文｜付曉月 黃大志 楊菲菲 王晴 陳慕瑞
為解決傳統網箱養殖自動化程度低，養殖現場需人工長期駐守的問題，設計了一種基于Modbus RTU的深海網箱養殖遠程監控系統。該系統的水質傳感器可以采集深海網箱內海水的pH、溶解氧、電導率和溫度值等水質參數，監控攝像頭用來獲取水面環境信息，并基于Modbus RTU通信將深海網箱養殖現場采集的水質參數和圖像信息實時傳輸到遠程監控界面，實現遠程電腦端或手機端的實時監控。測試結果顯示，該遠程監控系統功耗較低且運行穩定，此外，該系統可以遠程接收控制指令從而實現深海網箱養殖的設備供氧。
深海網箱養殖作為一種新型的漁業養殖方式，在漁業生產中發揮的作用越來越顯著。深海網箱一般布放在離岸數千米，水深15～40m的海域，遠離沿岸使得深水網箱養殖具有水體交換好、養殖容量大、集約化程度高等優勢，但同時也帶來了一系列新的挑戰：惡劣的天氣條件和多變的海洋環境威脅到水產養殖系統的安全及運行。依靠人工現場進行安全監測，成本高、難度大，因此根據深海網箱所處環境條件的特殊性，構建配套的網箱養殖遠程監控系統顯得至關重要。
本研究提出了一種基于Modbus RTU的深海網箱養殖遠程監控系統，將深海網箱養殖現場采集的pH、溶解氧、電導率和溫度值等水質參數和監控攝像機拍攝的圖像信息實時傳輸至遠程監控界面，方便用戶實時地查看水質數據。
深海網箱養殖遠程監控系統主要由網箱監控設備、服務器和客戶端三部分組成，其總體設計方案如圖1所示。
圖1 系統總體結構圖
網箱監控設備放置于養殖網箱上，該設備負責完成網箱養殖區域水質數據的監測、數據信息的無線傳輸和監控攝像機的電源控制等工作，在獲取到水質數據后，每隔固定時間通過Modbus RTU將數據上傳至服務器；
監控攝像機負責采集養殖區域周圍的實時畫面，將視頻信息上傳至服務器；
監控平臺則負責接收養殖現場的監控信息，通過登錄手機端或電腦端查看養殖區域的水質數據、網箱位置和實時監控畫面等，便于用戶隨時隨地查看當前養殖區域的監控信息。
系統硬件組成如圖2所示，主要包括RTU處理模塊、視頻監控模塊、電源模塊和水質采集模塊。RTU處理模塊負責完成對各模塊的控制、信息處理和無線通信等任務；
水質采集模塊采集養殖現場的pH、溶解氧、電導率和溫度值等水質參數；
電源模塊的目的是實現整個監控系統的設備供電，采用太陽能電池板輸出的12V直流電供電。
圖2 終端硬件組成框圖
系統軟件由Modbus RTU通信協議、系統界面設計、手機端或電腦端三部分組成。硬件終端主要完成數據的采集和轉發工作，用戶先將采集的數據信息寫入服務器，接著將數據信息轉發到監控終端，實現監控數據的實時傳輸。
（一） Modbus RTU通信協議
該系統采用Modbus RTU通信協議，通過將現場采集的水質參數和圖像信息傳輸到服務器，同時該系統可以遠程接收控制指令從而實現深海網箱養殖的設備供氧。默認通訊數據格式為：波特率9600bps、8個數據位、1個起始位、1個停止位、無校驗（9600、n、8、1）。
（二）系統界面設計
設置名字為海洋牧場，選擇協議為Modbus RTU，添加增氧機和水質傳感器等設備。將增氧機設置為開關型，連接DO口，其他設置為數值型。根據分辨率設置小數，如溫度傳感器為一位小數，pH值和溶解氧為兩位小數，如圖3所示。
圖3 增氧機和傳感器配置
寄存器配置：輸入地址，溫度傳感器01、溫度傳感器02、pH傳感器03、電導率傳感器04和溶解氧傳感器06；
網絡控制器讀取數據，選擇功能碼03；
寄存器地址為0x0000，偏置是寄存器地址轉成十進制加1，測量周期是每分鐘測1次，為了后面能夠超長待機可選擇10min一次或者15min一次，如圖4所示。
圖4 寄存器配置
（三）電腦端/手機端界面設計
深海網箱養殖遠程監控系統通過設置各傳感器、增氧機和寄存器來監測固定水域的pH值、電導率、溶解氧、水溫，通過監控攝像頭在室內觀測魚類的狀態，然后人工通過電腦控制供養，觀測數據，如圖5所示。
圖5 電腦端顯示各水質傳感器
手機端通過登錄小程序，進入頁面底端“數據”界面，此頁面顯示用戶的設備監測情況，點擊PH、電導率、溶解氧、溫度選項，會出現各水質參數的實時變化曲線以及各采集時間點采集到的數據，如圖6所示。
圖6 手機端顯示各水質傳感器
為了驗證監控系統運行的可靠性，試驗借助海洋工程技術研究中心的海洋工程水池造波機，長75m、寬25m、深0.5m，多次對深海網箱養殖現場進行監測，獲取水質環境的溫度、pH、溶解氧、電導率等水質參數，并將數據實時反饋給養殖人員，本系統也可以自動生成各類參數的報表，方便工作人員計算和觀測。試驗結果顯示，攝像頭水下和水上均能夠正常運行，沒有任何問題，清晰度也可以。水質傳感器工作正常，監測系統工作正常，信號傳輸穩定，采集數據可信。pH傳感器變化差最大為0.05pH、電導率為10μS/cm、溶解氧為0.46mg/L，溫度為0.6℃，這些誤差都在其溫補變化范圍內，穩定程度良好。
本文設計實現了一種基于Modbus RTU的深海網箱養殖遠程監控系統，硬件部分主要包括電源模塊、RTU處理模塊、水質數據采集模塊和視頻監控模塊，軟件部分基于Modbus協議的RTU實現電腦端或者手機端對養殖現場的實時監控數據的查看。并經實驗測試，該系統能夠長期穩定運行、系統功耗低、操作簡便、可靠性高，能夠實現遠程監控養殖現場，大幅提升了養殖過程的自動化、智能化程度，有較好的應用價值。
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