一种养殖渔场分布式水质远程监控系统及监控方法技术方案

本发明专利技术属于传感技术领域，公开了一种养殖渔场分布式水质远程监控系统及监控方法，养殖渔场分布式水质远程监控系统由水质监控节点，网络控制器和物联网监控平台三个部分组成；水质监控节点，用于通过所述传感器监测水质，根据传感器所测得数值控制增氧机的开关，并通过LoRa通信模块将采集到的数据及执行器状态发送至网络控制器；网络控制器，用于将所有节点数据打包后发送至物联网监控平台；物联网监控平台，用于对传感器的历史数据进行查阅，并远程控制每个节点各个增氧机的工作状态。本发明专利技术为用户提供了一种能够实现远距离、长电池寿命、安装简单、成本低廉、扩展性强、安全加密的通信方案，目前可运行于全球免费频段。

【技术实现步骤摘要】
一种养殖渔场分布式水质远程监控系统及监控方法
本专利技术属于传感
，尤其涉及一种养殖渔场分布式水质远程监控系统及监控方法。
技术介绍
目前，我国水产养殖业近年来蓬勃发展，其总产量已经占到世界养殖总产量的70％左右。在渔业养殖中，渔场的水质环境对水生生物的培养具有重要影响。其中，影响水产养殖的水质的关键参数主要有水温、pH、浊度、电导率、溶解氧浓度以及氨氮浓度等数值。现有水质监测系统按照距离区分，主要可分为采用GSM蜂窝网络或GPRS的远程水质监测系统以及采用ZigBee或WiFi的近场水质监测系统。其中，采用GSM蜂窝网络和GPRS的水质监测系统虽然通信距离远，但是节点能耗较高且需要支付额外的运营商费用；采用ZigBee和WiFi的近场水质监测系统虽然无需支付额外费用，但是通信距离短且易受传输干扰。因此，亟需一种新的养殖渔场分布式水质远程监控系统。通过上述分析，现有技术存在的问题及缺陷为：(1)现有水质监测系统中，采用GSM蜂窝网络和GPRS的水质监测系统虽然通信距离远，但是节点能耗较高且需要支付额外的运营商费用。(2)现有水质监测系统中，采用ZigBee和WiFi的近场水质监测系统虽然无需支付额外费用，但是通信距离短且易受传输干扰。
技术实现思路
针对现有技术存在的问题，本专利技术提供了一种养殖渔场分布式水质远程监控系统及监控方法，尤其涉及一种基于LPWAN的养殖渔场分布式水质远程监控系统及监控方法。本专利技术是这样实现的，一种养殖渔场分布式水质远程监控系统，所述养殖渔场分布式水质远程监控系统由水质监控节点，网络控制器和物联网监控平台三个部分组成。其中，所述水质监控节点，安装有水温传感器，pH传感器，浊度传感器，电导率传感器，溶解氧浓度传感器及氨氮传感器，用于通过所述传感器检测得到水温、酸碱度值、浊度、电导率、溶解氧浓度及氨氮浓度，并根据传感器所测得数值控制增氧机的开关；同时通过LoRa通信模块将各个传感器采集到的数据及执行器状态发送至网络控制器；所述网络控制器，用于将所有节点的数据打包后发送至物联网监控平台；所述物联网监控平台，用于对传感器的历史数据进行查阅，并远程控制每个节点各个增氧机的工作状态。进一步，所述水质监控节点，包括MCU微控制单元，通讯单元，传感单元，全球定位单元，显示单元和电源管理单元。其中，所述MCU微控制单元，采用基于Cortex-M3架构的STM32F103RCT6芯片组成，用于采集传感单元的数据，存储及运行程序，执行所接入模块的任务，并进行PID控制算法的运行和协调各个单元之间数据包的传输；所述传感单元，用于通过水温传感器，pH传感器，浊度传感器，电导率传感器，溶解氧浓度传感器及氨氮传感器监测水质信息，各个传感器通过不同接口与微控制单元进行数据传输，根据所测得的数据分别控制增氧机的运行；所述全球定位单元，通过GPS模块来获取其当前的地理位置，并通过通讯单元将位置信息上传至物联网监控平台；采用型号为ATK-NEO-6M的GPS模块，该模块自带陶瓷天线及MAXIM公司20.5dB高增益LNA芯片，兼容3.3V与5V的供电电压，工作温度范围为-40℃～85℃；所述通信单元，用于通过Semtech所开发的半双工传输的低中频收发器SX1278，进行水质监控节点与网络控制器之间的数据传输；所述显示单元，用于通过有机电激光显示屏OLED显示水质监控节点传感器所采集的数据和增氧机的运行状态；所述电源管理单元，由锂电池与降压电路组成，通过降压模块将电压降低至各个单元的工作电压；其中，利用TLV62565降压电路把锂电池的DC5V电压降至主控单元所需的3.3V。进一步，所述水温传感器采用水温-pH复合传感器，通过BNC接口与E-201-C型pH复合电极，扩展DS18B20温度传感器接口，读取水温参数，并对pH检测值进行补偿；所述浊度传感器型号为TSW-30，通过目标溶液中的透光率和散射率来综合判断浊度情况，同时输出模拟信号和数字信号，工作电压为5V，标准工作温度位于-20℃～90℃之间，检测响时间小于500ms；所述电导率传感器采用DJS-1电导电极，该传感器使用5V供电电压，一路0～3.4V的模拟量输出，工作温度在0～40℃之间，支持测量范围为0～20mS/cm；所述溶解氧浓度传感器采用数字型溶解氧传感器DOS-600；所述氨氮浓度传感器采用NHN-206氨氮传感器。进一步，所述水质监控节点，通过引入PID控制算法，将所采集到的溶解氧浓度数值按照一定时间间隔分别传入PID控制算法得出校正值，相应的控制端口输出不同宽度的PWM脉冲信号，转换为PWM波形的占空比，进而控制增氧机的状态，使溶解氧浓度始终稳定在设定值周围。进一步，所述网络控制器，由嵌入式处理器，4G模块和基于LoRa调制的基带芯片SX1301组成；其中，所述嵌入式处理器采用ARMCortex-A7内核的i.MX6UltraLite应用处理器，SX1301采集各个节点的数据后，将数据包利用4G模块通过MQTT接入协议将数据发送至监控平台上。进一步，所述网络控制器，主板以ARMCortex-A7内核的i.MX6UltraLite应用处理器为核心，主频528MHz，内置256MBDDR3内存和256MBNANDFLASH，且采用双MiniPCIE接口设计，留有多种功能接口；4G模块采用移远通信LTE模块EC20来向物联网监控平台发送数据包。进一步，所述物联网监控平台使用OneNET的多协议接入组件；在监控平台上能实时查看测试量，测试量历史数据和控制器的运行状态，并通过图形界面手动控制控制器的运行。进一步，所述水质监控节点与物联网监控平台之间使用LoRa通讯技术进行数据交互，并按照一定的通讯协议传输数据；其中，所述通讯协议帧由数据帧头，数据长度，节点ID，传输时间，水温数据，pH数据，浊度数据，电导率数据，溶解氧浓度数据，氨氮浓度，增氧机状态，报警位，保留位及数据帧尾组成。进一步，当传感器采集到的数值超过所设定的一定范围时，在水质监控节点的OLED屏及物联网监控平台上显示报警信息，且在监控平台上可观察到对应报警节点的ID号和超标的物理量及其数值。本专利技术的另一目的在于提供一种应用所述的养殖渔场分布式水质远程监控系统的养殖渔场分布式水质远程监控方法，所述养殖渔场分布式水质远程监控方法包括以下步骤：步骤一，通过水质监控节点上的传感器测出的水温、酸碱度值、浊度、电导率、溶解氧浓度及氨氮浓度；步骤二，将采集到的数据分别经过单个PID算法计算得出校正值，相应的控制端口输出不同宽度的PWM脉冲信号，进而控制增氧机的运行状态；步骤三，节点上的OLED显示屏能实时显示当前节点上传感器所采集到的数据及增氧机的工作状态；步骤四，通过LoRa通信模块将各个传感器采集到的数据及执行器状态发送至网络控制器；步骤五，网络控制器通过将所有节点的数据打包之本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种养殖渔场分布式水质远程监控系统，其特征在于，所述养殖渔场分布式水质远程监控系统包括：/n水质监控节点，安装有水温传感器，pH传感器，浊度传感器，电导率传感器，溶解氧浓度传感器及氨氮传感器，用于通过所述传感器检测得到水温、酸碱度值、浊度、电导率、溶解氧浓度及氨氮浓度，并根据传感器所测得数值控制增氧机的开关；同时通过LoRa通信模块将各个传感器采集到的数据及执行器状态发送至网络控制器；/n网络控制器，用于将所有节点的数据打包后发送至物联网监控平台；/n物联网监控平台，用于对传感器的历史数据进行查阅，并远程控制每个节点各个增氧机的工作状态。/n

【技术特征摘要】
1.一种养殖渔场分布式水质远程监控系统，其特征在于，所述养殖渔场分布式水质远程监控系统包括：
水质监控节点，安装有水温传感器，pH传感器，浊度传感器，电导率传感器，溶解氧浓度传感器及氨氮传感器，用于通过所述传感器检测得到水温、酸碱度值、浊度、电导率、溶解氧浓度及氨氮浓度，并根据传感器所测得数值控制增氧机的开关；同时通过LoRa通信模块将各个传感器采集到的数据及执行器状态发送至网络控制器；
网络控制器，用于将所有节点的数据打包后发送至物联网监控平台；
物联网监控平台，用于对传感器的历史数据进行查阅，并远程控制每个节点各个增氧机的工作状态。


2.如权利要求1所述的基于LPWAN的养殖渔场分布式水质远程监控系统，其特征在于，所述水质监控节点，进一步包括MCU微控制单元，通讯单元，传感单元，全球定位单元，显示单元和电源管理单元；
所述MCU微控制单元，采用基于Cortex-M3架构的STM32F103RCT6芯片组成，用于采集传感单元的数据，存储及运行程序，执行所接入模块的任务，并进行PID控制算法的运行和协调各个单元之间数据包的传输；
所述传感单元，用于通过水温传感器，pH传感器，浊度传感器，电导率传感器，溶解氧浓度传感器及氨氮传感器监测水质信息，各个传感器通过不同接口与微控制单元进行数据传输，根据所测得的数据分别控制增氧机的运行；
所述全球定位单元，通过GPS模块来获取其当前的地理位置，并通过通讯单元将位置信息上传至物联网监控平台；采用型号为ATK-NEO-6M的GPS模块，该模块自带陶瓷天线及MAXIM公司20.5dB高增益LNA芯片，兼容3.3V与5V的供电电压，工作温度范围为-40℃～85℃；
所述通信单元，用于通过Semtech所开发的半双工传输的低中频收发器SX1278，进行水质监控节点与网络控制器之间的数据传输；
所述显示单元，用于通过有机电激光显示屏OLED显示水质监控节点传感器所采集的数据和增氧机的运行状态；
所述电源管理单元，由锂电池与降压电路组成，通过降压模块将电压降低至各个单元的工作电压；其中，利用TLV62565降压电路把锂电池的DC5V电压降至主控单元所需的3.3V。


3.如权利要求1所述的基于LPWAN的养殖渔场分布式水质远程监控系统，其特征在于，所述水温传感器采用水温-pH复合传感器，通过BNC接口与E-201-C型pH复合电极，扩展DS18B20温度传感器接口，读取水温参数，并对pH检测值进行补偿；
所述浊度传感器型号为TSW-30，通过目标溶液中的透光率和散射率来综合判断浊度情况，同时输出模拟信号和数字信号，工作电压为5V，标准工作温度位于-20℃～90℃之间，检测响时间小于500ms；
所述电导率传感器采用DJS-1电导电极，该传感器使用5V供电电压，一路0～3.4V的模拟量输出，工作温度在0～40℃之间，支持测量范围为0～20mS/cm；
所述溶解氧浓度传感器采用数字型溶解氧传感器DOS-600；
所述氨氮浓度传感器采用NHN-206氨氮传感器。


4.如权利要求1所述的基于LPWAN的养殖渔场分布式水质远程监控...

【专利技术属性】
技术研发人员：郝笑，陈伟，周锋，贺晨煜，陈巍，
申请(专利权)人：南京工程学院，
类型：发明
国别省市：江苏;32