互联网+水产养殖系统设计研究

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【摘要】我国水产养殖规模日益增大，但在水产养殖中无法实时监控水质情况，消耗的人力物力财力较多。就这一问题设计一个水质控制系统。主要包含感知层采集传感器、数据处理平台、继电器控制模块三个主要部分。针对pH值、温度、溶解氧等水质参数，系统根据用户端指令，通过分析水质参数，使用PID算法控制终端设备进行相应控制，无需人工干预。

【关键词】互联网；水产养殖；水质控制；PID算法

1引言

本文的智能水产养殖系统是基于物联网的技术，数据经过PID算法优化后经服务器传输到用户的手机端，实现数据实时采集与分析，无线传输、远程在线监控等功能。智能化的水产养殖方式较于传统的养殖模式，具备更高的自动化水平，可以减少人力和物力上消耗，可为先进的养殖技术的应用提供有效的支持，可提高高密度养殖的成功率，是一种节能、环保、高效率的特殊养殖模式。并且智能化水产养殖对工作人员通常在教育水平，文化素养上有较高的要求，这可以使得行业在保持较高的整体生产效率的同时，也使管理水平处于较高的水平之上，对我国的水产养殖产业的创新和结构的调整都具有积极的作用。

2系统原理

项目旨在设计一套针对水产养殖中的基于物联网的水质控制系统[1]。硬件系统主要包括Arduino控制器、DS18B20温度传感器、物联网模块ESP8266、SEN0161型pH测量传感器、SEN0237溶氧传感器、电源模块、酸碱液泵、增氧泵、热水泵及继电器模块等。系统原理如图1所示，开启系统，传感器通过Zigbee通讯组网收集水质环境参数发送到主控Arduino端，实时显示水质数据到显示器上并通过物联网模块把数据实时上传到云端数据库平台，用户再通过PC端或者安卓端登录管理平台输入水质参数对水质进行远程控制，Arduino中央处理器接受参数指令后使用PID算法[2]发送指令到执行机构完成对设备的控制，显示反馈设备的工作状态并上传云端，最终让水质参数维持在一个相对稳定的状态。

3系统硬件模块

水产养殖的关键是控制好水质的状况，水产品的品质与水产品生活的水质环境是直接挂钩的。高品质的水产品能为养殖主带来更好的经济收益，高品质的水产品产出需要优质的水质环境，水的温度、pH值、溶氧量等水质参数更是影响水产品的重要因数，为此我们设计了远程水质控制系统来调控水质环境。（1）水质环境传感器主要有下面三种：①温度传感器：水温是影响水产品生长繁殖的重要因素之一，并且水质的整体水平可以通过对水中微生物的繁殖的控制来对其产生影响。为了提高水产品的生产效率，水环境的温度必须控制在最适合水产品生长的范围内。可通过温度传感器，利用温度和电阻值的关系对水环境的温度进行检测。温度传感器的种类很多，其中DS18B20的数字温度传感器具有体积小、精度高、成本低、抗干扰能力强的特点，因此本项目采用该传感器对水温进行检测。②溶氧量传感器[3]：溶氧量是水质的重要指标。水环境的溶氧量讲对水生物的生长发育造成直接影响。当溶氧量低于4mg/L时，水生物将难以适应此时的水环境；当溶氧量低于2mg/L时，将对水生物的生存造成威胁，导致水生物死亡。人工养殖环境与野生环境不同，其水生物密度大，导致水的流通性差，进而导致水生物缺氧。溶解氧传感器主要是用于测量水中的溶氧量。通常采用电化学法、滴定碘量法、荧光淬灭光法获取数据。其中滴定碘量法操作过程繁琐，无法连续检测数据；荧光淬灭光法计算过程复杂；而电化学法操作简单、并且能连续检测数据、应用也较为广泛。Thermo多功能传感器精度达到0.1ppm和0.2ppm，溶氧量的测量范围为0~20ppm，响应速率30s达到90%甚至39s可达到97%，工作相对湿度为0~95%，温度补偿为0~50℃，输入接口PRS-485。③pH值传感器：传感器检测的是水体中的酸碱比例情况，大多数的水产品适宜生活在微碱性的水质环境中，也就是PH值为7~8.5时是最适宜的，安全范围介于5~9.5之间，超过范围系统将会发出警报。而pH传感器的原理是通过检测水体中的氢离子浓度来确定pH值，这种方法既简单有效又节能环保，也可应用在复杂的环境中。项目所采用的pH传感器为SEN0161型，检测范围为0~14。（2）无线通讯模块：ZigBee无线通讯[5]ZigBee无线通讯技术是具有低功耗、低速率、低复杂度、低成本、距离较短的一种无线通讯技术。ZigBee广泛适用于功耗低、距离近并且数据传输量小的不同或者相同的电子设备之间的数据通讯。使用ZigBee技术作为本项目传感器与传感器之间、传感器与主控端之间的通讯正好可以满足设计要求。Zigbee模块选用的是CC2530为核心处理器，拥有RF收发器，可进行无线转发通讯。

4系统软件设计

系统软件设计如图2所示，用户可以使用账号登录客户端查看鱼塘的实时水质数据。并且通过客户端输入指令远程操作控制水质。该应用层水质监控信息管理系统是利用B／S架构设计的，通过WebService提供的面向ZigBee／GPRS网关及用户的服务。

5结论

本系统的研发基于先进的互联网技术及PID算法[4]的优化，对水产养殖过程中的水质参数进行采集分析以及监控调节，实现鱼塘的无人值守，使水产的养殖和管理更加精细化、智能化。基于公共服务云平台，解决单个养殖户投入有限和缺乏专业技术人员的局限，实现信息的实时共享。专家和养殖户之间可以通过该平台进行在线互动，使养殖户能够获得及时准确的信息反馈和技术指导。而物联网集成无线传感网、水质传感器、无线通信和智能管理云端系统等专业技术，对养殖环境和水产品的生长状况进行全方位的监测管理，最终实现节能减耗、增产增收的目的。

参考文献

[1]朱小红.基于物联网的水质在线监测系统设计[D].黑龙江科技信息，2014.

[2]刘金琨.先进PID控制及其MATLAB仿真.北京：电子工业出版社，2003.

[3]南京农业大学.用于监测鱼塘溶解氧浓度的采样传感器[P].中国：CN202256309U，2012.05.03.

[4]陶永华，尹怡欣，葛芦生.新型PID控制及其应用.北京：机械工业出版社，1998.

[5]张继飞，林超．基于NODE．JS/GPRS/ZigBee的水产养殖远程测控系统[J]．舰船电子工程，2017.

作者:吴建伸 曾庆源 欧铃娥 单位:广东东软学院