CN114791750A - 一种基于树莓派和Arduino的水产养殖监测与控制系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于树莓派和Arduino的水产养殖监测与控制系统，属于水产养殖物联网领域，一种基于树莓派和Arduino的水产养殖监测与控制系统，包括数据监测模块、智能控制模块、业务服务模块、若干Arduino开发板、若干传感器和树莓派，其特征在于，所述数据监测模块用于所述若干传感器连接Arduino开发板采集环境和设备数据，Arduino与所述树莓派通过串行通信传输数据。对水产养殖环境(水温、水位、溶解氧含量、电导率、浊度、PH等)进行实时监测，反馈养殖户预警信息，做到实时监测管理，为用户决策提供可靠数据。
Description
技术领域
本发明涉及水产养殖物联网技术领域，特别提供一种基于树莓派和Arduino的水产养殖监测与控制系统。
背景技术
水产养殖环境与水产品的品质密切相关，而对养殖环境影响较大的因素又有水温、水的溶氧量、水质浊度、水体电导率和水体PH值；传统的养殖户仅仅依靠经验来对这些因素进行调整，这种粗放式的养殖模式不仅存在产量低、病害频发等问题，而且不利于扩大养殖规模，甚至会因为养殖户缺乏经验而对环境进行破坏、造成环境污染，不利于资源的有效利用和我国的可持续发展。
因此，对养殖环境的无人监测和自动化调节，可以有效地提高水产品的质量，提升水产养殖业的产能，增加水产养殖户的经济收益，逐渐成为水产养殖业的发展趋势。
发明内容
本发明的目的是为了解决现有技术中存在的缺陷，而提出的一种基于树莓派和Arduino的水产养殖监测与控制系统。
为了实现上述目的，本发明采用了如下技术方案：
一种基于树莓派和Arduino的水产养殖监测与控制系统，包括数据监测模块、智能控制模块、业务服务模块、若干Arduino开发板、若干传感器和树莓派，所述数据监测模块用于所述若干传感器连接Arduino开发板采集环境和设备数据，Arduino与所述树莓派通过串行通信传输数据；
所述智能控制模块用于所述树莓派通过Modbus RTU协议控制多路串口继电器，同时建立树莓派本地WEB服务器作为智能终端，接收Arduino数据，处理并存储至云端数据库，根据环境实时数据，驱动现场运行设备，调整养殖环境，发送用户预警通知，根据设备实时数据进行安全防护；
业务服务模块用于建立环境监控中心和设备控制中心，其中，环境监控中心通过查询云端数据库展示环境数据，设备控制中心通过HTTP协议向本地服务器发送控制请求，可供用户远程控制现场运行设备。
进一步地，所述Arduino型号为Arduino Uno开发板，所述树莓派型号为树莓派4B，所述若干传感器包括投入式液位传感器、水温传感器、模拟TDS传感器、浊度传感器、溶解氧传感器、温湿度传感器、火焰传感器和烟雾传感器，其中：
监测环境的Arduino与树莓派串口UART0建立串行通信，投入式液位传感器经电路转换放大与补偿后连接其PC0引脚，水温传感器与连接PD2引脚，模拟TDS传感器连接PC1引脚，浊度传感器连接PC2引脚，溶解氧传感器连接PC3引脚；
监测设备的Arduino与树莓派串口UART1建立串行通信，温湿度传感器、火焰传感器和烟雾传感器分别与其PC0-PC2连接。。
进一步地，所述的一种基于树莓派和Arduino的水产养殖监测与控制系统，其特征在于，所述多路串口继电器型号为LH-04四路串口继电器，树莓派通过USB与继电器RS232通信接口连接。
进一步地，所述的一种基于树莓派和Arduino的水产养殖监测与控制系统，其特征在于，所述投入式液位传感器型号为SKU:KIT0139。
进一步地，所述的一种基于树莓派和Arduino的水产养殖监测与控制系统，其特征在于，所述水温传感器型号为DS18B20。
进一步地，所述的一种基于树莓派和Arduino的水产养殖监测与控制系统，其特征在于，所述模拟TDS传感器型号为SKU:SEN0244。
进一步地，所述的一种基于树莓派和Arduino的水产养殖监测与控制系统，其特征在于，所述浊度传感器型号为SKU：SEN0189。
进一步地，所述的一种基于树莓派和Arduino的水产养殖监测与控制系统，其特征在于，所述溶解氧传感器型号为SKU：SEN0237。
进一步地，所述的一种基于树莓派和Arduino的水产养殖监测与控制系统，其特征在于，所述温湿度传感器型号为DHT11。
本发明的有益效果为：
对水产养殖环境(水温、水位、溶解氧含量、电导率、浊度、PH等)进行实时监测，反馈养殖户预警信息，自动化控制现场运行设备，调整养殖环境的各项指标；提供环境监控中心和设备控制中心，便于养殖户实时监测、管理养殖环境；基于历史数据的未来水位预测，为用户决策提供可靠依据。
附图说明
附图用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本发明的实施例一起用于解释本发明，并不构成对本发明的限制。
图1为本发明提出的一种基于树莓派和Arduino的水产养殖监测与控制系统的逻辑图。
图2为本发明提出的一种基于树莓派和Arduino的水产养殖监测与控制系统的Arduino的主控芯片电路图；
图3为本发明提出的一种基于树莓派和Arduino的水产养殖监测与控制系统的序列化JSON字符串后的实时数据；
图4为本发明提出的一种基于树莓派和Arduino的水产养殖监测与控制系统的水位预测原理图；
图5为本发明提出的一种基于树莓派和Arduino的水产养殖监测与控制系统的水位变化趋势图；
图6为本发明提出的一种基于树莓派和Arduino的水产养殖监测与控制系统的水位预测样本图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。
一种基于树莓派和Arduino的水产养殖监测与控制系统，包括数据监测模块、智能控制模块、业务服务模块、若干Arduino开发板、若干传感器和树莓派，所述数据监测模块用于所述若干传感器连接Arduino开发板采集环境和设备数据，Arduino与所述树莓派通过串行通信传输数据；
所述智能控制模块用于所述树莓派通过Modbus RTU协议控制多路串口继电器，同时建立树莓派本地WEB服务器作为智能终端，接收Arduino数据，处理并存储至云端数据库，根据环境实时数据，驱动现场运行设备，调整养殖环境，发送用户预警通知，根据设备实时数据进行安全防护；
业务服务模块用于建立环境监控中心和设备控制中心，其中，环境监控中心通过查询云端数据库展示环境数据，设备控制中心通过HTTP协议向本地服务器发送控制请求，可供用户远程控制现场运行设备；
在本申请的具体实施例中，所述多路串口继电器型号为LH-04四路串口继电器，所述树莓派通过USB与继电器RS232通信接口连接。
实施例采用Arduino Uno开发板作为数据监测模块，数据监测模块包括环境监测子模块、设备监测子模块和数据发送子模块，环境监测子模块包括投入式液位传感器、模拟TDS传感器、水温传感器、模拟水质浊度传感器和溶解氧传感器；设备监测子模块包括烟雾传感器、火焰传感器和DHT11温湿度传感器；数据发送子模块包括多个Arduino Uno开发板，Arduino与树莓派建立串行通信，其中，负责监测环境的Arduino与树莓派串口UART0相连，负责监测设备的Arduino与树莓派串口UART1相连，最后将采集数据以字符串的形式发送至串口。
在本申请的具体实施例中，所述Arduino型号为Arduino Uno开发板，所述树莓派型号为树莓派4B，所述若干传感器包括投入式液位传感器、水温传感器、模拟TDS传感器、浊度传感器、溶解氧传感器、温湿度传感器、火焰传感器和烟雾传感器，其中：
监测环境的Arduino与树莓派串口UART0建立串行通信，投入式液位传感器经电路转换放大与补偿后连接其PC0引脚，水温传感器与连接PD2引脚，模拟TDS传感器连接PC1引脚，浊度传感器连接PC2引脚，溶解氧传感器连接PC3引脚；
监测设备的Arduino与树莓派串口UART1建立串行通信，温湿度传感器、火焰传感器和烟雾传感器分别与其PC0-PC2连接。
在本申请的具体实施例中，采用SKU:KIT0139投入式液位传感器，该液位传感器测得压力信号经电路转换放大与补偿后以标准的4-20mA信号输出，因此串联电阻后，将输出电压与Arduino的PC0连接，使Arduino接收压力信号，再根据液体压强公式P-P_0＝ρgh，计算得出液位深度。
在本申请的具体实施例中，采用DS18B20水温传感器，该传感器是单线数字温度传感器，直接将温度送入Arduino，将DATA线与Arduino的PD2连接，即可得到液体温度。
在本申请的具体实施例中，采用SKU:SEN0244模拟TDS传感器，该传感器的模拟信号输出端与Arduino的PC1连接，使Arduino接收电导率信号，经过液体温度补偿后，在内部进行转换，得出液体的电导率。
在本申请的具体实施例中，采用SKU：SEN0189浊度传感器，该传感器利用光学原理，通过液体溶液中的透光率和散射率来综合判断浊度情况，光接收端把透过的光强度转换为对应的电流大小，再通过电阻将流过的电流转换为电压信号，信号输出端连接Arduino的PC2，浊度与电压对应的关系式为y＝-1120.4x^2+5742.3x-4352.9，在内部转换得到液体浑浊度。
在本申请的具体实施例中，采用SKU：SEN0237溶解氧传感器，该传感器校准后，将模拟信号输出端与Arduino的PC3连接，内部计算得到液体的溶解氧含量。
在本申请的具体实施例中，采用树莓派4B作为智能控制模块，树莓派USB串口与LH-04四路串口继电器的RS232通信接口相连，其连接端口名称为"/dev/ttyUSB0"，通过Modbus RTU协议向继电器寄存器中写入命令，实现设备的控制；通过使用SpringBoot框架和PI4J库，将数据查询和设备控制映射成基于HTTP服务的API，在树莓派建立WEB服务器，实现数据接收、数据存储、数据预测、自动控制、预警通知和安全防护；
数据接收：树莓派串口UART0和UART1与Arduino连接，其中连接采集环境的端口名称为"/dev/ttyACM0"，连接采集设备的端口名称为"/dev/ttyACM1"，再获取配置串口实例，通过重写SerialDataEventListener接口的dataReceivd方法，配置串口监听器，实现数据接收；
数据存储：将树莓派4B接受的串口数据进行实时处理后，将历史数据存入MySQL云端数据库，将实时数据序列化为JSON字符串存入Redis云端数据库，如图二所示，通过使用Redis数据库，可以在一定程度上提高数据的查询速率，做到实时监测；
数据预测：基于云端数据库存储的历史水位数据，构建水位预测模型，水位预测模型原理是将云端数据库存储的历史数据导入为数据集，再提取并划分特征、标签，其中，每一个标签依赖于前n个特征数据；为整条长度为N的序列对特征和标签从序列头向序列尾进行切片，再将各个切片输入建立好的Simple LSTM模型，对数据集进行训练，模型原理如图三所示；训练好模型后，输入较新的采集水位数据序列，可对未来一段时间的水位进行预测；历史水位变化趋势如图四，预测样本如图五，该方式有着源源不断的数据供预测模型分析，预测结果为用户决策提供参考价值；
自动控制：通过SpringBoot实现ApplicationRunner接口，使树莓派本地服务器持续监听串口数据，当环境指标不在设置的范围内，自动写入继电器控制指令，控制现场设备，及时调整数据；
预警通知：树莓派本地服务器持续监听串口数据，当环境数据超出预警阈值时，使用JavaxMail向用户发送邮件，进行预警通知；
安全防护：树莓派本地服务器持续监听串口数据，当采集的设备温度、湿度、火焰和烟雾数据处于异常时，关闭本地服务器并进行断电处理。
实施例采用的环境监控中心，采用HTTP协议请求查询云端数据库，使用Echarts画布将数据以图表、轮盘形式显示。
实施例采用的设备控制中心，采用HTTP协议向本地WEB服务器提出控制请求，实现现场设备的远程控制。
在本发明的实施例中，本发明未尽事宜为公知技术。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，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，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。
Claims (9)
1.一种基于树莓派和Arduino的水产养殖监测与控制系统，包括数据监测模块、智能控制模块、业务服务模块、若干Arduino开发板、若干传感器和树莓派，其特征在于，所述数据监测模块用于所述若干传感器连接Arduino开发板采集环境和设备数据，Arduino与所述树莓派通过串行通信传输数据；
所述智能控制模块用于所述树莓派通过Modbus RTU协议控制多路串口继电器，同时建立树莓派本地WEB服务器作为智能终端，接收Arduino数据，处理并存储至云端数据库，根据环境实时数据，驱动现场运行设备，调整养殖环境，发送用户预警通知，根据设备实时数据进行安全防护；
业务服务模块用于建立环境监控中心和设备控制中心，其中，环境监控中心通过查询云端数据库展示环境数据，设备控制中心通过HTTP协议向本地服务器发送控制请求，可供用户远程控制现场运行设备。
2.根据权利要求1所述的一种基于树莓派和Arduino的水产养殖监测与控制系统，其特征在于，所述Arduino型号为Arduino Uno开发板，所述树莓派型号为树莓派4B，所述若干传感器包括投入式液位传感器、水温传感器、模拟TDS传感器、浊度传感器、溶解氧传感器、温湿度传感器、火焰传感器和烟雾传感器，其中：
监测环境的Arduino与树莓派串口UART0建立串行通信，投入式液位传感器经电路转换放大与补偿后连接其PC0引脚，水温传感器与连接PD2引脚，模拟TDS传感器连接PC1引脚，浊度传感器连接PC2引脚，溶解氧传感器连接PC3引脚；
监测设备的Arduino与树莓派串口UART1建立串行通信，温湿度传感器、火焰传感器和烟雾传感器分别与其PC0-PC2连接。
3.根据权利要求1所述的一种基于树莓派和Arduino的水产养殖监测与控制系统，其特征在于，所述多路串口继电器型号为LH-04四路串口继电器，所述树莓派通过USB与继电器RS232通信接口连接。
4.根据权利要求2所述的一种基于树莓派和Arduino的水产养殖监测与控制系统，其特征在于，所述投入式液位传感器型号为SKU:KIT0139。
5.根据权利要求2所述的一种基于树莓派和Arduino的水产养殖监测与控制系统，其特征在于，所述水温传感器型号为DS18B20。
6.根据权利要求2所述的一种基于树莓派和Arduino的水产养殖监测与控制系统，其特征在于，所述模拟TDS传感器型号为SKU:SEN0244。
7.根据权利要求2所述的一种基于树莓派和Arduino的水产养殖监测与控制系统，其特征在于，所述浊度传感器型号为SKU：SEN0189。
8.根据权利要求2所述的一种基于树莓派和Arduino的水产养殖监测与控制系统，其特征在于，所述溶解氧传感器型号为SKU：SEN0237。
9.根据权利要求2所述的一种基于树莓派和Arduino的水产养殖监测与控制系统，其特征在于，所述温湿度传感器型号为DHT11。
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