王習(xí) 龍房政

摘要：我國(guó)水產(chǎn)養(yǎng)殖規(guī)模日益增大，但在水產(chǎn)養(yǎng)殖中無(wú)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(wèn)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(tái)、繼電器控制模塊三個(gè)主要部分。針對(duì)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(guò)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(wú)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(duì)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(cè)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(kāi)啟系統(tǒng)，傳感器通過(guò)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(guò)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(kù)平臺(tái)，用戶再通過(guò)PC端或者安卓端登錄管理平臺(tái)輸入水質(zhì)參數(shù)對(duì)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(duì)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(duì)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(kāi)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(yáng)能供電模塊組成，其設(shè)計(jì)整體方案見(jiàn)圖2。

其中水位傳感器可使用多條導(dǎo)線與水的導(dǎo)通來(lái)測(cè)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(guò)對(duì)水的透光率及散射率來(lái)判斷水質(zhì)情況。傳感器內(nèi)部是紅外線對(duì)管，當(dāng)發(fā)射管發(fā)射一定量光線通過(guò)水后，由接收管接收，水越渾濁，通過(guò)的光就越少。通過(guò)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^(guò)監(jiān)測(cè)該電平變化，即可知道水質(zhì)超標(biāo)，聯(lián)動(dòng)水泵運(yùn)行。溫度傳感器采用DS18B20作為溫度監(jiān)測(cè)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(duì)其進(jìn)行校正，數(shù)值比較準(zhǔn)確的使用有利于對(duì)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(wú)線傳輸模塊，該模塊是高度集成半雙工微功率無(wú)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(yáng)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(yáng)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(duì)魚(yú)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(guò)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(guò)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(wèn)題時(shí)，監(jiān)控中心發(fā)出指令，再次通過(guò)GPRS網(wǎng)絡(luò)將指令傳送到現(xiàn)場(chǎng)控制器，運(yùn)行相關(guān)設(shè)備，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的自動(dòng)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(kù)設(shè)計(jì)

通過(guò)對(duì)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(kù)概念設(shè)計(jì)，畫(huà)出數(shù)據(jù)庫(kù)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(kāi)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(kù)服務(wù)中心，具體流程如圖9所示。

4、系統(tǒng)測(cè)試

（1）系統(tǒng)登錄測(cè)試;首先進(jìn)行登錄界面測(cè)試，當(dāng)用戶名或密碼輸入錯(cuò)誤時(shí)，系統(tǒng)自動(dòng)彈出報(bào)錯(cuò)信息，正確時(shí)入系統(tǒng)主頁(yè)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(cè)試;這里主要是對(duì)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(duì)PH值和含氧量?jī)蓚€(gè)參數(shù)監(jiān)控，系統(tǒng)測(cè)試結(jié)果，如表1所示。

測(cè)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(yǔ)

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(duì)水產(chǎn)養(yǎng)殖過(guò)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(yú)塘的無(wú)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(tái)，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(guò)該平臺(tái)進(jìn)行在線互動(dòng)，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(wú)線傳感網(wǎng)、水質(zhì)傳感器、無(wú)線通信和智能管理云端系統(tǒng)等專業(yè)技術(shù)，對(duì)養(yǎng)殖環(huán)境和水產(chǎn)品的生長(zhǎng)狀況進(jìn)行全方位的監(jiān)測(cè)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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