CN113110211A - 一种养殖渔场分布式水质远程监控系统及监控方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于传感技术领域，公开了一种养殖渔场分布式水质远程监控系统及监控方法，养殖渔场分布式水质远程监控系统由水质监控节点，网络控制器和物联网监控平台三个部分组成；水质监控节点，用于通过所述传感器监测水质，根据传感器所测得数值控制增氧机的开关，并通过LoRa通信模块将采集到的数据及执行器状态发送至网络控制器；网络控制器，用于将所有节点数据打包后发送至物联网监控平台；物联网监控平台，用于对传感器的历史数据进行查阅，并远程控制每个节点各个增氧机的工作状态。本发明为用户提供了一种能够实现远距离、长电池寿命、安装简单、成本低廉、扩展性强、安全加密的通信方案，目前可运行于全球免费频段。

Description

一种养殖渔场分布式水质远程监控系统及监控方法

技术领域

本发明属于传感技术领域，尤其涉及一种养殖渔场分布式水质远程监控系统及监控方法。

背景技术

目前，我国水产养殖业近年来蓬勃发展，其总产量已经占到世界养殖总产量的70％左右。在渔业养殖中，渔场的水质环境对水生生物的培养具有重要影响。其中，影响水产养殖的水质的关键参数主要有水温、pH、浊度、电导率、溶解氧浓度以及氨氮浓度等数值。

现有水质监测系统按照距离区分，主要可分为采用GSM蜂窝网络或GPRS的远程水质监测系统以及采用ZigBee或WiFi的近场水质监测系统。其中，采用GSM蜂窝网络和GPRS的水质监测系统虽然通信距离远，但是节点能耗较高且需要支付额外的运营商费用；采用ZigBee和WiFi的近场水质监测系统虽然无需支付额外费用，但是通信距离短且易受传输干扰。因此，亟需一种新的养殖渔场分布式水质远程监控系统。

通过上述分析，现有技术存在的问题及缺陷为：

(1)现有水质监测系统中，采用GSM蜂窝网络和GPRS的水质监测系统虽然通信距离远，但是节点能耗较高且需要支付额外的运营商费用。

(2)现有水质监测系统中，采用ZigBee和WiFi的近场水质监测系统虽然无需支付额外费用，但是通信距离短且易受传输干扰。

发明内容

针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种养殖渔场分布式水质远程监控系统及监控方法，尤其涉及一种基于LPWAN的养殖渔场分布式水质远程监控系统及监控方法。

本发明是这样实现的，一种养殖渔场分布式水质远程监控系统，所述养殖渔场分布式水质远程监控系统由水质监控节点，网络控制器和物联网监控平台三个部分组成。

其中，所述水质监控节点，安装有水温传感器，pH传感器，浊度传感器，电导率传感器，溶解氧浓度传感器及氨氮传感器，用于通过所述传感器检测得到水温、酸碱度值、浊度、电导率、溶解氧浓度及氨氮浓度，并根据传感器所测得数值控制增氧机的开关；同时通过LoRa通信模块将各个传感器采集到的数据及执行器状态发送至网络控制器；

所述网络控制器，用于将所有节点的数据打包后发送至物联网监控平台；

所述物联网监控平台，用于对传感器的历史数据进行查阅，并远程控制每个节点各个增氧机的工作状态。

进一步，所述水质监控节点，包括MCU微控制单元，通讯单元，传感单元，全球定位单元，显示单元和电源管理单元。

其中，所述MCU微控制单元，采用基于Cortex-M3架构的STM32F103RCT6芯片组成，用于采集传感单元的数据，存储及运行程序，执行所接入模块的任务，并进行PID控制算法的运行和协调各个单元之间数据包的传输；

所述传感单元，用于通过水温传感器，pH传感器，浊度传感器，电导率传感器，溶解氧浓度传感器及氨氮传感器监测水质信息，各个传感器通过不同接口与微控制单元进行数据传输，根据所测得的数据分别控制增氧机的运行；

所述全球定位单元，通过GPS模块来获取其当前的地理位置，并通过通讯单元将位置信息上传至物联网监控平台；采用型号为ATK-NEO-6M的GPS模块，该模块自带陶瓷天线及MAXIM公司20.5dB高增益LNA芯片，兼容3.3V与5V的供电电压，工作温度范围为-40℃～85℃；

所述通信单元，用于通过Semtech所开发的半双工传输的低中频收发器SX1278，进行水质监控节点与网络控制器之间的数据传输；

所述显示单元，用于通过有机电激光显示屏OLED显示水质监控节点传感器所采集的数据和增氧机的运行状态；

所述电源管理单元，由锂电池与降压电路组成，通过降压模块将电压降低至各个单元的工作电压；其中，利用TLV62565降压电路把锂电池的DC 5V电压降至主控单元所需的3.3V。

进一步，所述水温传感器采用水温-pH复合传感器，通过BNC接口与E-201-C型pH复合电极，扩展DS18B20温度传感器接口，读取水温参数，并对pH检测值进行补偿；

所述浊度传感器型号为TSW-30，通过目标溶液中的透光率和散射率来综合判断浊度情况，同时输出模拟信号和数字信号，工作电压为5V，标准工作温度位于-20℃～90℃之间，检测响时间小于500ms；

所述电导率传感器采用DJS-1电导电极，该传感器使用5V供电电压，一路0～3.4V的模拟量输出，工作温度在0～40℃之间，支持测量范围为0～20mS/cm；

所述溶解氧浓度传感器采用数字型溶解氧传感器DOS-600；

所述氨氮浓度传感器采用NHN-206氨氮传感器。

进一步，所述水质监控节点，通过引入PID控制算法，将所采集到的溶解氧浓度数值按照一定时间间隔分别传入PID控制算法得出校正值，相应的控制端口输出不同宽度的PWM脉冲信号，转换为PWM波形的占空比，进而控制增氧机的状态，使溶解氧浓度始终稳定在设定值周围。

进一步，所述网络控制器，由嵌入式处理器，4G模块和基于LoRa调制的基带芯片SX1301组成；其中，所述嵌入式处理器采用ARM Cortex-A7内核的i.MX 6UltraLite应用处理器，SX1301采集各个节点的数据后，将数据包利用4G模块通过MQTT接入协议将数据发送至监控平台上。

进一步，所述网络控制器，主板以ARM Cortex-A7内核的i.MX6 Ultra Lite应用处理器为核心，主频528MHz，内置256MB DDR3内存和256MB NAND FLASH，且采用双Mini PCIE接口设计，留有多种功能接口；4G模块采用移远通信LTE模块EC20来向物联网监控平台发送数据包。

进一步，所述物联网监控平台使用OneNET的多协议接入组件；在监控平台上能实时查看测试量，测试量历史数据和控制器的运行状态，并通过图形界面手动控制控制器的运行。

进一步，所述水质监控节点与物联网监控平台之间使用LoRa通讯技术进行数据交互，并按照一定的通讯协议传输数据；其中，所述通讯协议帧由数据帧头，数据长度，节点ID，传输时间，水温数据，pH数据，浊度数据，电导率数据，溶解氧浓度数据，氨氮浓度，增氧机状态，报警位，保留位及数据帧尾组成。

进一步，当传感器采集到的数值超过所设定的一定范围时，在水质监控节点的OLED屏及物联网监控平台上显示报警信息，且在监控平台上可观察到对应报警节点的ID号和超标的物理量及其数值。

本发明的另一目的在于提供一种应用所述的养殖渔场分布式水质远程监控系统的养殖渔场分布式水质远程监控方法，所述养殖渔场分布式水质远程监控方法包括以下步骤：

步骤一，通过水质监控节点上的传感器测出的水温、酸碱度值、浊度、电导率、溶解氧浓度及氨氮浓度；

步骤二，将采集到的数据分别经过单个PID算法计算得出校正值，相应的控制端口输出不同宽度的PWM脉冲信号，进而控制增氧机的运行状态；

步骤三，节点上的OLED显示屏能实时显示当前节点上传感器所采集到的数据及增氧机的工作状态；

步骤四，通过LoRa通信模块将各个传感器采集到的数据及执行器状态发送至网络控制器；

步骤五，网络控制器通过将所有节点的数据打包之后发送至物联网监控平台；通过监控平台上对传感器的历史数据进行查阅，并能远程控制每个节点各个增氧机的工作状态。

结合上述的所有技术方案，本发明所具备的优点及积极效果为：本发明提供的基于LPWAN的养殖渔场分布式水质远程监控系统，采用LoRa技术作为养殖渔场分布式远程水质监测系统的通信方案，针对不同应用场合，完成信息采集，计算及传输的相关工作，解决了大面积水域水质监测中传统通信方案在通信距离与功耗选择上不可兼得的问题。本发明的方案改变了远距离与低功耗只能选其一的格局，为用户提供了一种能够实现远距离、长电池寿命、安装简单、成本低廉、扩展性强、安全加密的通信方案，目前可运行于全球免费频段。

LoRa是新兴的低功耗广域网通信技术之一，是美国Semtech公司采用与推广的一种采用了啁啾(Chirp)扩频技术的超远距离传输方案。本发明采用Semtech公司的SX1278基带芯片，该芯片运用了LoRa啁啾扩频CSS(Chirp Spreatrum Spread Spectrum)技术发送数据，该技术能够有效降低噪声和干扰、覆盖距离大。通过集成的+20dBm功率放大器，能够保证在低至-148dBm的灵敏度条件下进行远距离无线通信。此外，该芯片仅需$1-2左右，极大的减少了设计成本。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对本发明实施例中所需要使用的附图做简单的介绍，显而易见地，下面所描述的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明实施例提供的养殖渔场分布式水质远程监控系统架构图。

图2是本发明实施例提供的养殖渔场分布式水质远程监控方法流程图。

图3是本发明实施例提供的LoRa通信单元电路设计原理图。

图4是本发明实施例提供的水质监控节点电源管理单元电路设计原理图。

图5是本发明实施例提供的水质监控节点软件流程图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种养殖渔场分布式水质远程监控系统及监控方法，下面结合附图对本发明作详细的描述。

如图1所示，本发明实施例提供的养殖渔场分布式水质远程监控系统由水质监控节点，网络控制器和物联网监控平台三个部分组成。

其中，所述水质监控节点，安装有水温传感器，pH传感器，浊度传感器，电导率传感器，溶解氧浓度传感器及氨氮传感器，用于通过所述传感器检测得到水温、酸碱度值、浊度、电导率、溶解氧浓度及氨氮浓度，并根据传感器所测得数值控制增氧机的开关；同时通过LoRa通信模块将各个传感器采集到的数据及执行器状态发送至网络控制器；

所述网络控制器，用于将所有节点的数据打包后发送至物联网监控平台；

所述物联网监控平台，用于对传感器的历史数据进行查阅，并远程控制每个节点各个增氧机的工作状态。

如图2所示，本发明实施例提供的养殖渔场分布式水质远程监控方法包括以下步骤：

S101，通过水质监控节点上的传感器测出的水温、酸碱度值、浊度、电导率、溶解氧浓度及氨氮浓度；

S102，将采集到的数据分别经过单个PID算法计算得出校正值，相应的控制端口输出不同宽度的PWM脉冲信号，进而控制增氧机的运行状态；

S103，节点上的OLED显示屏能实时显示当前节点上传感器所采集到的数据及增氧机的工作状态；

S104，通过LoRa通信模块将各个传感器采集到的数据及执行器状态发送至网络控制器；

S105，网络控制器通过将所有节点的数据打包之后发送至物联网监控平台；通过监控平台上对传感器的历史数据进行查阅，并能远程控制每个节点各个增氧机的工作状态。

下面结合实施例对本发明的技术方案作进一步描述。

实施例1

本发明采用以下技术方案：一种基于LPWAN的养殖渔场分布式水质远程监控系统，所述系统由水质监控节点，网络控制器和物联网监控平台三个部分组成。水质监控节点上装有水温传感器，pH传感器，浊度传感器，电导率传感器，溶解氧浓度传感器及氨氮传感器，根据传感器所测得数值控制增氧机的开关。为使溶解氧浓度始终稳定在设定值周围，引入PID控制算法来进一步控制增氧机运作。将所测得的溶解氧浓度数值按照一定时间间隔分别传入PID控制算法得出校正值，相应的控制端口输出不同宽度的PWM脉冲信号，进而控制增氧机的状态，同时通过LoRa通信模块将各个传感器采集到的数据及执行器状态发送至网络控制器，网络控制器通过将所有节点的数据打包之后发送至物联网监控平台。

为优化上述技术方案，采取的具体措施还包括：

本发明的基于LPWAN的养殖渔场分布式水质远程监控系统，水质监控节点包括MCU微控制单元，通讯单元，传感单元，全球定位单元，显示单元和电源管理单元，各个单元的功能如下所述：

微控制单元MCU：存储及运行程序，执行所接入模块的任务，协调各个单元之间的数据传输。

传感单元：使用水温传感器，pH传感器，浊度传感器，电导率传感器，溶解氧浓度传感器及氨氮传感器监测水质信息，各个传感器通过不同接口与微控制单元进行数据传输，根据所测得的数据分别控制曝氧机的运行。

显示单元：通过OLED显示当前的水温、pH、浊度、电导率、溶解氧浓度以及氨氮浓度及当前曝氧机的运行状态，以方便对系统状态的实时查看。

通讯单元：借助于LoRa通讯模块使得生态监控节点与网络控制器之间进行信息传输。

电源管理单元：节点通过电池来进行供电，通过降压模块将电压降低至各个单元的工作电压。

全球定位单元：节点通过GPS模块来获取其当前的地理位置，并通过通讯单元将位置信息上传至物联网监控平台，以便工作人员后续的节点维护和位置查询。

本发明的传感单元中采用水温-pH复合传感器中我们通过BNC接口与E-201-C型pH复合电极，此外该传感器还扩展了DS18B20温度传感器接口，一方面可以读取水温参数，另一方面可以对pH检测值进行补偿，提高精度。浊度传感器型号为TSW-30，该传感器通过目标溶液中的透光率和散射率来综合判断浊度情况，该传感器可同时输出模拟信号和数字信号，工作电压为5V，标准工作温度位于-20℃～90℃之间，检测响应时间小于500ms。电导率传感器中采用DJS-1电导电极，该传感器使用5V的供电电压，一路0～3.4V的模拟量输出，工作温度在0-40℃之间，支持测量范围为0～20mS/cm。溶解氧浓度传感器采用数字型溶解氧传感器DOS-600。氨氮浓度传感器采用NHN-206氨氮传感器。

本发明的基于LPWAN的养殖渔场分布式水质远程监控系统，所述网络控制器是一款工控与产品设计功能评估于一体的工业控制主板。主板以ARM Cortex-A7内核的i.MX6Ultra Lite应用处理器为核心，主频528MHz，内置256MB DDR3内存和256MB NAND FLASH，该产品提供了多种功能接口，所有接口通过严格的抗干扰、抗静电测试，可在-40℃～+85℃温度范围内稳定工作，并采用双Mini PCIE接口设计，满足各种条件苛刻的工业应用，特别是在对通信有很高要求的领域，如智能网关、电力、重工、数据采集终端、工厂自动化、机械设备控制、智能交通、航海船舶、电梯物联网等。

实施例2

水质监控节点的LoRa通信模块电路设计如图3所示，LoRa射频模块负责对水质数据进行接收和转发。本发明在MCU中进行编程以实现对LoRa模块的控制，将信息编码后通过该模块发送出去。本设计采用Semtech公司的SX1278基带芯片，该芯片运用了LoRa啁啾扩频CSS(Chirp Spreatrum Spread Spectrum)技术发送数据，该技术能够有效降低噪声和干扰、覆盖距离大。通过集成的+20dBm功率放大器，能够保证在低至-148dBm的灵敏度条件下进行远距离无线通信。此外，该芯片仅需$1-2左右，极大的减少了设计成本。

通信模块SX1278为射频模组，与STM32进行数据交互，由射频天线sma连接器将数据打包发送给LoRa网关。为确保有更好的电源供电性能，在靠近sx1278模块电源处并联一颗磁珠。在射频天线的电路设计中，对PCB走线使用si9000模拟计算工具对射频信号线控制50Ω阻抗，预留π型匹配电路，方便调节射频，确保可靠。

水质监控节点的电源管理单元设计如图4所示。电源管理模块负责水质监测节点的供电需求，由锂电池与降压电路组成。LoRa模组的供电需求为3.3V，MCU与水质传感器的供电电压为5V，因此选择TLV62565降压电路把锂电池的DC 5V电压降至主控单元所需的3.3V。

TLV62565降压转换器集成了能够传送高达1.5A输出电流的开关。此器件借助谷值电流模式控制系统配置，根据自适应接通时间进行工作。中等或重负载时的典型工作频率为1.5MHz。轻负载期间，TLV62565/6在最低静态电流(典型值50μA)时自动进入省电模式以在整个负载电流范围内保持高效率。关断时，流耗减少至小于1μA。

水质监控节点软件流程图如图5所示，首先进行外设的初始化，包括GPIO端口模式速率等进行配置，并初始OLED显示界面，通用定时器模式初始化，启动状态机和RTC时钟初始化。初始化完成后对PID初始参数进行配置，进而进入工作流程。

将通用定时器定时设置为10ms，当计时器满10ms时，进入定时器中断，首先先对中断标志位进行清空，进而将计数值+1。当定时器满1s时，RTC读取当前时间，并将时间存入待发送的数据包中，存取完成后对各个传感器的数据进行采集，将溶解氧浓度数值进行PID计算，将计算所得的输出值输入值定时器Capture Compare2寄存器，即设置定时器输出PWM波形的占空比，进而控制各个控制器的通断。

当定时器满2s时，将各个数据(水温，pH值，溶解氧浓度，浊度，电导率，氨氮浓度，GPS定位信息)存放到发送缓冲区中，存储完毕后通过LoRa通讯模块将数据发出，并等待来自网络控制器的应答信息，若未接受到应答信息，则重新发送数据，若重新发送满5次，仍未接收到来自网络控制器的应答信息，则表明通讯失败，在OLED上显示通讯出错信息。

当接收到来自网络控制器的数据信息数据包时，先对数据包进行接收，若在接收过程中数据校验出错，则将所接收到的数据丢弃，清空接收缓冲区，若接收到的数据无误，则载入新数据(溶解氧设定值)。

水质监控节点与网络控制器间的通讯协议如表1所示，该协议为水质监控节点向网络控制器发送的数据包，协议帧由34个字节组成。数据包首尾两字节分别为数据包帧头与帧尾，帧头用于让接收方得知收到数据包，并开始接收数据，数据帧尾表示此次数据包的结束并进行校验。第二个字节为数据长度，存放着该帧数据包的总长。往下依次为节点ID，数据包传输时间，水温数据，pH数据，浊度数据，电导率数据，溶解氧浓度数据，氨氮浓度数据，GPS经纬度数据，增氧机状态，报警位及保留位。

表1水质监控节点与网络控制器间的通讯协议

本发明的通信组网架构选择简洁的星形组网方式，LoRa网关无需依赖运营商便可以自行搭建，在养殖渔场分布式水质远程监测系统中布置了一个LoRa网关。它在LoRa星形组网中处于核心位置，是数据终端和服务器之间的一个信息交互桥梁。网关与云服务器间通过标准IP进行连接，同时也支持节点接入控制、节点上传数据包的解析、上下行资源分配调度、用户数据加密传输、软件远程升级等功能。

网络控制器向水质监控节点发送的数据包的通讯协议如表2所示，该协议帧由15个字节组成，分别由数据帧头，节点ID，水温设定值，溶解氧设定值，增氧机状态，保留位及数据帧尾组成。其中节点ID为每个水质监控节点独有的ID号，若在此协议帧中，将该ID号设置为0x00时，则表明所有水质监控节点，及此帧数据将被在通讯范围内所有的监控节点接收。其余数据均从物联网监控平台上设置并接收。

表2网络控制器向水质监控节点发送的数据包的通讯协议

字节名	字节数	备注
			数据帧头	1	数据帧开始，用于校验
节点ID	2	生态监控节点ID号
			溶解氧设定值	2	设置需要恒定的溶解氧
增氧机状态	1	增氧为1，不增氧为0
			保留位	8	用于后续功能扩展用
数据帧尾	1	数据帧结束，用于校验

水质监控节点与网络控制器间应答信号的通讯协议如表3所示，该协议由6个字节组成，其中当数据方向为0x00时，表明节点向网络控制器发送；当数据方向为0x00时，表明网络控制器向节点发送。

表3水质监控节点与网络控制器间应答信号的通讯协议

实施例3

一种基于LPWAN的养殖渔场分布式水质远程监控系统，所述基于LPWAN的养殖渔场分布式水质远程监控系统由水质监控节点，网络控制器和物联网监控平台三个部分组成，其中通过水质监控节点上的传感器测出的水温、酸碱度值、浊度、电导率、溶解氧浓度及氨氮浓度，将采集到的数据分别经过单个PID算法计算得出校正值，相应的控制端口输出不同宽度的PWM脉冲信号，进而控制增氧机的运行状态。节点上的OLED显示屏能实时显示当前节点上传感器所采集到的数据及增氧机的工作状态。通过LoRa通信模块将各个传感器采集到的数据及执行器状态发送至网络控制器。

网络控制器通过将所有节点的数据打包之后发送至物联网监控平台。在监控平台上，能够对传感器的历史数据进行查阅，并能远程控制每个节点各个增氧机的工作状态。

水质监控节点包括MCU微控制单元，通讯单元，传感单元，全球定位单元，显示单元与电源管理单元；

所述MCU微控制单元采用基于Cortex-M3架构的STM32F103RCT6芯片组成。主要采集传感单元的数据，PID控制算法的运行和数据包的传输；

所述传感单元主要包括水温传感器，pH传感器，浊度传感器，电导率传感器，溶解氧浓度传感器及氨氮传感器；

所述全球定位单元采用了型号为ATK-NEO-6M的GPS模块，该模块自带陶瓷天线及MAXIM公司20.5dB高增益LNA芯片，兼容3.3V与5V的供电电压，工作温度范围为-40℃～85℃，定位精度高，使用方便。

所述通信单元主要借助于Semtech所开发的半双工传输的低中频收发器SX1278，主要用于水质监控节点与网络控制器之间的数据传输；

所述显示单元使用有机电激光显示屏OLED，用于显示水质监控节点传感器所采集的数据，和增氧机的运行状态。

所述电源管理单元由锂电池与降压电路组成，其中选择TLV62565降压电路把锂电池的DC 5V电压降至主控单元所需的3.3V。

网络控制器由嵌入式处理器，4G模块和基于LoRa调制的基带芯片SX1301组成，其中嵌入式处理器采用ARM Cortex-A7内核的i.MX 6UltraLite应用处理器，SX1301采集各个节点的数据后，将数据包利用4G模块通过MQTT接入协议将数据发送至监控平台上。

物联网监控平台使用OneNET的多协议接入组件。在监控平台上能实时查看测试量，测试量历史数据和控制器的运行状态，并可通过图形界面手动控制控制器的运行。

网络控制器中，内置256MB DDR3内存和256MB NAND FLASH，且留有多种功能接口。4G模块采用移远通信LTE模块EC20来向物联网监控平台发送数据包。

水质监控节点，为使溶解氧浓度能够尽可能稳定在设定值周围，引入PID控制算法。将采集到溶解氧浓度数值置于PID算法中，利用计算所得出的数值，转换为PWM波形的占空比，进而控制增氧机的开关，保证溶解氧浓度处于适宜鱼类养殖的条件下。

水质监控节点与物联网监控平台之间使用LoRa通讯技术进行数据交互，并按照一定的通讯协议传输数据。该协议帧由数据帧头，数据长度，节点ID，传输时间，水温数据，pH数据，浊度数据，电导率数据，溶解氧浓度数据，氨氮浓度，增氧机状态，报警位，保留位及数据帧尾组成。

当传感器采集到的数值超过所设定的一定范围时，在水质监控节点的OLED屏及物联网监控平台上显示报警信息，且在监控平台上可观察到对应报警节点的ID号和超标的物理量及其数值。

在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上；术语“上”、“下”、“左”、“右”、“内”、“外”、“前端”、“后端”、“头部”、“尾部”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

在上述实施例中，可以全部或部分地通过软件、硬件、固件或者其任意组合来实现。当使用全部或部分地以计算机程序产品的形式实现，所述计算机程序产品包括一个或多个计算机指令。在计算机上加载或执行所述计算机程序指令时，全部或部分地产生按照本发明实施例所述的流程或功能。所述计算机可以是通用计算机、专用计算机、计算机网络、或者其他可编程装置。所述计算机指令可以存储在计算机可读存储介质中，或者从一个计算机可读存储介质向另一个计算机可读存储介质传输，例如，所述计算机指令可以从一个网站站点、计算机、服务器或数据中心通过有线(例如同轴电缆、光纤、数字用户线(DSL)或无线(例如红外、无线、微波等)方式向另一个网站站点、计算机、服务器或数据中心进行传输)。所述计算机可读取存储介质可以是计算机能够存取的任何可用介质或者是包含一个或多个可用介质集成的服务器、数据中心等数据存储设备。所述可用介质可以是磁性介质，(例如，软盘、硬盘、磁带)、光介质(例如，DVD)、或者半导体介质(例如固态硬盘SolidState Disk(SSD))等。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种养殖渔场分布式水质远程监控系统，其特征在于，所述养殖渔场分布式水质远程监控系统包括：

水质监控节点，安装有水温传感器，pH传感器，浊度传感器，电导率传感器，溶解氧浓度传感器及氨氮传感器，用于通过所述传感器检测得到水温、酸碱度值、浊度、电导率、溶解氧浓度及氨氮浓度，并根据传感器所测得数值控制增氧机的开关；同时通过LoRa通信模块将各个传感器采集到的数据及执行器状态发送至网络控制器；

网络控制器，用于将所有节点的数据打包后发送至物联网监控平台；

物联网监控平台，用于对传感器的历史数据进行查阅，并远程控制每个节点各个增氧机的工作状态。

2.如权利要求1所述的基于LPWAN的养殖渔场分布式水质远程监控系统，其特征在于，所述水质监控节点，进一步包括MCU微控制单元，通讯单元，传感单元，全球定位单元，显示单元和电源管理单元；

所述MCU微控制单元，采用基于Cortex-M3架构的STM32F103RCT6芯片组成，用于采集传感单元的数据，存储及运行程序，执行所接入模块的任务，并进行PID控制算法的运行和协调各个单元之间数据包的传输；

所述传感单元，用于通过水温传感器，pH传感器，浊度传感器，电导率传感器，溶解氧浓度传感器及氨氮传感器监测水质信息，各个传感器通过不同接口与微控制单元进行数据传输，根据所测得的数据分别控制增氧机的运行；

所述全球定位单元，通过GPS模块来获取其当前的地理位置，并通过通讯单元将位置信息上传至物联网监控平台；采用型号为ATK-NEO-6M的GPS模块，该模块自带陶瓷天线及MAXIM公司20.5dB高增益LNA芯片，兼容3.3V与5V的供电电压，工作温度范围为-40℃～85℃；

所述通信单元，用于通过Semtech所开发的半双工传输的低中频收发器SX1278，进行水质监控节点与网络控制器之间的数据传输；

所述显示单元，用于通过有机电激光显示屏OLED显示水质监控节点传感器所采集的数据和增氧机的运行状态；

所述电源管理单元，由锂电池与降压电路组成，通过降压模块将电压降低至各个单元的工作电压；其中，利用TLV62565降压电路把锂电池的DC 5V电压降至主控单元所需的3.3V。

3.如权利要求1所述的基于LPWAN的养殖渔场分布式水质远程监控系统，其特征在于，所述水温传感器采用水温-pH复合传感器，通过BNC接口与E-201-C型pH复合电极，扩展DS18B20温度传感器接口，读取水温参数，并对pH检测值进行补偿；

所述浊度传感器型号为TSW-30，通过目标溶液中的透光率和散射率来综合判断浊度情况，同时输出模拟信号和数字信号，工作电压为5V，标准工作温度位于-20℃～90℃之间，检测响时间小于500ms；

所述电导率传感器采用DJS-1电导电极，该传感器使用5V供电电压，一路0～3.4V的模拟量输出，工作温度在0～40℃之间，支持测量范围为0～20mS/cm；

所述溶解氧浓度传感器采用数字型溶解氧传感器DOS-600；

所述氨氮浓度传感器采用NHN-206氨氮传感器。

4.如权利要求1所述的基于LPWAN的养殖渔场分布式水质远程监控系统，其特征在于，所述水质监控节点，通过引入PID控制算法，将所采集到的溶解氧浓度数值按照一定时间间隔分别传入PID控制算法得出校正值，相应的控制端口输出不同宽度的PWM脉冲信号，转换为PWM波形的占空比，进而控制增氧机的状态，使溶解氧浓度始终稳定在设定值周围。

5.如权利要求1所述的基于LPWAN的养殖渔场分布式水质远程监控系统，其特征在于，所述网络控制器，由嵌入式处理器，4G模块和基于LoRa调制的基带芯片SX1301组成；其中，所述嵌入式处理器采用ARM Cortex-A7内核的i.MX 6UltraLite应用处理器，SX1301采集各个节点的数据后，将数据包利用4G模块通过MQTT接入协议将数据发送至监控平台上。

6.如权利要求1所述的基于LPWAN的养殖渔场分布式水质远程监控系统，其特征在于，所述网络控制器，主板以ARM Cortex-A7内核的i.MX6 Ultra Lite应用处理器为核心，主频528MHz，内置256MB DDR3内存和256MB NANDFLASH，且采用双MiniPCIE接口设计，留有多种功能接口；4G模块采用移远通信LTE模块EC20来向物联网监控平台发送数据包。

7.如权利要求1所述的基于LPWAN的养殖渔场分布式水质远程监控系统，其特征在于，所述物联网监控平台使用OneNET的多协议接入组件；在监控平台上能实时查看测试量，测试量历史数据和控制器的运行状态，并通过图形界面手动控制控制器的运行。

8.如权利要求1所述的基于LPWAN的养殖渔场分布式水质远程监控系统，其特征在于，所述水质监控节点与物联网监控平台之间使用LoRa通讯技术进行数据交互，并按照一定的通讯协议传输数据；其中，所述通讯协议帧由数据帧头，数据长度，节点ID，传输时间，水温数据，pH数据，浊度数据，电导率数据，溶解氧浓度数据，氨氮浓度，增氧机状态，报警位，保留位及数据帧尾组成。

9.如权利要求1所述的基于LPWAN的养殖渔场分布式水质远程监控系统，其特征在于，当传感器采集到的数值超过所设定的一定范围时，在水质监控节点的OLED屏及物联网监控平台上显示报警信息，且在监控平台上可观察到对应报警节点的ID号和超标的物理量及其数值。

10.一种应用如权利要求1～9任意一项所述的养殖渔场分布式水质远程监控系统的养殖渔场分布式水质远程监控方法，其特征在于，所述养殖渔场分布式水质远程监控方法包括以下步骤：

步骤一，通过水质监控节点上的传感器测出的水温、酸碱度值、浊度、电导率、溶解氧浓度及氨氮浓度；

步骤二，将采集到的数据分别经过单个PID算法计算得出校正值，相应的控制端口输出不同宽度的PWM脉冲信号，进而控制增氧机的运行状态；

步骤三，节点上的OLED显示屏能实时显示当前节点上传感器所采集到的数据及增氧机的工作状态；

步骤四，通过LoRa通信模块将各个传感器采集到的数据及执行器状态发送至网络控制器；

步骤五，网络控制器通过将所有节点的数据打包之后发送至物联网监控平台；通过监控平台上对传感器的历史数据进行查阅，并能远程控制每个节点各个增氧机的工作状态。

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