和淡水小龙虾，为淡水经济虾类。具有肉质鲜美、杂食性、生长速度快、繁殖和适应能力强、养殖周期短、投入成本低等特点[1]，迅速成为我国重要的水产经济动物。然而，因受外界环境[2]、高密度养殖等因素影响，养殖水质的变化直接影响了小龙虾的生长和收获时间，从而影响小龙虾产量、品质和养殖户的收益[3]。因此，需要准确、快速、实时地监测养殖小龙虾的水质，及时采取措施对水质进行调控。

传统的水质监测方法主要依赖于人工实地取样、实验室分析测试，费时费力，时效性差，影响水质调控效果，不能满足目前健康养殖的需求。目前，随着信息技术的不断发展，水产养殖水质监测已由人工监测阶段发展到了自动监测阶段。国内外专家学者针对水产养殖环境监测系统进行了大量研究[4-8]。江先亮[9]等基于无人船，设计了一种水产养殖水质动态监测系统，改进了监测覆盖范围小和监测网络部署不灵活的问题；Stavrakidis-Zachou 等[10]设计了一套用于模拟气候状况对水产养殖影响的决策系统，对养殖户的生产提供了帮助；钱平等[11]设计了一种基于窄带物联网养殖远程水质监测系统，实现了远程数据采集、水质监测和管理功能。目前的水产养殖水质监测系统各具特点，但或多或少存在布设传感器种类繁多、需要定期人工清洗或更换电池、监测位置不灵活、部署成本偏高、操作烦琐、无法实现远程实时一体化监测等问题。现设计了一种自带清洁功能的水质监测系统，监测位置灵活、方便部署、操作简便，利用太阳能供电，能远程实时监测溶解氧、pH 值、氧化还原电位（ORP）、电导率/盐度、氨氮、浊度6 个参数，方便养殖户对养殖水质实时、高效、准确把握，为水质调控和小龙虾养殖生产管理提供技术支撑。

1 系统整体架构

基于多参数传感器的克氏原螯虾养殖水质监测系统主要由感知层、传输层以及应用层组成。

感知层利用多种水质参数传感器对养殖水体进行监测，传输层将感知层采集到的水质数据，通过相应传输协议传输给应用层，应用层将感知层采集到的数据进行整合分析，呈现给养殖户，便于养殖户进行相关的操作。

监测系统可以通过接收指令采集水质数据，也可定时采集数据。监测系统使用NB-IOT 模块与外界通信，用户可通过网站或手机发送采集指令。当NB-IOT 模块接收到外界信息后，控制模块对信息进行解码、校验，确定为采集指令后，控制传感器采集水质数据，将数据编码后通过NB-IOT模块发送给到服务器，服务器会将数据推送给养殖户的手机APP。系统由太阳能供电。系统架构见图1。

图1 系统架构

2 硬件设计

2.1 硬件电路

水质数据采集模块包括水温传感器、溶解氧传感器、pH 值传感器、氨氮传感器、电导率传感器、自动清洗器以及MSP430G2553 微控制器、RS232/RS485 转换使用芯片MAX3160。MSP430G2553 微控制器与其他部件的通信使用RS232，因RS232 的通信距离较近，所以水质参数传感器使用RS485 通信，系统中RS232 与RS485 通信由相关芯片负责转换，系统使用太阳能板和储能电池为采集供电。MSP430G2553 微控制器使用RS232 与通信模块传输信息，通信模块使用Modbus/RTU 通讯协议与外界通信。系统的硬件电路设计见图2。

图2 硬件电路

MSP430G2553 微控制器中写有控制软件，软件的工作流程见图3。软件实现了2 种数据采集模式，分别为定时采集和指令采集，系统可同时工作在定时模式和指令模式，也可单独工作于其中一种模式。当工作在定时采集模式时，软件会启动定时器，当定时时间到，控制设备自动清洗传感器，随后依次采集水温、溶解氧、pH 值、氨氮和电导率等数据，采集完成后对数据编码并向外发送，等待下一次定时时间到。当系统接收到信息后，对信息校验、解码，如果为采集指令，则控制传感器采集水质数据，如果不是有效的采集指令，则无动作执行。

图3 硬件嵌入式程序的工作流程

2.2 机械结构设计

机械结构包括浮体、支架、太阳能板、仪表盒，主要机械结构见图4。浮体的密度小，浮力大，为其他机械部件提供支撑。支架由多个部件组装而成，部件间多以长条形的滑孔配合螺丝固定，该设计可兼容安装不同尺寸的太阳能板、仪表盒。太阳能板安装在支架的上表面，储能电池以及控制电路安装于仪表盒内，仪表盒的安装位置在太阳能板的正下方，太阳能板可为仪表盒遮光，避免了阳光直射，使得仪表盒内的温度略低于气温，同时该安装位置也了方便了检修维护。支架的立柱共有4 个，其中两个立柱上设置有挂载传感器的固定孔，这两个立柱在浮体上处于对称位置，保证了挂载传感器后整个设备的重心在浮体中心的正下方，以维持设备在水面漂浮时的稳定性。立柱上固定孔有3 个，位于不同的高度，可方便的调整传感器在水中的深度。

图4 主要机械结构设计

3 软件设计

传感器采集到的数据，由环境传感数据可视化系统（ESDVS）V1.0（以下简称为可视化系统）进行存储。可视化系统要求计算机处理器主频1 GHz 以上，内存需4 G 以上，硬盘可用空间2 G 以上；需要有Microsoft Windows 7/8/8.1/10，Microsoft Server 2008/2008 R2/2012/2012 R2/2016/2019 等操作系统，装有NET Framework 4.8。

可视化系统主服务通过监听90 端口，实时获取环境传感器通过TCP 协议发回的数据流。服务程序会以纯文本格式，按精确到10-7s 的时间戳为文件名，存储在Temp 文件夹下。服务会将日志存储于ServiceLog.txt 文件内。备份服务与主原理相同，但仅在监测到离线的情况下接收数据并存储。

3.1 浏览概览

输入设置的网址，概览页即显示在浏览器中，见图5。用户可在概览页中查看目前环境感知传感器个数、布设的试验点数目、目前服务器状况、本日、本月和总数据量。在传感器列表中，可浏览传感器所在试验点、接入日期和目前状态。点击传感器编号或试验点名称，即可导航到对应传感器或试验点。

图5 概览页面

3.2 浏览试验点

在概览页点击试验点名称或任意页面，点击左侧导航栏中试验点节点，即可展开所有试验点，点击任意试验点可查看试验点名称、经纬度、建立时间、试验点布设的所有传感器编号、接入日期和当前状态。点击传感器编号可导航到传感器页面（图6）。

图6 试验点页面

3.3 浏览传感器

在概览页点击传感器编号或任意页面，点击左侧导航栏中传感器节点，即可展开所有传感器，点击任意传感器可查看传感器所在试验点、安装时间、目前状态和24 h 内空气温湿度、土壤温度和含水量、照度和二氧化碳、大气压等环境数据图。点击传感器编号可导航到传感器页面（图7）。

图7 传感器页面

3.4 手机界面

为了能随时随地查看相关信息，同时开发了手机端，可以直观地查看所测量的数据，并简单地做出判断。手机端界面见图8。

图8 环境感知数据可视化系统手机端

4 系统应用

该系统于2022 年9 月—5 日，在江苏省淡水水产研究所浦口以及扬中基地，进行了示范与应用。结果表明，能够满足实际使用需求。

5 讨论

基于多参数传感器的克氏原螯虾养殖水质监测系统，在养殖基地进行了示范应用，结果表明，远程实时监测的数据变化趋势与实际变化趋势一致，能满足对养殖水质实时、高质量和准确的把握，为水质调控和克氏原螯虾养殖生产管理提供了技术支撑。

该系统利用浮漂装置，在上面搭载太阳能，有效解决了监测位置不灵活、部署成本偏高、需要更换电池等问题。同时多参数水质传感器上还配备了自动清洗装置，可以设定自动清洗间隔时间和自动清洗圈数，以适应不同清洁程度的水体。自动清洗装置可以有效清洁传感器表面，防止微生物附着，减少了维护成本。除此之外，前端的传感器保护罩用来保护内部传感器避免损坏，保护罩四周开有槽孔，可以有效预防大的悬浮颗粒和生物对传感器探头的破坏，同时不会影响测量的准确性。

本系统只能对水质进行远程实时监测并做出简单的判断，还未做到对监测数据进行分析处理后，发送指令给相对应的养殖设备，实现智能控制，需要在今后的研究中进行拓展和完善。