李欣洛

摘要：针对鱼塘传统的观测手段耗时费力、步骤复杂、成本高等缺点。设计了基于LoRa通信模块的鱼塘实时在线监测系统。在鱼塘的监测区域中，该系统利用传感器测得监测区域中的关键信息，并通过先进的LoRa通信模块无线网络将数据传输到终端控制系统，控制系统做出判断同时发出报警信号。系统中以LoRa模块和STM32为核心芯片，能够实时获得鱼塘中的一些参数，例如温度、酸碱度等。同时该系统还可以进一步扩展使用局域网络等方式实现远程监控。

关键词：LoRa；鱼塘监管；STM32

中图分类号：TP3 文献标识码：A 文章编号：1009-3044（2018）33-0230-03

1 概述

目前，大多数渔业养殖户对水中各物质含量的判断主要来自经验，即通过观察阳光、气温、气压以及鱼有无浮头等现象，判断水是否利于鱼的生存，并控制鱼塘。为了防止发生泛塘现象，渔民需要花费大量的时间、精力观察鱼塘的情况。这种方式存在事后控制不及时或过度控制、费时、劳动强度大等缺点，在一定程度上影响了鱼类的生长，增加了养殖的人力物力成本与技术困难。为了提高鱼类产品饲养的质量和数量，提升水产养殖技术的自动化水平，减轻渔民的劳动强度，降低水產养殖的成本，研制了鱼塘控制管理系统，实时监测水中与鱼类生活息息相关的数值，使鱼塘中水处于被监控的状态下，可以有效地提高了鱼类养殖的安全性，降低养殖成本，对提高养殖产量，达到高产高效的目的，具有重要的意义。

物联网的快速发展对无线通信技术提出了更高的要求，专为低带宽、低功耗、远距离、大量连接的物联网应用而设计的LPWAN（low-power Wide-Area Network，低功耗广域网）快速兴起。LoRa是其中的典型代表，是一种最有发展前景的低功耗广域网通信技术。LoRa易于建设和部署，得到越来越多国内公司的关注和跟进。随着LoRa的引入，嵌入式无线通信领域的局面发生了彻底的改变。这一技术改变了以往关于传输距离与功耗的折衷考虑方式，提供一种简单的能实现远距离、长电池寿命、大容量、低成本的通讯系统。

水产养殖业，作为一个高度依赖生产环境因素的产业，长久以来，为了让生产条件稳定在预期要求水平以及监测未知的风险，业主必须投入大量的人力、物力加以管理，使得成本大大增加，给产品在市场上的投放施加了更多的压力。目前文献还没有看到在水产养殖中采用LoRa技术[1-6]，由此观之，在各个产业与物联网的联系不断加深，运营操作日趋智能化的现在，设计一套周详、成本可控、信息准确、自动化程度高、应用LoRa技术进行及时消息传达的鱼塘智能检测与管理系统，必能对其日常生产产生帮助。

2 系统分析

2.1 需求分析

1）水产养殖水质和环境关键因子立体分布规律和快速检测技术是项目的难点。 通过立体网格化方法测试水体在典型状态下单点、 面、 层多方位监测的水质情况，用统计分析方法研究养殖水体综合水质指数变化梯度和分布规律，建立综合水质指数三维立体分布图，并优化选取具有代表性的养殖水体总体状况的监测点。 研究水产养殖环境关键因子（温度、pH 值、溶解氧等）快速检测技术，构建关键因子数字化检测模型，开发环境关键因子的动态实时监测设备。

2）需要开发水产养殖智能化和可视化无线传感网络监控系统。系统分析LoRa、CAN 总线技术的分布式网络化技术，研究开发水产养殖水质信息和环境关键因子（温度、pH 值、溶解氧等）信息的自供电、自组织无线传感网络系统。开发水产养殖水质和环境关键因子的可视化监控技术和设备，实现水产养殖远程可视化监控。

3）研究开发水产养殖环境关键因子（温度、 pH 值、溶解氧等）的实时控制技术和智能化管理系统。研究水产养殖的增 氧机、抽水泵、取样电磁阀等控制终端的精准控制技术和系统，实现水产养殖的智能化和精准化控制和作业。

2.2主要技术和性能

1）基于无线传感网络的水产养殖智能化、可视化监控技术和预警预报技术，实现水质信息和环境关键因子信息的远程无线传输、可视化监控和预警预报；

2）水产养殖水质信息和环境关键因子信息快速获取技术，构建水质信息三维立体图，实现水产养殖环境关键因子的动态实时监测；

3）开发水产养殖环境关键因子的精准控制技术和智能化管理系统，基于无线传感器网络系统，对增氧机、抽水泵、取样电磁阀等终端进行智能化精准控制和作业。

3 系统设计

3.1 LoRa无线通信模块

LoRa采用星型网络架构，星型网络架构对比于网状网络架构延迟更低更简单。本系统中采用的无线射频芯片是LoRaSX1278，此芯片可以实现节点与集中器直接组网连接，构成星形网络；对于远距离的节点，可使用网关设备进行中继组网连接。LoRa在状况情况复杂的情况中能达到 1～2 km 的传输距离，传输速率最高可以达到 250 Kbps 以上。

本系统采用的无线串口模块是AS32-TTL-100，该模块嵌入高性能的LoRa扩频芯片LoRaSX1278，该模块的最大发射功率为100mW。LoRa模块分别连接与GPRS模块和微处理器，实现GPRS模块与微处理器之间的通信：GPRS模块通过LoRa模块，把从Web端接收到的指令，经过Lora模块发送到微处理器，实现对鱼塘的远程控制，同时可以将鱼塘状态数据传送至服务器，实现对鱼塘状态的监视和分析。

3.2 GPRS通信模块

由于智能路灯的覆盖范围十分广，需要与控制终端实现通信，使用GPRS通信技术，增加了网络的可靠性与数据传输方便。

在移动通信技术中，GPRS 分组传输和分组交换，具有网络范围广、实时性强、稳定性高等特点。GPRS每次传输只需承担所传输数据需要的流量的费用，资费低廉，节约成本；数据传输的速率可达30Kbps，传输数据的效率满足智能鱼塘系统的需求。

本系统采用Air800 GPRS模块，使用移动公司提供的物联网卡，内部编程语言采用Luat脚本语言，支持GPRS和GSM。通过Luat脚本语言，可以实现串行数据的接收和发送，实现系统功能。

GPRS发送和接收数据的过程：GPRS模块连接LoRa模块和服务器，与GPRS模块相连的LoRa模块接收微处理器上LoRa模块发送的数据，通过串口发送给GPRS模块。数据网络准备就绪后，GPRS模块连接后台，连接成功后，循环读取LoRa模块通过串口发送的数据，每次最多发送1K字节。GPRS模块接收到服务器传来的数据后，通过串口通信发送给与其相连的LoRa模块，再由LoRa模块发送给与主控芯片相连的LoRa模块，实现了主控芯片与服务器之间的通信。

3.3 前端Web服务模块

前端Web服务模块是以网页的形式对系统管理员进行展示，用以控制与系统相关联的智慧路灯以及对路灯状态的监控。

HTML语言能够实现多种功能，满足系统的需要。該语言具有简易性、可扩展、平台无关、通用等显著特点。前端界面设计主要使用了Bootstrap，它简洁灵活，使得 Web 开发更加快捷。前端脚本设计主要通过JavaScript，其基于对象、简单、动态性、跨平台性的优点使脚本能高效的开发出。

3.4 系统实现

池塘养殖生态系统是一种人工生态系统，其特点是水体面积小、深度浅、水交换量较低，而养殖密度又较高，且一般通过大量投饵来提高鱼产量。但池塘养鱼是一种养殖水面相对狭小、人工可控度高的人工生态系统.，传统的人工监测并不能是鱼一直处于一种最佳的生态环境，考虑到鱼塘智能检测的可行性，以智能化为目标，在物联网技术应用日渐广泛的当代环境下，运用STM32单片机和LoRa通信模块为鱼塘养殖传输数据和远程监控。并且结合当下最为热门的APP开发，为用户打造一个全新的、多层次、宽领域的智能鱼塘。运用监测技术实现对水产养殖环境关键因子的24小时实时动态监控，保证鱼塘的正常运作。

针对鱼塘智能管理系统与其他只能实现半自动化，只能短距离传递信息的系统不同，本系统采用最先进的远程通信技术LoRa技术，将整个养殖流程一体化，可视化，方便养殖户进行实时监控与操作，用户可以登录手机终端进行数据查看以及数据分析。将用两个LoRa模块，第一个模块接受单片机传来的水中变量数据再将它传送到第二块LoRa模块上，第二个模块再将数据传送到用户的电脑或者手机上，以实现数据的远距离传送。另外一个是上位机显示数据，上位机是指人可以直接发出操控命令的计算机，一般是PC，屏幕上显示水温信号变化。上位机（PC机）主要用来发出操作指令和显示结果数据。单片机用来读传感器的值，然后上位机通过串口来读取单片机里面的变量值。通过上位机，可以跟有效、更方便、更快捷地得到我们所需要的数据，系统的效率也将大大提升。电路设计图如下：

4 结论

池塘养殖生态系是一种人工生态系统，其特点是水体面积小，深度浅，水交换量较低，而养殖密度又较高，且一般通过大量投饵来提高鱼产量。但池塘养鱼是一种养殖水面相对狭小、人工可控度高的人工生态系统.，传统的人工监测并不能是鱼一直处于一种最佳的生态环境。本文考虑到鱼塘智能检测的可行性，以智能化为目标，在物联网技术应用日渐广泛的当代环境下，运用STM32单片机和LoRa通信模块为鱼塘养殖传输数据和远程监控，并且结合APP开发，为用户打造一个全新的、多层次、宽领域的智能鱼塘。运用监测技术实现对水产养殖环境关键因子的24小时实时动态监控，保证鱼塘的正常运作。

通过项目实施，可减少水产养殖过程中人力、物力投入，通过信息监控系统和增氧机、抽水泵、取样电磁阀等终端控制系统，结合预警预报系统，可极大避免因人为管理不当造成的经济损失，从而实现了水产养殖的智能化控制和管理，综合减少成本20%以上，具有良好的经济效益。

参考文献 ：

[1] 成永旭，金继明，朱选材，等.用测氧仪自动监控精养鱼池增氧机适时开机的实验[J]. 渔业现代化，1996，23（6）：7-10.

[2] 刘星桥，赵德安，全力，等.水产养殖多环境因子控制系统的研究[J].农业工程学报，2003（3）：205-209.

[3] 陈郡，王涛.鱼塘溶氧量自动监控系统的设计[J].安徽农业科学，2009（24）：25-28.

[4] 沈伟，杨翠容，李世忠.人工水产养殖单片机实时检测与控制系统研究[J]. 计算机测量与控制，2009（1）： 131-134.

[5] 刘兴国，刘兆普，王鹏祥，等.基于水质监测技术的水产养殖安全保障系统及应用[J].农业工程学报，2009，25（6）：186-191.

[6] 宦娟，刘星桥，程立强，等.基于ZigBee的水产养殖水环境无线监控系统设计[J].渔业现代化，2012（1）：67-71.

【通联编辑：张薇】