叶金霖，邱美艳

（天津中德应用技术大学，天津，300350）

0 引言

近年来随着传统养殖业的发展，越来越多的国家将养殖业规划为重要的生产份额占比。由于传统农业技术的不足，人们对鱼塘的温度、水质等缺乏一定了解，使得人们在水产养殖等方面遇到很多困难。目前，在现代工厂化养殖中，常常采用人工测量的方式对这些参数指标进行测量，然而，在应对规模化养殖时，往往是力不从心，不仅耗时费力，而且检测效果也难以达到要求。基于NI ELVIS III的鱼塘水质监测系统采用水质类传感器采集鱼塘中各物质含量数据，NIELVISIII接受传感器发来的数据，并将数据进行处理，之后上传到服务器，最后发布Web App将数据实时显示出来。养殖人员可以通过网页客户端远程查看鱼塘水质的当前情况，并且系统采用红外人感传感器和摄像头对设备周边环境进行监视，当红外人感传感器感应到有人靠近，会向NIELVISIII发送信号，NIELVISIII接收到有人靠近的信号后向摄像头发送拍照指令，并将拍摄的照片上传到上位机的指定文件夹中，实现人员报备，防止人为破坏或恶意捕捞，最终实现鱼塘水质的监测，将数据化分析带入养殖业。

1 系统总体设计

鱼塘水质监测系统设计方案如图1所示，系统主要包括主控制器、水质类传感器、红外人感传感器、摄像头、服务器及Web App等。

本系统以NIELVISIII作为主控制器，用于接受来自水质类传感器和红外人感传感器信号，并对采集的数据进行运算，运算结果通过TCP/IP协议上传到服务器，然后上位机发布WepApp将水质参数显示出来，同时当红外人感传感器感受到有人靠近时，会向NIELVISIII发送信号，NIELVISIII接收到有人靠近的信号后，控制摄像头拍摄照片，同时将拍摄的照片上传到上位机的指定文件夹中，完成拍照报备。

2 硬件设计

基于NIELVISIII的鱼塘水质监测系统硬件电路设计如图2所示，主要包括主控制器电路设计、水质采集电路设计和人感拍照电路等。

图2 硬件电路设计图

主控制电路以NIELVISIII作为主控制器，采集水质类传感器发送来的模拟信号和人感传感器发送来的数字信号，同时负责信号的转换与发送和摄像头的控制；水质采集电路主要由3个pH传感器、3个TDS传感器和3个浊度传感器组成，传感器均匀分布在池塘中的不同位置，将水质信息转换成模拟信号发送给主控制电路；人感拍照电路主要由红外人感传感器和摄像头组成。

■2.1 主控制器电路设计

主控制电路以NIELVISIII为核心，用于接受水质类传感器和红外人感传感器信号。NIELVISIII采用ARM+FPGA架构，提供充分的计算能力，用于支撑边缘计算端的执行，通过对嵌入式系统编程及FPGA编程实现具体的运算及程序和算法的部署；其外围提供了丰富的IO，包括模拟输入输出和数字输入输出，用于实现对现场传感器设备信号采集和控制信号输出；并且NIELVISIII具有丰富的互联接口：包括WIFI、千兆以太网、USB等，用于平台的对外连接、数据传输及控制。本系统主要用到的外设包括模拟输入接口、数字输入接口、WIFI等。

■2.2 水质采集电路设计

本系统采用的三类传感器采集的数据均以模拟信号的形式向主控制器发送信息；采用pH传感器来监测水质的酸碱值，经过数据拟合得到pH和模拟输出电压的对应关系为y= − 5.641x+23.92；采用TDS传感器采集废水中溶解性固体总量，经过数据拟合得到TDS和模拟输出电压对应关系为y=66.71x3−127.93x2+428.7x；采用TSW-30浊度传感器采集废水浊度，经过数据拟合得到浊度和模拟输出电压的对应关系为y=− 8 65.68x+3291.3。

■2.3 人感拍照电路设计

人感拍照电路由人体感应传感器和摄像头组成，摄像头用来监视设备周边环境，人体感应传感器用来检测设备周围是否有人，如果有人靠近，NIELVISIII会接收到有人靠近信号，并控制摄像头进行画面拍照，然后上传到上位机的指定文件夹中，实现人员报备。其中人体感应传感器采用JL-286型分体式人体感应传感器，该传感器灵敏度高，可靠性强，适合应用于各类自动感应电器设备；摄像头采用USB摄像头。

3 软件设计

本系统的软件设计采用LabVIEW和LabVIEWNXG进行编写，采用LabVIEW在NIELVISIII中编写数据采集程序、数据处理程序和数据传输程序，采用LabVIEWNXG在上位机中编写数据接收程序、人感拍照报备程序和Web App程序。系统总程序设计流程图如图3所示。

图3 总程序设计流程图

系统启动后进行初始化，然后分别采集pH传感器、TDS传感器、浊度传感器的模拟信号和红外人体感应传感器的数字信号，系统将采集到的模拟信号在NI ELVIS III内部进行运算，将pH传感器的模拟信号通过公式y=− 5.641x+23.92转换成pH，将TDS传感器的模拟信号通过公式y= 66.71x3−127.93x2+428.7x转换成TDS，将浊度传感器的模拟信号通过公式y=− 8 65.68x+3291.3转换成浊度值，然后将转换后的pH、TDS和浊度值打包成字符串，通过TCP/IP协议上传到上位机，上位机接受到数据后，通过分割字符串的方式将数据读取出来进行显示，最后发布Web App，进而养殖户可以连接Web服务器进行鱼塘水质参数的远程监测。同时当有人靠近时，NIELVISIII采集到红外人体感应传感器高电平信号，然后向摄像头发送拍照指令，并将拍摄的照片上传到上位机的指定文件夹下以完成人员报备。

■3.1 下位机程序设计

下位机程序采用LabVIEW进行编写，首先，打开所有传感器所连接的模拟通道引脚，将其设置为模拟电压输入，通过数学函数控件构建转换公式，将模拟电压输入值转换成物质含量，然后将转换后的数值转换成字符串形式，将所有字符串截取适当长度并连接在一起组成一个字符串，最后通过TCP/IP协议将字符串发送给上位机。

■3.2 上位机程序设计

上位机程序设计采用LabVIEW NXG进行编写，首先，打开TCP连接，读取下位机发送来的字符串，将字符串以对应的偏移量进行截取，然后通过显示控件将数据进行显示，同时读取到有人靠近的指令后，控制摄像头拍摄照片，然后设置指定存储路径，进行人员报备，最后创建WebApp，实现多个客户端的监测。

4 系统调试及结果

本系统采用Web应用程序实现多个客户端的监测，经过功能测试，远程客户端可以满足鱼塘水质监测系统的实时性、准确性的要求。每隔1h对鱼塘水质进行一次测量，测试数据如表1所示。

表1 测试数据

同时系统可在上位机的指定文件夹下查看到周围人员照片，实现了人员报备功能。

5 结语

本文开发了一种基于NIELVISIII的鱼塘水质监测系统，通过本系统养殖人员可对鱼塘中pH、TDS、浊度等水质参数进行远程实时监测，同时可查看鱼塘附近人员照片，防止人为破坏或恶意捕捞，实现了鱼塘水质监测的实时性和准确性，系统将数据化分析带入水产养殖业，方便养殖人员制定合理的养殖方案，提高鱼类存活率，进而提高养殖户的利润。