技术︱基于物联网技术的淡水养殖监控系统
五邑大学信息工程学院的研究人员林永铖、林超洋等，在2015年第10期《电气技术》杂志上撰文，为了减少淡水养殖风险和成本以及提高水产品产量，设计了一套基于物联网技术的淡水养殖监控系统。本系统可以监测养殖水体温度、DO（溶解氧）、pH、深度、浊度等对水产品生长有重大影响的水质参数，根据需要进行水质调节和控制养殖场的设备，如增氧泵，增温棒、水泵、喂食器等，完成淡水鱼养殖自动化的管理。
利用无线传感网络对养殖场水质进行远程监控，并将淡水养殖场情况通过短信发至用户。本系统实现了对水产品养殖的智能监控与精细管理，有效增加水产品产量，提升水产品质量，扩大生产规模，实现水产养殖业的健康可持续发展。
当遇到梅雨或恶劣天气时，水中溶氧量会减少，pH值和水温都会变化，这些水质参数都会直接影响到淡水鱼的生存和生长。而传统的养殖方法，对这些环境的把握，需要养殖户多年的摸索而得出，并且还要亲自到淡水养殖场观察水质是否出现变化，所以普遍存在工作效率低下，水质参数把握不准确的问题。
另外，淡水养殖场的水位如果超出水位警戒线，大量的养殖鱼会逃逸或者当水位过低也不利于鱼的生长，加上淡水养殖场被投毒的事件不断出现，更加引起了人们对淡水养殖问题的关注。所以人们设想通过建立物联网淡水养殖监控系统解决这一现实问题[1]。
本文提供了基于物联网技术的的淡水养殖监控系统，其可以测量多种水质参数、报警自动处理、实现远程控制，并且可以通过短信实时了解和控制鱼塘设备和水质，充满人性化的设计及考虑，可以更好的让鱼塘养殖户实现智能管理。
1 淡水养殖监控系统系统功能设计与实现
基于物联网技术的的淡水养殖监控系统将STC12C5A60S2单片机作为主控芯片。这个系统分为上位机和下位机模式，其中下位机部分使用了主从机模式，节点模块是下位机的从机，主要负责收集各种传感器的数据、控制各种设备、保障人体检测报警和水质超标报警。
主控模块是下位机的主机，主要负责上下位机之间的数据传输和传达上位机的命令。上位机是由通信模块，电脑软件平台模块和手机软件模块构成的，主要负责对检测的鱼塘进行综合信息化管理与控制，可在手持的移动设备和笔记本上运行。
图1 系统模块图
本控制系统总体框图如图1所示，下位机部分由4个单片机通过str30无线模块组成的主从机系统，将一个单片机作为主机控制其他的三个单片机，主机还通过USB串口和上位机进行通信。3个从机主要负责控制喂食器和抽水泵和测量各种水质参数，如果超过设定水质参数或者检测到人体接近，则反馈报警信息给主机。
上位机通过串口通信和主机进行通信，同时也可以通过短信模块和手机端进行信息交流。所以本系统利用str30无线模块，wifi模块，短信模块和串口通信实现软件平台和下位机的通信。
在图1所示中，PC上位机可以通过串口通信给主机发送控制和查询命令，主机通过str30无线模块向3个从机分别发送查询和控制命令，从机接收到命令后进行相应的动作，反馈信息给上位机，并且可以通过上位机给手机端传输数据。同时上位机也可以通过wifi模块对摄像头和步进电机进行控制。
图2 从机传感器模块系统图
1.1 浊度模块功能
如图2所示，我们利用浊度传感器，通过液体溶液中的透光率和散射率来综合判断浊度情况，由于浊度值是渐变量，于是我们利用LM393，连接IN2-和OUTPUT脚做出一个电压跟随器，并在输出端加上10K的上拉电阻，此时我们可以得出0-5V的模拟电压，对应透光度0-100%，最后通过AD转换来得到相应的浊度系数。
1.2 雨滴模块功能
我们利用电阻浸泡于水中时，电导率会提高的原理，在我们设定的水位警戒线放置一个电阻，当水位高于警戒线浸泡电阻，我们能通过电阻值的变化来得到电压的变化，然后利用LM393的电压比较得到电平输出，借此判断水位是否达到或超出警戒线。
1.3 超声波模块功能
可以检测水位高度。该模块的工作电压为DC5V，最远测距为5m，盲区为25cm，角度小于50度，抗干扰强，防水。
1.4 pH模块功能
内带温度补偿，工作电压为5V，工作电流为5-10mA,可以检测的范围为pH0-14，输出方式为模拟电压信号输出。此模块灵敏度高，响应速度快，静态功耗小，体积小巧，易于安装。感应距离：0-5米,输出高电平,H=3.3V,L=0V。供电直流：3.3V-15V，静态电流：20uA。
1.5 str30无线通信功能的实现
图3 str30无线通信模块接线图
下位机和上位机的通信方式采用str30无线通信模块进行数据传输，在实现以单片机为主控的主从机之间实现数据的无线传输。这个无线通信部分的电路原理图如图3所示，图中利用串口将主从机通过无线模块连接起来。
1.6 温度模块功能
探头采用DS18B20温度传感器芯片,芯片每个引脚均用热缩管隔开从而防止短路，加上内部有封胶，防水防潮。外部使用了不锈钢管进行封装，同样起到防水效果。供电在3.0V到5.5V间，可以测量在 -55℃～到125℃的温度数据。
2 软件系统设计
图4 软件系统框图
本设备的软件系统主要包括以单片机为主控的下位机、手机终端机及上位机软件三部分。
2.1 上位机人机交互界面的设计
如图5所示，利用QT软件进行了人机监控界面的设计，选择QT是因为QT支持WINDOWS平台，而我们平时所用的基本都是WINDOWS系统，而且QT有比较完善的串口通信的类，而我们的通信都是通过串口实现的[2]。
使用上位机界面中主界面的采集数据和子界面各个鱼塘的采集数据按键，可以向主机发送约定的一串16进制的命令，同时，上位机还同步保存将数据转换后的实际参数到一个TXT文件，且可以在查询数据中随时查看。在上位机的鱼塘控制区，通过按下控制按钮，上位机会向主机发送控制命令，实现对鱼塘的氧气泵、水泵等的开关或报警控制。
在上位机的报警区，可以实时地接收主机返回的数据，实时显示鱼塘的安全情况，而在各个鱼塘子界面中，还设有单独鱼塘布防按键，并可以记录发生的各种报警的次数。上位机可通过串口与一个短信模块进行通信，可接收外部用户手机发送的短信，或者向用户发送短信。
2.2 下位机的程序设计
下位机主要通过单片机STC12C5A60S2为主控组成的主从机模式。整个从机程序分初始化程序，数据采集程序以及命令处理程序三大部分。初始化程序主要是进行AD采集，串口和定时器初始化设置。
数据采集程序是通过定时器来实现定时1秒采集一次数据，采集pH和浊度的程序是在AD中断中进行的，由于此单片机AD中断只有一个，所以设置标志位使得采集pH后再进行浊度的采集，避免发送冲突。
而采集水位是通过定时器中断实现时间计时[3]。命令处理程序是接收到主机的命令之后，根据不同的命令采取不同动作，而且只有处理完一个命令之后才继续处理下一个命令[4]，否则不接受主机的命令。
主机按顺序循环查询从机数据，从机不能主动发送数据给主机[5]。每查询完一个从机后比较报警报警字节中的状态位，如果有修改，则马上反馈信息给上位机。然后保存当前的信道信息，检测有没有上位机的命令，处理完之后继续查询一下个从机。
主机发送查询命令给从机，等待从机的应答，超时修改报警字节的最高位，发送给上位机。继续查询下一个从机。
如果接收到上位机的控制命令，主机修改报警字节中的状态位，马上回应，中断查询循环，给从机发送控制命令，等待从机反馈所有数据给主机，接收到从机返回的数据后主机保存数据，比较报警报警字节中的状态位，如果有修改，则马上反馈信息给上位机。
主机发送控制命令给从机，超时则重发2次，若超过2次，主机马上改变报警这个字节的最高位，发送给上位机。
3 监控系统平台
图5 淡水养殖监控系统
如图5所示，此平台是淡水养殖监控系统平台，此软件平台分为主控界面和子界面。从主控平台的全局操作区可以看到，短信模块初始化按键用于开启短信功能，自动对模块进行初始化，还有系统的开关按钮。
此外，用户还可以根据实际的需要设置定时采集鱼塘数据的时间。而在鱼塘控制区和报警区可以直观的看出各个鱼塘的报警信息和电气设备的开关状态，在开关区还能一键控制所有鱼塘的电气设备，一键控制是否开启布防系统或者一键查询所有鱼塘的数据，起到总控制的作用。
本系统的子界面对应着不同的鱼塘，进入不同的子界面能看到不同鱼塘的详细数据。实时参数显示区可以看到鱼塘的实时水质数据，在报警功能设置区能单独的控制该鱼塘是否开启布防，下面显示着超水位报警和人体检测报警的次数。在短信功能设置区里，用户可以先设定自己的手机号码。
设置完毕后，上位机会通过短信模块向用户发送一个操作指令表，用户可以通过自己手机的短信发送对应的指令，上位机收到信息后可读取到相应的内容，进行相应的操作，如发送查询指令，上位机会查询鱼塘的实时数据后向用户返回一条包含各种参数的短信，或者发送控制指令，上位机会对鱼塘的电气设备进行相应的控制。
在鱼塘设置区，只要用户预先设定各种水质参数，系统就能根据用户设定的水质参数，自动调整鱼塘的水质直至达到用户预先设定好的参数值。此外，该系统还可以随时调取历史数据，让用户可以研究以往水质参数，更加科学且方便的管理多个鱼塘。
4 结论
本系统在整体上的功能能够比较好的实现，我们进行了软件、硬件的设计和调试，保证能够把从机所采集的数据通过无线通信的方式发送到主控平台上，然后再PC上位机显示出来，同时也能在PC上位机和手机终端上查询控制鱼塘数据和设备。通过现场试验，本系统能长时间稳定运行。
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