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基于物联网的水产养殖水质监控系统设计

更新时间：2019-12-17 19:59:39 大小：405K 上传用户：xiaohei1810 查看TA发布的资源 标签：物联网 下载积分：1分评价赚积分（如何评价?）打赏收藏评论(0) 举报

资料介绍

为方便监测和调节罗非鱼养殖水域的水质参数，设计了基于物联网（IoT）的水产养殖水质监控系统。前端传感器检测水体相关物理参数，通过采集单元的通信网络发送到智能水质监控单元，智能监控单元可以对增氧机、循环水泵及物料投放机等进行自动控制。同时，智能监控单元通过以太网或无线公用网络将数据传送到数据服务中心。用户可以通过移动终端或计算机实时了解水质信息，也可以通过监控软件下发命令，控制现场设备，实现对水质参数的手动调节。测试结果表明：该系统具有运行稳定、操作方便、成本经济等优点，可以应用于水产品的养殖生产活动。

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２０１６年第３５卷第１１期

传感器与微系统（Transducer and Microsystem Technologies）

113

ＤＯI：１０. １３８７３ / J. １０００

—

９７８７（２０１６）１１

—

０１１３

—

０３

基于物联网的水产养殖水质监控系统设计

吴

滨¹，黄庆展¹，毛力¹，杨弘²，肖炜²

（1. 轻工过程先进控制教育部重点实验室，江南大学物联网工程学院，江苏无锡 214122；

2. 中国水产科学研究院淡水渔业研究中心，江苏无锡 214081）

摘

要：为方便监测和调节罗非鱼养殖水域的水质参数，设计了基于物联网（IoT）的水产养殖水质监控系

统。前端传感器检测水体相关物理参数，通过采集单元的通信网络发送到智能水质监控单元，智能监控单

元可以对增氧机、循环水泵及物料投放机等进行自动控制。同时，智能监控单元通过以太网或无线公用网

络将数据传送到数据服务中心。用户可以通过移动终端或计算机实时了解水质信息，也可以通过监控软

件下发命令，控制现场设备，实现对水质参数的手动调节。测试结果表明：该系统具有运行稳定、操作方

便、成本经济等优点，可以应用于水产品的养殖生产活动。

关键词：物联网；水产养殖；水质监控；罗非鱼

中图分类号：TP２１２

文献标识码：B

文章编号：１０００

—

９７８７（２０１６）１１

—

０１１３

—

０３

Ｄｅｓｉｇｎｏｆａqｕａｃｕlｔｕｒｅｗａｔｅｒ qｕａlｉｔｙ mｏｎｉｔｏｒｉｎｇａｎd

ｃｏｎｔｒｏllｉｎｇｓｙｓｔｅm bａｓｅd ｏｎ Iｎｔｅｒｎｅｔｏｆｔｈｉｎｇｓ

WU Bin ，HUANG Qing-zhan ，MAO Li ，YANG Hong ，XIAO Wei

（1. Kｅｙ Lａbｏｒａｔｏｒｙｏｆ Adｖａｎｃｅd PｒｏｃｅｓｓＣｏｎｔｒｏl ｆｏｒ Lｉｇｈｔ Iｎdｕｓｔｒｙ，Ｍｉｎｉｓｔｒｙｏｆ Edｕｃａｔｉｏｎ，

Ｓｃｈｏｏl ｏｆ Iｎｔｅｒｎｅｔｏｆ Tｈｉｎｇｓ，Jｉａｎｇｎａｎ Uｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Wｕxｉ 214122，Ｃｈｉｎａ；

2. Fｒｅｓｈｗａｔｅｒ FｉｓｈｅｒｉｅｓＲｅｓｅａｒｃｈＣｅｎｔｅｒ，Ｃｈｉｎｅｓｅ Aｃａdｅmｙｏｆ FｉｓｈｅｒｙＳｃｉｅｎｃｅ，Wｕxｉ 214081，Ｃｈｉｎａ）

Abｓｔｒａｃｔ：An intelligent aquaculture water quality monitoring and controlling system based on the Internet of

things（IoT）is designed to facilitate monitoring and adjustment of the water quality parameters of tilapia. The

relevant physical parameters of water are obtained by the front sensors，and sent to the intelligent water quality

monitoring and controlling unit via data sampling and communication network units. The control unit automatically

control aerobic machines，circulating water pumps，and material delivering devices intelligently. Meanwhile，via

Ethernet or wireless networks，data are transmitted to data service center. From mobile devices or computer，users

can monitor the water quality，and send orders remotely to equipment using the software provided by the data

service center. The study shows that this aquaculture control system is reliable，easy-to-use，and cost effective，and

can significantly improve the productivity and performance of aquaculture.

Kｅｙｗｏｒdｓ：Internet of thing（s IoT）；aquaculture；water quality monitoring and controlling；tilapia

引

言

养鱼环境监测系统。黄建清、王卫星等人^［２］完成了基于无

线传感网络的水产养殖水质监测系统的开发与试验，提出

了通过无线采集、传输水质数据的思想，解决了现场布线的

困难。胡晓波、宋良图等人^［３］设计了基于 ZigBee 及 ARM

的渔业养殖水质实时监控系统，使水质数据的监测更具有

科学性和可行性。但上述监测系统均侧重数据的采集和传

输，基于水质、气象等数据及鱼类生物特性所进行的智能分

析功能较弱。

在水产养殖中，养殖水域的水质参数，如：温度、溶氧、

pH 值等，直接影响着鱼类的质量和产量。传统的采用增氧

机、循环水设备来调节水质参数的方法，严重依赖人工经验

判断，存在着耗时费力、监测不合理、需要人工现场布线等

弊端。采用物联网技术即可以实现水质参数的实时采集、

传输、调节控制，而且具有信息准确、智能化程度高、科学合

理等优点，在渔业生产中应用前景广阔。

Lòpez M 等人^［１］针对 pH，NH 和温度等建立了工厂化

本文设计了基于物联网的养殖水质监控系统，在实现

４

收稿日期：２０１６

—

０１

—

０７

基金项目：轻工过程先进控制教育部重点实验室开放课题资助（江南大学）项目（ APCLI１００４）；国家青年科学基金资助项目（F０３０２０４）；现

万方数据

代农业产业技术体系专项资金资助项目（CARS

—４９）

传感器与微系统

第３５卷

114

水质参数的监测的基础之上，收集大量养殖水体质量参数

数据，利用智能算法建立养殖水体质量模型，并据此对养殖

水体参数进行自动调节控制。另外，系统利用了罗非鱼的

生物特性，对控制系统的目标参数进行自动修正。系统不

仅做到了功能的完备性，运行的稳定性和节能性，而且弥补

了以前监测系统在数据分析方面的不足，真正实现了物联

网的“感、传、知、用”。

通过 TCP/ IP 协议与智能监控单元建立联系，收集并解析来

自现场的数据。数据库服务器负责保存这些数据，以供应

用服务器查询调用。应用服务器提供预测分析、报表生成、

数据查询、APP 请求响应、WEB 请求响应等功能，可以直接

与用户进行交互，用户可以通过移动终端或者接入互联网

的计算机实时查询水质、气象数据及图像资料，并远程控制

［５］

现场设备

。

系统整体设计

系统的硬件设计

系统的整体结构如图１所示，由水质参数采集单元、现

2. 1 水质参数采集单元的硬件设计

场智能监控单元和数据服务中心组成。

水质参数采集单元由单片机电路、信号调理电路、AD

转换电路、DI/ DO 驱动电路、ZigBee 模块和 MODBUS 接口

电路构成^［６］。它的整体结构如图２所示。

图 2 参数采集单元硬件结构图

图 1 系统整体架构图

Fｉｇ 2 Hａｒdｗａｒｅｓｔｒｕｃｔｕｒｅｏｆｐａｒａmｅｔｅｒａｃqｕｉｓｉｔｉｏｎｕｎｉｔ

调理电路负责将传感器检测到的信号转换成标准的

Fｉｇ 1 Ｓｙｓｔｅm ｏｖｅｒａll ａｒｃｈｉｔｅｃｔｕｒｅ dｉａｇｒａm

水质参数采集单元是一个单片机应用系统^［４］，它总共

４～２０ mA 线性电流信号。由于针对不同类型的传感器，需

要有不同的调理电路，因此各个调理电路都采用了模块化

的设计方法，相互之间采用插接件链接。这样硬件上的可

裁剪性，既保证了系统有一个灵活的形态，又降低了成本。

A/ D 转换电路在单片机的控制下将模拟的电流信号转换成

数字量，并传送给单片机。通过 ZigBee 模块或者 MODBUS

单片机将数据传送给智能监控单元。另外，参数采集单元

还有２路的 DI/ DO 接口，可以接收现场的开关信号、驱动现

场的声光报警装置。

有８个模拟输入通道，通过传感器采集温度、pH 值和溶解

氧等数据，然后通过 RS

—

４８５总线或者 ZigBee 无线网络将数

据传送给智能监控单元。采集单元还具有阈值控制功能，

是系统自动化的最后一道防线，如：当溶解氧含量低于下限

值时，采集单元会控制现场声光报警装置发出报警信号，同

时通过继电器驱动增氧机工作。

智能监控单元是整个系统的核心单元。数据采集单

元、数字式气象站以及视频监控单元采集到的数据都要汇

聚到智能监控单元。一方面，智能监控单元内嵌人工智能

算法，具备一定的智能控制能力，可依据气象、水质参数以

及罗非鱼生物特性进行判断，自动控制现场的设备进行一

定的水质维护工作。另一方面，智能监控单元具有数据缓

存和网络通信的能力，当网络状况良好时，智能监控单元将

处理过的数据直接传送到数据服务中心，当数据传输发生

异常时，又可以先将数据保存在本地，待数据通信恢复后自

动续传数据。此外，智能监控单元还连接了智能电表，可采

集系统及现场设备（如增氧机、循环水泵等）的电能消耗情

况。智能监控单元可依据不同情况下的能耗情况，选择能

耗较低的动作方案，从而达到节能的效果。

2. 2 智能监控单元的硬件设计

智能监控单元包括了 ARM 电路、以太网接口电路、４G

模块、MODBUS 接口电路、RS

—

４８５串行接口电路、ZigBee 模

块、DI/ DO 驱动电路以及 SD 卡控制电路。其硬件结构图如

图３所示。

核心的 ARM 电路采用意法半导体公司的 STM３２F４０７

系列芯片，由２４ V 直流开关电源供电，同时为了保险起见，

设计了后备电池电路，以保证掉电时，数据不致丢失。

ARM 芯片通过串口控制 ZigBee 模块、RS

—

４８５模块、

MODBUS 总线模块，可以实现与水质采集单元的数据传输。

GPRS 模块采用了最经典的 SIM９００A 芯片，以太网接口电

路采用了 DM９１６１AEP 以太网 PHY 芯片，配合以太网接口

变压器和 RJ４５接插件可以实现以太网接口功能。GPRS 和

数据服务中心由三种不同功能的服务器组成：前置通

万方数据

信服务器、数据库服务器和应用服务器。前置通信服务器

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