智能水产养殖管理系统设计范文

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摘要：

智能化养殖技术改变了过去依赖经验养殖的方式，逐步实现精准化养殖，节省劳动力的同时提高养殖效率。文章基于物联网技术，设计并实现了一种智能水产养殖管理系统。该系统可实时采集诸如水温、水PH值、水含氧量、水浑浊度、水氨氮含量、水位、盐度、亚硝酸盐等关键参数，为及时调整养殖措施提供了第一手资料。

关键词：

智能水产养殖；物联网；系统设计

一、国内水产养殖现状分析及智能养殖模式的憧憬

传统水产养殖业目前在生产实践中存在着种种弊端，有诸多的问题亟待解决：养殖模式和技术落后、水域资源逐渐短缺、水体污染逐年加重、水产品食品安全问题时有发生等，这些都预示着传统养殖模式受到重大的挑战。[1]近年来，在有关科研单位和渔业企业的努力下，智能化技术已应用于生产过程，大大提高了养殖效益和管理水平。随着智能化养殖的广泛推广，智能化技术首先可以促进渔业生产方式的转变，改变过去依赖经验养殖的方式，逐步实现精准化养殖，使水产养殖变得更加量化可控，提高养殖效率；其次，可以大大节省劳动力，降低劳动强度。由此，可以全面提升我国的水产养殖水平，促进渔业转型升级和生产方式转变，实现渔业现代化。

二、智能水产养殖管理系统总体设计

如图1所示，智能水产养殖系统采用当前热门的物联网技术、嵌入式技术和传感器技术相结合的方法，精心挑选各种传感器（水温传感器、水PH值传感器、水含氧量传感器、水浑浊度传感器、水氨氮含量传感器、水位传感器、盐度传感器、亚硝酸盐传感器、人体红外感应传感器），不仅能对关键水参数实时高精度测量（超过正常值可报警提示），而且能实现智能水位调节、智能增氧、智能投放饵料等智能控制。并且可根据需要开启安防子系统，通过人体红外传感器进行人类识别，配合视频监控功能，预防人为偷捕和毒害行为。智能水产养殖系统还具有远程访问与控制功能，用户可以使用PC或手机远程访问水环境的各项数据指标，远程控制养殖场内部的执行器件。

三、无线传感器网络设计

无线传感器网络由协调器、路由器、传感器、控制节点和执行器节点组成。协调器组建整个传感器网络，建立数据传输通道。传感器节点负责采集水环境的各项数据指标，并将采集到的数据经路由器传输到协调器。协调器与ARM嵌入式系统进行串口通讯。路由器则保障每一个数据采集节点都有一条有效的数据传输路径，确保数据稳定传输。控制节点负责执行网关发送的命令，控制执行器件进行相关操作，比如开启增氧泵。

（一）传感器节点设计以红外传感器节点为例，其它传感器节点原理类似。传感器节点由传感器、ZigBee无线通信芯片（CC2430）和转接板组成，如图2所示。传感器负责采集环境的数据指标；ZigBee无线通信芯片负责收集数据并将数据经路由器传输到协调器；转接板则在传感器与芯片之间架起了数据传输的桥梁，起到了连接传感器与芯片的作用，同时为整个模块提供电源。另外引入转接板也是节点模块化设计理念的体现，比如对于不同的传感器节点，ZigBee无线通信芯片和转接板相同只是传感器不同，传感器节点和控制节点，都是相同的ZigBee无线通信芯片和转接板，不同的只是一个插着传感器一个插着控制器；再比如路由器和协调器节点都只有ZigBee无线通信芯片和转接板两部分构成（因为他们不需要传感也不需要控制输出）。热红外传感器GH-718能够检测到人体发出的热红外波。工作电压为5v，输出为开关量（高电平3.3v）。当有人存在时输出间隔一秒的高低电平，没有人时输出低电平。通过读取输出引脚的电平状态就可以判断是否有人存在。最大检测角度为110°，最长检测距离为7m。[3]热释红外传感器的引脚与J14相连，之后通过主板提供的传感器接口J13与CC2430的相应引脚相连。

（二）控制节点设计以增氧泵控制节点为例，其它控制节点原理类似。控制节点由控制电路、ZigBee无线通信芯片和转接板组成，如图4所示。控制节点负责执行上级ARM平台发送的指令完成相应的操作。无线通信芯片通过控制这三个继电器的通断来控制执行器件的工作状态。由于单片机输出电流能力有限，因此继电器的驱动电路是必要的。借鉴参考文献[4]中成果，设计驱动电路如图5所示。

（三）路由器和协调器节点设计如上文所说，路由器和协调器节点都只有ZigBee无线通信芯片和转接板两部分构成，因为他们不需要传感也不需要控制输出。

（四）执行器节点设计1.增氧器节点：与含氧量传感器节点配合使用，可以人工开启也可以自动开启。当水氧浓度低于对应水产品养殖指标时，由控制器节点开启增氧器工作，提高水氧浓度。2.水泵节点：与水位传感器节点配合使用，可以人工开启也可以自动开启。当水位低于对应水产品养殖指标时，由控制器节点开启水泵工作，提高水位。3.饵料投放节点：可以人工开启也可以定时开启，降低人工喂食的劳动量，提高喂食效率，实现科学的精细喂养。

四、网关设计

网关由ARM嵌入式系统及其外扩器件（无线网卡、无线路由器、GPRS模块、摄像头）组成。网关也是整个系统的主控中心。它通过标准串口与ZigBee协调器连接，收集无线传感器网络上传的数据。这些数据经过处理后，一方面提供给用户使用，另一方面作为维护系统平衡与稳定的依据。1.ARM嵌入式系统：ARM嵌入式系统负责协调其他设备（无线网卡、摄像头、GPRS模块、触屏液晶显示器）正常有序的工作。2.无线网卡与无线路由器：用于远端PC与网关之间传递数据信息。无线网卡与ARM嵌入式系统通过USB接口通信，无线网卡与路由器无线通信，路由器与远端用户有线通信。3.GPRS模组：GPRS模组用于手机与网关之间传递数据信息。它与ARM嵌入式系统之间的通信渠道是标准的串口通信，与手机之间的数据通道是无线通信。4.摄像头：摄像头可以实时监控水塘周边的情况，起到安防的作用。另外采用微距摄像头还可以实时监控水池里水产品的生活动态，取代人工巡池。5.触屏液晶显示器：触屏液晶显示器的任务是为用户提供一个友好的人机交互界面。用户主要通过它对养殖场内的各执行器件进行直接操作，当然也可以查看实时监控画面。

五、软件系统开发概述

软件系统开发包括：ZigBee底层协议栈开发、各种传感器驱动程序的编写、自动控制程序的编写、网关界面开发、网关接入Internet网和GPRS网程序编写、网关数据库建立等。篇幅所限，仅对热释红外传感器驱动进行简单说明。由图3可知，热释红外传感器的输出端口与CC2430的P1_0端口相连，这样只要读取P1_0端口的状态便可以判断是否有人存在。热释红外传感器驱动流程图如图6所示。

六、结束语

本文所述系统对水产品生长环境的重要参数如水温、水PH值、水含氧量、水浑浊度、水氨氮含量、水位、盐度、亚硝酸盐等实时采集，通过网络通信达到实时监控、自动调控，进而达到集约化养殖与精确、科学养殖的目的，提高了养殖质量和效率，有良好的经济价值。

参考文献：

［1］赵志芳.智能化养殖有望克服水产养殖业弊端[N].中国经济时报，2014-08-13.

［2］晨曦.智能化养殖开启渔业大数据时代[N].渔业致富指南，2014-12-18.

［3］凌阳科技,物联网智能温室控制实训系统开发指导书[EB/OL].（2010-11-12）

［4］朱洪波,智能化水产养殖管理系统[J].仪表技术，2013（7）：22-24.

作者：吴小峰 单位：南通航运职业技术学院