基于物联网的智能水产养殖管理系统及控制方法与流程

本发明涉及水产养殖技术领域，具体涉及一种基于物联网的智能水产养殖管理系统及控制方法。

背景技术：

我国拥有丰富的海洋资源和18000公里的海岸线，沿海地区的人们基本是以养殖为主要经济来源。近年来，养殖模式和技术的落后、水域资源的逐渐短缺、水体污染的逐年加重、水产品食品安全问题的时有发生等，使得传统养殖模式受到极大挑战。另一方面，随着人口日益老龄化和城镇化，劳动力人口越来越少，人工成本越来越高。市场竞争的加剧，迫使人们不断寻求改进养殖模式、提高生产效率和生产力的手段。

我国水产养殖生产经营者多以追求产量和近期经济效益为目标，养殖密度过高，加上保护养殖环境意识淡薄，养殖病害呈逐年加重之势，随之而来的是药物滥用现象较为普遍，以至于水域环境遭到不同程度的破坏，水产品质量安全得不到有效保障，水产养殖业可持续发展受到严重影响，研究解决水产养殖环境状况已经成为水产养殖业持续健康发展的重要课题。

目前，现有技术只能检测溶解氧和温度，或在现场安装控制器与报警器，存在结构与功能单一，模式单一，检测能力和控制能力有限等不足。

国内从事海水淡化、污水处理、水质检测、恒温养殖、水消毒杀菌等设备研发的有很多，但很少有从事智能水产养殖系统研发，而且都有一定局限性。

技术实现要素：

针对上述内容，本发明所要解决的技术问题总的来说是提供一种基于物联网的智能水产养殖管理系统；详细解决的技术问题以及取得有益效果在后述内容以及结合具体实施方式中内容具体描述。

为解决上述问题，本发明所采取的技术方案是：

一、本发明设计科学：

本发明所用到的大部分技术已经比较成熟地应用在其他工业系统之中，下位机主要是以微控制为核心，搭建的“数据采集单元”、“数据处理系统”或“电机控制系统”。上位机以服务器为核心，结合微信客户端、APP客户端与Web客户端。本发明所用到的重点在于溶解氧传感器数据的采集及物联网框架的搭建。

二、本发明设计先进：

1、提高水产品品质：通过实时采集与智能控制手段，提供了最佳养殖条件，让鱼虾等处在最适宜的溶解氧范围内。

2、节约能源：目前绝大部分养殖户都是靠经验来确定开启增氧机的数量，这样不仅有一定风险，而且还可能会造成不必要的浪费。因为在溶解氧含量较高的情况下，打开再多的增氧机也是没有意义的。而本发明根据溶解氧含量的情况控制增氧机，把溶解氧含量控制在适宜且不过剩的范围，达到高效利用能源的目的。

3、降低风险：目前市场上也有一些水产水质检测的设备，但很多都是手持式设备，只能检测当时的数据，不能做到二十四小时监测或远程监测，不能在第一时间得到水质数据。有些可以实时检测，但没有接入互联网，所以无法远程查看或操作。而本发明是基于物联网的，能通过多种方式进行远程检测、控制及报警，大大降低了养殖风险。

三、本发明设计具有创新性：

1、通过优化的结构保证系统的可靠性：从图中可以看出，主机在系统中的角色相当重要，如果主机出现故障，整个系统将会陷入瘫痪，如果没能及时发现，后果往往很严重，因此，本发明设计了“主机(主机单元MCU)+副机(控制单元MCU)”模式，当主机(主机单元MCU)出现故障后，副机(控制单元MCU)可以升级到指挥级别，继续维持系统的运行。因此提高了系统的可靠性，降低了事故发生率。这个副机可以就由常见控制系统充当。

本发明的初始方案是通过养殖浮箱上的传感器采集数据后，传回主机，然后主机再进行分析，然后根据分析结果把相应的指令传至相应电气件的控制器，然后控制器去执行。若主机出故障了，那就不能传相应的指令给控制器(控制单元MCU)，增氧机会停止工作，池塘中的鱼或虾等可能会因缺氧而大面积死亡。

副机作为主机的备用控制系统，拥有独立的信号主动获取、数据分析与处理的能力，当主机由于出现故障不能工作后，副机可以主动联系浮箱的传感器，获取水质数据，然后进行分析与处理。另外，副机具有控制单元MCU，从而也有一定的“思考”能力，能够在主机错发或误发指令的情况下及时发现问题。比如，我们让主机30秒发一个代码给副机，表示正在正常运行。如果副机超过30多秒没收到任何信息，则表示主机工作不正常或出现故障了，那就启动备用方案，即副机替代主机来维持增氧系统的运行，同时给用户相应的警报。当主机能工作后，副机会像之前那样接到主机的特定代码，则主机又可以恢复指挥级别，副机降级停止与浮箱无线通信。又如，在自动模式下，溶解氧含量很低了，当主机出现问题，或受到干扰的时候，或出现乱码时候，而主机仍发给它关闭增氧机的指令时，这时副机通过无线访问主机，确认主机采集情况溶解氧含量，如果主机要关闭增氧机，那就副机主动去采取水质数据并分析核实主机采集的溶解氧含量，主机通过网络访问副机采集的数据，实现二次校核后，主机再做决定是否关闭增氧机。

2、通过优化的算法保证数据的准确性：数据采集时，采集单元要读取传感器的数据两次，若两次数据的差超出预先设定的误差允许的范围，则表示数据有误，那就重新读取。采集单元的数据传到主机时，要传两次，若两次数据不一样，则表示出现误包，至少有一次数据是错的，那主机就给采集单元返回一个指令，让它重新向主机传输。主机传指令给副机时，也传两次，若两次指令不一样，那副机就给主机返回一个提示，让它重新传输。上述的数据和指令传输时，采用“循环冗余校验(CRC)”或“直接对比校验”，防止误包的产生。其次，制定好系统自检协议，确保系统各部分正常工作。主机会每隔30秒(设定时间)分别给采集单元、电副机发送一个验证信息，若没有返回相关内容，则表示该部分工作不正常，可以通过报警、短信等各种方式通知养殖户。同时，副机也会监督主机的工作状态，若30多秒都没收到主机的验证信息，则表示主机工作不正常，除了自动升级指挥级别外，也要给养殖户相应的警报。

3、采集点与主机之间可以远距离无线通信：有线传输方式不仅电线拉得跟蛛蛛网一样，很不方便，而且通信距离一般不能大于100米，即使用了RS-485总线也才几百米，实用性大大受到限制。而采用无线数据传输，空地传输距离可达6000米或更远，摆脱了电线与距离的束缚。

4、现场数据采集模块采用太阳能供电：采用市电供电，采集单元没有独立的供电能力，如果距离较远，拉电线同样麻烦。而采用太阳能供电，内置一个锂电池，保证在连续10天阴雨天气的情况下，数据采集单元仍能正常工作。

5、多模式控制：目前市场上的产品都是单一模式控制的，一般只有自动模式，用户使用起来不够灵活。而我们设计了四种模式，让用户有充分的灵活性与自由度，可以根据实际需要设定相应的模式。可接增氧机之外还可以接其它负载，如水泵、排水阀、发电机组启动电机等。而且，各负载可以有独立的运行模式。

6、检测能力更强：本发明有超强的检测感知能力。水质信息方面，可以检测溶解氧、温度、PH值和盐度。

7、实时远程报警：目前市场上的产品都只能现场报警，如果用户不在现场，那就听不到报警无法及时处理险情。在本发明中主机或副机分别嵌入了GSM模块，不但可以现场报警，而且还可以通过APP等移动客户端或打电话通知养殖户，让养殖户能在第一时间处理险情。

整个系统由“水质信息采集部分”+“主机”+“副机”+“移动客户端”等构成，

在每个池塘中放一个浮箱，其中装有溶解氧、温度、PH值、盐度等水质检测传感器，各个传感器采集数据后，由数据采集单元“打包”，然后通过无线模块传输至卧室中的主机进行数据分析，并做出相应处理。比如，根据池塘中溶解氧的浓度，发送指令给机房控制器，打开或关闭增氧机。又比如，通过GSM模块上传实时数据到服务器，然后服务器再将实时数据更新到各个客户端。再比如，当监测到采集的数据不在设定的安全范围时，当主机与采集单元之间或主机与副机之间的数据与指令出现问题时候，则触发现场声光报警器，并通过GSM模块打电话通知养殖户。

系统设有四种工作模式：1)全部自动模式：全部增氧机由主机自动控制。2)部分自动模式：部分增氧机由主机自动控制，其余的增氧机手动控制。3)全部手动模式：全部增氧机由手动控制。4)定时控制模式：每个增氧机都按设定好的时间段，分时段运行。

工作模式及其相关说明：

1、在“主机”和“副机”上都设有四个模式选择按键，按不同按键选择不同工作模式，并有对应的LED指示灯亮起。所以，平时看指示灯就可以知道当前的工作模式。当然，也可以用通过“微信客户端”、“APP客户端”等平台进行设置或查看当前的工作模式。

2、在“全部自动模式”下，若对增氧机进行手动控制，则该增氧机变为手动控制，其余增氧机仍是自动控制，系统的工作模式会自动变为“部分自动模式”，并亮起对应的指示灯。

3、在“部分自动模式”下，设定为自动控制的增氧机由“主机控制，其余的增氧机需要手动控制。在“主机”或“副机”上按下“部分自动模式”选择键后，可以设置该模式下哪些增氧机自动；哪些增氧机手动。根据上一次的设置，由系统自动控制的增氧机对应的运行状态灯会亮起，并闪烁，不亮的表示其对应的增氧机是手动控制的。若不需要改变设置，则不用按键任何键，3秒(设定时间)无操作后停止闪烁，该模式选择成功，开始运行。若想改变设置，则在状态灯停止闪烁之前(3秒内)按下灯下面对应的按键(就是手动控制用的那些按键)，就可以改变相应增氧机的运行模式，从自动(闪烁)变为手动(不亮)，或从手动(不亮)变为自动(闪烁)。

4、在“全部手动模式”下，若溶解氧低于一定值，会用声音提醒用户(橙色警报)。若溶解氧再继续低到一定值，可能是用户不在现场，那就打电话提醒用户(红色警报)。若溶解氧再继续下降至某个值时，用户还没有处理，那就自动切换到“全部自动模式”，以打开增氧机增氧。

本发明还提供了五种操作平台：1)通过“微信客户端”操作。2)通过“APP客户端”操作。3)如果没有智能机，可以通过“短信”操作。4)如果连手机都没有，或为避免额外的短信费用，可以通过卧室的“主机”操作。5)如果不在卧室，也可以通过机房的“副机”操作(除了参数设置)。

用户可用以上五种操作平台来进行各种操作：

查看相关信息：如“溶解氧、温度、PH值、盐度”、“系统运行的模式”、“电机运行状态”等信息。

设置与控制：系统运行的“工作模式设置”、“定时设置”、对增氧机等设备进行“手动控制”等。

主机说明：

1)收集各个浮箱的各项数据，储存在EEPROM中，并上传到服务器。2)可查看各口池塘的各项数据，以及历史数据，可以用曲线方式展现，在适宜范围内为绿色，之外为红色。3)可以查看浮箱电量，以条状或百分数形式表示。4)可以选择工作模式，定时设置或手动控制增氧机等设备。5)可以增加池塘数目，及设定相应浮箱(填浮箱编号)。6)最重要的，若有险情，立即弹出警报信息，并进行相应处理：警报响起、打电话等。7)除了各项测量数据外，用户在主机上设定的参数，也一定要传上服务器，微信平台才能看到真实的数据。

浮箱说明：

1)每口池塘放一个浮箱，每个浮箱有唯一的编号，该编号也是浮箱ID号，主机与浮箱通信时，根据不同的ID来确定数据来自哪口池塘。2)每个浮箱里装有用于水质检测的传感器，分别是：溶解氧传感器(带有温度传感器)、PH传感器、盐度传感器。3)浮箱采用太阳能+锂电池供电，在连续阴天风雨天的情况下可以供电10天以上，当然也可以预留干电池槽和外加电源接口。4)在功耗和安全的考虑下，浮箱60秒采集一次数据并传回主机，然后进入休眠状态。5)无线模块发送完数据后，也进入休眠状态，等待下一次被唤醒。

负载控制单元(副机)说明：

负载控制单元是安装在机房的，增氧机等设备接在它上面，由它控制设备的运行状态，开启或关闭。控制器上有4个按键用来选择工作模式，有6个按键用来手动控制增氧机等设备。主机通过无线模块与它通信，给它发送增氧机等设备的开启或关闭指令，由它去执行。同时，控制器会把一些信息传回主机，以便进行相应的分析、处理，然后把信息同步到服器，以便刷新“微信客户端”和“APP客户端”的信息。比如，在控制器改变工作模式后，控制器要把模式信息传回主机，然后同步。

一个负载控制单元设有8路独立的输出控制端，每路输出控制设备类型可设为“增氧机”(默认)或“其它”。一般只接增氧机，有的用户根据需要，可能会接一两个其它设备，如水泵、电子排水阀、发电机组启动马达等。增氧机类型有“全部自动模式”、“部分自动模式”、“全部手动模式”和“定时控制模式”四种工作模式，其它类型的设备有“手动模式”和“定时模式”两种工作模式。

每路都有“空气开关”+“电机综合保护器”+“交流接触器”，对电机提供了过流、漏电、短路和缺相保护，防止烧掉增氧机。

本发明设计合理、成本低廉、结实耐用、安全可靠、操作简单、省时省力、节约资金、结构紧凑且使用方便。

采用上述技术方案所产生的有益效果在于：

本发明为以信息技术为基础的智能养殖管理系统，其充分利用物联网的技术优势，并针对水产养殖业的特点对设备和养殖过程进行智能管理，能够有效降低养殖风险，明显提高生产效率和生产力。另外，相对现有传统养殖模式，也能够有效降低能源消耗，减少对环境的不良影响，实现多方面的效益。

1)对于水产品：通过实时采集与智能控制手段，改善和控制水质，为鱼虾等提供了最佳养殖环境，提高了水产品的品质。

2)对于养殖户：提高养殖户生活质量，可以长时间离开鱼塘，可以去休闲、娱乐。降低技术门槛，降低人工成本及节省电费，降低水产养殖的风险，提高水产养殖物产量，从而提高经济效益。

3)对于消费者：能食用到更加健康安全、更加便宜的水产食物。

4)对于国家：大大地提高了能源利用率和水产养殖业的生产能力，促进农业化向工业化和信息化转型，为水产的大规模集约化生产提供技术保障。

5)对于自然环境：减少药物的使用，保护自然环境，保持可持续发展。

6)对于能源：目前绝大部分养殖户都是靠经验来确定开启增氧机的数量，这样不仅有一定风险，而且还可能会造成不必要的浪费。因为在溶解氧含量较高的情况下，打开再多的增氧机也是没有意义的。而本系统根据溶解氧含量的情况控制增氧机，把溶解氧含量控制在适宜且不过剩的范围，达到高效利用能源的目的。

本发明的有益效果不限于此描述，为了更好的便于理解，在具体实施方式部分进行了更佳详细的描述。

附图说明

图1是本发明的电路框图。

图2是本发明的控制流程图。

具体实施方式

如图1-2所示，本实施例的基于物联网的智能水产养殖管理系统包括放在卧室内的主机单元、以浮箱的方式放在池塘里的采集单元与水质检测单元、用于给池塘增氧的增氧机以及用于控制和/或保护增氧机的负载控制单元；

采集单元与主机无线通信，水质检测单元与采集单元有线连接，水质检测单元将检测到的水质数据传输给采集单元的采集单元MCU；

主机与负载控制单元无线通信。

主机的采集节点与负载控制单元的采集节点之间可以无线组网，主机可以从较近的节点无线接入网络，与处于主机自身通信距离之外的远处采集节点通信。通过无线组网，理论上一个主机可以管理的范围及池塘的数目是没限制的。

水质检测单元采集到水质信息后，通过无线串口模块传回主机。采集单元的无线串口模块与主机单元的无线串口模块无线通信连接，采集单元MCU将水质数据传输给主机单元的主机单元MCU；主机单元MCU定时分别给采集单元MCU、控制单元MCU发送一个心跳信号，采集单元MCU接收到该心跳信号后会给主机单元MCU一个回复信号；控制单元MCU接收到该心跳信号后会给主机单元MCU一个回复信号；心跳信号是每隔一段时间向互联的另一方发送一个很小的数据包，通过对方回复情况判断互联的双方之间的通讯链路是否已经断开或是否正常工作的方法。

负载控制单元将实时检测增氧机等负载的运行状况信息后，同样通过无线串口模块传回主机。获取这些信息后，主机会进行综合分析，若有险情或异常，则会采取相关的处理。如，溶解氧低于安全值时，主机通过通知负载控制单元自动控制打开增氧机，溶解氧过高了，同样道理，关闭部分或全部增氧机，并提醒养殖户。溶解氧低于危险值时，负载控制单元将相应的状况信号反馈给主机，主机会采取现场响起报警声、主机打电话给养殖户等紧急处理措施。这些水质信息、设备运行信息、提醒信息及警报信息等，除了本地显示外，主机还会通过GSM模块上传到服务器，上位机软件会从中同步更新。

所述负载控制单元还包括驱动电路、交流接触器、电机综合保护器、电网或发电机以及保险开关；

在池塘中还设置有用于给浮箱所在水域加水的水泵和/或用于给浮箱所在水域排水的排水阀；

电网或发电机依次通过保险开关、电机综合保护器、相应的交流接触器后与增氧机、水泵和/或排水阀电连接；控制单元MCU通过驱动电路控制相应交流接触器的通断。

驱动电路为可控硅、三极管或中间继电器等常见控制电路。

水质检测单元包括溶解氧传感器、温度传感器、PH传感器和/或盐度传感器；溶解氧传感器、温度传感器、PH传感器和/或盐度传感器分别与采集单元MCU电连接。

采集单元还包括用于给采集单元MCU提供电能的太阳能供电模块。

本系统还包括服务器及上位机软件，主机单元包括显示器、GSM模块，无线通信模块以及报警器；主机与服务器之间利用GSM模块进行通信。

主机单元MCU分别与显示器、GSM模块、无线模块以及报警器电连接，主机单元MCU通过无线模块与各采集单元及负载控制单元通信，主机单元MCU通过GSM模块与服务器进行TCP/IP通信。

本系统还包括手机端，手机端的微信订阅号或APP客户端通过GPRS与服务器通信，电脑客户端通过互联网与服务器通信。GSM模块通过电话或短信与手机端通讯。

本系统还包括与互联网连接的DB服务器、与互联网连接的电脑端以及与电脑端连接的web网页端。

控制单元MCU的型号为STC15F4K58S4。

一种基于物联网的智能水产养殖管理系统的控制方法，借助于上述的基于物联网的智能水产养殖管理系统；具体包括以下情况：

(1)系统自检机制：步骤a：自动监测：首先，主机单元MCU定时分别向采集单元MCU以及控制单元MCU发送验证信息后，至少出现情况I与情况II；

在情况I中，若采集单元MCU或控制单元MCU没有反馈验证信息，则采集单元MCU或控制单元MCU工作不正常，主机单元MCU通过报警或服务器通知养殖户；

在情况I中，在负载控制单元超过设定时间没收到主机的验证信息的同时，首先，控制单元MCU定时向主机单元MCU发送验证消息，若主机单元MCU没有反馈验证信息，则主机单元MCU工作不正常；然后，控制单元MCU自动替代主机单元MCU控制整个系统，并控制单元MCU通过报警或服务器通知养殖户，同时执行(3)主机单元出现故障模式中步骤A-步骤D；

在情况II中，当主机单元MCU定时分别向采集单元MCU以及控制单元MCU发送验证信息，若采集单元MCU和控制单元MCU分别在预先设定的次数与时间内反馈验证信息，说明系统各单元工作正常，则执行(2)正常工作模式中的步骤b-步骤e；

(2)正常工作模式；

步骤b：首先，主机单元MCU唤醒采集单元MCU并通过采集单元MCU向水质检测单元发出采集指令；

然后，采集单元MCU控制水质检测单元的传感器进行两次采集，此时分情况α与情况β：

情况α，当两次采集到的数据之差在误差允许的范围内，则采集单元MCU求出平均值并将该平均值传回主机单元MCU，执行步骤c；

情况β，若采集单元MCU两次采集的数据相差超出预设误差允许范围，则表示该采集过程出错，通知水质检测单元重新进行采集两次：当水质检测单元重新采集次数超过设定次数或时间,采集单元MCU向主机单元MCU传回相关错误提示信息，主机单元MCU通知报警器报警并电话通知养殖户；当在设定的读取次数或时间内，两次采集单元采集到的数据之差在预先设定的误差允许的范围内，则数据有效，则采集单元MCU求出平均值并将该平均值传回主机单元MCU，执行步骤c；

步骤c：首先，采集单元MCU通过无线将采集到的数据传递给主机单元MCU；每个数据传两次：如所述两次收到的数据不一样，则表示传输过程出现误包，则主机单元MCU通过指令要求采集单元MCU重传；当主机单元MCU重新读取次数超过设定次数或时间,主机单元MCU将控制报警器报警，并电话通过养殖户；当在设定的重传次数或时间内重传数据次数在预先设定的误差允许的范围内或所述两次收到的数据一样，则执行步骤d；

步骤d：控制单元MCU通过驱动电路控制步骤b中浮箱对应的交流接触器接通/断开，步骤b中浮箱对应的增氧机接通/断开；

(3)主机单元出现故障模式，负载控制单元工作升级指挥等级模式：

步骤A：控制单元MCU通过无线通信与采集单元MCU单元通信；

步骤B：首先，控制单元MCU唤醒采集单元MCU，采集单元MCU向水质检测单元发出采集指令；然后，采集单元MCU通过水质检测单元进行两次采集：分情况㈠与情况㈡；

情况㈠，若采集单元MCU两次采集到的数据在误差允许的范围内，则采集单元MCU求出平均值并将该平均值传回控制单元MCU后执行步骤C；

情况㈡，若采集单元MCU两次采集的数据相差超出误差允许范围，则表示采集过程出错，采集单元MCU通过水质检测单元重新进行采集两次：当采集单元MCU重新采集次数超过设定次数或时间,采集单元MCU给控制单元MCU传回相关错误提示信息，控制单元MCU会报警；若在设定的读取次数或时间内；当采集单元MCU重新采集次数在预先设定的误差允许的范围内，则采集单元MCU求出平均值并将该平均值传回控制单元MCU后执行步骤C；

步骤C：首先，采集单元MCU通过无线将采集到的数据传递给控制单元MCU；每个数据传两次：如果两次收到的数据不一样，则表示传输过程出现误包，则控制单元MCU通过指令要求采集单元MCU重传；当控制单元MCU重新读取次数超过设定次数或时间，控制单元MCU控制报警器报警，并电话通过养殖户；当在设定的重传次数或时间内重传数据次数在预先设定的误差允许的范围内或所述两次收到的数据一样，则执行步骤D；

步骤D：控制单元MCU通过驱动电路控制步骤B中浮箱对应的交流接触器通断，交流接触器控制增氧机的通断。

进一步，若主机单元MCU出故障，控制单元MCU的指挥级别将会提高，代替主机单元MCU工作，从而不会使整个系统瘫痪。控制单元MCU具有一定的思维能力，如，当溶解氧含量已经很低的情况下，主机单元MCU仍发来指令要求关闭控制单元MCU增氧机时，不能关闭增氧机。这个可能是误码，或主机单元MCU出现故障造成的，控制单元MCU应该向主机单元MCU核实。如果是误码，请求主机单元MCU重发指令。如果真的是主机单元MCU出故障了，则控制单元MCU的指挥级别将提高，代替主机维持系统的运行，确保池塘养殖物的安全。控制单元MCU同时发出警报通知养殖户，以及时处理出故障的主机。

本申请中主机单元MCU定时给采集单元MCU、控制单元MCU发送一个心跳信号，后者接收到后会给主机单元MCU一个回复信号，这样主机才能确认系统各部分是否正常工作。主机单元MCU通过GSM模块与服务器进行TCP/IP无线通信。实现智能控制，远程监测。

作为本领域技术人员，当其看到本发明的内容，可以采用手机或网络控制实现显而易见的。

本发明充分描述是为了更加清楚的公开，而对于现有技术就不再一一举例。

虽然，上文中已经用一般性说明及具体实施例对本发明作了详尽的描述，但在本发明基础上，可以对之作一些修改或改进，这对本领域技术人员而言是显而易见的。因此，在不偏离本发明精神的基础上所做的这些修改或改进，均属于本发明要求保护的范围。