基于物联网技术的水产养殖智能管理系统研究论文
随着人们对水产品需求的不断扩大，国内水产养殖业得到了突飞猛进的发展，传统的养殖方式已不能满足市场需要，信息化、智能化以及规模化已成为水产养殖技术的发展方向。物联网技术是信息技术发展的一次革命，它将所有物品连接互联网，实现智能化识别管理的技术。国内物联网技术被列为国家五大新兴战略性产业之一， 在工业生产、智能家居和交通运输等行业得到广泛运用。
本研究将物联网技术运用到水产养殖中，通过分布于水域各处的传感设备采集各水池中水的溶解氧、pH 和水温等指标，运用ZigBee 无线通信方式上传采集的数据，上位机接收数据后，通过编写好的人机交互系统实时显示、存储和分析计算接收到的信息数据，同时运行控制程序给出相应的控制命令，并将控制命令发送给上位机PLC，PLC 控制水池中的调节设备动作，最终达到自动运行的目的。同时为了达到便携式管理，还开发了相应的手机App服务端。结果表明，该系统能够简便高效地调节水质因素，达到设计目标。
1 系统硬件结构
1.1 数据采集模块硬件设计
数据采集模块主要负责采集各水质参数(水温、溶解氧和pH)，前端采集模块硬件设计如图3 所示。首先各传感器设备采集到的信号通过调理电路转化为稳定的模拟信号，然后通过模数转换后变成数字信号，在通过串口与ZigBee 传送数据，最后通过无线通信技术将采集到的信息发送给服务器。数据采集模块的核心为传感器，精准采集能力是整个系统有效运行的基础。由于长时间泡在水中，传感器容易附着水中的杂质，进而影响采集的精准度，并损害传感器的使用寿命。因此，传感器配备了相应的保护装置。保护装置，该装置主要有传动和冲洗两大功能，通过控制电机正反转实现传感器探头自动出水和入水的功能;控制电磁阀完成冲洗和保湿的作用。
1.2 前端执行模块硬件设计
前端执行模块主要由ZigBee 模块接收上位机给出的控制命令和数据，然后通过串口RS232 发送给PLC，PLC 运行控制程序，控制前端设备动作，执行相关命令，到达控制目的。
1.3 协调器模块硬件设计
协调器模块是整个系统的中枢，不仅要将接受到的前端数据上传服务器，同时还要将服务器给出的控制命令发下传下位机PLC。ZigBee 模块通过RS232 串口与服务器相连， 采用Modbus 协议传送数据。
2 通信系统
本研究水产养殖智能管理系统采用ZigBee 技术搭建无线通信系统。通信系统中ZigBee 采用星形拓扑结构形式组网， 与ZigBee 模块相连的传感器端、上位机和前端执行器作为该拓扑中的ZigBee 节点。无线通信系统如图6 所示，温度、溶解氧和pH等传感器以及前端控制器PLC 作为ZigBee 网络中的终端设备，服务器则作为协调器。系统中上位机通过ZigBee 无线通信系统与各传感器传输信息，接收并实时显示各传感器采集传送的数据，同时通过ZigBee 无线通信系统对PLC 发送指令， 以及读取PLC 发送给上位机关于各设备工作状态的信息并显示在人机界面上。
3 系统软件结构
该系统软件主要由上位机软件和下位机软件组成，下位机软件已经固化在PLC 程序存储器中，接收到上位机的数据和指令后，控制相应的前端设备动作，对水质因子进行调节。图7 为鱼塘实时监控平台，可以将其划分为5 大模块：①鱼塘溶解氧、水温和pH 的实时显示模块; ②系统参数设置和报警模块;③运行方式的切换模块;④设备状态显示和手动控制模块;⑤升降机(传感器保护模块)定时设置。图8 为鱼塘实时监控平台控制原理图，首先上位机向某个鱼塘的采集端发出查询水质参数命令，在收到正确的信息后，系统首先判断水质参数采样数据是否在系统设定的上、下限范围内。如果超出范围，则判定为异常，如溶解氧(DO)为9.5 mg / L，超出系统设定的上限，其状态显示为异常，并发出警告提醒用户;如果数据正常，系统将溶解氧、pH 和水温的信息实时显示在界面上。系统的运行方式分为自动和手动，如果系统工作在自动状态，系统会根据收到的信息和设定的控制参数自行分析运算，并给出控制命令;如果系统工作在手动状态则等待人工给出控制命令，一般只有在出现报警等特殊情况下才切换到手动运行状态。正常时系统工作在自动运行状态，且运行在自动状态时，投饵机和升降机会定时工作，如图中“区域⑤”就是设定升降机的.升降时间，时间结束马上将传感器拉出水面(投入水中)进行冲洗保养。
4 系统调试
系统测试分在线监测系统测试和在线控制测试两步， 在线监测系统主要完成水质参数的监测，在线控制则根据采集到的水质参数信息完成水质参数调节。在线监测系统完成水质参数采集、数据上传和上位机实时显示功能，主要由水质参数采集系统、无线通信系统和上位机人机交互系统组成。水质参数采集系统主要完成溶解氧、水温和pH的采集，系统在信息采集端自带液晶显示功能。精准的水质参数采集是系统高效运行的基础。为了确保采集数据的正确性，本研究将采集系统采集的信息和参考数据进行对照试验;为了确保溶解氧的样信号的准确性，本研究将其与进口的高精度溶解氧测量仪器(参考传感器)的采样结果进行对照;同时为了测试通信系统和上位机人机交互系统的稳定性，将上位机监控界面实时显示的数据也与前两者进行对比。测试步骤是先将溶解氧传感器探头和参考传感器探头伸入同一区域的水中，然后两者进行连续1 h 内采集对比， 每隔10 min 记录一次，记录结果如表1 所示。比较溶解氧传感器的读数和参考读数可知，两者的读数是基本一致的，最大误差为0.1 mg / L，在允许误差内，能够满足控制精度要求。同时上位机读数和传感器读数完全一致，说明无线通信系统和上位机人机交互系统工作稳定可靠，整个监测系统能够实时、精准、稳定地完成水质参数的采集和显示任务。在线控制测试主要是上位机通过控制算法计算分析采集到的水质信息，形成控制命令下发给PLC，PLC 通过控制前端设备达到调节水质参数的目的。
本文以溶解氧为例进行了现场测试。测试对象为江门某水产养殖推广站，水产养殖现场2 个大塘及4 个小塘， 鱼塘内养殖的鱼类为班鳠和锦鲤，二者对溶解氧的要求较高，一般在5 mg / L 以上，最佳值为6 mg / L。系统设定参考值为6mg / L，测试时间为24 h，表2 为测试得到的溶解氧数据。
5 结论
本研究将物联网技术应用于水产养殖业中，开发了一整套水产养殖智能管理系统，该系统数据采集精准，数据通信上传稳定，人机交互系统简洁形象，操作方便且功能齐全，适应性强。结果表明，该系统能够系统连续准确地远程监控水池的环境因子，实现水池养殖的自动化、智能化目标。
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