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摘要：

智能化養(yǎng)殖技術(shù)改變了過(guò)去依賴經(jīng)驗(yàn)養(yǎng)殖的方式，逐步實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)化養(yǎng)殖，節(jié)省勞動(dòng)力的同時(shí)提高養(yǎng)殖效率。文章基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了一種智能水產(chǎn)養(yǎng)殖管理系統(tǒng)。該系統(tǒng)可實(shí)時(shí)采集諸如水溫、水PH值、水含氧量、水渾濁度、水氨氮含量、水位、鹽度、亞硝酸鹽等關(guān)鍵參數(shù)，為及時(shí)調(diào)整養(yǎng)殖措施提供了第一手資料。

關(guān)鍵詞：

智能水產(chǎn)養(yǎng)殖；物聯(lián)網(wǎng)；系統(tǒng)設(shè)計(jì)

一、國(guó)內(nèi)水產(chǎn)養(yǎng)殖現(xiàn)狀分析及智能養(yǎng)殖模式的憧憬

傳統(tǒng)水產(chǎn)養(yǎng)殖業(yè)目前在生產(chǎn)實(shí)踐中存在著種種弊端，有諸多的問(wèn)題亟待解決：養(yǎng)殖模式和技術(shù)落后、水域資源逐漸短缺、水體污染逐年加重、水產(chǎn)品食品安全問(wèn)題時(shí)有發(fā)生等，這些都預(yù)示著傳統(tǒng)養(yǎng)殖模式受到重大的挑戰(zhàn)。[1]近年來(lái)，在有關(guān)科研單位和漁業(yè)企業(yè)的努力下，智能化技術(shù)已應(yīng)用于生產(chǎn)過(guò)程，大大提高了養(yǎng)殖效益和管理水平。隨著智能化養(yǎng)殖的廣泛推廣，智能化技術(shù)首先可以促進(jìn)漁業(yè)生產(chǎn)方式的轉(zhuǎn)變，改變過(guò)去依賴經(jīng)驗(yàn)養(yǎng)殖的方式，逐步實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)化養(yǎng)殖，使水產(chǎn)養(yǎng)殖變得更加量化可控，提高養(yǎng)殖效率；其次，可以大大節(jié)省勞動(dòng)力，降低勞動(dòng)強(qiáng)度。由此，可以全面提升我國(guó)的水產(chǎn)養(yǎng)殖水平，促進(jìn)漁業(yè)轉(zhuǎn)型升級(jí)和生產(chǎn)方式轉(zhuǎn)變，實(shí)現(xiàn)漁業(yè)現(xiàn)代化。

二、智能水產(chǎn)養(yǎng)殖管理系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

如圖1所示，智能水產(chǎn)養(yǎng)殖系統(tǒng)采用當(dāng)前熱門的物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、嵌入式技術(shù)和傳感器技術(shù)相結(jié)合的方法，精心挑選各種傳感器（水溫傳感器、水PH值傳感器、水含氧量傳感器、水渾濁度傳感器、水氨氮含量傳感器、水位傳感器、鹽度傳感器、亞硝酸鹽傳感器、人體紅外感應(yīng)傳感器），不僅能對(duì)關(guān)鍵水參數(shù)實(shí)時(shí)高精度測(cè)量（超過(guò)正常值可報(bào)警提示），而且能實(shí)現(xiàn)智能水位調(diào)節(jié)、智能增氧、智能投放餌料等智能控制。并且可根據(jù)需要開(kāi)啟安防子系統(tǒng)，通過(guò)人體紅外傳感器進(jìn)行人類識(shí)別，配合視頻監(jiān)控功能，預(yù)防人為偷捕和毒害行為。智能水產(chǎn)養(yǎng)殖系統(tǒng)還具有遠(yuǎn)程訪問(wèn)與控制功能，用戶可以使用PC或手機(jī)遠(yuǎn)程訪問(wèn)水環(huán)境的各項(xiàng)數(shù)據(jù)指標(biāo)，遠(yuǎn)程控制養(yǎng)殖場(chǎng)內(nèi)部的執(zhí)行器件。

三、無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)

無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)由協(xié)調(diào)器、路由器、傳感器、控制節(jié)點(diǎn)和執(zhí)行器節(jié)點(diǎn)組成。協(xié)調(diào)器組建整個(gè)傳感器網(wǎng)絡(luò)，建立數(shù)據(jù)傳輸通道。傳感器節(jié)點(diǎn)負(fù)責(zé)采集水環(huán)境的各項(xiàng)數(shù)據(jù)指標(biāo)，并將采集到的數(shù)據(jù)經(jīng)路由器傳輸?shù)絽f(xié)調(diào)器。協(xié)調(diào)器與ARM嵌入式系統(tǒng)進(jìn)行串口通訊。路由器則保障每一個(gè)數(shù)據(jù)采集節(jié)點(diǎn)都有一條有效的數(shù)據(jù)傳輸路徑，確保數(shù)據(jù)穩(wěn)定傳輸。控制節(jié)點(diǎn)負(fù)責(zé)執(zhí)行網(wǎng)關(guān)發(fā)送的命令，控制執(zhí)行器件進(jìn)行相關(guān)操作，比如開(kāi)啟增氧泵。

（一）傳感器節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)以紅外傳感器節(jié)點(diǎn)為例，其它傳感器節(jié)點(diǎn)原理類似。傳感器節(jié)點(diǎn)由傳感器、ZigBee無(wú)線通信芯片（CC2430）和轉(zhuǎn)接板組成，如圖2所示。傳感器負(fù)責(zé)采集環(huán)境的數(shù)據(jù)指標(biāo)；ZigBee無(wú)線通信芯片負(fù)責(zé)收集數(shù)據(jù)并將數(shù)據(jù)經(jīng)路由器傳輸?shù)絽f(xié)調(diào)器；轉(zhuǎn)接板則在傳感器與芯片之間架起了數(shù)據(jù)傳輸?shù)臉蛄海鸬搅诉B接傳感器與芯片的作用，同時(shí)為整個(gè)模塊提供電源。另外引入轉(zhuǎn)接板也是節(jié)點(diǎn)模塊化設(shè)計(jì)理念的體現(xiàn)，比如對(duì)于不同的傳感器節(jié)點(diǎn)，ZigBee無(wú)線通信芯片和轉(zhuǎn)接板相同只是傳感器不同，傳感器節(jié)點(diǎn)和控制節(jié)點(diǎn)，都是相同的ZigBee無(wú)線通信芯片和轉(zhuǎn)接板，不同的只是一個(gè)插著傳感器一個(gè)插著控制器；再比如路由器和協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)都只有ZigBee無(wú)線通信芯片和轉(zhuǎn)接板兩部分構(gòu)成（因?yàn)樗麄儾恍枰獋鞲幸膊恍枰刂戚敵觯峒t外傳感器GH-718能夠檢測(cè)到人體發(fā)出的熱紅外波。工作電壓為5v，輸出為開(kāi)關(guān)量（高電平3.3v）。當(dāng)有人存在時(shí)輸出間隔一秒的高低電平，沒(méi)有人時(shí)輸出低電平。通過(guò)讀取輸出引腳的電平狀態(tài)就可以判斷是否有人存在。最大檢測(cè)角度為110°，最長(zhǎng)檢測(cè)距離為7m。[3]熱釋紅外傳感器的引腳與J14相連，之后通過(guò)主板提供的傳感器接口J13與CC2430的相應(yīng)引腳相連。

（二）控制節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)以增氧泵控制節(jié)點(diǎn)為例，其它控制節(jié)點(diǎn)原理類似。控制節(jié)點(diǎn)由控制電路、ZigBee無(wú)線通信芯片和轉(zhuǎn)接板組成，如圖4所示。控制節(jié)點(diǎn)負(fù)責(zé)執(zhí)行上級(jí)ARM平臺(tái)發(fā)送的指令完成相應(yīng)的操作。無(wú)線通信芯片通過(guò)控制這三個(gè)繼電器的通斷來(lái)控制執(zhí)行器件的工作狀態(tài)。由于單片機(jī)輸出電流能力有限，因此繼電器的驅(qū)動(dòng)電路是必要的。借鑒參考文獻(xiàn)[4]中成果，設(shè)計(jì)驅(qū)動(dòng)電路如圖5所示。

（三）路由器和協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)如上文所說(shuō)，路由器和協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)都只有ZigBee無(wú)線通信芯片和轉(zhuǎn)接板兩部分構(gòu)成，因?yàn)樗麄儾恍枰獋鞲幸膊恍枰刂戚敵觥?/p>

（四）執(zhí)行器節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)1.增氧器節(jié)點(diǎn)：與含氧量傳感器節(jié)點(diǎn)配合使用，可以人工開(kāi)啟也可以自動(dòng)開(kāi)啟。當(dāng)水氧濃度低于對(duì)應(yīng)水產(chǎn)品養(yǎng)殖指標(biāo)時(shí)，由控制器節(jié)點(diǎn)開(kāi)啟增氧器工作，提高水氧濃度。2.水泵節(jié)點(diǎn)：與水位傳感器節(jié)點(diǎn)配合使用，可以人工開(kāi)啟也可以自動(dòng)開(kāi)啟。當(dāng)水位低于對(duì)應(yīng)水產(chǎn)品養(yǎng)殖指標(biāo)時(shí)，由控制器節(jié)點(diǎn)開(kāi)啟水泵工作，提高水位。3.餌料投放節(jié)點(diǎn)：可以人工開(kāi)啟也可以定時(shí)開(kāi)啟，降低人工喂食的勞動(dòng)量，提高喂食效率，實(shí)現(xiàn)科學(xué)的精細(xì)喂養(yǎng)。

四、網(wǎng)關(guān)設(shè)計(jì)

網(wǎng)關(guān)由ARM嵌入式系統(tǒng)及其外擴(kuò)器件（無(wú)線網(wǎng)卡、無(wú)線路由器、GPRS模塊、攝像頭）組成。網(wǎng)關(guān)也是整個(gè)系統(tǒng)的主控中心。它通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)串口與ZigBee協(xié)調(diào)器連接，收集無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)上傳的數(shù)據(jù)。這些數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)處理后，一方面提供給用戶使用，另一方面作為維護(hù)系統(tǒng)平衡與穩(wěn)定的依據(jù)。1.ARM嵌入式系統(tǒng)：ARM嵌入式系統(tǒng)負(fù)責(zé)協(xié)調(diào)其他設(shè)備（無(wú)線網(wǎng)卡、攝像頭、GPRS模塊、觸屏液晶顯示器）正常有序的工作。2.無(wú)線網(wǎng)卡與無(wú)線路由器：用于遠(yuǎn)端PC與網(wǎng)關(guān)之間傳遞數(shù)據(jù)信息。無(wú)線網(wǎng)卡與ARM嵌入式系統(tǒng)通過(guò)USB接口通信，無(wú)線網(wǎng)卡與路由器無(wú)線通信，路由器與遠(yuǎn)端用戶有線通信。3.GPRS模組：GPRS模組用于手機(jī)與網(wǎng)關(guān)之間傳遞數(shù)據(jù)信息。它與ARM嵌入式系統(tǒng)之間的通信渠道是標(biāo)準(zhǔn)的串口通信，與手機(jī)之間的數(shù)據(jù)通道是無(wú)線通信。4.攝像頭：攝像頭可以實(shí)時(shí)監(jiān)控水塘周邊的情況，起到安防的作用。另外采用微距攝像頭還可以實(shí)時(shí)監(jiān)控水池里水產(chǎn)品的生活動(dòng)態(tài)，取代人工巡池。5.觸屏液晶顯示器：觸屏液晶顯示器的任務(wù)是為用戶提供一個(gè)友好的人機(jī)交互界面。用戶主要通過(guò)它對(duì)養(yǎng)殖場(chǎng)內(nèi)的各執(zhí)行器件進(jìn)行直接操作，當(dāng)然也可以查看實(shí)時(shí)監(jiān)控畫(huà)面。

五、軟件系統(tǒng)開(kāi)發(fā)概述

軟件系統(tǒng)開(kāi)發(fā)包括：ZigBee底層協(xié)議棧開(kāi)發(fā)、各種傳感器驅(qū)動(dòng)程序的編寫(xiě)、自動(dòng)控制程序的編寫(xiě)、網(wǎng)關(guān)界面開(kāi)發(fā)、網(wǎng)關(guān)接入Internet網(wǎng)和GPRS網(wǎng)程序編寫(xiě)、網(wǎng)關(guān)數(shù)據(jù)庫(kù)建立等。篇幅所限，僅對(duì)熱釋紅外傳感器驅(qū)動(dòng)進(jìn)行簡(jiǎn)單說(shuō)明。由圖3可知，熱釋紅外傳感器的輸出端口與CC2430的P1_0端口相連，這樣只要讀取P1_0端口的狀態(tài)便可以判斷是否有人存在。熱釋紅外傳感器驅(qū)動(dòng)流程圖如圖6所示。

六、結(jié)束語(yǔ)

本文所述系統(tǒng)對(duì)水產(chǎn)品生長(zhǎng)環(huán)境的重要參數(shù)如水溫、水PH值、水含氧量、水渾濁度、水氨氮含量、水位、鹽度、亞硝酸鹽等實(shí)時(shí)采集，通過(guò)網(wǎng)絡(luò)通信達(dá)到實(shí)時(shí)監(jiān)控、自動(dòng)調(diào)控，進(jìn)而達(dá)到集約化養(yǎng)殖與精確、科學(xué)養(yǎng)殖的目的，提高了養(yǎng)殖質(zhì)量和效率，有良好的經(jīng)濟(jì)價(jià)值。

參考文獻(xiàn)：

［1］趙志芳.智能化養(yǎng)殖有望克服水產(chǎn)養(yǎng)殖業(yè)弊端[N].中國(guó)經(jīng)濟(jì)時(shí)報(bào)，2014-08-13.

［2］晨曦.智能化養(yǎng)殖開(kāi)啟漁業(yè)大數(shù)據(jù)時(shí)代[N].漁業(yè)致富指南，2014-12-18.

［3］凌陽(yáng)科技,物聯(lián)網(wǎng)智能溫室控制實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)開(kāi)發(fā)指導(dǎo)書(shū)[EB/OL].（2010-11-12）

［4］朱洪波,智能化水產(chǎn)養(yǎng)殖管理系統(tǒng)[J].儀表技術(shù)，2013（7）：22-24.

作者：吳小峰 單位：南通航運(yùn)職業(yè)技術(shù)學(xué)院