基于物联网的渔塘环境检测系统

陈士清　李晴　张新刚　萧健恒 　李宏　王晓东

【摘 要】水产养殖一直是我国沿海地区居民经济收入的主要来源，由于传统的水产养殖系统不能及时的对鱼塘环境进行实时监测而造成巨大的经济损失，本项目设计一个渔塘生态环境的监控系统，通过Ph传感器、温度传感器和溶氧传感器，对渔塘中的Ph、温度和溶氧量进行检测，利用物联网技术保证对实时数据获取，并对数据处理，当数据超出指标时系统采取报警，并进行增氧、改变酸碱度和调温等措施来改善水质。系统还包括对渔塘进行实时监测的管理软件，使用户能实时了解和掌握鱼塘的情况，并作出及时而准确的措施，从而带来了极大方便，并且大大降低了应用成本。

【关键词】物联网；渔塘检测；增氧；报警

0.概述

物联网是指通过各种信息传感设备，射频识别（RFID）技术、全球定位系统、红外感应器、激光扫描器、气体感应器等各种装置与技术，进行实时采集监控。它拥有业界最完整的专业物联产品系列，覆盖从传感器、控制器到云计算的各种应用。物联网将是下一个推动世界高速发展的重要生产力。物联网对经济社会发展领域，引发和带动生产力，生产方式和生活方式实现变革，成为经济生活的智能的重要引擎。物联网由于拥有巨大增长潜力，所以是重要的战略性新兴专业。

而在水产养殖产业中，由于纯人工养殖不能及时、准确的获得鱼塘实时情况，导致水产养殖业成本耗费高，而产出却得不到预期的要求。如果能在此基础上应用强大的物联网技术，那么问题将迎刃而解，可以实时掌控鱼塘环境的信息和水质状况，可在很大程度上节省成本，并提高产量。

1.鱼塘养殖背景

氧是鱼类、虾类等水生生物生存和生产发育的必要条件之一。水生生物对水中含氧量非常敏感，传统的养殖人员主要根据经验观察鱼浮头情况来判断水中是否缺氧。而科学研究表明，当溶氧低于其最低限度时就会引起窒息死亡。不同养殖种类、不同年龄及不同季节对池水溶氧的要求各不相同。主要养殖鱼类正常生长所需要的溶解氧含量一般在4-5mg/L以上。此时鱼类摄食好、生长快、饲料利用率高。当溶氧低于此值时，鱼类的摄食和生长都将受到一定的影响。特别是当溶氧低于2mg/L时，鱼类基本上停止摄食。当溶氧低于1mg/L时，鱼类就会浮头。缺氧浮头多发生在夏季，通常野杂鱼先浮头，鲤、鲫开始浮头时表明缺氧已相当严重。而当溶氧低于0.5mg/L时，鱼类即可窒息死亡，所以通过传统经验判断结果往往来不及作出相应措施，而且仅仅通过观察也不能够做到实时监控，也耗费了大量人工成本。在大型的水产养殖因为缺氧而导致的大量鱼群死亡，造成了巨大的经济损失。其次水中的温度和PH对于水生生物的生长发育也有极大的影响，因此，我们在重视当前现状的前提下考虑将物联网技术应用于养殖业是合理的。

2.工作原理

图2.1

为了实现物联网技术的合理应用，我们作了如下系统设计：系统主要由数据检测、数据处理、数据显示和控制增氧四部分组成。检测由PH传感器、温度传感器和溶氧检测装置（本项目中模拟完成）来实现，数据处理实现数据收发，通过数据显示报告实时情况，并且在超出设定范围时装置自动报警，并能对渔塘进行自动增氧。

3.系统硬件设计

3.1温度传感器采用DS18B20芯片，测温范围 -55℃～+125℃，固有测温分辨率0.5℃，电源电压5V，并与MSP430建立通信，进行数据采集。

3.2 PH传感器选用E-201-C-0可充式复合型电极，测量范围：0-14PH，零 电 位：7±0.5PH（25℃）碱 误 差：0.2PH（25℃）。PH传感器所测信号较小，需要对数据进行放大和滤波，然后通过单片机AD数据采集获取一个电位值，并得到相应PH。

3.3溶氧检测用电位器分压电路来模拟实际鱼塘中的含氧量，通过电路给控制中心输送数据。并根据鱼塘中相应的溶氧量来控制电机来给鱼塘供氧。

4.系统通信协议

TI公司的MSP430系列是一个特别强调超低功耗的单片机品种很适合应用于采用电池供电的长时间工作场合，在这个系列中有很多个型号它们是由一些基本功能模块按不同的应用目标组合而成。因此采用该系列的芯片作处理器。

软件部分主要分为节点，监测中心和控制部分，下面主要对三部分作具体介绍。

4.1节点采集包括定时器TA的定时中断，数字信号数据读取，AD信号的采集和无线模块的收发，数据的采集流程主线包括：定时器初始化→等待定时时间→调用数据采集函数 数据换算并通过无线发送数据→进入低功耗等待。

4.2监测中心主要完成节点数据的接收、处理，显示控制，报警装置和控制指令的任务，主要流程包括：低功耗数据侦听状态→检测到串口中断→接受并处理数据→向节点发出控制信息或报警→进入低功耗状态。

4.3控制部分流程主要完成接收数据和驱动控制的任务，主要流程相对简单。初始化进入低功耗状态并侦听属于自己的信号→唤醒并执行自身节点的命令→进入低功耗状态。当然在执行的指令中可能包含定时时间的信息，因此必须调用相应的定时器函数来完成。

5.系统测试结果

通过对系统的检测，得到如表5.1的数据：

由上表的数据可以得出，该项目能基本准确的检测到渔塘的数据，温度误差<<1℃，Ph误差<<0.5，能满足要求。

6.结束语

水温是影响养殖水体溶解氧高低的关键因子，当水温上升，水生生物的新陈代谢增强，呼吸加快，有机物的耗氧率明显增高，池塘等小水体就容易产生缺氧现象，尤其是夏秋季节。随温度的升高，水中溶解氧不断下降。另外，PH值过高或过低，对水产养殖动物都有直接的损害， PH值低于6.5的水可使水产养殖动物的血液中的PH值下降，削弱其血液载氧的能力，造成水产养殖动物自身患生理缺氧症。PH值过高的水则可能腐蚀鱼虾鳃部组织，使鱼虾等失去呼吸能力而大批死亡。此外，水中的PH值过高或过低，均会造成水中的微生物活动受到抑制，有机物不易分解。而通过本系统对温度的检测与控制，可以很好的排除由温度、酸碱性造成的水中含氧量偏低的关键因素，达到提高产量的目的。

【参考文献】

[1]郭秀云，王胜，吴必文，石磊.环境温度对水产养殖定量化影响的研究.安徽农业科学，Journal of Anhui Agri. Sci.2007，35（24）：7498-7499.

[2]樊世清，于泽，郭红军.论物联网对供应链管理的影响.中国经贸导刊，2009，（19）：66.

[3]李霞.浅谈物流信息技术与物联网.商业现代化，2010.5（下旬刊）（总第612期）：48-49.

[4]肖慧彬.物联网中企业信息交互中间件技术开发研究.北京：北方工业大学，2009.