基于物联网的鱼塘环境监测系统设计

引 言

我国渔业总产量连续多年居世界首位。鱼的产量与鱼塘环境休戚相关，一旦水质被污染就会破坏鱼塘环境导致减产， 因此必须对鱼塘环境相关参数进行监测，预防水质被破坏， 满足鱼塘所需的水质要求 [1]。目前我国大多数鱼塘管理者对水中环境好坏的判断主要通过鱼有无浮头等现象来判断含氧量的多少，再利用人工控制增氧机作业。这类方法效率低。随着计算机技术和物联网技术的不断发展和提高，远程监测系统已被广泛应用于各领域。在水产养殖领域，传统的人工养殖和人工采样监测已无法实现对鱼塘环境的实时监控，也不能随时获取鱼塘的水质动态，所以智能化、自动化和网络化的工厂化养殖方式已成为渔业发展的必然趋势 [2]。这种养殖方式不仅能降低传统养殖的劳动强度，保障水产品安全，保障水产养殖高效生产，同时还能对鱼塘环境进行实时监测 [3-4]。

针对上述情况，本文设计了一套基于物联网的鱼塘环境监控系统。该系统集数据采集、数据分析、信息反馈和自动调节等功能于一体，通过无线接入点向配电箱发送控制指令。该系统针对鱼塘分布广、监测点多、布线和供电困难等特点， 利用物联网技术，远程在线采集气象信息，实现旱情自动预报等。用户可以通过手机、平板、计算机等信息终端远程查询水质信息，采集温度、光照、pH值、水位、溶解氧等数据， 并控制进出水、增氧设备等的工作，实现远程鱼塘环境监测。数据中心利用采集到的数据进行分析，之后作出决策发出指令控制气泵和水泵进行自我调节，实现淡水养殖过程水质自动控制、管理与预警，降低水产养殖风险，提高单位水面的产量和水产品质量。

1 鱼塘环境检测系统的框架结构

平台架构如图 1 所示。系统架构分为数据采集层、网络传输层、中间网关层、应用服务层、移动服务层。

1.1 数据采集层

数据采集层由多种传感器组成，主要采集鱼塘环境的相关参数。终端接入层放置在鱼塘中，用以检测水质参数，可对水位、光照、pH 值、溶解氧和水温等环境参数进行远程实时监测 [5-6]。

1.2 网络传输层

网络传输层负责与外部网络通信，用于应用层和采集层之间的数据传输，将终端采集到的数据通过 ZigBee 网络发送至网关， 系统支持以太网、RS 232 等有线方式和 WiFi， ZigBee，Bluetooth 等无线方式 [7-9]。

1.3 中间网关层

网关放置在鱼塘附近，采用无线传输方式接收数据并显示，同时将该终端发送的数据通过串口传送给监控中心软件， 再通过Internet 网络将数据传输至远程鱼塘监控中心 [10]。

1.4 应用服务层

应用层主要负责感知数据的分析、处理、统计及显示，并进行及时预警、自动控制和科学决策，主要包括物联网云服务平台、两级监控中心、预警与控制决策系统，对传输层传递的数据进行分析、处理和决策控制。负责数据的存储、统计、分析、图形化显示，包括数据查询、报表生成、绘制分析曲线等，并根据环境信息进行决策和自动控制，及数据的分析判断，实现远程实时监控查询和预警 [11-12]。该部分由数据库和后台数据处理软件组成。

1.5 移动服务层

移动服务层支持手持设备，智能手机和平板使用 APP 软件连接数据库查看监控中心的信息并进行数据处理，通过蓝牙、无线技术自动传输到 Android 手机端 [13]。服务器将数据实时推送到云端，通过手机或者电脑网页远程控制和获取相关数据。可扩展连接公有、私有云服务器。水产养殖智能监控系统可实现对水位、光照、pH 值、溶解氧和水温等鱼塘环境参数的实时自动采集、处理和显示，传感器节点和协调器节点之间的数据通过无线网络传输，构建云网关，实时将水的溶解氧、水温、pH 值等信息推送到云数据中心，再凭借Android 移动客户端和 Web 端获得这些数据，用户能够随时随地远程获取测得的水的溶解氧、水温等信息 [14]。

2 鱼塘环境检测系统的硬件设计

溶解氧、水温、pH 值、光照、水位等传感器作为数据采集类物联网传感器，能够主动采集水的环境信息并发送至采集节点。采集到水质参数后，利用 ZigBee 无线网络将其发送至ZigBee 网关，后经串口发送至控制电脑，再通过互联网把数据发送到服务器的接收端程序。该程序把数据保存到数据库，利用 Web 网站和手机显示数据库的传感器数据，用户也可通过网站和手机控制主动采样过程。无线传感器网络监测节点的硬件结构模块如图 2 所示。系统主要包括微处理器、水温水位传感器、水质 pH 值检测传感器、溶氧量检测传感器和无线射频模块 [15]。测量节点采用 ZigBee 芯片 CC2530 作为微处理器，主要接收来自 PC 机水质数据采集软件的命令并转发给每个水质数据检测终端，接收每个水质检测终端上传的数据并通过 USB 接口传送到 PC 机。

                                                                                                                                                   图 2 硬件结构模块

3 鱼塘环境检测系统的软件设计

系统软件设计需求主要包括移动监测平台设计和网站平台设计 [16]。基于 Android 手机系统打造一个基于云服务的鱼塘环境移动监控平台。通过手机对鱼塘环境进行实时监控，

并可按日、月、年将环境参数（如温湿度）变化以曲线方式呈现。通过与移动终端连接，在 APP中可及时、准确地监测鱼塘的水质状况，可在水质信号异常时发出警告 [17]。对监测和跟踪的数据进行系统分析，并将分析结果及时通知管理人员。移动监测平台分为水质参数监测与读取显示模块，水质历史数据分析模块，水质联动远程管理控制模块，设备管理模块， 养鱼咨询模块，用户信息模块，水产品追溯模块等。移动监测平台功能模块如图 3所示。

                                                                                                                                                 图 3 移动监测平台功能模块

网站平台设计：网站提供实时监控式水质诊断服务。平台可接收网关传输的鱼塘水质监测数据，并对数据做出解析处理、远程显示和控制网关 [18]。通过监测水温、pH 值等生命体征，实时分析鱼塘水质状况，建立鱼塘水质状况档案，发布水质状况曲线，计算水质指数，并对潜在水质风险进行评估和预警 [19]。子功能包括监控管理模块、系统管理模块、数据分析模块等。网站功能模块如图 4 所示。

4 结 语

本文基于对国内外水产养殖环境监测的现状和发展趋势以及相关环境监测技术和应用的研究，得出目前鱼塘环境监测几大关键因素集中在水位监测、pH值检测、水温、氧容量等指标，以及在检测中所要用到的设备与技术的结论。本系统的基本功能包括鱼塘水位监控，可实时控制水泵开关、监测水体 pH值、监测水溶解氧，并在移动端控制增氧阀门以及水温的监测。与当前其他水产养殖监测系统相比，本系统可以实现鱼塘监测的智能化，进而提高鱼塘环境监测系统的自动化程度，降低鱼塘管理与维护难度，具有广阔的市场应用前景。

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2018年 / 第11期 物联网技术 73

20211031_617ebcd3b6564__《物联网技术》2018年第8卷第11期_78-79