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摘 要：水产养殖需要投入大量的人力和物力，由于养殖的环境比较复杂，因此还存在很多安全隐患，对养殖户而言极不方便。基于此，本文就智能水产养殖系统进行研究，将水产养殖与信息技术相结合，利用Cortex内核的STM32微控制器实现水产养殖的自动化控制。首先就智能水产养殖系统的设计现状进行分析，然后根据现实情况，对水产养殖系统进行创新设计，从而提高水产养殖的智能化水平。
关键词：智能化系统；水产养殖；无线传感器
中图分类号：F326.4 文献标识码：A 文章编号：1004-7344（2018）21-0341-01
引 言
传统水产养殖技术比较落后，养殖规模难以拓展，在生产和实践中需要投入大量的人力资源和物力资源，导致水产养殖的成本较高。另外，养殖户在水产养殖过程中会面临比较复杂的生产环境，如果缺乏专业的养殖技术和丰富的养殖经验，很容易发生危险。为了改善这一现状，必须对智能化技术进行有效结合。当前智能化生产已经成为社会发展的必然趋势，因此探究水产养殖智能系统的设计是很有必要的。
1 智能水产养殖系统的设计概述
1.1 智能水产养殖系统的研究动态
近年来我国农业技术水平不断提升，水产养殖也逐渐抛弃落后的养殖模式和技术手段，向着更加智能化和自动化的方向发展。传统水产养殖主要依靠人力进行种植和生产，由于对劳动力的需求较大，因此投入的成本相对较高，同时也限制着水产养殖规模的扩大。另外，传统养殖技术虽然有可取之处，但是生产效率较低，无法对水域进行系统控制，因此国内外针对智能水产养殖系统进行研究和设计，主要从提高经济效益和保护生态环境相结合的角度出发，利用Zigbee无线通讯技术实现水域间的智能化管理，并且为鱼类生存环境进行调节，实現集约化和现代化的科学养殖。
1.2 智能水产养殖系统的项目创新点
本项目对智能水产养殖系统的设计主要利用Cortex内核的STM32微控制器实现水产养殖的自动化控制，利用Zigbee无线通讯技术实现数据的传输和接收，利用STM32构建水产养殖水质监控系统，实现水质的调节和优化，并且能够用XBee协调器接收水产养殖的相关数据信息，从而实现水域的数据查询和实时监控，为后续的生产养殖提供可靠参考。另外，运用于水产养殖项目中的水质监测系统，同样也能够应用于其他领域的水质监测，从而实现更高的社会价值和市场价值。
2 智能水产养殖系统的具体设计
2.1 Zigbee无线通讯技术的可行性
Zigbee无线通讯技术是近年来兴起的一种通讯技术，能够实现短距离内数据的传输，但是传输的效率较低，传输内容也比较简单，因此适用于周期较长的生产领域，不仅节能省电，而且操作简便。当系统处于非工作状态时，Zigbee无线通讯技术就会促使系统进入休眠状态，当再次激活系统只需要很短的时间。Zigbee无线通讯技术能够构建起不同形式的网络，常见的网络形式有树形文网络、星形网络等，Zigbee无线通讯技术可以通过调节节点加入或减少设备，因此网络形式较为灵活，可以实现动态的转变。根据水产养殖的特点，基于Zigbee无线通讯技术选择树形网络组合方式，将终端设备、节电设备、传感器和路由器相连接[1]。
2.2 智能水产养殖系统的结构设计
根据Zigbee无线通讯技术的树形网络组合方式，可得出智能水产养殖系统的整体结构。整个系统最核心的结构为监控中心，监控系统与协调器相连接，下接承担三个功能的路由器设备，分别为负责温度监测的路由器、负责光照监测的路由器和负责pH值监测的路由器，而在温度、光照和pH值的路由器下分别设置采集节点和控制节点，对温度传感器、光照传感器和pH传感器相连接。智能水产养殖系统的设计主要从水域的监测控制出发，对生物繁衍生产的环境进行调节，根据水产养殖的特点，必须从水域温度、水量位置、光照强度、水域氧量、空气质量和PH值进行结构设计，但是在系统设计中还必须考虑意外安全问题，例如火灾、地震的发生，因此在系统的节点利用Zigbee无线通讯技术设置报警系统，加强水产养殖的安全性和稳定性。
2.3 智能水产养殖系统的控制方法
在智能水产养殖系统的结构设计中，温度、光照和pH值的路由器下分别设置采集节点和控制节点，而控制节点下设S7200执行机构和EM231传感器，由EM231传感器对水产养殖中的水域温度、水量位置、水域氧量和pH值进行控制。
就水域温度的控制而言，智能水产养殖系统主要利用PT100传感器进行水温控制。对水域温度的控制主要为加温、降温和保温三种。根据生物对环境的要求，以自动注入热水的方式进行加温，以自动增强对流的方式进行降温，以搭建大棚的形式实现保温。
就水量位置的控制而言，主要采用浮球液位控制器进行水位测量，在智能水产养殖系统中设置最高值和最低值，然后通过触发电磁阀的方式对水位进行控制，实现水产养殖区域内的自动出水和进水。
就水域含氧量的控制而言，要根据水产养殖中生物所需的标准环境条件进行相应的调节。对于水产养殖的鱼类而言，对水域含氧量的要求必须超过4～5mg/L，由于环境的影响，水域含氧量会发生变化，智能水产养殖系统主要利用PID控制模块对水域含氧量进行检测，从而对增氧机进行调节。
就水域pH值的控制而言，对于水产养殖的鱼类而言，对水域pH值的要求必须控制在6.8～7.5以内，利用智能水产养殖系统中的PID功能模块，可以对水域的酸碱值进行监控，然后调整中和剂的比例。
另外，还要通过S7200执行机构对水泵、电磁阀、投饲机、增氧机和波位进行自动控制。通过叶轮增氧机旋转搅水的方式进行增氧，波浪越大含氧量越大；自动投饲机主要保证水产养殖的安全和经济，以水体为标志进行饲料投放，以5mg/L为标准，在超过这一标准后停止饲料投放；利用变频调速技术控制增氧机的运作，在降低功率的情况下避免增氧机反复启动和停用而发生故障[2]。
3 结 论
综上所述，针对智能水产养殖系统设计的探究是很有必要的。本文主要从国内外研究现状出发，在智能水产养殖系统的发展基础上进行创新设计。研究可得，智能水产养殖系统利用Zigbee无线通讯技术实现水产养殖的自动化控制，基于STM32实现养殖环境的水质监控，并且能够一次查看多个水域的数据参数，实现全面化的系统控制。希望本文可以为研究智能水产养殖系统设计的相关人员提供参考。
项目基金：大学生创新项目“基于STM32与uCOS系统的智能水产养殖系统”（QJCX-2017-002）。
参考文献
[1]杨金明，刘鹏航.基于物联网技术的水产养殖智能管理系统设计[J].湖北农业科学，2016，55（16）：4276～4279.
[2]许涛涛，陈 锋.嵌入式水产养殖智能检测系统的研究与设计[J].仪表技术，2014（09）：21～23.
收稿日期：2018-6-25
指导老师：赵 虎
关键词：智能化系统；水产养殖；无线传感器
中图分类号：F326.4 文献标识码：A 文章编号：1004-7344（2018）21-0341-01
引 言
传统水产养殖技术比较落后，养殖规模难以拓展，在生产和实践中需要投入大量的人力资源和物力资源，导致水产养殖的成本较高。另外，养殖户在水产养殖过程中会面临比较复杂的生产环境，如果缺乏专业的养殖技术和丰富的养殖经验，很容易发生危险。为了改善这一现状，必须对智能化技术进行有效结合。当前智能化生产已经成为社会发展的必然趋势，因此探究水产养殖智能系统的设计是很有必要的。
1 智能水产养殖系统的设计概述
1.1 智能水产养殖系统的研究动态
近年来我国农业技术水平不断提升，水产养殖也逐渐抛弃落后的养殖模式和技术手段，向着更加智能化和自动化的方向发展。传统水产养殖主要依靠人力进行种植和生产，由于对劳动力的需求较大，因此投入的成本相对较高，同时也限制着水产养殖规模的扩大。另外，传统养殖技术虽然有可取之处，但是生产效率较低，无法对水域进行系统控制，因此国内外针对智能水产养殖系统进行研究和设计，主要从提高经济效益和保护生态环境相结合的角度出发，利用Zigbee无线通讯技术实现水域间的智能化管理，并且为鱼类生存环境进行调节，实現集约化和现代化的科学养殖。
1.2 智能水产养殖系统的项目创新点
本项目对智能水产养殖系统的设计主要利用Cortex内核的STM32微控制器实现水产养殖的自动化控制，利用Zigbee无线通讯技术实现数据的传输和接收，利用STM32构建水产养殖水质监控系统，实现水质的调节和优化，并且能够用XBee协调器接收水产养殖的相关数据信息，从而实现水域的数据查询和实时监控，为后续的生产养殖提供可靠参考。另外，运用于水产养殖项目中的水质监测系统，同样也能够应用于其他领域的水质监测，从而实现更高的社会价值和市场价值。
2 智能水产养殖系统的具体设计
2.1 Zigbee无线通讯技术的可行性
Zigbee无线通讯技术是近年来兴起的一种通讯技术，能够实现短距离内数据的传输，但是传输的效率较低，传输内容也比较简单，因此适用于周期较长的生产领域，不仅节能省电，而且操作简便。当系统处于非工作状态时，Zigbee无线通讯技术就会促使系统进入休眠状态，当再次激活系统只需要很短的时间。Zigbee无线通讯技术能够构建起不同形式的网络，常见的网络形式有树形文网络、星形网络等，Zigbee无线通讯技术可以通过调节节点加入或减少设备，因此网络形式较为灵活，可以实现动态的转变。根据水产养殖的特点，基于Zigbee无线通讯技术选择树形网络组合方式，将终端设备、节电设备、传感器和路由器相连接[1]。
2.2 智能水产养殖系统的结构设计
根据Zigbee无线通讯技术的树形网络组合方式，可得出智能水产养殖系统的整体结构。整个系统最核心的结构为监控中心，监控系统与协调器相连接，下接承担三个功能的路由器设备，分别为负责温度监测的路由器、负责光照监测的路由器和负责pH值监测的路由器，而在温度、光照和pH值的路由器下分别设置采集节点和控制节点，对温度传感器、光照传感器和pH传感器相连接。智能水产养殖系统的设计主要从水域的监测控制出发，对生物繁衍生产的环境进行调节，根据水产养殖的特点，必须从水域温度、水量位置、光照强度、水域氧量、空气质量和PH值进行结构设计，但是在系统设计中还必须考虑意外安全问题，例如火灾、地震的发生，因此在系统的节点利用Zigbee无线通讯技术设置报警系统，加强水产养殖的安全性和稳定性。
2.3 智能水产养殖系统的控制方法
在智能水产养殖系统的结构设计中，温度、光照和pH值的路由器下分别设置采集节点和控制节点，而控制节点下设S7200执行机构和EM231传感器，由EM231传感器对水产养殖中的水域温度、水量位置、水域氧量和pH值进行控制。
就水域温度的控制而言，智能水产养殖系统主要利用PT100传感器进行水温控制。对水域温度的控制主要为加温、降温和保温三种。根据生物对环境的要求，以自动注入热水的方式进行加温，以自动增强对流的方式进行降温，以搭建大棚的形式实现保温。
就水量位置的控制而言，主要采用浮球液位控制器进行水位测量，在智能水产养殖系统中设置最高值和最低值，然后通过触发电磁阀的方式对水位进行控制，实现水产养殖区域内的自动出水和进水。
就水域含氧量的控制而言，要根据水产养殖中生物所需的标准环境条件进行相应的调节。对于水产养殖的鱼类而言，对水域含氧量的要求必须超过4～5mg/L，由于环境的影响，水域含氧量会发生变化，智能水产养殖系统主要利用PID控制模块对水域含氧量进行检测，从而对增氧机进行调节。
就水域pH值的控制而言，对于水产养殖的鱼类而言，对水域pH值的要求必须控制在6.8～7.5以内，利用智能水产养殖系统中的PID功能模块，可以对水域的酸碱值进行监控，然后调整中和剂的比例。
另外，还要通过S7200执行机构对水泵、电磁阀、投饲机、增氧机和波位进行自动控制。通过叶轮增氧机旋转搅水的方式进行增氧，波浪越大含氧量越大；自动投饲机主要保证水产养殖的安全和经济，以水体为标志进行饲料投放，以5mg/L为标准，在超过这一标准后停止饲料投放；利用变频调速技术控制增氧机的运作，在降低功率的情况下避免增氧机反复启动和停用而发生故障[2]。
3 结 论
综上所述，针对智能水产养殖系统设计的探究是很有必要的。本文主要从国内外研究现状出发，在智能水产养殖系统的发展基础上进行创新设计。研究可得，智能水产养殖系统利用Zigbee无线通讯技术实现水产养殖的自动化控制，基于STM32实现养殖环境的水质监控，并且能够一次查看多个水域的数据参数，实现全面化的系统控制。希望本文可以为研究智能水产养殖系统设计的相关人员提供参考。
项目基金：大学生创新项目“基于STM32与uCOS系统的智能水产养殖系统”（QJCX-2017-002）。
参考文献
[1]杨金明，刘鹏航.基于物联网技术的水产养殖智能管理系统设计[J].湖北农业科学，2016，55（16）：4276～4279.
[2]许涛涛，陈 锋.嵌入式水产养殖智能检测系统的研究与设计[J].仪表技术，2014（09）：21～23.
收稿日期：2018-6-25
指导老师：赵 虎