1、基于物聯(lián)網(wǎng)的魚塘智能化養(yǎng)殖系統(tǒng)摘 要針對目前我國水產(chǎn)養(yǎng)殖規(guī)模越來越大，種類越來越豐富，傳統(tǒng)養(yǎng)殖方式已不能滿足要求的現(xiàn)狀，國家的戰(zhàn)略要求，將智能農(nóng)業(yè)推向了風(fēng)口，“互聯(lián)網(wǎng)+”必將帶動農(nóng)業(yè)的升級。本作品將物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)相結(jié)合應(yīng)用到水產(chǎn)養(yǎng)殖領(lǐng)域，設(shè)計了魚塘養(yǎng)殖智能化系統(tǒng)的架構(gòu)及應(yīng)用實施方案。系統(tǒng)分為現(xiàn)場管理單元、遠(yuǎn)程管理單元云平臺三個部分。根據(jù)魚塘養(yǎng)殖基本流程，對水產(chǎn)品養(yǎng)殖環(huán)節(jié)的生長環(huán)境進(jìn)行分析，總結(jié)影響水產(chǎn)品生長的環(huán)境因素并確定出進(jìn)行水產(chǎn)品高密度養(yǎng)殖的最佳環(huán)境，從而實現(xiàn)環(huán)境資源的充分利用。關(guān)鍵詞：物聯(lián)網(wǎng)、智能化魚塘、CC3200目 錄摘 要II一、概述31.1 設(shè)計背景31.2 所涉技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀31.2

2、.1 國內(nèi)外技術(shù)發(fā)展31.2.2 存在的技術(shù)問題41.3 創(chuàng)新點(diǎn)51.3.1 主要解決的問題51.3.2 設(shè)計內(nèi)容簡介5二、系統(tǒng)的總體方案和功能設(shè)計6系統(tǒng)的總體方案和功能7三、系統(tǒng)的硬件設(shè)計93.1傳感器節(jié)點(diǎn)的設(shè)計93.2控制節(jié)點(diǎn)設(shè)計與實現(xiàn)93.3現(xiàn)場監(jiān)控中心設(shè)計10四、系統(tǒng)軟件設(shè)計124.1 節(jié)點(diǎn)的軟件功能設(shè)計124.2路由器的軟件功能設(shè)計13五、總結(jié)14一、概述1.1 設(shè)計背景農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)是一種新興農(nóng)業(yè)信息化技術(shù)，其體系架構(gòu)分為用戶層、應(yīng)用層、傳輸層、感知層和對象層5個層次，其技術(shù)可用于實現(xiàn)農(nóng)產(chǎn)品安全溯源、精準(zhǔn)化農(nóng)業(yè)生產(chǎn)管理、遠(yuǎn)程及自動化農(nóng)業(yè)生產(chǎn)管理和農(nóng)產(chǎn)品智能儲運(yùn)。農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)具有提高生產(chǎn)效

3、率、降低循環(huán)流轉(zhuǎn)成本、節(jié)約能源資源、提高農(nóng)產(chǎn)品附加值、推動農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備和軟件產(chǎn)業(yè)發(fā)展、保護(hù)生態(tài)環(huán)境、保障食品安全、平衡產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)及解放人員“在場”等社會經(jīng)濟(jì)效益。水產(chǎn)養(yǎng)殖產(chǎn)業(yè)的發(fā)展對我國漁業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整有著重要的意義，主要表現(xiàn)在漁民有效地使用養(yǎng)殖水域，收入提高，城鎮(zhèn)居民生活質(zhì)量的改善。設(shè)施漁業(yè)代表著水產(chǎn)養(yǎng)殖業(yè)的最高水平，也是漁業(yè)現(xiàn)代化的必然產(chǎn)物，具有穩(wěn)產(chǎn)、高產(chǎn)、品質(zhì)好、耗水少等優(yōu)點(diǎn)，能有效檢測與控制養(yǎng)殖水中的各種環(huán)境參數(shù)，建立適于魚類生長的最佳環(huán)境。目前國內(nèi)外學(xué)者通過水產(chǎn)品生長營養(yǎng)需求的分析和研究，己得到了很多水產(chǎn)品營養(yǎng)需求的數(shù)據(jù)。不同的魚類對水場溫度、氧容量等要素也均有它自己嚴(yán)格的要求。如果沒有

4、進(jìn)行綜合技術(shù)的開發(fā)利用，以致水溫不穩(wěn)，影響?zhàn)B殖魚類的生育和設(shè)施漁業(yè)的高產(chǎn)高效;另外水體溶解氧檢測不到位影響魚類同化作用的進(jìn)行，造成水體危害，降低了經(jīng)濟(jì)效益。水產(chǎn)養(yǎng)殖的智能化非常重要。國家的戰(zhàn)略要求，將智能農(nóng)業(yè)推向了風(fēng)口，“互聯(lián)網(wǎng)+”必將帶動農(nóng)業(yè)的智能化升級。1.2 所涉技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀1.2.1 國內(nèi)外技術(shù)發(fā)展丹麥、日本等一些水產(chǎn)養(yǎng)殖業(yè)較為發(fā)達(dá)的國家，己實現(xiàn)對養(yǎng)殖水體中的溫度、pH值、氨氮、COD、BOD等多項具有重要意義的水質(zhì)參數(shù)進(jìn)行在線檢測，以計算機(jī)技術(shù)、控制技術(shù)、通信技術(shù)、為基礎(chǔ)，通過某種通信網(wǎng)絡(luò)將分布在目標(biāo)現(xiàn)場的智能設(shè)備和控制中心連接起來，以實現(xiàn)對現(xiàn)場設(shè)備分散控制和集中管理的一種先進(jìn)控制方

5、式。國外的發(fā)展的趨勢是在計算機(jī)中研究魚類生長的外界影響因素，主要是水體的溶氧、溫度可視化建模，離應(yīng)用還有一定的距離。實際上，將科學(xué)理論基礎(chǔ)與各種建模方法集成，并有機(jī)地將環(huán)境狀況與生態(tài)生理兩個模型結(jié)合生長機(jī)理模型是建模研究的主要內(nèi)容。水體環(huán)境控制的執(zhí)行機(jī)構(gòu)如何協(xié)調(diào)動作，使調(diào)控的環(huán)境滿足魚類生長需求，目前依靠的僅是經(jīng)驗。這是制約工廠化漁業(yè)發(fā)展的共性問題之一;復(fù)雜性的另一個問題是環(huán)境作用的對象是有生命的，它的生長機(jī)理或功能模型存在著許多未建模的動態(tài)信息，基于該模型提供的信息，作為控制系統(tǒng)的給定值是制約工廠化漁業(yè)發(fā)展的共性問題之二;另一個復(fù)雜性表現(xiàn)在目前的調(diào)控手段并沒有完全與水體的生產(chǎn)經(jīng)濟(jì)效益聯(lián)系起來

6、，缺少一個智能決策支持系統(tǒng)，這是目前設(shè)施漁業(yè)，特別是示范經(jīng)濟(jì)效益不好的重要原因之一，是制約工廠化農(nóng)業(yè)發(fā)展的共性問題之三。從整體上看，西方經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)國家水產(chǎn)養(yǎng)殖業(yè)已簽本實現(xiàn)了水產(chǎn)養(yǎng)殖機(jī)械化、水產(chǎn)養(yǎng)殖品種良種化、水產(chǎn)養(yǎng)殖管理自動化、水產(chǎn)養(yǎng)航經(jīng)背符理專業(yè)化、水產(chǎn)養(yǎng)殖產(chǎn)品市場營銷信息化。這標(biāo)志著這些國家水產(chǎn)養(yǎng)殖業(yè)生產(chǎn)和裝備的現(xiàn)代化水平相當(dāng)高，如果不加快水產(chǎn)科技現(xiàn)代化的步伐，就有可能落后世界水產(chǎn)科技進(jìn)步的進(jìn)程。1.2.2 存在的技術(shù)問題工廠化養(yǎng)殖大多采用循環(huán)流水方式進(jìn)行，水體經(jīng)過沉淀和過濾等處理，又流入養(yǎng)魚池繼續(xù)使用。如何對流水水體的各種成份進(jìn)行有效的控制，是一個難點(diǎn)。由于實際的水體處理不好，水體含有很多

7、復(fù)雜的成分，造成水中殘館、糞便增多，引起溶氧下降、氨氮升高，造成魚池水環(huán)境污染，使魚發(fā)生疾病甚至引起死亡。日照時間縮短是溫室內(nèi)水產(chǎn)養(yǎng)殖的又一大問題。如何在光照條件下，最大程度有效地利用日光能量，為魚類創(chuàng)造良好的生長環(huán)境，是以前研究的一個重點(diǎn)。目前，絕大多數(shù)水產(chǎn)養(yǎng)殖溫室是鋼架構(gòu)筑的，并且還安裝有不同的設(shè)備，同時在內(nèi)部還建有磚混結(jié)構(gòu)的水池。所有這些都是陽光的遮蔽物，均可明顯縮短日照長度并使得透光性能變差，影響水產(chǎn)養(yǎng)殖物的正常生長和發(fā)育。設(shè)施漁業(yè)是高效益、高技術(shù)、高投入、高風(fēng)險的產(chǎn)業(yè)。目前，由于我國設(shè)施漁業(yè)生產(chǎn)過程中環(huán)境管理水平還比較低，基本上沒有同水產(chǎn)養(yǎng)殖的生產(chǎn)效益聯(lián)系起來，加之水產(chǎn)養(yǎng)殖結(jié)構(gòu)調(diào)整不

8、夠、市場行情把握不好，因而形成了設(shè)施漁業(yè)不景氣的現(xiàn)象。1.3 創(chuàng)新點(diǎn)1.3.1 主要解決的問題1、實現(xiàn)養(yǎng)殖生產(chǎn)自動化，初步設(shè)計的軟、硬件系統(tǒng)，對養(yǎng)殖水體進(jìn)行水溫、溶氧、酸堿度、氣溫等參數(shù)進(jìn)行在線自動監(jiān)測，準(zhǔn)確地為科學(xué)管理提供技術(shù)參數(shù)，對提高集約化養(yǎng)殖程度。2、利用TI公司的CC3200構(gòu)造了智能魚塘的模型的環(huán)境模型，系統(tǒng)可定制方便擴(kuò)充，可為智能化魚塘養(yǎng)殖業(yè)提供較好的技術(shù)方案，也便于推廣。1.3.2 設(shè)計內(nèi)容簡介本作品主要目的是實現(xiàn)魚塘養(yǎng)殖場的智能化，可分為現(xiàn)場管理單元和遠(yuǎn)程管理單元兩部分。1、 現(xiàn)場管理單元，或稱為無線傳感器網(wǎng)絡(luò)單元(WSN)，位于系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的下層，主要實現(xiàn)通過對養(yǎng)殖現(xiàn)場的水質(zhì)參

9、數(shù)進(jìn)行監(jiān)測與控制的功能，并通過WiFi傳至魚塘監(jiān)控中心，以供遠(yuǎn)程客戶使用?，F(xiàn)場管理單元需要硬件與軟件配合實現(xiàn)其功能。2、 遠(yuǎn)程管理單元位于系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的上層，主要實現(xiàn)下層上傳數(shù)據(jù)的綜合分析與處理和養(yǎng)殖專家支持系統(tǒng)兩種功能。遠(yuǎn)程管理單元主要依靠軟件系統(tǒng)實現(xiàn)其功能。3、通過將所有數(shù)據(jù)上傳到中央計算機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理分析（云計算），從而實現(xiàn)對養(yǎng)殖環(huán)境、飼料質(zhì)量與養(yǎng)殖效果、養(yǎng)殖魚體健康的監(jiān)測，飼養(yǎng)投喂量、需求量預(yù)測、質(zhì)量的判斷，養(yǎng)殖水域環(huán)境質(zhì)量狀態(tài)、技術(shù)對策等。二、系統(tǒng)的總體方案和功能設(shè)計系統(tǒng)的總體方案和功能本作品把魚塘環(huán)境因子的情況送到控制中心，由控制中心根據(jù)其具體情況進(jìn)行處理，WSN技術(shù)應(yīng)用于水產(chǎn)養(yǎng)殖的遠(yuǎn)

10、程監(jiān)控中，在生產(chǎn)現(xiàn)場構(gòu)建一個小型無線數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡(luò)。系統(tǒng)主要組成部分包括:溶解氧傳感器、溶解氧變送器、圖像采集系統(tǒng)、信號轉(zhuǎn)換單元、CC3200、人機(jī)界面、控制電路以及同計算機(jī)的通信接口等。系統(tǒng)方案如圖1所示，本系統(tǒng)采取分散監(jiān)控、集中操作、分級管理的方法，硬件架構(gòu)主要包括3部分: 信息采集模塊、處理模塊、輸出及控制模塊。 圖1 基于物聯(lián)網(wǎng)的水產(chǎn)養(yǎng)殖智能化監(jiān)控系統(tǒng)硬件架構(gòu)圖物聯(lián)網(wǎng)智能化養(yǎng)殖監(jiān)控系統(tǒng)主要有水質(zhì)監(jiān)測、環(huán)境監(jiān)測、視頻監(jiān)測、遠(yuǎn)程控制、閉環(huán)控制等功能，該系統(tǒng)綜合利用電子技術(shù)、傳感器技術(shù)、計算機(jī)與網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)，實現(xiàn)對水產(chǎn)養(yǎng)殖各階段的水溫、pH值和溶氧量等各項基本參數(shù)進(jìn)行實時監(jiān)測與預(yù)警，一旦發(fā)現(xiàn)問

11、題，能及時自動處理。通過一些控制措施來調(diào)節(jié)水產(chǎn)養(yǎng)殖的溶解氧、溫度、pH值和水位等養(yǎng)殖水質(zhì)的環(huán)境因子，同時根據(jù)水產(chǎn)品不同生長階段的需求制定出測控標(biāo)準(zhǔn)，通過對水產(chǎn)養(yǎng)殖環(huán)境的實時檢測，將測得參數(shù)和系統(tǒng)設(shè)定的標(biāo)準(zhǔn)參數(shù)進(jìn)行比較后自動調(diào)整水產(chǎn)養(yǎng)殖生態(tài)環(huán)境各控制設(shè)備的狀態(tài)，以使各項環(huán)境因子符合既定要求。系統(tǒng)綜合利用物聯(lián)網(wǎng)傳感技術(shù)、智能處理技術(shù)及智能控制技術(shù)，集數(shù)據(jù)、圖像實時采集、無線傳輸、智能處理和預(yù)測預(yù)警信息發(fā)布、輔助決策等功能于一體，實現(xiàn)現(xiàn)場及遠(yuǎn)程系統(tǒng)數(shù)據(jù)獲取和設(shè)備控制。通過遠(yuǎn)程控制輸氧設(shè)備及時補(bǔ)充水中的氧氣，啟動供氧調(diào)節(jié)裝置等，從而實現(xiàn)對水產(chǎn)品生長環(huán)境因子的實時監(jiān)控依靠無線網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，將檢測數(shù)據(jù)

12、實時傳送到中央處理系統(tǒng)進(jìn)行處理，中央處理系統(tǒng)再將分析結(jié)果發(fā)送到控制中心，控制中心則根據(jù)各種信息進(jìn)行全局事務(wù)的控制養(yǎng)殖戶可以通過手機(jī)或Web頁面實時了解養(yǎng)殖池內(nèi)各項參數(shù)和啟閉設(shè)備，真正實現(xiàn)水產(chǎn)養(yǎng)殖技術(shù)的信息化、傳感化，使水產(chǎn)品在最適宜的環(huán)境下生長，達(dá)到智能、節(jié)能和增產(chǎn)的目的。水產(chǎn)品在養(yǎng)殖過程中的環(huán)境因子如pH值和溶氧量等數(shù)據(jù)流，采集進(jìn)入信息采集模塊并做進(jìn)一步處理后通過網(wǎng)絡(luò)通信模塊傳送到中心控制系統(tǒng)，以形成優(yōu)化控制的策略，然后現(xiàn)場監(jiān)控中心或者遠(yuǎn)程控制中心進(jìn)行智能控制或者下達(dá)命令讓現(xiàn)場人員進(jìn)行人工控制，進(jìn)而對下一時刻的環(huán)境因子數(shù)據(jù)流進(jìn)行調(diào)控。養(yǎng)殖魚塘系統(tǒng)功能設(shè)計如圖2所示，除基本的節(jié)點(diǎn)及控制通信單元

13、，本作品還通過將所有數(shù)據(jù)上傳到中央計算機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理分析（云計算），從而實現(xiàn)對飼料質(zhì)量與養(yǎng)殖效果、養(yǎng)殖魚體健康、養(yǎng)殖產(chǎn)量等的預(yù)測，飼養(yǎng)投喂量、需求量預(yù)測、質(zhì)量的判斷，養(yǎng)殖水域環(huán)境質(zhì)量狀態(tài)、技術(shù)對策等。養(yǎng)殖的魚養(yǎng)殖的飼料養(yǎng)殖的水體PH值溫度溶解氧投餌機(jī)光照網(wǎng)絡(luò)攝像頭視屏監(jiān)控繼電器傳感器探頭增氧機(jī)數(shù)據(jù)分析光照監(jiān)控中心水體Ph值調(diào)節(jié) 圖2 魚塘智能化養(yǎng)殖功能框圖三、系統(tǒng)的硬件設(shè)計現(xiàn)場管理單元主要由:傳感器節(jié)點(diǎn)、路由節(jié)點(diǎn)、協(xié)調(diào)器、控制節(jié)點(diǎn)以及現(xiàn)場管理中心計算機(jī)等設(shè)備組成。遠(yuǎn)程管理系統(tǒng)主要采取客戶機(jī)/服務(wù)器(C/S模式)和瀏覽器/服務(wù)器(B/S模式)實現(xiàn)數(shù)據(jù)的傳輸與共享。3.1傳感器節(jié)點(diǎn)的設(shè)計傳感器節(jié)點(diǎn)

14、是無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的基本元素，其主要實現(xiàn)采集現(xiàn)場數(shù)據(jù)，并進(jìn)行數(shù)據(jù)通信的功能。系統(tǒng)傳感器節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)如圖3所示。各種傳感器如溫度傳感器、溶氧傳感器、pH傳感器等，將采集到的模擬數(shù)據(jù)通過調(diào)理電路進(jìn)行去干擾和整定，然后通過CC3200芯片的通用I/O 口送入芯片內(nèi)部集成的A/D轉(zhuǎn)換器，然后將得到的數(shù)字信號送入芯片處理器進(jìn)行處理，最終數(shù)據(jù)被送入CC3200芯片的WiFi無線單元，該單元具有在WiFi網(wǎng)絡(luò)內(nèi)進(jìn)行數(shù)據(jù)的發(fā)送與接收。傳感器節(jié)點(diǎn)由電池或太陽能提供能量，由CC3200作為核心單元，放置于傳感器節(jié)點(diǎn)柜內(nèi)部，并固定于池中，各種傳感器放置于養(yǎng)殖池水體中，通過集成于內(nèi)部的無線單元實現(xiàn)數(shù)據(jù)交換。CC3200模塊

15、無線單元MCU儲存器A/D轉(zhuǎn)換電流電壓轉(zhuǎn)換器傳感器模塊溫度光照溶解氧Ph值圖3 傳感器節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)3.2控制節(jié)點(diǎn)設(shè)計與實現(xiàn)控制節(jié)點(diǎn)被安裝位于靠近養(yǎng)殖現(xiàn)場的位置，通過無線網(wǎng)絡(luò)與協(xié)調(diào)器連接，其功能主要用來控制調(diào)節(jié)養(yǎng)殖池中溶解氧、pH值和水溫等主要的水質(zhì)因子?？刂乒?jié)點(diǎn)根據(jù)上位機(jī)的軟件發(fā)送來的控制命令和控制參數(shù)，控制電磁閥和增氧機(jī)的運(yùn)行?？刂乒?jié)點(diǎn)由控制模塊和執(zhí)行模塊兩部分組成，控制節(jié)點(diǎn)面向執(zhí)行模塊，用于對一個或若干個養(yǎng)殖池進(jìn)行相應(yīng)的動作，由一塊CC3200作為節(jié)點(diǎn)的處理中心，負(fù)責(zé)接收現(xiàn)場管理中心監(jiān)控計算機(jī)發(fā)送過來的控制信號，并驅(qū)動執(zhí)行模塊動作。控制模塊液晶顯示鍵盤cc3200D/A轉(zhuǎn)換光電隔離執(zhí)行模塊繼電

16、器變頻器執(zhí)行機(jī)構(gòu)增氧機(jī)進(jìn)水閘出水閘水泵圖5 控制節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)圖3.3現(xiàn)場監(jiān)控中心設(shè)計網(wǎng)絡(luò)攝像頭和監(jiān)控系統(tǒng)軟件具有實時監(jiān)控、歷史數(shù)據(jù)、系統(tǒng)配置、幫助四大功能構(gòu)成，如圖6所示。圖6 監(jiān)控軟件結(jié)構(gòu)圖四、系統(tǒng)軟件設(shè)計智能化監(jiān)控系統(tǒng)的軟件設(shè)計以可靠性、安全性為基本原則，以模塊化、可擴(kuò)展升級為指導(dǎo)來進(jìn)行設(shè)計。軟件設(shè)計主要包含節(jié)點(diǎn)的軟件設(shè)計和PC機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)的軟件設(shè)計。4.1 節(jié)點(diǎn)的軟件功能設(shè)計節(jié)點(diǎn)的軟件功能設(shè)計分為傳感器節(jié)點(diǎn)通信部分和傳感器節(jié)點(diǎn)采集功能，此部分軟件實現(xiàn)了傳感器節(jié)點(diǎn)的組網(wǎng)與數(shù)據(jù)傳輸工作，如圖7和圖8所示。開始系統(tǒng)初始化N超過20次 Y加入網(wǎng)絡(luò)定時蘇醒NY出錯報警休眠，關(guān)閉協(xié)議棧休眠指令YN接收簇頭命令接受傳感器數(shù)據(jù)向簇頭發(fā)送數(shù)據(jù)圖7傳感器節(jié)點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)軟件流程圖開始系統(tǒng)初始化發(fā)送采集命令傳感器自動NY傳感器自動NN數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換完成Y