智能水產養殖管理系統設計范文

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摘要：

智能化養殖技術改變了過去依賴經驗養殖的方式，逐步實現精準化養殖，節省勞動力的同時提高養殖效率。文章基于物聯網技術，設計并實現了一種智能水產養殖管理系統。該系統可實時采集諸如水溫、水PH值、水含氧量、水渾濁度、水氨氮含量、水位、鹽度、亞硝酸鹽等關鍵參數，為及時調整養殖措施提供了第一手資料。

關鍵詞：

智能水產養殖；物聯網；系統設計

一、國內水產養殖現狀分析及智能養殖模式的憧憬

傳統水產養殖業目前在生產實踐中存在著種種弊端，有諸多的問題亟待解決：養殖模式和技術落后、水域資源逐漸短缺、水體污染逐年加重、水產品食品安全問題時有發生等，這些都預示著傳統養殖模式受到重大的挑戰。[1]近年來，在有關科研單位和漁業企業的努力下，智能化技術已應用于生產過程，大大提高了養殖效益和管理水平。隨著智能化養殖的廣泛推廣，智能化技術首先可以促進漁業生產方式的轉變，改變過去依賴經驗養殖的方式，逐步實現精準化養殖，使水產養殖變得更加量化可控，提高養殖效率；其次，可以大大節省勞動力，降低勞動強度。由此，可以全面提升我國的水產養殖水平，促進漁業轉型升級和生產方式轉變，實現漁業現代化。

二、智能水產養殖管理系統總體設計

如圖1所示，智能水產養殖系統采用當前熱門的物聯網技術、嵌入式技術和傳感器技術相結合的方法，精心挑選各種傳感器（水溫傳感器、水PH值傳感器、水含氧量傳感器、水渾濁度傳感器、水氨氮含量傳感器、水位傳感器、鹽度傳感器、亞硝酸鹽傳感器、人體紅外感應傳感器），不僅能對關鍵水參數實時高精度測量（超過正常值可報警提示），而且能實現智能水位調節、智能增氧、智能投放餌料等智能控制。并且可根據需要開啟安防子系統，通過人體紅外傳感器進行人類識別，配合視頻監控功能，預防人為偷捕和毒害行為。智能水產養殖系統還具有遠程訪問與控制功能，用戶可以使用PC或手機遠程訪問水環境的各項數據指標，遠程控制養殖場內部的執行器件。

三、無線傳感器網絡設計

無線傳感器網絡由協調器、路由器、傳感器、控制節點和執行器節點組成。協調器組建整個傳感器網絡，建立數據傳輸通道。傳感器節點負責采集水環境的各項數據指標，并將采集到的數據經路由器傳輸到協調器。協調器與ARM嵌入式系統進行串口通訊。路由器則保障每一個數據采集節點都有一條有效的數據傳輸路徑，確保數據穩定傳輸。控制節點負責執行網關發送的命令，控制執行器件進行相關操作，比如開啟增氧泵。

（一）傳感器節點設計以紅外傳感器節點為例，其它傳感器節點原理類似。傳感器節點由傳感器、ZigBee無線通信芯片（CC2430）和轉接板組成，如圖2所示。傳感器負責采集環境的數據指標；ZigBee無線通信芯片負責收集數據并將數據經路由器傳輸到協調器；轉接板則在傳感器與芯片之間架起了數據傳輸的橋梁，起到了連接傳感器與芯片的作用，同時為整個模塊提供電源。另外引入轉接板也是節點模塊化設計理念的體現，比如對于不同的傳感器節點，ZigBee無線通信芯片和轉接板相同只是傳感器不同，傳感器節點和控制節點，都是相同的ZigBee無線通信芯片和轉接板，不同的只是一個插著傳感器一個插著控制器；再比如路由器和協調器節點都只有ZigBee無線通信芯片和轉接板兩部分構成（因為他們不需要傳感也不需要控制輸出）。熱紅外傳感器GH-718能夠檢測到人體發出的熱紅外波。工作電壓為5v，輸出為開關量（高電平3.3v）。當有人存在時輸出間隔一秒的高低電平，沒有人時輸出低電平。通過讀取輸出引腳的電平狀態就可以判斷是否有人存在。最大檢測角度為110°，最長檢測距離為7m。[3]熱釋紅外傳感器的引腳與J14相連，之后通過主板提供的傳感器接口J13與CC2430的相應引腳相連。

（二）控制節點設計以增氧泵控制節點為例，其它控制節點原理類似。控制節點由控制電路、ZigBee無線通信芯片和轉接板組成，如圖4所示。控制節點負責執行上級ARM平臺發送的指令完成相應的操作。無線通信芯片通過控制這三個繼電器的通斷來控制執行器件的工作狀態。由于單片機輸出電流能力有限，因此繼電器的驅動電路是必要的。借鑒參考文獻[4]中成果，設計驅動電路如圖5所示。

（三）路由器和協調器節點設計如上文所說，路由器和協調器節點都只有ZigBee無線通信芯片和轉接板兩部分構成，因為他們不需要傳感也不需要控制輸出。

（四）執行器節點設計1.增氧器節點：與含氧量傳感器節點配合使用，可以人工開啟也可以自動開啟。當水氧濃度低于對應水產品養殖指標時，由控制器節點開啟增氧器工作，提高水氧濃度。2.水泵節點：與水位傳感器節點配合使用，可以人工開啟也可以自動開啟。當水位低于對應水產品養殖指標時，由控制器節點開啟水泵工作，提高水位。3.餌料投放節點：可以人工開啟也可以定時開啟，降低人工喂食的勞動量，提高喂食效率，實現科學的精細喂養。

四、網關設計

網關由ARM嵌入式系統及其外擴器件（無線網卡、無線路由器、GPRS模塊、攝像頭）組成。網關也是整個系統的主控中心。它通過標準串口與ZigBee協調器連接，收集無線傳感器網絡上傳的數據。這些數據經過處理后，一方面提供給用戶使用，另一方面作為維護系統平衡與穩定的依據。1.ARM嵌入式系統：ARM嵌入式系統負責協調其他設備（無線網卡、攝像頭、GPRS模塊、觸屏液晶顯示器）正常有序的工作。2.無線網卡與無線路由器：用于遠端PC與網關之間傳遞數據信息。無線網卡與ARM嵌入式系統通過USB接口通信，無線網卡與路由器無線通信，路由器與遠端用戶有線通信。3.GPRS模組：GPRS模組用于手機與網關之間傳遞數據信息。它與ARM嵌入式系統之間的通信渠道是標準的串口通信，與手機之間的數據通道是無線通信。4.攝像頭：攝像頭可以實時監控水塘周邊的情況，起到安防的作用。另外采用微距攝像頭還可以實時監控水池里水產品的生活動態，取代人工巡池。5.觸屏液晶顯示器：觸屏液晶顯示器的任務是為用戶提供一個友好的人機交互界面。用戶主要通過它對養殖場內的各執行器件進行直接操作，當然也可以查看實時監控畫面。

五、軟件系統開發概述

軟件系統開發包括：ZigBee底層協議棧開發、各種傳感器驅動程序的編寫、自動控制程序的編寫、網關界面開發、網關接入Internet網和GPRS網程序編寫、網關數據庫建立等。篇幅所限，僅對熱釋紅外傳感器驅動進行簡單說明。由圖3可知，熱釋紅外傳感器的輸出端口與CC2430的P1_0端口相連，這樣只要讀取P1_0端口的狀態便可以判斷是否有人存在。熱釋紅外傳感器驅動流程圖如圖6所示。

六、結束語

本文所述系統對水產品生長環境的重要參數如水溫、水PH值、水含氧量、水渾濁度、水氨氮含量、水位、鹽度、亞硝酸鹽等實時采集，通過網絡通信達到實時監控、自動調控，進而達到集約化養殖與精確、科學養殖的目的，提高了養殖質量和效率，有良好的經濟價值。

參考文獻：

［1］趙志芳.智能化養殖有望克服水產養殖業弊端[N].中國經濟時報，2014-08-13.

［2］晨曦.智能化養殖開啟漁業大數據時代[N].漁業致富指南，2014-12-18.

［3］凌陽科技,物聯網智能溫室控制實訓系統開發指導書[EB/OL].（2010-11-12）

［4］朱洪波,智能化水產養殖管理系統[J].儀表技術，2013（7）：22-24.

作者：吳小峰 單位：南通航運職業技術學院