CN108918804A

CN108918804A - 基于物联网的观赏鱼养殖水质监测方法

Info

Publication number: CN108918804A
Application number: CN201810725747.1A
Authority: CN
Inventors: 韩玉冰; 马宾; 刘国玲; 刘晓慧; 王春鹏
Original assignee: Qilu University of Technology
Current assignee: Qilu University of Technology
Priority date: 2018-07-04
Filing date: 2018-07-04
Publication date: 2018-11-30

Abstract

本发明公开了一种基于物联网的观赏鱼养殖水质监测方法，包括：（S1）识别观赏鱼类养殖水质主要监测环节，根据观赏鱼类养殖水质对观赏鱼品质的印象，分析并确定观赏鱼类养殖水质感知参数；（S2）针对观赏鱼类养殖水质感知参数，运用多传感器集成技术，设计并实现多传感器集成数据感知模块；（S3）搭建无线传感器网络平台，实现传感器感知数据的采集及数据从下位机到上位机的无线传输，以及数据帧到上位机数据库存储的无缝转化；（S4）验证观赏鱼类养殖水质感知参数数据分布，优化多传感器集成模块的空间布置，并实现多传感器集成模块的测试与优化；（S5）对观赏鱼养殖水质监测方法整体性能进行运行测试，提高系统稳定性和精确性，改善系统性能。

Description

基于物联网的观赏鱼养殖水质监测方法

技术领域

本发明涉及一种基于物联网的观赏鱼养殖水质监测方法。

背景技术

随着人们生活水平的提高，雍容华贵的观赏鱼已经不仅仅是少数饲养爱好者的宠物，而被越来越多的人们作为活的艺术品来欣赏。目前，观赏鱼养殖产业是我国鱼类养殖业的新兴主力军。观赏鱼产业现已成为中国渔业经济发展的增长点之一，对拉动整个农业经济和国民经济发展也发挥着重要的作用。观赏鱼养殖水质却有着严格的要求。在养殖过程中，人们大都还是依靠经验来查看观赏鱼的养殖状态，无法形成科学标准养殖体系造成观赏鱼的生病、死亡，严重影响观赏鱼的品质。因此，对观赏鱼养殖水质监测，对于满足观赏鱼养殖需求，促进观赏鱼业经济增长具有重要的现实意义。

发明内容

本发明的目的是为克服上述现有技术的不足，提供一种基于物联网的观赏鱼养殖水质监测方法，该方法能够实现观赏鱼养殖质量安全监测的智能化、信息化和动态化支持。

为实现上述目的，本发明采用下述技术方案：

一种基于物联网的观赏鱼养殖水质监测方法，包括以下步骤：

(S1)识别观赏鱼类养殖水质主要监测环节，根据观赏鱼类养殖水质对观赏鱼品质的印象，分析并确定观赏鱼类养殖水质感知参数；

(S2)针对观赏鱼类养殖水质感知参数，运用多传感器集成技术，设计并实现多传感器集成数据感知模块；

根据观赏鱼养殖水质参数需求分析结果，将多传感器集成模块分为温度传感器模块、溶氧量传感器模块及PH值传感器模块；

(S3)搭建无线传感器网络平台，实现传感器感知数据的采集及数据从下位机到上位机的无线传输，以及数据帧到上位机数据库存储的无缝转化；包括：

S301：无线传感器网络系统采用星形网络拓扑结构；

S302：基于433MHz传输协议的数据采集、发送模块设计与实现；该模块在网络中的作用为采集观赏鱼养殖水质参数，并将数据解析、打包并发送至网关模块；

S303：基于433MHz、GPRS传输协议的数据接收、发送模块设计与实现；该模块在网络中的作用为接收传感器节点发送过来的数据上传到PC，并将数据利用GPRS通信方式传送到用户手机客户端；

S304：上位机管理软件设计；

(S4)验证观赏鱼类养殖水质感知数据分布，优化多传感器集成模块的空间布置，并实现多传感器集成模块的测试与优化；

将温度传感器模块、溶氧量传感器模块及PH值传感器模块安装在采集板上，采集板一端固定于步进电机上，步进电机活动安装在滑动导轨上，采集板上设置有天线；

S401：根据观赏鱼主要活动水位，利用步进电机将传感器调整到待测水位；传感器节点与电机固定于垂直的滑动导杆上；

S402：验证观赏鱼养殖水域各个参数分布状态，建立养殖水域环境模型，结合实际分析，合理优化养殖水域传感器布局；

S403：合理的根据观赏鱼生活习性对水质参数设定相应的上下阈值界限，实现水质参数结果超出界限后进行声、光及短信形式进行报警；

(S5)对观赏鱼养殖水质监测方法整体性能进行运行测试，提高系统稳定性和精确性，改善系统性能。

无线传感器网络(Wireless Sensor Networks,WSN)是一种分布式传感网络，它的末梢是可以感知和检查外部世界的传感器。WSN中的传感器通过无线方式通信，因此网络设置灵活，设备位置可以随时更改，还可以跟互联网进行有线或无线方式的连接。通过无线通信方式形成的一个多跳自组织网络。

本发明以观赏鱼养殖水质为研究对象，以养殖水质参数采集及无线传输技术为核心，提出了基于WSN的观赏鱼养殖水质检测系统设计及具体实现方案。本发明应用STM32系列ARM方案为中央处理器，挂接水质温度、PH、溶氧量等传感器对养殖水质实时监测，并通过433MHz协议将数据无线发送至上位机，实现水质数据监测、保存功能。当水质数据超出预设定阈值，系统会进行声、光形式报警，并会给用户设定手机号码发送短信，具有良好的预警功能。同时上位机可实现远程控制步进电机滑动，实现对养殖水域的上层、中层、底层的水质监测。所设计系统满足以下几个基本设计要求：低功耗、高稳定性、高鲁棒性等，使本系统可长时间对水质进行检测及预警，保证观赏鱼时刻处在最佳养殖环境中。

本发明根据观赏鱼类养殖水质需求特点，采用多传感器集成技术，开发了完整的数据采集、传输系统，实现观赏鱼类养殖水质环境参数的无缝监测的创新，通过减少人为干预的连续自动数据采集，提高了观赏鱼类养殖水质数据采集与监测的效率。

附图说明

图1为观赏鱼养殖水质监测方法的流程示意图；

图2为观赏鱼养殖水质监测方法工作环节示意图；

图3为数据采集、现场发送模块示意图；

图4为数据采集、远程发送模块示意图；

图5a为传感器模块滑动导轨结构示意图；

图5b为传感器模块滑动导轨结构立体示意图；

图6为传感器模块布局示意图；

图7为数据采集、现场发送模块程序设计流程图；

图8为数据远程发送模块程序设计流程图；

其中，1.滑动导轨，2.步进电机，3.采集板，4.天线，5.温度传感器模块，6.PH传感器模块，7.溶氧传感器模块。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。

本说明书所附图式所绘示的结构、比例、大小等，均仅用以配合说明书所揭示的内容，以供熟悉此技术的人士了解与阅读，并非用以限定本发明可实施的限定条件，故不具技术上的实质意义，任何结构的修饰、比例关系的改变或大小的调整，在不影响本发明所能产生的功效及所能达成的目的下，均应仍落在本发明所揭示的技术内容得能涵盖的范围内。同时，本说明书中所引用的如“上”、“下”、“左”、“右”、“中间”及“一”等的用语，亦仅为便于叙述的明了，而非用以限定本发明可实施的范围，其相对关系的改变或调整，在无实质变更技术内容下，当亦视为本发明可实施的范畴。

本实施例以我国观赏鱼类为研究对象，对其养殖环节水质进行质量监测。本发明所述方法的步骤具体实施例如下：

(S1)观赏鱼类养殖水质参数识别。对观赏鱼类养殖水质全过程进行监控管理，进行观赏鱼生活状态分析，建立品质变化记录。观赏鱼类养殖水质环境感知参数识别过程主要分为以下步骤：

S101：将观赏鱼根据种类分成若干组别，分别根据其习性确定其主要活动水位分布及养殖特性。依据不同种类观赏鱼主要活动水位分布及养殖特性，分析观赏鱼水质参数需求。

监测环节1：以观赏鱼为研究对象，放养于长方形、四角圆钝的养殖池内，鱼群可在全池均匀分布。不同种类观赏鱼分布水位不同，可肉眼观察鱼群活动分布水位，确定鱼群的生活习惯水位并做好记录，方便传感器布置在鱼群活动水位高度。

监测环节2：咨询相关专家及养殖管理人员，确定观赏鱼对水质敏感参数。

1)水温。观赏鱼类的原始生活环境为海洋或山涧溪流，自然水域水质良好。但由于分布地带的不同，不同种类观赏鱼对于水温的需求也不同。比如一些热带观赏鱼类，需求温度较高，在平时养殖中还需对水体加热保证观赏鱼的生活状态。

2)水溶氧量。观赏鱼类对于水溶解氧含量也是相当敏感。在夏季，当水中溶氧低于3mg/L时，会出现大批死亡。低于5mg/L时，呼吸频率加快，感觉不适。要使观赏鱼良好生长，水中溶氧要保证在6mg/L以上，到9mg/L以上生长速度较快。如果水溶氧量低，则需采取提高落差跌水增氧或机械增氧等措施。

3)水PH值。如果pH过高或过低，都对鱼类的生长和浮游生物的繁殖不利，还会导致由原生动物引起的鱼病大量发生。观赏鱼类适宜在中性或微碱性的水体中生长，其pH值为7.0～8.5。如果pH值低于6.0或高于8.5，就会对鱼类造成不良影响。

S102：确定观赏鱼养殖水质参数参数。

通过对观赏鱼养殖水质分析可以得到，不同类型观赏鱼放养在养殖池内，鱼群活动分布在不同水域。同样，水温也根据观赏鱼种类的不同而不同。可根据专家系统确定分布水位及水温。具有共性的是水溶氧量和水PH。水溶氧量最好为6mg/L以上，到9mg/L以上生长速度较快。观赏鱼类适宜在中性或微碱性的水体中生长，其pH值为7.0～8.5。

(S2)观赏鱼类养殖水质多传感器集成数据感知模块设计与实现。

S201：据观赏鱼养殖水质参数需求分析结果，将多传感器集成模块分为温度传感器模块、溶氧量传感器模块及PH值传感器模块。

S202：温度传感器模块设计与实现；

选用瑞士Sensirion公司生产的DHT75数字温度传感器，封装选用不锈钢封装。该传感器具有体积小，硬件开销低，抗干扰能力强，精度高的特点。

由于温度传感器具有极好的线性，使用如下公式即可将数字输出转换为温度值：

Temperature＝d₁+d₂gSO_T

其中，Temperature为修正后的温度值，SO_T为传感器的数字输出，d₁、d₂为温度转换系数。该传感在得到测量命令后启动温度采集程序，在本专利中使用14bit测量，测量时间需要320ms，误差为0.01℃。测量完毕后，SO_T为16bit数据输出，可精确到小数点后两位。

S203：溶氧量传感器模块设计与实现；

溶解氧传感探头部分是由金电极(阴极)和银电极(阳极)及氯化钾或氢氧化钾电解液组成，氧通过膜扩散进入电解液与金电极和银电极构成测量回路。当给溶解氧分析仪电极加上0.6～0.8V的极化电压时，氧通过膜扩散，阴极释放电子，阳极接受电子，产生电流，形成电势。整个反应过程为：阳极Ag+Cl→AgCl+2e^-；阴极O₂+2H₂O+4e→4OH^-。

本发明选取合适的集成运算放大器，将输出信号调节为标准的0.4V～3.3V信号，该范围线性对应0～20mg/L的水溶氧浓度。

S204：PH值传感器模块设计与实现；

PH值传感器探头主要由测量电池和高阻毫伏计两部分组成。测量电池是由指示电极、参比电极和被测溶液构成的原电池，参比电极的电极电位不随被测溶液浓度的变化而变化，指示电极对被测溶液中的待测离子很敏感，其电极电位是待测离子活度的函数，所以原电池的电动势与待测离子的活度有一一对应关系，可见，原电池的作用是把难以直接测量的离子活度转换成容易测量的电电动势。

本发明电极选择为E201型PH复合电极，将水溶液中氢离子活度转化成电能，PH的电能信号采集电路用高阻运算放大电路，将高阻的PH的电能信号放大成标准的0.4V～3.3V信号，该范围线性对应0～14的水PH值。

S205：WSN传感器节点性能测试。

该测试分为两部分：第一部分是三种传感器的精度测试；第二部分为无线通信能力测试。

针对温度传感器，实验室选用0℃到50℃变温环境进行测试，由标准温度计做校正，修正温度转换系数，提高传感数据准确度。

针对水溶氧传感器，使用标准溶氧水体标定，标定范围为1mg/L～20mg/L溶氧度。标定完毕后，将溶氧传感器浸入标定水体连续工作24小时，查看数据曲线确定传感器精度。

针对水PH传感器，由标准PH4～PH12水体环境进行标定，标定完毕后，将PH传感器浸入标定水体连续工作24小时，查看数据曲线确定传感器精度。

无线通信能力测试：在晴朗天气条件下的开阔地，TDA5230结合棒状天线通信距离可达到1500m。在1080m的条件下，丢包率和错误率均为0％。但随着距离的增加，丢包率和错误率会增加。当超过1500m时，号接收断续或无信号。针对于鱼塘环境，设计达到要求。

(S3)WSN的观赏鱼养殖水质监测方法平台设计。对于WSN的观赏鱼养殖水质监测方法平台设计，主要分为以下几个步骤：

S301：WSN系统拓扑结构设计；

本发明选用星形网络拓扑结构，该结构简单易用，在这种结构中，主要包含一个现场数据接收现场上传节点、一个现场数据接收远程上传节点及若干传感器节点。现场数据接收现场上传节点是负责接收网络内传感器节点发送过来的数据，同时将数据解析并传送到现场PC，可以实时查看、记录并保存监测数据；现场数据接收远程上传节点负责接收网络内传感器节点发送过来的数据，同时将数据解析并以GPRS方式发送到用户手机或远程服务器，实现现场数据的远程查看、记录并保存。监测系统络拓扑结构图如图2所示。

S302：基于433MHz传输协议的数据采集、发送模块设计与实现；

该模块在网络中的作用为采集观赏鱼养殖水质参数，并将数据解析、打包并发送至网关模块。

该模块采用STM32f103系列芯片为主控芯片，TDA5230为433MHz数据无线传输芯片，采用GFSK调制方式。TDA5230可以设定16个信道，256个子节点ID。其中水温度传感器与STM32f103采用IIC方式进行连接；水溶氧传感器及水PH传感器直接输出电压值，与STM32f103的AD接口相连接；TDA5230与STM32f103采用SPI方式进行连接。供电方式为7.4V锂电池供电。硬件框图见图3所示。

首先该模块上电后进行硬件系统初始化，确认各个传感器设备及无线通信模块是否正常。然后在系统内设定定时器1的四个标志位，前三个标志位依次表示水温度传感器、水溶氧传感器、水PH传感器的采集。最后一个标志位表示数据采集完毕后进行打包、CRC校验及发送。当发送完毕，系统会自动进入休眠模式，等待下一次采集发送。

S303：基于433MHz、GPRS传输协议的数据接收、发送模块设计与实现；

该模块在网络中的作用为接收传感器节点发送过来的数据上传到PC，并将数据利用GPRS通信方式传送到用户手机客户端。

该模块采用STM32f103系列芯片为主控芯片，TDA5230为433MHz数据无线传输芯片，采用GFSK调制方式。TDA5230可以设定16个信道，256个子节点ID，TDA5230与STM32f103采用SPI方式进行连接。GPRS模块采用SIM900芯片，与STM32f103使用串口通信，电平为TTL电平。由于SIM900的瞬时电流可达到1.5A，所以该模块采用外部供电模式。硬件框图见图4所示。

首先该模块上电后进行硬件系统初始化，确认433MHz无线通信模块及GPRS模块是否正常，然后打开433MHz无线通信模块接收中断模式。一旦有数据接收到，先对数据进行CRC校验，校验成功后确认为有效数据，然后对数据包进行解析，由SIM900向数据服务器发送，用户可使用手机APP访问数据库查看数据；也可通过模块设定，以短信形式将实时养殖环境数据发送到用户手机。

S304：上位机管理软件设计；

PC端上位机管理软件采用Visual Studio 2005平台开发，使用C#编程语言。用户通过管理软件可以直观看到整个网络的拓扑结构，可以查询某水池水温值、水溶氧值、水PH值，以及感知数据的实时曲线绘制等。用户查询某节点信息只需点击软件界面相应节点即可。

(S4)优化传感器节点空间布局。对于传感器节点空间布局优化，主要分为以下几个步骤：

S401：根据观赏鱼主要活动水位，利用步进电机将传感器调整到待测水位；传感器节点与电机固定于垂直的滑动导杆上，如图5a、图5b所示。将温度传感器模块5、溶氧量传感器模块7及PH值传感器模块6安装在采集板3上，采集板3一端固定于步进电机2上，步进电机2活动安装在滑动导轨1上，采集板3上设置有天线4；

S402：验证观赏鱼养殖水域各个参数分布状态，建立养殖水域环境模型，结合实际分析，合理优化养殖水域传感器布局。

根据观赏鱼养殖的一般情况，养殖池一般为12m×4m×1.5m左右。根据S401步骤，设定8组传感器节点同时采集水质参数。摆放位置如图6所示。查看8组采集的水质参数并求出平均差值，选择传感器节点最佳摆放位置。

S403：合理的根据观赏鱼生活习性对水质参数设定相应的上下阈值界限，实现水质参数结果超出界限后进行声、光及短信形式进行报警。在报警过程中，声音采用继电器驱动蜂鸣器实现；光亮采用红色高强度LED灯管进行闪烁；短信会向用户设定号码发送报警短信；同时PC端上位机显示窗口会进行闪烁，提醒用户查看鱼情。

(S5)观赏鱼养殖水质监测方法测试。对于观赏鱼养殖水质监测方法测试，主要分为以下几个步骤：

S501：试整体运行跟踪与监测方法，对运行结果进行问题分析；

将搭建好的跟踪与监测方法应用于实际养殖环境中，搜集实际运行结果与用户反馈，对运行与反馈结果进行综合整理，分析并筛选出可选改进方案，为下一步工作奠定基础。

S502：通过对系统试运行的分析，改进硬件结构，降低系统功耗；

综合分析适用性结果，对系统硬件电路进行改进，针对实际问题采取相应解决方法，同时，对系统硬件的电池寿命进行评估和优化，降低系统功耗，提高使用寿命。

S503：系统稳定性与精确性的测试与优化。

该步骤主要是针对系统稳定性和精确性的测试。在系统稳定性方面，主要针对系统的通信性能和数据完整性进行测试，对实验结果作出合理评估和改进；在系统精确性方面，主要是针对数据的合理性和准确性进行测试，通过测试结果，改进感知数据后期处理算法，提高数据的精确性，使之更能准确反映环境参数。

上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。

Claims

1.一种基于物联网的观赏鱼养殖水质监测方法，其特征是，包括以下步骤：

根据观赏鱼养殖水质感知参数需求分析结果，将多传感器集成模块分为温度传感器模块、溶氧量传感器模块及PH值传感器模块；

S301：无线传感器网络系统采用星形网络拓扑结构；

S302：基于433MHz传输协议的数据采集、发送模块设计与实现；该模块在网络中的作用为采集观赏鱼养殖水质感知参数，并将数据解析、打包并发送至网关模块；

S304：上位机管理软件设计；

(S4)验证观赏鱼类养殖水质感知参数数据分布，优化多传感器集成模块的空间布置，并实现多传感器集成模块的测试与优化；

S403：合理的根据观赏鱼生活习性对养殖水质感知参数设定相应的上下阈值界限，实现养殖水质感知参数结果超出界限后进行声、光及短信形式进行报警；

2.如权利要求1所述的基于物联网的观赏鱼养殖水质监测方法，其特征是，所述步骤S1中，观赏鱼类养殖水质感知参数识别过程主要分为以下步骤：

S101：将观赏鱼根据种类分成若干组别，分别根据其习性确定其主要活动水位分布及养殖特性，据不同种类观赏鱼主要活动水位分布及养殖特性，分析观赏鱼养殖水质感知参数需求；

监测环节1：以观赏鱼为研究对象，放养于长方形、四角圆钝的养殖池内，鱼群可在全池均匀分布；不同种类观赏鱼分布水位不同，可肉眼观察鱼群活动分布水位，确定鱼群的生活习惯水位并做好记录，方便传感器布置在鱼群活动水位高度；

监测环节2：咨询相关专家及养殖管理人员，确定观赏鱼对养殖水质感知参数；

S102：确定观赏鱼养殖水质参数。

3.如权利要求2所述的基于物联网的观赏鱼养殖水质监测方法，其特征是，所述水质环境感知参数包括：水温、水溶氧量和水PH值。

4.如权利要求1所述的基于物联网的观赏鱼养殖水质监测方法，其特征是，所述步骤S2中，溶氧量传感器模块的溶解氧传感探头部分是由金电极即阴极和银电极即阳极及氯化钾或氢氧化钾电解液组成，氧通过膜扩散进入电解液与金电极和银电极构成测量回路；当给溶解氧分析仪电极加上0.6～0.8V的极化电压时，氧通过膜扩散，阴极释放电子，阳极接受电子，产生电流，形成电势；整个反应过程为：阳极Ag+Cl→AgCl+2e^-；阴极O₂+2H₂O+4e→4OH^-；集成运算放大器，将输出信号调节为标准的0.4V～3.3V信号，该范围线性对应0～20mg/L的水溶氧浓度。

5.如权利要求1所述的基于物联网的观赏鱼养殖水质监测方法，其特征是，所述步骤S2中，PH值传感器模块的PH值传感器探头主要由测量电池和高阻毫伏计两部分组成，测量电池是由指示电极、参比电极和被测溶液构成的原电池，参比电极的电极电位不随被测溶液浓度的变化而变化，指示电极对被测溶液中的待测离子很敏感，其电极电位是待测离子活度的函数，所以原电池的电动势与待测离子的活度有一一对应关系，可见，原电池的作用是把难以直接测量的离子活度转换成容易测量的电动势；

电极为E201型PH复合电极，将水溶液中氢离子活度转化成电能，PH的电能信号采集电路用高阻运算放大电路，将高阻的PH的电能信号放大成标准的0.4V～3.3V信号，该范围线性对应0～14的水PH值。

6.如权利要求1所述的基于物联网的观赏鱼养殖水质监测方法，其特征是，所述步骤S3中，所述星形网络拓扑结构包含一个现场数据接收现场上传节点、一个现场数据接收远程上传节点及若干传感器节点，现场数据接收现场上传节点是负责接收网络内传感器节点发送过来的数据，同时将数据解析并传送到现场PC，可以实时查看、记录并保存监测数据；现场数据接收远程上传节点负责接收网络内传感器节点发送过来的数据，同时将数据解析并以GPRS方式发送到用户手机或远程服务器，实现现场数据的远程查看、记录并保存。

7.如权利要求1所述的基于物联网的观赏鱼养殖水质监测方法，其特征是，所述步骤S5中，对于观赏鱼养殖水质监测方法测试，包括以下步骤：

将搭建好的跟踪与监测方法应用于实际养殖环境中，搜集实际运行结果与用户反馈，对运行与反馈结果进行综合整理，分析并筛选出可选改进方案，为下一步工作奠定基础；

综合分析适用性结果，对系统硬件电路进行改进，针对实际问题采取相应解决方法，同时，对系统硬件的电池寿命进行评估和优化，降低系统功耗，提高使用寿命；

S503：系统稳定性与精确性的测试与优化，

该步骤主要是针对系统稳定性和精确性的测试，在系统稳定性方面，主要针对系统的通信性能和数据完整性进行测试，对实验结果作出合理评估和改进；在系统精确性方面，主要是针对数据的合理性和准确性进行测试，通过测试结果，改进感知数据后期处理算法，提高数据的精确性，使之更能准确反映环境参数。