1、 基于物聯網的魚塘智能化養殖系統摘 要針對目前我國水產養殖規模越來越大，種類越來越豐富，傳統養殖方式已不能滿足要求的現狀，國家的戰略要求，將智能農業推向了風口，“互聯網+”必將帶動農業的升級。本作品將物聯網技術相結合應用到水產養殖領域，設計了魚塘養殖智能化系統的架構及應用實施方案。系統分為現場管理單元、遠程管理單元云平臺三個部分。根據魚塘養殖基本流程，對水產品養殖環節的生長環境進行分析，總結影響水產品生長的環境因素并確定出進行水產品高密度養殖的最佳環境，從而實現環境資源的充分利用。關鍵詞：物聯網、智能化魚塘、CC3200目 錄摘 要II一、概述31.1 設計背景31.2 所涉技術發展現狀31.

2、2.1 國內外技術發展31.2.2 存在的技術問題41.3 創新點51.3.1 主要解決的問題51.3.2 設計內容簡介5二、系統的總體方案和功能設計6系統的總體方案和功能7三、系統的硬件設計93.1傳感器節點的設計93.2控制節點設計與實現93.3現場監控中心設計10四、系統軟件設計124.1 節點的軟件功能設計124.2路由器的軟件功能設計13五、總結14- 15 - 一、概述1.1 設計背景農業物聯網是一種新興農業信息化技術，其體系架構分為用戶層、應用層、傳輸層、感知層和對象層5個層次，其技術可用于實現農產品安全溯源、精準化農業生產管理、遠程及自動化農業生產管理和農產品智能儲運。農業物聯

3、網具有提高生產效率、降低循環流轉成本、節約能源資源、提高農產品附加值、推動農業物聯網設備和軟件產業發展、保護生態環境、保障食品安全、平衡產業結構及解放人員“在場”等社會經濟效益。水產養殖產業的發展對我國漁業結構調整有著重要的意義，主要表現在漁民有效地使用養殖水域，收入提高，城鎮居民生活質量的改善。設施漁業代表著水產養殖業的最高水平，也是漁業現代化的必然產物，具有穩產、高產、品質好、耗水少等優點，能有效檢測與控制養殖水中的各種環境參數，建立適于魚類生長的最佳環境。目前國內外學者通過水產品生長營養需求的分析和研究，己得到了很多水產品營養需求的數據。不同的魚類對水場溫度、氧容量等要素也均有它自己嚴格

4、的要求。如果沒有進行綜合技術的開發利用，以致水溫不穩，影響養殖魚類的生育和設施漁業的高產高效;另外水體溶解氧檢測不到位影響魚類同化作用的進行，造成水體危害，降低了經濟效益。水產養殖的智能化非常重要。國家的戰略要求，將智能農業推向了風口，“互聯網+”必將帶動農業的智能化升級。1.2 所涉技術發展現狀1.2.1 國內外技術發展丹麥、日本等一些水產養殖業較為發達的國家，己實現對養殖水體中的溫度、pH值、氨氮、COD、BOD等多項具有重要意義的水質參數進行在線檢測，以計算機技術、控制技術、通信技術、為基礎，通過某種通信網絡將分布在目標現場的智能設備和控制中心連接起來，以實現對現場設備分散控制和集中管理

5、的一種先進控制方式。國外的發展的趨勢是在計算機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，離應用還有一定的距離。實際上，將科學理論基礎與各種建模方法集成，并有機地將環境狀況與生態生理兩個模型結合生長機理模型是建模研究的主要內容。水體環境控制的執行機構如何協調動作，使調控的環境滿足魚類生長需求，目前依靠的僅是經驗。這是制約工廠化漁業發展的共性問題之一;復雜性的另一個問題是環境作用的對象是有生命的，它的生長機理或功能模型存在著許多未建模的動態信息，基于該模型提供的信息，作為控制系統的給定值是制約工廠化漁業發展的共性問題之二;另一個復雜性表現在目前的調控手段并沒有完全與水體的生產

6、經濟效益聯系起來，缺少一個智能決策支持系統，這是目前設施漁業，特別是示范經濟效益不好的重要原因之一，是制約工廠化農業發展的共性問題之三。從整體上看，西方經濟發達國家水產養殖業已簽本實現了水產養殖機械化、水產養殖品種良種化、水產養殖管理自動化、水產養航經背符理專業化、水產養殖產品市場營銷信息化。這標志著這些國家水產養殖業生產和裝備的現代化水平相當高，如果不加快水產科技現代化的步伐，就有可能落后世界水產科技進步的進程。1.2.2 存在的技術問題工廠化養殖大多采用循環流水方式進行，水體經過沉淀和過濾等處理，又流入養魚池繼續使用。如何對流水水體的各種成份進行有效的控制，是一個難點。由于實際的水體處理不

7、好，水體含有很多復雜的成分，造成水中殘館、糞便增多，引起溶氧下降、氨氮升高，造成魚池水環境污染，使魚發生疾病甚至引起死亡。日照時間縮短是溫室內水產養殖的又一大問題。如何在光照條件下，最大程度有效地利用日光能量，為魚類創造良好的生長環境，是以前研究的一個重點。目前，絕大多數水產養殖溫室是鋼架構筑的，并且還安裝有不同的設備，同時在內部還建有磚混結構的水池。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，影響水產養殖物的正常生長和發育。設施漁業是高效益、高技術、高投入、高風險的產業。目前，由于我國設施漁業生產過程中環境管理水平還比較低，基本上沒有同水產養殖的生產效益聯系起來，加之水

8、產養殖結構調整不夠、市場行情把握不好，因而形成了設施漁業不景氣的現象。1.3 創新點1.3.1 主要解決的問題1、實現養殖生產自動化，初步設計的軟、硬件系統，對養殖水體進行水溫、溶氧、酸堿度、氣溫等參數進行在線自動監測，準確地為科學管理提供技術參數，對提高集約化養殖程度。2、利用TI公司的CC3200構造了智能魚塘的模型的環境模型，系統可定制方便擴充，可為智能化魚塘養殖業提供較好的技術方案，也便于推廣。1.3.2 設計內容簡介本作品主要目的是實現魚塘養殖場的智能化，可分為現場管理單元和遠程管理單元兩部分。1、 現場管理單元，或稱為無線傳感器網絡單元(WSN)，位于系統結構的下層，主要實現通過對

9、養殖現場的水質參數進行監測與控制的功能，并通過WiFi傳至魚塘監控中心，以供遠程客戶使用?，F場管理單元需要硬件與軟件配合實現其功能。2、 遠程管理單元位于系統結構的上層，主要實現下層上傳數據的綜合分析與處理和養殖專家支持系統兩種功能。遠程管理單元主要依靠軟件系統實現其功能。3、通過將所有數據上傳到中央計算機進行數據處理分析（云計算），從而實現對養殖環境、飼料質量與養殖效果、養殖魚體健康的監測，飼養投喂量、需求量預測、質量的判斷，養殖水域環境質量狀態、技術對策等。二、系統的總體方案和功能設計系統的總體方案和功能本作品把魚塘環境因子的情況送到控制中心，由控制中心根據其具體情況進行處理，WSN技術應

10、用于水產養殖的遠程監控中，在生產現場構建一個小型無線數據傳輸網絡。系統主要組成部分包括:溶解氧傳感器、溶解氧變送器、圖像采集系統、信號轉換單元、CC3200、人機界面、控制電路以及同計算機的通信接口等。系統方案如圖1所示，本系統采取分散監控、集中操作、分級管理的方法，硬件架構主要包括3部分: 信息采集模塊、處理模塊、輸出及控制模塊。 圖1 基于物聯網的水產養殖智能化監控系統硬件架構圖物聯網智能化養殖監控系統主要有水質監測、環境監測、視頻監測、遠程控制、閉環控制等功能，該系統綜合利用電子技術、傳感器技術、計算機與網絡通信技術，實現對水產養殖各階段的水溫、pH值和溶氧量等各項基本參數進行實時監測與

11、預警，一旦發現問題，能及時自動處理。通過一些控制措施來調節水產養殖的溶解氧、溫度、pH值和水位等養殖水質的環境因子，同時根據水產品不同生長階段的需求制定出測控標準，通過對水產養殖環境的實時檢測，將測得參數和系統設定的標準參數進行比較后自動調整水產養殖生態環境各控制設備的狀態，以使各項環境因子符合既定要求。系統綜合利用物聯網傳感技術、智能處理技術及智能控制技術，集數據、圖像實時采集、無線傳輸、智能處理和預測預警信息發布、輔助決策等功能于一體，實現現場及遠程系統數據獲取和設備控制。通過遠程控制輸氧設備及時補充水中的氧氣，啟動供氧調節裝置等，從而實現對水產品生長環境因子的實時監控依靠無線網絡進行數據

12、傳輸，將檢測數據實時傳送到中央處理系統進行處理，中央處理系統再將分析結果發送到控制中心，控制中心則根據各種信息進行全局事務的控制養殖戶可以通過手機或Web頁面實時了解養殖池內各項參數和啟閉設備，真正實現水產養殖技術的信息化、傳感化，使水產品在最適宜的環境下生長，達到智能、節能和增產的目的。水產品在養殖過程中的環境因子如pH值和溶氧量等數據流，采集進入信息采集模塊并做進一步處理后通過網絡通信模塊傳送到中心控制系統，以形成優化控制的策略，然后現場監控中心或者遠程控制中心進行智能控制或者下達命令讓現場人員進行人工控制，進而對下一時刻的環境因子數據流進行調控。養殖魚塘系統功能設計如圖2所示，除基本的節

13、點及控制通信單元，本作品還通過將所有數據上傳到中央計算機進行數據處理分析（云計算），從而實現對飼料質量與養殖效果、養殖魚體健康、養殖產量等的預測，飼養投喂量、需求量預測、質量的判斷，養殖水域環境質量狀態、技術對策等。養殖的魚養殖的飼料養殖的水體PH值溫度溶解氧投餌機光照網絡攝像頭視屏監控繼電器傳感器探頭增氧機數據分析光照監控中心水體Ph值調節 圖2 魚塘智能化養殖功能框圖 三、系統的硬件設計現場管理單元主要由:傳感器節點、路由節點、協調器、控制節點以及現場管理中心計算機等設備組成。遠程管理系統主要采取客戶機/服務器(C/S模式)和瀏覽器/服務器(B/S模式)實現數據的傳輸與共享。3.1傳感器節

14、點的設計傳感器節點是無線傳感器網絡的基本元素，其主要實現采集現場數據，并進行數據通信的功能。系統傳感器節點結構如圖3所示。各種傳感器如溫度傳感器、溶氧傳感器、pH傳感器等，將采集到的模擬數據通過調理電路進行去干擾和整定，然后通過CC3200芯片的通用I/O 口送入芯片內部集成的A/D轉換器，然后將得到的數字信號送入芯片處理器進行處理，最終數據被送入CC3200芯片的WiFi無線單元，該單元具有在WiFi網絡內進行數據的發送與接收。傳感器節點由電池或太陽能提供能量，由CC3200作為核心單元，放置于傳感器節點柜內部，并固定于池中，各種傳感器放置于養殖池水體中，通過集成于內部的無線單元實現數據交換

15、。CC3200模塊無線單元MCU儲存器A/D轉換電流電壓轉換器傳感器模塊溫度光照溶解氧Ph值圖3 傳感器節點結構3.2控制節點設計與實現控制節點被安裝位于靠近養殖現場的位置，通過無線網絡與協調器連接，其功能主要用來控制調節養殖池中溶解氧、pH值和水溫等主要的水質因子?？刂乒濣c根據上位機的軟件發送來的控制命令和控制參數，控制電磁閥和增氧機的運行?？刂乒濣c由控制模塊和執行模塊兩部分組成，控制節點面向執行模塊，用于對一個或若干個養殖池進行相應的動作，由一塊CC3200作為節點的處理中心，負責接收現場管理中心監控計算機發送過來的控制信號，并驅動執行模塊動作?？刂颇K液晶顯示鍵盤cc3200D/A轉換光

16、電隔離執行模塊繼電器變頻器執行機構增氧機進水閘出水閘水泵圖5 控制節點結構圖3.3現場監控中心設計網絡攝像頭和監控系統軟件具有實時監控、歷史數據、系統配置、幫助四大功能構成，如圖6所示。圖6 監控軟件結構圖 四、系統軟件設計智能化監控系統的軟件設計以可靠性、安全性為基本原則，以模塊化、可擴展升級為指導來進行設計。軟件設計主要包含節點的軟件設計和PC機監控系統的軟件設計。4.1 節點的軟件功能設計節點的軟件功能設計分為傳感器節點通信部分和傳感器節點采集功能，此部分軟件實現了傳感器節點的組網與數據傳輸工作，如圖7和圖8所示。開始系統初始化N超過20次 Y加入網絡定時蘇醒NY出錯報警休眠，關閉協議棧休眠指令YN接收簇頭命令接受傳感器數據向簇頭發送數據圖7傳感器節點網絡軟件流程圖開始系統初始化發送采集命令傳感器自動NY傳感器自動NN數據轉換完成Y