0. 引言

傳統(tǒng)的桑基魚塘已不再適應(yīng)國(guó)家現(xiàn)代化戰(zhàn)略的發(fā)展，全球新一輪科技革命、產(chǎn)業(yè)變革方興未艾，智聯(lián)網(wǎng)、云計(jì)算等新一代信息技術(shù)加快應(yīng)用，深刻改變了生產(chǎn)生活方式，引發(fā)經(jīng)濟(jì)格局和產(chǎn)業(yè)形態(tài)深度變革，形成發(fā)展數(shù)字經(jīng)濟(jì)的普遍共識(shí)。

大數(shù)據(jù)成為基礎(chǔ)性戰(zhàn)略資源，新一代人工智能成為創(chuàng)新引擎。 本文設(shè)計(jì)可將傳統(tǒng)的桑基魚塘農(nóng)業(yè)向著智慧農(nóng)業(yè)、數(shù)字農(nóng)業(yè)轉(zhuǎn)型，其順應(yīng)國(guó)家發(fā)展戰(zhàn)略趨勢(shì)。 隨著智能技術(shù)的發(fā)展，舊桑基魚塘改造的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)還將實(shí)現(xiàn)更多的智能應(yīng)用，以提高產(chǎn)品增值性，增加其實(shí)用性[1]，基塘改造也會(huì)成為農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的一個(gè)發(fā)展熱點(diǎn)。

1.系統(tǒng)總設(shè)計(jì)

本文以Arduino UNO開發(fā)板為核心，將溫度、濕度、二氧化碳（CO2）、溶解氧濃度通過(guò)傳感器采集數(shù)據(jù)發(fā)送到微處理器上，并對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理顯示到LCD屏幕上，當(dāng)采集的數(shù)據(jù)超標(biāo)時(shí)發(fā)出報(bào)警信號(hào)（圖1）。

該設(shè)計(jì)還可以使用智能手機(jī)與esp8266Wi-Fi模塊，通過(guò)無(wú)線通信技術(shù)（Wi-Fi）連接機(jī)智云平臺(tái)服務(wù)器，將數(shù)據(jù)傳輸給硬件主控電路，下發(fā)控制指令實(shí)現(xiàn)手機(jī)端遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)，從而達(dá)到智能監(jiān)測(cè)桑基魚塘的目的[2]。

2.系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

硬件電路由Arduino UNOR3開發(fā)板、溫濕度傳感器模塊、數(shù)據(jù)采集模塊、溶解氧傳感器模塊、CO2傳感器、復(fù)位模塊、顯示模塊、ESP8266 Wi-Fi通信模塊等組成。

表1 Arduino UNOR3技術(shù)指標(biāo)

2.1Arduino UNOR3主控芯片模塊

Arduino UNOR3主控芯片穩(wěn)定可靠，且上傳程序也很簡(jiǎn)單，用串口線連接通用的USB2.0或USB3.0接口即可，同時(shí)也可以通過(guò)USB接口供電，這樣可以使得在上傳程序的同時(shí)不用考慮供電的問(wèn)題。

Arduino UNOR3技術(shù)指標(biāo)見(jiàn)表1[3]，可見(jiàn)，輸入電壓最高為12V，輸入電流為20mA，普通充電寶和適配器就可以滿足，尺寸較小，方便安裝和排布，該芯片功能強(qiáng)大穩(wěn)定可靠。

2.2溫度傳感器模塊

采用防水DS18B20數(shù)字溫度傳感器進(jìn)行溫度的測(cè)量，其輸出的是數(shù)字信號(hào)，具有體積小、硬件開銷低，抗干擾能力強(qiáng)，精度高等特點(diǎn)。DS18B20在與Arduino UNOR3連接時(shí)僅需要一條口線即可實(shí)現(xiàn)雙向通信，其的工作電壓為3.0～5.5V。

防水DS18B20數(shù)字溫度傳感器與Arduino UNOR3連接如圖2所示，可以看出，將紅色條帶連接至5V，將黑色條帶接地，并將黃色條帶連接至Arduino UNOR3的數(shù)字引腳2，還需要從數(shù)據(jù)引腳到5V處，并連接1個(gè)4.7K上拉電阻。

2.3土壤濕度傳感器模塊

采用SEN0114土壤濕度傳感器，用于檢測(cè)土壤的水分。當(dāng)土壤缺水時(shí)，傳感器輸出值將減小，反之將增大。土壤濕度傳感器與Arduino UNOR3的連接，如圖3所示[4]。

2.4溶解氧傳感器模塊

采用Arduino UNOR3兼容的SEN0237溶解氧傳感器，用于測(cè)量水中的溶解氧含量，反映水質(zhì)狀況。俗話說(shuō)，“養(yǎng)魚先養(yǎng)水，好水養(yǎng)好魚。”良好的水質(zhì)，對(duì)水生物非常重要，溶解氧就是反應(yīng)水質(zhì)好壞的重要參數(shù)之一。水中的溶解氧數(shù)值一旦過(guò)低，會(huì)造成水生物呼吸困難，并對(duì)其生存造成威脅。

2.5CO2傳感器模塊

采用DFRobot新推出的高精度大量程紅外SEN0220為CO2傳感器，其有效量程可達(dá)0～50000ppm。該傳感器是通用、小型傳感器，利用非色散紅外（non-dispersiveinfraRed,NDIR）原理對(duì)空氣中存在的CO2進(jìn)行探測(cè)，并且內(nèi)置溫度補(bǔ)償，使用串口便可讀取當(dāng)前CO2氣體濃度，使用非常簡(jiǎn)單，兼容各類單片機(jī)和傳感器，SEN0220CO2傳感器與Arduino UNOR3連接如圖5所示。

ESP8266 WiFi通信模塊與Arduino UNOR3之間采用8位異步串口通信，并且內(nèi)置了TCP/IP網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧。

3.系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

在Arduino IDE環(huán)境下進(jìn)行軟件開發(fā)，同時(shí)使用了該公司官方提供的標(biāo)準(zhǔn)庫(kù)進(jìn)行程序編寫。系統(tǒng)設(shè)計(jì)的功能是分別對(duì)溫濕度、溶解氧、CO2實(shí)施實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)采集效果，能較為準(zhǔn)確地顯示各傳感器的數(shù)據(jù)。

軟件系統(tǒng)的組成由數(shù)據(jù)庫(kù)的加載選擇、運(yùn)行實(shí)例程序、數(shù)據(jù)庫(kù)的使用、使用各傳感器收集信息、Arduino UNOR3開發(fā)板處理信息等。系統(tǒng)軟件控制程序流程圖如圖8所示。

3.1機(jī)智云的環(huán)境搭建

系統(tǒng)通過(guò)ESP8266 Wi-Fi模塊與機(jī)智云的云端進(jìn)行通信，智能桑基魚塘實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制圖如圖9所示。在機(jī)智云平臺(tái)設(shè)置一個(gè)新產(chǎn)品，在兩者建立通信之前，需要將ESP8266 Wi-Fi模塊燒錄機(jī)智云GAgent固件。首先，在智能云平臺(tái)上下載相應(yīng)的GAgent固件包，GAgent主要的作用是數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)，是設(shè)備數(shù)據(jù)、機(jī)智云物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)、應(yīng)用端（APP）的數(shù)據(jù)交互橋梁。

然后，用USB轉(zhuǎn)串口進(jìn)行燒錄，燒錄使用官方提供的?ash＿download＿tools＿V1軟件將固件燒錄后，編寫Arduino UNOR3運(yùn)行代碼，將各傳感器采集的數(shù)據(jù)傳給ESP8266 Wi-Fi模塊，配置網(wǎng)絡(luò)信息，并編寫對(duì)應(yīng)的APP程序，通過(guò)手機(jī)端呈現(xiàn)給用戶。

3.2Wi-Fi模塊傳輸程序設(shè)計(jì)

使用ESP8266 Wi-Fi模塊，對(duì)串口進(jìn)行簡(jiǎn)單的配置便能通過(guò)網(wǎng)絡(luò)傳輸數(shù)據(jù)。ESP8266 Wi-Fi與Arduino UNOR3連接完成后，使用AT指令來(lái)調(diào)試Wi-Fi。AT指令是在終端設(shè)配與PC應(yīng)用程序之間的連接與通信，即定義好的一個(gè)特殊指令，可表達(dá)特殊指令的字符串。需要注意的是，每條AT命令中只能包含一條AT指令，如：A發(fā)送“回家了”，B在收到該內(nèi)容之后，就會(huì)相應(yīng)的回復(fù)“知道了”。

4. 小結(jié)

本文從傳統(tǒng)桑基魚塘的管理難度大、管理時(shí)間長(zhǎng)、管理人員多3個(gè)弱點(diǎn)進(jìn)行攻破，提出通過(guò)溫度、濕度、溶解氧濃度、CO2、pH值數(shù)據(jù)的采集與調(diào)節(jié)，將傳感器、自動(dòng)化控制、無(wú)線通信、計(jì)算等技術(shù)集于一體，設(shè)計(jì)了能夠應(yīng)用于水產(chǎn)養(yǎng)殖業(yè)的反饋增氧系統(tǒng)、農(nóng)田種植業(yè)的溫度、濕度自動(dòng)調(diào)節(jié)的基塘系統(tǒng)。

該設(shè)計(jì)具有結(jié)構(gòu)穩(wěn)定、精度高、高可靠性、靈活、易安裝等特點(diǎn)，從而達(dá)到提高桑基魚塘生產(chǎn)效率，縮短管理的時(shí)間，節(jié)約人力成本的目的，將桑基魚塘打造成一個(gè)自動(dòng)化、智能化的現(xiàn)代綠色基塘。

審核編輯：湯梓紅