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魚塘環境監測系統設計分析論文
摘要：文中設計了一款基于物聯網、傳感器的集反饋與控制于一體的魚塘環境監測系統，利用水溫水位傳感器、水質pH值檢測傳感器和溶氧量檢測傳感器監測魚塘相關參數，并通過分析監測數據判斷魚塘當前的環境狀況，進而控制氣泵、水泵對魚塘進行充氧、換水等操作。該系統可實現淡水養殖過程的水質自動控制、管理與預警，降低水產養殖風險，提高產品數量和質量，具有廣闊的市場應用前景。
關鍵詞：物聯網；傳感器；監測系統；無線網絡
我國漁業總產量連續多年居世界首位。魚的產量與魚塘環境休戚相關，一旦水質被污染就會破壞魚塘環境導致減產，因此必須對魚塘環境相關參數進行監測，預防水質被破壞，滿足魚塘所需的水質要求[1]。目前我國大多數魚塘管理者對水中環境好壞的判斷主要通過魚有無浮頭等現象來判斷含氧量的多少，再利用人工控制增氧機作業。這類方法效率低。隨著計算機技術和物聯網技術的不斷發展和提高，遠程監測系統已被廣泛應用于各領域。在水產養殖領域，傳統的人工養殖和人工采樣監測已無法實現對魚塘環境的實時監控，也不能隨時獲取魚塘的水質動態，所以智能化、自動化和網絡化的工廠化養殖方式已成為漁業發展的必然趨勢[2]。這種養殖方式不僅能降低傳統養殖的勞動強度，保障水產品安全，保障水產養殖高效生產，同時還能對魚塘環境進行實時監測[3-4]。針對上述情況，本文設計了一套基于物聯網的魚塘環境監控系統。該系統集數據采集、數據分析、信息反饋和自動調節等功能于一體，通過無線接入點向配電箱發送控制指令。該系統針對魚塘分布廣、監測點多、布線和供電困難等特點，利用物聯網技術，遠程在線采集氣象信息，實現旱情自動預報等。用戶可以通過手機、平板、計算機等信息終端遠程查詢水質信息，采集溫度、光照、pH值、水位、溶解氧等數據，并控制進出水、增氧設備等的工作，實現遠程魚塘環境監測。數據中心利用采集到的數據進行分析，之后作出決策發出指令控制氣泵和水泵進行自我調節，實現淡水養殖過程水質自動控制、管理與預警，降低水產養殖風險，提高單位水面的產量和水產品質量。
1魚塘環境檢測系統的框架結構
平臺架構如圖1所示。系統架構分為數據采集層、網絡傳輸層、中間網關層、應用服務層、移動服務層。1.1數據采集層數據采集層由多種傳感器組成，主要采集魚塘環境的相關參數。終端接入層放置在魚塘中，用以檢測水質參數，可對水位、光照、pH值、溶解氧和水溫等環境參數進行遠程實時監測[5-6]。1.2網絡傳輸層網絡傳輸層負責與外部網絡通信，用于應用層和采集層之間的數據傳輸，將終端采集到的數據通過ZigBee網絡發送至網關，系統支持以太網、RS232等有線方式和WiFi，ZigBee，Bluetooth等無線方式[7-9]。1.3中間網關層網關放置在魚塘附近，采用無線傳輸方式接收數據并顯示，同時將該終端發送的數據通過串口傳送給監控中心軟件，再通過Internet網絡將數據傳輸至遠程魚塘監控中心[10]。1.4應用服務層應用層主要負責感知數據的分析、處理、統計及顯示，并進行及時預警、自動控制和科學決策，主要包括物聯網云服務平臺、兩級監控中心、預警與控制決策系統，對傳輸層傳遞的數據進行分析、處理和決策控制。負責數據的存儲、統計、分析、圖形化顯示，包括數據查詢、報表生成、繪制分析曲線等，并根據環境信息進行決策和自動控制，及數據的分析判斷，實現遠程實時監控查詢和預警[11-12]。該部分由數據庫和后臺數據處理軟件組成。1.5移動服務層移動服務層支持手持設備，智能手機和平板使用APP軟件連接數據庫查看監控中心的信息并進行數據處理，通過藍牙、無線技術自動傳輸到Android手機端[13]。服務器將數據實時推送到云端，通過手機或者電腦網頁遠程控制和獲取相關數據。可擴展連接公有、私有云服務器。水產養殖智能監控系統可實現對水位、光照、pH值、溶解氧和水溫等魚塘環境參數的實時自動采集、處理和顯示，傳感器節點和協調器節點之間的數據通過無線網絡傳輸，構建云網關，實時將水的溶解氧、水溫、pH值等信息推送到云數據中心，再憑借Android移動客戶端和Web端獲得這些數據，用戶能夠隨時隨地遠程獲取測得的水的溶解氧、水溫等信息[14]。
2魚塘環境檢測系統的硬件設計
溶解氧、水溫、pH值、光照、水位等傳感器作為數據采集類物聯網傳感器，能夠主動采集水的環境信息并發送至采集節點。采集到水質參數后，利用ZigBee無線網絡將其發送至ZigBee網關，后經串口發送至控制電腦，再通過互聯網把數據發送到服務器的接收端程序。該程序把數據保存到數據庫，利用Web網站和手機顯示數據庫的傳感器數據，用戶也可通過網站和手機控制主動采樣過程。無線傳感器網絡監測節點的硬件結構模塊如圖2所示。系統主要包括微處理器、水溫水位傳感器、水質pH值檢測傳感器、溶氧量檢測傳感器和無線射頻模塊[15]。測量節點采用ZigBee芯片CC2530作為微處理器，主要接收來自PC機水質數據采集軟件的命令并轉發給每個水質數據檢測終端，接收每個水質檢測終端上傳的數據并通過USB接口傳送到PC機。
3魚塘環境檢測系統的軟件設計
系統軟件設計需求主要包括移動監測平臺設計和網站平臺設計[16]。基于Android手機系統打造一個基于云服務的魚塘環境移動監控平臺。通過手機對魚塘環境進行實時監控，并可按日、月、年將環境參數（如溫濕度）變化以曲線方式呈現。通過與移動終端連接，在APP中可及時、準確地監測魚塘的水質狀況，可在水質信號異常時發出警告[17]。對監測和跟蹤的數據進行系統分析，并將分析結果及時通知管理人員。移動監測平臺分為水質參數監測與讀取顯示模塊，水質歷史數據分析模塊，水質聯動遠程管理控制模塊，設備管理模塊，養魚咨詢模塊，用戶信息模塊，水產品追溯模塊等。移動監測平臺功能模塊如圖3所示。網站平臺設計：網站提供實時監控式水質診斷服務。平臺可接收網關傳輸的魚塘水質監測數據，并對數據做出解析處理、遠程顯示和控制網關[18]。通過監測水溫、pH值等生命體征，實時分析魚塘水質狀況，建立魚塘水質狀況檔案，發布水質狀況曲線，計算水質指數，并對潛在水質風險進行評估和預警[19]。子功能包括監控管理模塊、系統管理模塊、數據分析模塊等。網站功能模塊如圖4所示。
4結語
本文基于對國內外水產養殖環境監測的現狀和發展趨勢以及相關環境監測技術和應用的研究，得出目前魚塘環境監測幾大關鍵因素集中在水位監測、pH值檢測、水溫、氧容量等指標，以及在檢測中所要用到的設備與技術的結論。本系統的基本功能包括魚塘水位監控，可實時控制水泵開關、監測水體pH值、監測水溶解氧，并在移動端控制增氧閥門以及水溫的監測。與當前其他水產養殖監測系統相比，本系統可以實現魚塘監測的智能化，進而提高魚塘環境監測系統的自動化程度，降低魚塘管理與維護難度，具有廣闊的市場應用前景。
作者：漆顥 管華 龔晚林 單位：湖北中醫藥大學信息工程學院 武漢大學電子信息學院
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