基于物联网的鱼塘智能化养殖系统

1、 基于物联网的鱼塘智能化养殖系统摘 要针对目前我国水产养殖规模越来越大，种类越来越丰富，传统养殖方式已不能满足要求的现状，国家的战略要求，将智能农业推向了风口，“互联网+”必将带动农业的升级。本作品将物联网技术相结合应用到水产养殖领域，设计了鱼塘养殖智能化系统的架构及应用实施方案。系统分为现场管理单元、远程管理单元云平台三个部分。根据鱼塘养殖基本流程，对水产品养殖环节的生长环境进行分析，总结影响水产品生长的环境因素并确定出进行水产品高密度养殖的最佳环境，从而实现环境资源的充分利用。关键词：物联网、智能化鱼塘、CC3200目 录摘 要II一、概述31.1 设计背景31.2 所涉技术发展现状31.

2、2.1 国内外技术发展31.2.2 存在的技术问题41.3 创新点51.3.1 主要解决的问题51.3.2 设计内容简介5二、系统的总体方案和功能设计6系统的总体方案和功能7三、系统的硬件设计93.1传感器节点的设计93.2控制节点设计与实现93.3现场监控中心设计10四、系统软件设计124.1 节点的软件功能设计124.2路由器的软件功能设计13五、总结14- 15 - 一、概述1.1 设计背景农业物联网是一种新兴农业信息化技术，其体系架构分为用户层、应用层、传输层、感知层和对象层5个层次，其技术可用于实现农产品安全溯源、精准化农业生产管理、远程及自动化农业生产管理和农产品智能储运。农业物联

3、网具有提高生产效率、降低循环流转成本、节约能源资源、提高农产品附加值、推动农业物联网设备和软件产业发展、保护生态环境、保障食品安全、平衡产业结构及解放人员“在场”等社会经济效益。水产养殖产业的发展对我国渔业结构调整有着重要的意义，主要表现在渔民有效地使用养殖水域，收入提高，城镇居民生活质量的改善。设施渔业代表着水产养殖业的最高水平，也是渔业现代化的必然产物，具有稳产、高产、品质好、耗水少等优点，能有效检测与控制养殖水中的各种环境参数，建立适于鱼类生长的最佳环境。目前国内外学者通过水产品生长营养需求的分析和研究，己得到了很多水产品营养需求的数据。不同的鱼类对水场温度、氧容量等要素也均有它自己严格

4、的要求。如果没有进行综合技术的开发利用，以致水温不稳，影响养殖鱼类的生育和设施渔业的高产高效;另外水体溶解氧检测不到位影响鱼类同化作用的进行，造成水体危害，降低了经济效益。水产养殖的智能化非常重要。国家的战略要求，将智能农业推向了风口，“互联网+”必将带动农业的智能化升级。1.2 所涉技术发展现状1.2.1 国内外技术发展丹麦、日本等一些水产养殖业较为发达的国家，己实现对养殖水体中的温度、pH值、氨氮、COD、BOD等多项具有重要意义的水质参数进行在线检测，以计算机技术、控制技术、通信技术、为基础，通过某种通信网络将分布在目标现场的智能设备和控制中心连接起来，以实现对现场设备分散控制和集中管理

5、的一种先进控制方式。国外的发展的趋势是在计算机中研究鱼类生长的外界影响因素，主要是水体的溶氧、温度可视化建模，离应用还有一定的距离。实际上，将科学理论基础与各种建模方法集成，并有机地将环境状况与生态生理两个模型结合生长机理模型是建模研究的主要内容。水体环境控制的执行机构如何协调动作，使调控的环境满足鱼类生长需求，目前依靠的仅是经验。这是制约工厂化渔业发展的共性问题之一;复杂性的另一个问题是环境作用的对象是有生命的，它的生长机理或功能模型存在着许多未建模的动态信息，基于该模型提供的信息，作为控制系统的给定值是制约工厂化渔业发展的共性问题之二;另一个复杂性表现在目前的调控手段并没有完全与水体的生产

6、经济效益联系起来，缺少一个智能决策支持系统，这是目前设施渔业，特别是示范经济效益不好的重要原因之一，是制约工厂化农业发展的共性问题之三。从整体上看，西方经济发达国家水产养殖业已签本实现了水产养殖机械化、水产养殖品种良种化、水产养殖管理自动化、水产养航经背符理专业化、水产养殖产品市场营销信息化。这标志着这些国家水产养殖业生产和装备的现代化水平相当高，如果不加快水产科技现代化的步伐，就有可能落后世界水产科技进步的进程。1.2.2 存在的技术问题工厂化养殖大多采用循环流水方式进行，水体经过沉淀和过滤等处理，又流入养鱼池继续使用。如何对流水水体的各种成份进行有效的控制，是一个难点。由于实际的水体处理不

7、好，水体含有很多复杂的成分，造成水中残馆、粪便增多，引起溶氧下降、氨氮升高，造成鱼池水环境污染，使鱼发生疾病甚至引起死亡。日照时间缩短是温室内水产养殖的又一大问题。如何在光照条件下，最大程度有效地利用日光能量，为鱼类创造良好的生长环境，是以前研究的一个重点。目前，绝大多数水产养殖温室是钢架构筑的，并且还安装有不同的设备，同时在内部还建有砖混结构的水池。所有这些都是阳光的遮蔽物，均可明显缩短日照长度并使得透光性能变差，影响水产养殖物的正常生长和发育。设施渔业是高效益、高技术、高投入、高风险的产业。目前，由于我国设施渔业生产过程中环境管理水平还比较低，基本上没有同水产养殖的生产效益联系起来，加之水

8、产养殖结构调整不够、市场行情把握不好，因而形成了设施渔业不景气的现象。1.3 创新点1.3.1 主要解决的问题1、实现养殖生产自动化，初步设计的软、硬件系统，对养殖水体进行水温、溶氧、酸碱度、气温等参数进行在线自动监测，准确地为科学管理提供技术参数，对提高集约化养殖程度。2、利用TI公司的CC3200构造了智能鱼塘的模型的环境模型，系统可定制方便扩充，可为智能化鱼塘养殖业提供较好的技术方案，也便于推广。1.3.2 设计内容简介本作品主要目的是实现鱼塘养殖场的智能化，可分为现场管理单元和远程管理单元两部分。1、 现场管理单元，或称为无线传感器网络单元(WSN)，位于系统结构的下层，主要实现通过对

9、养殖现场的水质参数进行监测与控制的功能，并通过WiFi传至鱼塘监控中心，以供远程客户使用。现场管理单元需要硬件与软件配合实现其功能。2、 远程管理单元位于系统结构的上层，主要实现下层上传数据的综合分析与处理和养殖专家支持系统两种功能。远程管理单元主要依靠软件系统实现其功能。3、通过将所有数据上传到中央计算机进行数据处理分析（云计算），从而实现对养殖环境、饲料质量与养殖效果、养殖鱼体健康的监测，饲养投喂量、需求量预测、质量的判断，养殖水域环境质量状态、技术对策等。二、系统的总体方案和功能设计系统的总体方案和功能本作品把鱼塘环境因子的情况送到控制中心，由控制中心根据其具体情况进行处理，WSN技术应

10、用于水产养殖的远程监控中，在生产现场构建一个小型无线数据传输网络。系统主要组成部分包括:溶解氧传感器、溶解氧变送器、图像采集系统、信号转换单元、CC3200、人机界面、控制电路以及同计算机的通信接口等。系统方案如图1所示，本系统采取分散监控、集中操作、分级管理的方法，硬件架构主要包括3部分: 信息采集模块、处理模块、输出及控制模块。 图1 基于物联网的水产养殖智能化监控系统硬件架构图物联网智能化养殖监控系统主要有水质监测、环境监测、视频监测、远程控制、闭环控制等功能，该系统综合利用电子技术、传感器技术、计算机与网络通信技术，实现对水产养殖各阶段的水温、pH值和溶氧量等各项基本参数进行实时监测与

11、预警，一旦发现问题，能及时自动处理。通过一些控制措施来调节水产养殖的溶解氧、温度、pH值和水位等养殖水质的环境因子，同时根据水产品不同生长阶段的需求制定出测控标准，通过对水产养殖环境的实时检测，将测得参数和系统设定的标准参数进行比较后自动调整水产养殖生态环境各控制设备的状态，以使各项环境因子符合既定要求。系统综合利用物联网传感技术、智能处理技术及智能控制技术，集数据、图像实时采集、无线传输、智能处理和预测预警信息发布、辅助决策等功能于一体，实现现场及远程系统数据获取和设备控制。通过远程控制输氧设备及时补充水中的氧气，启动供氧调节装置等，从而实现对水产品生长环境因子的实时监控依靠无线网络进行数据

12、传输，将检测数据实时传送到中央处理系统进行处理，中央处理系统再将分析结果发送到控制中心，控制中心则根据各种信息进行全局事务的控制养殖户可以通过手机或Web页面实时了解养殖池内各项参数和启闭设备，真正实现水产养殖技术的信息化、传感化，使水产品在最适宜的环境下生长，达到智能、节能和增产的目的。水产品在养殖过程中的环境因子如pH值和溶氧量等数据流，采集进入信息采集模块并做进一步处理后通过网络通信模块传送到中心控制系统，以形成优化控制的策略，然后现场监控中心或者远程控制中心进行智能控制或者下达命令让现场人员进行人工控制，进而对下一时刻的环境因子数据流进行调控。养殖鱼塘系统功能设计如图2所示，除基本的节

13、点及控制通信单元，本作品还通过将所有数据上传到中央计算机进行数据处理分析（云计算），从而实现对饲料质量与养殖效果、养殖鱼体健康、养殖产量等的预测，饲养投喂量、需求量预测、质量的判断，养殖水域环境质量状态、技术对策等。养殖的鱼养殖的饲料养殖的水体PH值温度溶解氧投饵机光照网络摄像头视屏监控继电器传感器探头增氧机数据分析光照监控中心水体Ph值调节 图2 鱼塘智能化养殖功能框图 三、系统的硬件设计现场管理单元主要由:传感器节点、路由节点、协调器、控制节点以及现场管理中心计算机等设备组成。远程管理系统主要采取客户机/服务器(C/S模式)和浏览器/服务器(B/S模式)实现数据的传输与共享。3.1传感器节

14、点的设计传感器节点是无线传感器网络的基本元素，其主要实现采集现场数据，并进行数据通信的功能。系统传感器节点结构如图3所示。各种传感器如温度传感器、溶氧传感器、pH传感器等，将采集到的模拟数据通过调理电路进行去干扰和整定，然后通过CC3200芯片的通用I/O 口送入芯片内部集成的A/D转换器，然后将得到的数字信号送入芯片处理器进行处理，最终数据被送入CC3200芯片的WiFi无线单元，该单元具有在WiFi网络内进行数据的发送与接收。传感器节点由电池或太阳能提供能量，由CC3200作为核心单元，放置于传感器节点柜内部，并固定于池中，各种传感器放置于养殖池水体中，通过集成于内部的无线单元实现数据交换

15、。CC3200模块无线单元MCU储存器A/D转换电流电压转换器传感器模块温度光照溶解氧Ph值图3 传感器节点结构3.2控制节点设计与实现控制节点被安装位于靠近养殖现场的位置，通过无线网络与协调器连接，其功能主要用来控制调节养殖池中溶解氧、pH值和水温等主要的水质因子。控制节点根据上位机的软件发送来的控制命令和控制参数，控制电磁阀和增氧机的运行。控制节点由控制模块和执行模块两部分组成，控制节点面向执行模块，用于对一个或若干个养殖池进行相应的动作，由一块CC3200作为节点的处理中心，负责接收现场管理中心监控计算机发送过来的控制信号，并驱动执行模块动作。控制模块液晶显示键盘cc3200D/A转换光

16、电隔离执行模块继电器变频器执行机构增氧机进水闸出水闸水泵图5 控制节点结构图3.3现场监控中心设计网络摄像头和监控系统软件具有实时监控、历史数据、系统配置、帮助四大功能构成，如图6所示。图6 监控软件结构图 四、系统软件设计智能化监控系统的软件设计以可靠性、安全性为基本原则，以模块化、可扩展升级为指导来进行设计。软件设计主要包含节点的软件设计和PC机监控系统的软件设计。4.1 节点的软件功能设计节点的软件功能设计分为传感器节点通信部分和传感器节点采集功能，此部分软件实现了传感器节点的组网与数据传输工作，如图7和图8所示。开始系统初始化N超过20次 Y加入网络定时苏醒NY出错报警休眠，关闭协议栈休眠指令YN接收簇头命令接受传感器数据向簇头发送数据图7传感器节点网络软件流程图开始系统初始化发送采集命令传感器自动NY传感器自动NN数据转换完成Y