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摘要：传统水产养殖面临着自然资源占用高、环境污染、技术落后、育种效率低，养殖面积减少等一系列问题。随着“互联网 ”概念的普及与应用，水产养殖也向智能化发展。该系统使用各种无线传感器形成一个ZigBee网络，借此可以对水产养殖环境的各类数据进行收集和显示;自动化改善调控养殖环境，智能投食、智能增氧、智能水位控制等;同时设计了安防系统，保障养殖环节安全可控。
关键词：“互联网 ”;智慧水产;ZigBee网络;物联网;自动化
Abstract： Traditional aquaculture is faced with a series of problems such as excessive occupation of natural resources， environmental pollution， backward technology， low efficiency of aquaculture， and reduction of aquaculture area. With the popularization of the new concept of "Internet plus" and its application in depth ， intelligent aquaculture system design also began to use the Internet of things technology. The system uses various wireless sensing element to shape a Zigbee network to collect and display the aquaculture environment parameters. And to a certain extent automatically improve the regulation of farming environment： intelligent feeding， intelligent oxygenation， intelligent water level control， etc. The safety system is designed to ensure the safety and control of the breeding process. ZigBee network to collect and display the aquaculture environment parameters. And to a certain extent automatically improve the regulation of farming environment： intelligent feeding， intelligent oxygenation， intelligent water level control， etc. The safety system is designed to ensure the safety and control of the breeding process.
Key words： Internet plus; Intelligent aquatic; ZigBee network; The Internet of Things; automation
當前，我们国家水资源稀缺，而传统水产养殖这种生产方式过于依靠资源的消耗，对环境的破坏极为严重，与当前社会倡导的可循环经济和节约型社会和国家可持续发展战略理念不符，水产养殖应朝着工业化、设施化、生态化和有机化方向展开，智能水产养殖业必将成为水产业未来的主要形式。我国作为水产养殖大国，应紧跟时代步伐。在物联网热潮下，具备合理科学调控功能的智慧水产系统的推出将解决此类问题，实现稳定高效的生产，在传统产业形态上形成革命性的突破。
1 需求分析
我们的主要目标就是让鱼塘养殖系统化、专业化，为此我们设计开发了基于物联网嵌入式平台的智慧水产系统。具体来说，智慧水产系统需实现的功能如下：
1）在智能终端对鱼塘进行远程控制。
2）在鱼塘内实时收集并显示各类环境数据。
3）采用声光报警模块自动识别鱼塘内的各种突发事件，并及时报警。
2 总体设计
2.1 系统构架设计
该项目包括以下两个部分：硬件设备与软件部分。硬件部分由三种不同类型的传感器共同组成：采集类传感器、控制类传感器、安防类传感器[1]。软件部分指的是运行在智能手机终端的Android App。
系统总体设计思路主要是各种无线传感器通过Zigbee无线网络与协调器节点之间的交互，将采集到的信息利用协调器节点，使串口与网关进行通信，网关通过Internet接入互联网[2]，然后利用互联网将数据保存在云服务器中。系统功能是运行于智能移动设备上的 App或PC端的软件来实现整个系统的运作。图1为智慧水产系统的总体设计架构图。
2.1 ZigBee节点硬件设计
ZigBee节点硬件设计采用模块组合设计，包含了硬件基础传感器模块、无线通信模块，重要部分处理器模块和能源供应模块。
Zigbee节点的硬件设计集成电路主要通过利用TI公司的CC2530F256芯片实现无线通信模式方案。CC2530 结合了国际上技术领先的RF 收发器的优良性能，业界标准的增强型8051 CPU，系统内可编程闪存，8-KB RAM 和许多其他强大的功能[3]。CC2530F256 结合了德州仪器的目前业界领先的黄金单元ZigBee协议栈（Z-Stack?），提供了一个强大和完善的ZigBee 解决方案。CC2530系统硬件电路包括稳压电源、时钟电路、复位电路等模块[4]等。 2.2 网关软件设计
网关软件设计由应用程序和操作系统两模块组成。应用程序主要功能是凑集ZigBee网络数据、4G网络数据转发、数据存储与处理等，同时，在网关的操作系统选取上，确定采用嵌入式Linux，并通過移植嵌入式Web服务器Boa，方便用户随时可以通过网络实现远程监控。主要的设计内容包括 BootLoader的移植 、Linux 内核的配置、4G模块及其他外围硬件设备驱动程序的添加、内核的编译及下载等[5]。
3 具体设计方案
3.1 传感器设计
本系统中一共选取了以下五种传感器：光照强度传感器、含氧量传感器、湿度传感器、水位水温传感器、步进电机及继电器传感器。下面以水温水位传感器为例介绍传感器的工作原理。
控制器中的计算机将水位传感器测得的水位信号与设定信号相比较，获得偏差，再根据偏差的性质，将“打开”发送给供水电动阀，再发送“关闭”命令确保进水程序完成后，温度控制部分中的计算机向供应加热介质的电动阀下达“打开”命令，系统开始加热储水箱中的水。设定温度后，控制器发出关闭阀门，截断热源的命令，系统进入保温状态。程序逻辑如图2所示。
3.2 自动喂食功能设计
实现自动喂食功能有三种主要的控制方法：移动终端、PC端的自动或定时控制以及手动控制。其中，手动控制即手动打开或关闭诱饵分配器。该控制方法主要是防止系统故障时自动打开或关闭诱饵分配器。手机或PC上的自动和定时这两种控制的控制方式是通过实现系统与诱饵分配器之间的通信完成的。定时控制系统是通过到达目的设定时间后系统自动控制诱饵分配器的打开或关闭实现的。移动终端或PC终端的自动控制需要系统使用者登录到后端养殖管理系统，然后通过相应的按钮以通知系统对诱饵分配器进行打开或关闭[7]。
3.3 系统数据结构设计
系统数据结构处理设计的目的是在保持一定精度的同时调用和传输数据，以便系统可以基于参数做出更准确的判断。传感器及其参数如表1所示。
3.4 Android客户端界面设计
智慧水产养殖系统客户端界面采用Android Studio进行开发。客户端界面主要包括鱼塘首页、历史数据、鱼塘安防、场景模拟四个部分。如图3所示。
3.4.1鱼塘首页
鱼塘首页可以实时显示鱼塘各种环境数据：空气温湿度、光照度、水温水位、水质pH值等生长环境因子，也可以根据采集到的环境数据手动或自动控制水泵、排水闸、增氧机、投食机对鱼塘换水、增氧、增温、喂料等进行控制。从而实现现场和远程系统的数据采集和设备控制功能，方便了对鱼塘养殖环境的调控。
3.4.2历史数据
历史数据页面如图4所示，主要功能是可以按照条件查询智慧鱼塘的历史数据，比如光照度，温度，湿度，水温，水位，水质PH等，并自动形成动态曲线图。同时可以通过查询获得鱼塘的随时数据，实现全方位对养殖环境和鱼类状况的远程监控。
4 结束语
基于智云物联网嵌入式平台开发了智慧水产系统，本文描述了开发需求，系统设计方案以及所需的软硬件技术。系统主要有实时数据的采集和反馈、自动管理、远程监控管理三大功能。使用多种无线传感技术自动检测水产养殖过程中鱼塘环境的环境数据，并根据采集到的环境数据自动控制水泵、排水闸等对鱼塘水温水位进行控制，完成对鱼塘养殖环境的自动管理。
参考文献：
[1] 严涵婷，杜选，孙添程，等.基于语音控制的智慧家居系统[J].电脑知识与技术，2020，16（7）：213-215.
[2] 吴昊，杜选，肖世东，等.基于嵌入式平台的智慧大棚开发[J].电脑知识与技术，2020，16（1）：220-222.
[3] 万彩辉.ZigBee技术在太阳能板监测系统的应用研究[D].大庆：东北石油大学，2014.
[4] 潘贤民.智能用电系统设计与实现[D].沈阳：东北大学，2012.
[5] 张莹，肖令禄.基于无线传感器网络的水产养殖水质监测系统设计[J].渭南师范学院学报，2016，31（19）：49-53.
[6] 安康，张慧熙，王李冬，等.基于ZigBee技术的多节点设备无线物联自组网设计[J].微型机与应用，2014，33（8）：51-54.
[7] 胡琼.基于物联网的智慧水产养殖系统模型设计[J].无线互联科技，2019，16（2）：33-34.
【通联编辑：唐一东】
关键词：“互联网 ”;智慧水产;ZigBee网络;物联网;自动化
Abstract： Traditional aquaculture is faced with a series of problems such as excessive occupation of natural resources， environmental pollution， backward technology， low efficiency of aquaculture， and reduction of aquaculture area. With the popularization of the new concept of "Internet plus" and its application in depth ， intelligent aquaculture system design also began to use the Internet of things technology. The system uses various wireless sensing element to shape a Zigbee network to collect and display the aquaculture environment parameters. And to a certain extent automatically improve the regulation of farming environment： intelligent feeding， intelligent oxygenation， intelligent water level control， etc. The safety system is designed to ensure the safety and control of the breeding process. ZigBee network to collect and display the aquaculture environment parameters. And to a certain extent automatically improve the regulation of farming environment： intelligent feeding， intelligent oxygenation， intelligent water level control， etc. The safety system is designed to ensure the safety and control of the breeding process.
Key words： Internet plus; Intelligent aquatic; ZigBee network; The Internet of Things; automation
當前，我们国家水资源稀缺，而传统水产养殖这种生产方式过于依靠资源的消耗，对环境的破坏极为严重，与当前社会倡导的可循环经济和节约型社会和国家可持续发展战略理念不符，水产养殖应朝着工业化、设施化、生态化和有机化方向展开，智能水产养殖业必将成为水产业未来的主要形式。我国作为水产养殖大国，应紧跟时代步伐。在物联网热潮下，具备合理科学调控功能的智慧水产系统的推出将解决此类问题，实现稳定高效的生产，在传统产业形态上形成革命性的突破。
1 需求分析
我们的主要目标就是让鱼塘养殖系统化、专业化，为此我们设计开发了基于物联网嵌入式平台的智慧水产系统。具体来说，智慧水产系统需实现的功能如下：
1）在智能终端对鱼塘进行远程控制。
2）在鱼塘内实时收集并显示各类环境数据。
3）采用声光报警模块自动识别鱼塘内的各种突发事件，并及时报警。
2 总体设计
2.1 系统构架设计
该项目包括以下两个部分：硬件设备与软件部分。硬件部分由三种不同类型的传感器共同组成：采集类传感器、控制类传感器、安防类传感器[1]。软件部分指的是运行在智能手机终端的Android App。
系统总体设计思路主要是各种无线传感器通过Zigbee无线网络与协调器节点之间的交互，将采集到的信息利用协调器节点，使串口与网关进行通信，网关通过Internet接入互联网[2]，然后利用互联网将数据保存在云服务器中。系统功能是运行于智能移动设备上的 App或PC端的软件来实现整个系统的运作。图1为智慧水产系统的总体设计架构图。
2.1 ZigBee节点硬件设计
ZigBee节点硬件设计采用模块组合设计，包含了硬件基础传感器模块、无线通信模块，重要部分处理器模块和能源供应模块。
Zigbee节点的硬件设计集成电路主要通过利用TI公司的CC2530F256芯片实现无线通信模式方案。CC2530 结合了国际上技术领先的RF 收发器的优良性能，业界标准的增强型8051 CPU，系统内可编程闪存，8-KB RAM 和许多其他强大的功能[3]。CC2530F256 结合了德州仪器的目前业界领先的黄金单元ZigBee协议栈（Z-Stack?），提供了一个强大和完善的ZigBee 解决方案。CC2530系统硬件电路包括稳压电源、时钟电路、复位电路等模块[4]等。 2.2 网关软件设计
网关软件设计由应用程序和操作系统两模块组成。应用程序主要功能是凑集ZigBee网络数据、4G网络数据转发、数据存储与处理等，同时，在网关的操作系统选取上，确定采用嵌入式Linux，并通過移植嵌入式Web服务器Boa，方便用户随时可以通过网络实现远程监控。主要的设计内容包括 BootLoader的移植 、Linux 内核的配置、4G模块及其他外围硬件设备驱动程序的添加、内核的编译及下载等[5]。
3 具体设计方案
3.1 传感器设计
本系统中一共选取了以下五种传感器：光照强度传感器、含氧量传感器、湿度传感器、水位水温传感器、步进电机及继电器传感器。下面以水温水位传感器为例介绍传感器的工作原理。
控制器中的计算机将水位传感器测得的水位信号与设定信号相比较，获得偏差，再根据偏差的性质，将“打开”发送给供水电动阀，再发送“关闭”命令确保进水程序完成后，温度控制部分中的计算机向供应加热介质的电动阀下达“打开”命令，系统开始加热储水箱中的水。设定温度后，控制器发出关闭阀门，截断热源的命令，系统进入保温状态。程序逻辑如图2所示。
3.2 自动喂食功能设计
实现自动喂食功能有三种主要的控制方法：移动终端、PC端的自动或定时控制以及手动控制。其中，手动控制即手动打开或关闭诱饵分配器。该控制方法主要是防止系统故障时自动打开或关闭诱饵分配器。手机或PC上的自动和定时这两种控制的控制方式是通过实现系统与诱饵分配器之间的通信完成的。定时控制系统是通过到达目的设定时间后系统自动控制诱饵分配器的打开或关闭实现的。移动终端或PC终端的自动控制需要系统使用者登录到后端养殖管理系统，然后通过相应的按钮以通知系统对诱饵分配器进行打开或关闭[7]。
3.3 系统数据结构设计
系统数据结构处理设计的目的是在保持一定精度的同时调用和传输数据，以便系统可以基于参数做出更准确的判断。传感器及其参数如表1所示。
3.4 Android客户端界面设计
智慧水产养殖系统客户端界面采用Android Studio进行开发。客户端界面主要包括鱼塘首页、历史数据、鱼塘安防、场景模拟四个部分。如图3所示。
3.4.1鱼塘首页
鱼塘首页可以实时显示鱼塘各种环境数据：空气温湿度、光照度、水温水位、水质pH值等生长环境因子，也可以根据采集到的环境数据手动或自动控制水泵、排水闸、增氧机、投食机对鱼塘换水、增氧、增温、喂料等进行控制。从而实现现场和远程系统的数据采集和设备控制功能，方便了对鱼塘养殖环境的调控。
3.4.2历史数据
历史数据页面如图4所示，主要功能是可以按照条件查询智慧鱼塘的历史数据，比如光照度，温度，湿度，水温，水位，水质PH等，并自动形成动态曲线图。同时可以通过查询获得鱼塘的随时数据，实现全方位对养殖环境和鱼类状况的远程监控。
4 结束语
基于智云物联网嵌入式平台开发了智慧水产系统，本文描述了开发需求，系统设计方案以及所需的软硬件技术。系统主要有实时数据的采集和反馈、自动管理、远程监控管理三大功能。使用多种无线传感技术自动检测水产养殖过程中鱼塘环境的环境数据，并根据采集到的环境数据自动控制水泵、排水闸等对鱼塘水温水位进行控制，完成对鱼塘养殖环境的自动管理。
参考文献：
[1] 严涵婷，杜选，孙添程，等.基于语音控制的智慧家居系统[J].电脑知识与技术，2020，16（7）：213-215.
[2] 吴昊，杜选，肖世东，等.基于嵌入式平台的智慧大棚开发[J].电脑知识与技术，2020，16（1）：220-222.
[3] 万彩辉.ZigBee技术在太阳能板监测系统的应用研究[D].大庆：东北石油大学，2014.
[4] 潘贤民.智能用电系统设计与实现[D].沈阳：东北大学，2012.
[5] 张莹，肖令禄.基于无线传感器网络的水产养殖水质监测系统设计[J].渭南师范学院学报，2016，31（19）：49-53.
[6] 安康，张慧熙，王李冬，等.基于ZigBee技术的多节点设备无线物联自组网设计[J].微型机与应用，2014，33（8）：51-54.
[7] 胡琼.基于物联网的智慧水产养殖系统模型设计[J].无线互联科技，2019，16（2）：33-34.
【通联编辑：唐一东】