王習(xí) 龍房政

摘要：我國水產(chǎn)養(yǎng)殖規(guī)模日益增大，但在水產(chǎn)養(yǎng)殖中無法實(shí)時(shí)監(jiān)控水質(zhì)情況，消耗的人力物力財(cái)力較多。就這一問題設(shè)計(jì)一個(gè)水質(zhì)控制系統(tǒng)。主要包含感知層采集傳感器、數(shù)據(jù)處理平臺、繼電器控制模塊三個(gè)主要部分。針對pH值、溫度、溶解氧等水質(zhì)參數(shù)，系統(tǒng)根據(jù)用戶端指令，通過分析水質(zhì)參數(shù)，使用PID算法控制終端設(shè)備進(jìn)行相應(yīng)控制，無需人工干預(yù)。

關(guān)鍵詞：互聯(lián)網(wǎng);水產(chǎn)養(yǎng)殖;水質(zhì)控制;PID算法

1、系統(tǒng)原理

項(xiàng)目旨在設(shè)計(jì)一套針對水產(chǎn)養(yǎng)殖中的基于物聯(lián)網(wǎng)的水質(zhì)控制系統(tǒng)。硬件系統(tǒng)主要包括Arduino控制器、DS18B20溫度傳感器、物聯(lián)網(wǎng)模塊ESP8266、SEN0161型pH測量傳感器、SEN0237溶氧傳感器、電源模塊、酸堿液泵、增氧泵、熱水泵及繼電器模塊等。

系統(tǒng)原理如圖1所示，開啟系統(tǒng)，傳感器通過Zigbee通訊組網(wǎng)收集水質(zhì)環(huán)境參數(shù)發(fā)送到主控Arduino端，實(shí)時(shí)顯示水質(zhì)數(shù)據(jù)到顯示器上并通過物聯(lián)網(wǎng)模塊把數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)上傳到云端數(shù)據(jù)庫平臺，用戶再通過PC端或者安卓端登錄管理平臺輸入水質(zhì)參數(shù)對水質(zhì)進(jìn)行遠(yuǎn)程控制，Arduino中央處理器接受參數(shù)指令后使用PID算法發(fā)送指令到執(zhí)行機(jī)構(gòu)完成對設(shè)備的控制，顯示反饋設(shè)備的工作狀態(tài)并上傳云端，最終讓水質(zhì)參數(shù)維持在一個(gè)相對穩(wěn)定的狀態(tài)。

2、系統(tǒng)總體硬件設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)采用以Arduino控制板為控制核心。該控制板是基于開放源代碼的接口板，它包括12通道數(shù)字GPIO、6組PWM通道輸出和6～8通道的10bitADC輸入通道，它的核心是一片AVRmega168的單片機(jī)。整個(gè)系統(tǒng)主要由各傳感器（水位傳感器）、水泵、太陽能供電模塊組成，其設(shè)計(jì)整體方案見圖2。

其中水位傳感器可使用多條導(dǎo)線與水的導(dǎo)通來測量不同深度的水位，可將水位分為4層，分別代表滿水位、75%、25%、0水位，當(dāng)水位到達(dá)某一深度，導(dǎo)通導(dǎo)線觸發(fā)高電平給Arduino控制板。濁度傳感器主要利用光學(xué)原理，通過對水的透光率及散射率來判斷水質(zhì)情況。傳感器內(nèi)部是紅外線對管，當(dāng)發(fā)射管發(fā)射一定量光線通過水后，由接收管接收，水越渾濁，通過的光就越少。通過調(diào)節(jié)模塊上電位器大小選擇合適閾值作為警戒水質(zhì)，當(dāng)水質(zhì)達(dá)到此界值，傳感器模塊輸出高電平?？刂瓢逋ㄟ^監(jiān)測該電平變化，即可知道水質(zhì)超標(biāo)，聯(lián)動水泵運(yùn)行。溫度傳感器采用DS18B20作為溫度監(jiān)測模塊，溫度數(shù)值在上位機(jī)上顯示，其通信協(xié)議是wire協(xié)議，通信時(shí)只需將數(shù)據(jù)引腳與控制板連接即可。PH計(jì)傳感器首先要對其進(jìn)行校正，數(shù)值比較準(zhǔn)確的使用有利于對水體做精確控制。使用時(shí)用標(biāo)準(zhǔn)緩沖溶液校正，環(huán)境溫度以25℃為標(biāo)準(zhǔn)值。同時(shí)為保證精度一致性，需要定期校準(zhǔn)，以防止有較大誤差。若水塘雜質(zhì)較多，建議6個(gè)月做一次重新校準(zhǔn)。采用APC無線傳輸模塊，該模塊是高度集成半雙工微功率無線數(shù)據(jù)傳輸模塊，其嵌入高速單片機(jī)和高性能射頻芯片ADF7020-1。采用高效的循環(huán)交織糾檢錯(cuò)編碼，抗干擾和靈敏度都大大提高，最大可以糾正24bits連續(xù)突發(fā)錯(cuò)誤，達(dá)到業(yè)內(nèi)的領(lǐng)先水平。APC220模塊提供了多個(gè)頻道的選擇，可以在線修改串口速率、發(fā)射功率、射頻速率等各種特征參數(shù)。工作時(shí)將其插在USB轉(zhuǎn)串口模塊上，再將模塊插入計(jì)算機(jī)usb口及Arduino控制板上即可進(jìn)行遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)的采集與發(fā)送。為使系統(tǒng)穩(wěn)定，采用9600波特率，工作頻段434Mhz。從數(shù)據(jù)采集的頻率考慮，系統(tǒng)供電采用太陽能電池為主，市電為輔的供電機(jī)制。系統(tǒng)采集數(shù)據(jù)主要從太陽能及蓄電池供電，水泵抽換水采用市電。

3、系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.1系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

基于農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)的水產(chǎn)養(yǎng)殖水質(zhì)監(jiān)控系統(tǒng)，采用模塊化功能設(shè)計(jì)，系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)如圖3所示。

首先，依據(jù)系統(tǒng)用戶的功能需求，系統(tǒng)利用PH值、水溫、水溶氧等傳感器每隔規(guī)定時(shí)間對魚塘水質(zhì)數(shù)據(jù)值進(jìn)行實(shí)時(shí)采集。然后將采集到的數(shù)據(jù)通過RS-485接口傳到GPRSDTU模塊，并在此進(jìn)行數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)換。接著通過GPRS網(wǎng)絡(luò)將采集數(shù)據(jù)上傳到監(jiān)控中心服務(wù)器進(jìn)行分析處理，并將數(shù)據(jù)與分析結(jié)果反饋給用戶。當(dāng)水質(zhì)出現(xiàn)問題時(shí)，監(jiān)控中心發(fā)出指令，再次通過GPRS網(wǎng)絡(luò)將指令傳送到現(xiàn)場控制器，運(yùn)行相關(guān)設(shè)備，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的自動遠(yuǎn)程控制。當(dāng)參數(shù)恢復(fù)正常時(shí)，系統(tǒng)發(fā)出指令，停止調(diào)控操作。

3.2系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫設(shè)計(jì)

通過對系統(tǒng)進(jìn)行詳細(xì)需求分析，本文將功能菜單、角色、用戶、傳感器數(shù)據(jù)作為實(shí)體進(jìn)行數(shù)據(jù)庫概念設(shè)計(jì)，畫出數(shù)據(jù)庫E-R圖，如圖4-圖8所示。

3.3數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)

數(shù)據(jù)采集采用C/S結(jié)構(gòu)，利用多線程編程開發(fā)技術(shù)實(shí)現(xiàn)傳感器數(shù)據(jù)遠(yuǎn)程采集并上傳至數(shù)據(jù)庫服務(wù)中心，具體流程如圖9所示。

4、系統(tǒng)測試

（1）系統(tǒng)登錄測試;首先進(jìn)行登錄界面測試，當(dāng)用戶名或密碼輸入錯(cuò)誤時(shí)，系統(tǒng)自動彈出報(bào)錯(cuò)信息，正確時(shí)入系統(tǒng)主頁面，點(diǎn)擊相應(yīng)導(dǎo)航欄，顯示相應(yīng)數(shù)據(jù)。比如，當(dāng)點(diǎn)擊“水質(zhì)環(huán)境”用戶可以按照日期查詢采集數(shù)據(jù)。⑵智能控制模式測試;這里主要是對水質(zhì)的PH值、含氧量和水溫等參數(shù)進(jìn)行監(jiān)控，特別是對PH值和含氧量兩個(gè)參數(shù)監(jiān)控，系統(tǒng)測試結(jié)果，如表1所示。

測試結(jié)果表明：各項(xiàng)功能均使用正常，能夠滿足用戶使用需求。

結(jié)束語

本系統(tǒng)的研發(fā)基于先進(jìn)的互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)及PID算法[4]的優(yōu)化，對水產(chǎn)養(yǎng)殖過程中的水質(zhì)參數(shù)進(jìn)行采集分析以及監(jiān)控調(diào)節(jié)，實(shí)現(xiàn)魚塘的無人值守，使水產(chǎn)的養(yǎng)殖和管理更加精細(xì)化、智能化?；诠卜?wù)云平臺，解決單個(gè)養(yǎng)殖戶投入有限和缺乏專業(yè)技術(shù)人員的局限，實(shí)現(xiàn)信息的實(shí)時(shí)共享。專家和養(yǎng)殖戶之間可以通過該平臺進(jìn)行在線互動，使養(yǎng)殖戶能夠獲得及時(shí)準(zhǔn)確的信息反饋和技術(shù)指導(dǎo)。而物聯(lián)網(wǎng)集成無線傳感網(wǎng)、水質(zhì)傳感器、無線通信和智能管理云端系統(tǒng)等專業(yè)技術(shù)，對養(yǎng)殖環(huán)境和水產(chǎn)品的生長狀況進(jìn)行全方位的監(jiān)測管理，最終實(shí)現(xiàn)節(jié)能減耗、增產(chǎn)增收的目的。

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