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【摘要】我國水產養殖規模日益增大，但在水產養殖中無法實時監控水質情況，消耗的人力物力財力較多。就這一問題設計一個水質控制系統。主要包含感知層采集傳感器、數據處理平臺、繼電器控制模塊三個主要部分。針對pH值、溫度、溶解氧等水質參數，系統根據用戶端指令，通過分析水質參數，使用PID算法控制終端設備進行相應控制，無需人工干預。

【關鍵詞】互聯網；水產養殖；水質控制；PID算法

1引言

本文的智能水產養殖系統是基于物聯網的技術，數據經過PID算法優化后經服務器傳輸到用戶的手機端，實現數據實時采集與分析，無線傳輸、遠程在線監控等功能。智能化的水產養殖方式較于傳統的養殖模式，具備更高的自動化水平，可以減少人力和物力上消耗，可為先進的養殖技術的應用提供有效的支持，可提高高密度養殖的成功率，是一種節能、環保、高效率的特殊養殖模式。并且智能化水產養殖對工作人員通常在教育水平，文化素養上有較高的要求，這可以使得行業在保持較高的整體生產效率的同時，也使管理水平處于較高的水平之上，對我國的水產養殖產業的創新和結構的調整都具有積極的作用。

2系統原理

項目旨在設計一套針對水產養殖中的基于物聯網的水質控制系統[1]。硬件系統主要包括Arduino控制器、DS18B20溫度傳感器、物聯網模塊ESP8266、SEN0161型pH測量傳感器、SEN0237溶氧傳感器、電源模塊、酸堿液泵、增氧泵、熱水泵及繼電器模塊等。系統原理如圖1所示，開啟系統，傳感器通過Zigbee通訊組網收集水質環境參數發送到主控Arduino端，實時顯示水質數據到顯示器上并通過物聯網模塊把數據實時上傳到云端數據庫平臺，用戶再通過PC端或者安卓端登錄管理平臺輸入水質參數對水質進行遠程控制，Arduino中央處理器接受參數指令后使用PID算法[2]發送指令到執行機構完成對設備的控制，顯示反饋設備的工作狀態并上傳云端，最終讓水質參數維持在一個相對穩定的狀態。

3系統硬件模塊

水產養殖的關鍵是控制好水質的狀況，水產品的品質與水產品生活的水質環境是直接掛鉤的。高品質的水產品能為養殖主帶來更好的經濟收益，高品質的水產品產出需要優質的水質環境，水的溫度、pH值、溶氧量等水質參數更是影響水產品的重要因數，為此我們設計了遠程水質控制系統來調控水質環境。（1）水質環境傳感器主要有下面三種：①溫度傳感器：水溫是影響水產品生長繁殖的重要因素之一，并且水質的整體水平可以通過對水中微生物的繁殖的控制來對其產生影響。為了提高水產品的生產效率，水環境的溫度必須控制在最適合水產品生長的范圍內。可通過溫度傳感器，利用溫度和電阻值的關系對水環境的溫度進行檢測。溫度傳感器的種類很多，其中DS18B20的數字溫度傳感器具有體積小、精度高、成本低、抗干擾能力強的特點，因此本項目采用該傳感器對水溫進行檢測。②溶氧量傳感器[3]：溶氧量是水質的重要指標。水環境的溶氧量講對水生物的生長發育造成直接影響。當溶氧量低于4mg/L時，水生物將難以適應此時的水環境；當溶氧量低于2mg/L時，將對水生物的生存造成威脅，導致水生物死亡。人工養殖環境與野生環境不同，其水生物密度大，導致水的流通性差，進而導致水生物缺氧。溶解氧傳感器主要是用于測量水中的溶氧量。通常采用電化學法、滴定碘量法、熒光淬滅光法獲取數據。其中滴定碘量法操作過程繁瑣，無法連續檢測數據；熒光淬滅光法計算過程復雜；而電化學法操作簡單、并且能連續檢測數據、應用也較為廣泛。Thermo多功能傳感器精度達到0.1ppm和0.2ppm，溶氧量的測量范圍為0~20ppm，響應速率30s達到90%甚至39s可達到97%，工作相對濕度為0~95%，溫度補償為0~50℃，輸入接口PRS-485。③pH值傳感器：傳感器檢測的是水體中的酸堿比例情況，大多數的水產品適宜生活在微堿性的水質環境中，也就是PH值為7~8.5時是最適宜的，安全范圍介于5~9.5之間，超過范圍系統將會發出警報。而pH傳感器的原理是通過檢測水體中的氫離子濃度來確定pH值，這種方法既簡單有效又節能環保，也可應用在復雜的環境中。項目所采用的pH傳感器為SEN0161型，檢測范圍為0~14。（2）無線通訊模塊：ZigBee無線通訊[5]ZigBee無線通訊技術是具有低功耗、低速率、低復雜度、低成本、距離較短的一種無線通訊技術。ZigBee廣泛適用于功耗低、距離近并且數據傳輸量小的不同或者相同的電子設備之間的數據通訊。使用ZigBee技術作為本項目傳感器與傳感器之間、傳感器與主控端之間的通訊正好可以滿足設計要求。Zigbee模塊選用的是CC2530為核心處理器，擁有RF收發器，可進行無線轉發通訊。

4系統軟件設計

系統軟件設計如圖2所示，用戶可以使用賬號登錄客戶端查看魚塘的實時水質數據。并且通過客戶端輸入指令遠程操作控制水質。該應用層水質監控信息管理系統是利用B／S架構設計的，通過WebService提供的面向ZigBee／GPRS網關及用戶的服務。

5結論

本系統的研發基于先進的互聯網技術及PID算法[4]的優化，對水產養殖過程中的水質參數進行采集分析以及監控調節，實現魚塘的無人值守，使水產的養殖和管理更加精細化、智能化。基于公共服務云平臺，解決單個養殖戶投入有限和缺乏專業技術人員的局限，實現信息的實時共享。專家和養殖戶之間可以通過該平臺進行在線互動，使養殖戶能夠獲得及時準確的信息反饋和技術指導。而物聯網集成無線傳感網、水質傳感器、無線通信和智能管理云端系統等專業技術，對養殖環境和水產品的生長狀況進行全方位的監測管理，最終實現節能減耗、增產增收的目的。

參考文獻

[1]朱小紅.基于物聯網的水質在線監測系統設計[D].黑龍江科技信息，2014.

[2]劉金琨.先進PID控制及其MATLAB仿真.北京：電子工業出版社，2003.

[3]南京農業大學.用于監測魚塘溶解氧濃度的采樣傳感器[P].中國：CN202256309U，2012.05.03.

[4]陶永華，尹怡欣，葛蘆生.新型PID控制及其應用.北京：機械工業出版社，1998.

[5]張繼飛，林超．基于NODE．JS/GPRS/ZigBee的水產養殖遠程測控系統[J]．艦船電子工程，2017.

作者:吳建伸 曾慶源 歐鈴娥 單位:廣東東軟學院