2024年3月21日发(作者：)
第34卷 第16期 农 业 工 程 学 报 Vol.34 No.16
2018年 8月
Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering Aug. 2018 205
基于物联网的螃蟹养殖基地监控系统设计及应用
刘雨青，李佳佳，曹守启，邢博闻
（上海海洋大学工程学院，上海 201306）
※
摘 要：为了促进中国智能渔业的发展，该文开发了一种基于物联网三层体系架构的螃蟹养殖基地监控系统，由水质监
控、气象监控、视频监控、智能控制和远程服务中心组成，实现了对螃蟹养殖基地的本地和远程全方位智能监控。该系
统采用STC15F2K60S2嵌入式单片机作为底层控制器芯片，通过RS485协议采集传感器数据，实现水质多参数（溶解氧、
pH值、温度），气象多参数（温度、湿度、风向、风速、气压、雨量、光照）的监测；视频监控采用萤石云平台，实现
养殖基的安防和养殖池塘水上、水下摄像；养殖设备采用PLC控制，实现投饵机、增氧机的智能控制。整个系统组网采
用ESP8266 WIFI模块，接入AP基站，通过搭建的服务器管理程序，用户可以通过电脑浏览器或者手机APP在任何具备
网络覆盖的地方远程浏览养殖基地数据。该系统应用于上海海洋大学崇明蟹种养殖基地，并对其通信稳定性、数据准确
性和Android客户端进行测试，整个系统通信成功率为98%以上，溶解氧平均相对测量误差为0.016 mg/L，温度为
0.031 ℃，pH值为0.023，其他各项指标均达到要求。系统运行到今，稳定可靠，能够满足水产养殖的需要，并可作为示
范进行推广应用。
关键词：养殖；监测；传感器；物联网；嵌入式单片机；无线通信；PLC；服务器
doi：10.11975/.1002-6819.2018.16.027
中图分类号：S951.2 文献标志码：A 文章编号：1002-6819(2018)-16-0205-09
刘雨青，李佳佳，曹守启，邢博闻. 基于物联网的螃蟹养殖基地监控系统设计及应用[J]. 农业工程学报，2018，34(16)：
205－213. doi：10.11975/.1002-6819.2018.16.027
Liu Yuqing, Li Jiajia, Cao Shouqi, Xing Bowen. Design and application of monitoring system for crab breeding base based on
internet of things[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2018, 34(16):
205－213. (in Chinese with English abstract) doi：10.11975/.1002-6819.2018.16.027
0 引 言
多年来，中国的水产行业由于生产周期长，效率低，
劳动强度大等现状严重制约了其健康发展。但是随着中
国水产品消费者的日益增长，以及对水产品要求的不断
提高，传统的养殖方式越来越不能满足大众的需求。与
此同时，物联网这一技术的发展对传统的水产养殖方式
带来了革命性的改变，根据调查结果显示，使用物联网
技术养殖的水产品品质大大优于粗放式养殖的水产品，
同时有效地节约了成本，使渔民增产增收
[1]
。
对于河蟹养殖来说，不仅范围广，而且河蟹商品在
市场上的占有量也在迅速加大，养殖户遍及各地，已初
步具有一定的产业形态
[2]
。但在河蟹的养殖和成长中，也
表露出一些有待处理的问题，大多数的养殖户普遍倾向
于传统的方法养殖河蟹，水质环境的监测普遍采用人工
采样、化学分析的方法，操作耗时，精确度不高、实时
性不好，仪器仪表维护困难，以至于最后取得的经济效
收稿日期：2018-05-29 修订日期：2018-06-29
基金项目：上海市科技兴农重点攻关项目（201314-2）；上海市青年科技英
才扬帆计划资助（18YF1409900）；上海市科委2017年度“创新行动计划”
地方院校能力建设项目“海洋环境监测用电浮标系统关键技术研究及应用示
范”（）
作者简介：刘雨青（1976），女，河南人，汉族，博士，副教授，主要从
事物联网技术、自动控制系统的研究与开发。Email：yqliu@
※通信作者：曹守启（1973），男，山东人，汉族，教授，博士生导师，
主要从事海洋物联网工程、渔业工程及其自动化等技术研究。sqcao@
益并不理想
[3]
。
针对以上问题，学者们做了很多相关的研究，取得
了一些成果。如李慧等设计了基于物联网的安卓平台水
产养殖远程监控系统，实现了对于水中传感器数据的远
程监测，具有很高的性价比
[4]
；颜波等将RFID（radio
frequency identification）与无线传感网技术相结合应用到
水产养殖领域，提出了基于RFID与无线传感网络的水产
刘星桥
品智能化养殖监控系统的架构及应用实施方案
[5]
；
等，通过物联网和GIS技术的融合，实现了水质环境的
远程无线测控和区域化水产养殖管理，大大推进水产养
殖智能化、自动化系统建设的发展，适应水产养殖的需
要
[6]
；钟兴等基于ZigBee无线传感网络设计了水产养殖
智能监控系统，可实时养殖水环境参数监测预警和自动
调节，并针对增氧泵工作的滞后性和非线性的难题，设
计了Mamdani控制器
[7]
。
以上各项研究均对水产养殖起到了积极促进作用，
但是所涉及的范围与参数不完全，如对于养殖作物的影
响因素不仅仅在于水中的环境，也包括水上和局部气象
环境；所应用的技术相对老旧，如ZigBee虽然具有组网
特性，但是其传输数据速度慢，并且通信距离较短。本
文针对蟹种的养殖过程，基于物联网的系统架构设计了
一套全方位的监测与控制系统，以嵌入式与PLC相结合
作为控制核心，采用WIFI组网方式将各个子系统连接，
可实现对水质、气象、视频数据的监测；对增氧机与投
料机设备的控制；以及用户通过APP和网站的方式浏览
206
农业工程学报（） 2018年
数据和控制设备。本系统将所有的监测数据保存至数据
库，为进一步建立养殖专家知识库和智能养殖系统示范
提供科学依据。
1 系统方案设计
整个系统架构由感知层、传输层和应用层组成，即
物联网的标准体系架构，如图1所示。各个层之间通过
广域的互联网相互连接，形成从蟹塘养殖基地信息的采
集、传输到信息的处理、计算再到用户对信息的获取、
控制的一站式服务体系
[8]
。
1）感知层：由传感器及外围的传感网组成，通过无
线组网的方式将水质监测子系统、气象站子系统、视频
监测子系统、智能控制子系统连接于一体；
2）传输层：主要由接入网和传输网组成，目的是将
感知层所获得的数据进行长距离传输。接入网由运营商
的光纤接入，传输网由公网和专网组成。
3）应用层：由远程服务中心，用户以及中间链路部
分组成。服务中心的主要功能为：监测数据入口、WEB
网站入口、手机APP数据入口、数据分析等，为下属用
户提供移动端和PC端的服务。
图1 基于物联网的螃蟹养殖系统整体架构
Fig.1 System architecture of crab farming based on internet of things
2 各子系统设计
本系统内各个子系统通过无线组网技术与养殖基地
的AP基站相连，各子系统包括无线传输模块、嵌入式控
制器和下端传感器。该系统以养殖基地5个养殖塘作为
试验对象，整个养殖基地布放设备如表1所示。
2.1 水质监测子系统
本系统安装有5套水质传感器系统，每套包括温度、
溶解氧、pH值3个传感器，分别布置在养殖中心的5个
养殖塘中，为实现全天候的水质监测提供数据支持。本
系统的优点在于：放弃使用以往ZigBee和Lora的传输方
式，无需加入网关，采用WIFI组网，接入AP基站，使
数据通过互联网直达服务器，各套水质监测系统相对独
立，在此后的测试和维护方面更加方便。
2.1.1 硬件设计
本系统水质监测部分所采用的核心控制芯片为
STC15F2K60S2，具有大容量2 048字节片内RAM，增
强型8 051内核（STC Y5），速度比传统8 051快7～12
倍，双串口/UART，2个完全独立的高速异步串行通信端
第16期 刘雨青等：基于物联网的螃蟹养殖基地监控系统设计及应用
表1 设备布放列表
Table 1 Device layout list
设备Device
RDO-206溶解氧传感器
Dissolved Oxygen Sensor
PHG-202 pH传感器pH sensor
气象站 Weather station
增氧机Aerator
投料机Feeder
球形摄像头Spherical camera
水上摄像头Water camera
水下摄像 Underwater camera
207
口
[9-10]
，整个系统电路原理图如图2所示。供电电源为12 V
的电源适配器，经过LM1117-5V稳压芯片产生5 V的电
源给单片机及ESP8266 WIFI模块供电，单片机通过串口
U1与WIFI模块通信，串口U2通过RS485模块与传感
器通信
[11-12]
。
首先通过AT指令对ESP8266模块进行配置，设置
波特率9 600 bps，8位数据位，1位停止位，无校验，工
作模式为station；其次将其连入养殖中心的AP基站，最
后将透传模式及建立的TCP/IP连接均保存在Flash user
parameter区，保证系统下次上电自动建立TCP/IP连接并
进入数据透传
[13]
。
数量Number 布放位置Placement position
5个池塘中心水下40cm
5
Underwater 40 cm in 5
ponds center
5
1
5
5
12
5
5
基地Base
5个池塘5 ponds
基地中心Base center
5个池塘5 ponds
图2 水质监测系统电路原理图
Fig.2 Circuit diagram of water quality monitoring
传感器采用烟台凯米斯仪器有限公司的RDO-206溶
解氧传感器（含有温度数据），精度为0.001 mg/L；
PHG-202PH传感器（含有温度数据），精度为0.01。这
两种传感器均采用RS-485（Modbus/RTU）通讯协议，默
认波特率9 600 bps，1个起始位，8个数据位，无校验，
1个停止位。供电电压为12 V，所有传感器的A、B端与
RS485modul的A、B端相接
[14]
。
2.1.2 软件设计
水质监测子系统基于嵌入式的框架设计完成，通过
KEIL软件作为程序开发的集成编译环境
[15]
，主要的程序
流程如图3所示。
1）定时器中断：由于传感器的采集周期为1 min，
芯片STC15FK60S2的定时器的最大值也达不到1 min，
因此本系统中采用50 ms定时器中断，并设置定时器标志
[16]
位；
2）传感器数据读取：通过串口2中断将传感器回传
的数据进行解析
[17]
，如果服从协议，则将传感器数据保
存至相应的变量中；
查询pH传感器数据的发送命令为：06 03 00 00 00 04
45 BE，第1个字节表示设备地址；第2个字节表示功能
码；第3和第4个字节表示读取寄存器的起始地址；第5
和第6个字节表示要读取的寄存器数量；后2个字节表
示CRC校验码。传感器返回数据为：06 03 08 03 0A 00 02
01 01 00 01 8D 8A，第1个字节表示设备地址；第2个字
节表示功能码；第3个字节表示返回数据的字节数；第4
和第5个字节表示pH值数据；第6和第7个字节表示
pH值数据小数位个数；第8和第9个字节表示温度数据；
第10和第11个字节表示温度数据小数位个数；后2个
字节表示CRC校验码。数据解析为：03 0A为pH值读
数，转换为十进制为778，00 02表示pH值带2位小数，
因此pH值读数为7.78；01 01为16进制温度读数，转换
为十进制为257，00 01表示温度数值带1位小数，因此
208
农业工程学报（） 2018年
温度读数为25.7 ℃。
图3 水质监测系统程序流程图
Fig.3 Program flow chart of the water quality monitoring system
查询溶解氧传感器数据的发送命令为：01 03 26 00
00 04 4F 41，第1个字节表示设备地址；第2个字节表示
功能码；第3和第4个字节表示读取寄存器的起始地址；
第5和第6个字节表示要读取的寄存器数量；后2个字
节表示CRC校验码。传感器返回数据为：01 03 08 00 00
8D 41 00 00 8D 41 12 65，第1个字节表示设备地址；第2
个字节表示功能码；第3个字节表示返回数据的字节数；
第4、5、6、7字节表示温度数据；第8、9、10、11字
节表示溶解氧数据；后2个字节表示CRC校验码。数据
解析为：溶解氧值为00 00 8D 41，由于为小端存储模式，
因此溶解氧值为41 8D 00 00。单精度浮点型在内存以32
位二进制形式存在：第1位为符号位，第2-9位为阶码位，
第10-32位为2进制小数位值，根据转换规则
[18]
41 8D 00
00转为浮点数为17.625，溶解氧值为17.625mg/L。
3）传感器数据发送：每进入一次定时器中断，定时
器标志位增加1，20次循环后，满足1 min定时，对传感
器进行数据读取，并由串口1通过ESP8266模块采取
TCP/IP协议发送至已知的服务器端口，数据格式为json
格式
[19]
：{"Cat":"Crab","Num":001,"O2":17.625,"Tem":17.625,
"Ph":7.78}，Num为蟹塘编号，O2为溶解氧，Tem为温度，
Ph为pH值，当服务端收到数据后，自动在数据末尾加
入时间戳，调试与安装图如图4所示。
2.2 气象站子系统
气象站子系统的主要功能为监测养殖基地的局部气
象环境，采用建大仁科RS-QXZ的气象站传感器硬件，
由温度、湿度、风向、风速、气压、雨量、光照传感器
组成，均采用RS485通讯方式，本系统核心控制芯片为
STC15FK60S2，采集周期为1 min，数据整合后，通过
ESP8266模块发送至服务器端口，其数据格式为：
{"Cat":"Env","At":18.67,"Rh":37.80,"Al":16850,"Ap":103.0
7,"As":1.87,"Ax":1,"Ay":0.0}，当服务端收到数据后，自动
在数据末尾加入时间戳。数据解析如表2所示。
1. 主电路板 2. WIFI天线 3. 接线盒 4. 水质传感器 天线底座 6. 光
电转化器 7. 主电路板 8. 接线盒 9. 空气开关 10. 电源适配器 11. 电源接线柱
1. Main circuit board 2. WIFI antenna 3. Junction box 4. Wate quality sensor
5. Antenna base of WIFI 6. Optical-electricalconverter 7. Main circuit board
8. Junction box 9. Air switch 10. Power charger 11. Power terminal
图4 水质监测系统调试与安装图
Fig.4 Debugging and installation diagram of water
quality monitoring system
表2 气象站数据解析表
Table 2 Weather station data analysis table
属性 数据 解析
AttributesData Data analysis
Cat Env
气象标识符 Weather identifier
At 18.67
气温Temperature/℃
Rh 37.80
相对湿度 Relative humidity/%
Al 16 850
光照强度 Light intensity/lx
Ap 103.07
气压 Pressure/kPa
As 1.87
风速Wind speed/(m·s
1
)
风向(1：北风2：东北风3：东风4：东南风5：
南风6：西南风7：西风8：西北风) Wind
Ax 1
direction(1:North wind 2:Northeast wind 3:East
wind 4:Southeast wind 5:South wind 6:Southwest
wind 7:West wind 8:Northwest wind)
Ay 0.0
降雨量
Rainfall/(mm·m
2
)
2.3 视频系统
由于养殖基地面积大，开放式养殖，场内场外人员
结构复杂，依靠仅有的生产人员很难做到安全防范工作。
采用型号为DS-2DC7520IW-A的海康威视球机，将其在
场内不同位置布设，实现全天24 h实时监控，工作人员
在控制室就能随时监控整个养殖场内的情况，提高养殖
第16期 刘雨青等：基于物联网的螃蟹养殖基地监控系统设计及应用
209
场昼夜安全和防范资产被盗，方便管理。
除了安装有安防摄像头，系统配备水上和水下高清
摄像头，机芯选用海康DS-2CC11A7P-A，可全方位观测
螃蟹活动情况、饵料剩余、水质环境变化等信息，不仅
可以实现水产养殖全程的可视化，还可及时调整养殖政
策，且视频数据可通过云储存、传输，便于远程管理。
所有摄像头的接口为标准的RJ45接口，通过网线接
入网络交换机，再由交换机接入无线硬盘录像机，无线
录像机接入AP基站，借助萤石云平台，即可实现本地局
域网访问，又可实现远程访问
[20]
，实际部署图如图5所示。
2.4 智能控制子系统
在养殖的过程中，增氧机与投料机是维持蟹种正常
生长的必需设备，增氧机为叶轮式增氧机（YL-1.5），投
料机为全自动喷射式投料机（STLD-600），本系统采用
PLC对两种设备进行控制，同时PLC经过RS485转串口
模块与ESP8266（设置方式与水质监测系统相同）相连，
达到远程控制的目的。
2.4.1 PLC系统设计
本系统选用西门子S7 CPU224XP AC /DC/RLY型
PLC，它集成了14路开关量输入和10路继电器输出，配
有2路模拟量输入和1路模拟量输出，具有2个RS485
通信接口，支持PPI，ModBus，MPI通信协议和自由方
式通信
[21-22]
。
1. 球形摄像头 2. 风速传感器 3. 枪型摄像头 4. 控制柜 5. 风向传感器 6.
温湿度、光照、气压传感器集合 7. 降雨量传感器
cal camera 2. Wind speed sensor 3. Spear camera 4. Control cabinet 5.
Wind direction sensor 6. Sensor aggregate about temperature, humidity,
illumination and barometric pressure 7. Rainfall sensor
图5 摄像头和气象站部署图
Fig.5 Deployment diagram of camera and weather station
系统使用PLC的PORT0通信口完成控制器与远程的
通信，输出端口Q0.0控制投料机。使用对应的开关量输
入I0.0监测投料机运行状态；使用第二组继电器Q0.4控
制叶轮式增氧机，并使用对应的开关量输入I0.4，监测增
氧机运行状态，系统投料机和增氧机的接线图如图6所
示。增氧机采用380 V三相交流电机，投料机采用220V
交流电机。QS为电源断路器开关，FR为热继电器保护
装置，FU为熔断器，KM为交流接触器，KM′为常开主
触点，KM*为常开辅助触点，SB为闸刀开关。其工作原
理为：闭合断路器QS/QS1，通过SB1/SB2选择手动控制
还是智能控制方式，开关合下，表示手动控制，线圈
KM1/KM2通电，主触点KM1′/KM2′闭合，增氧机/投料
机开始工作，同时状态触点KM1*/KM2*闭合；闭合断路
器QS/QS1，SB1/SB2不闭合，表示智能控制，当收到远
程开启指令时，PLC输出端Q0.4/Q0.0继电器动作，线圈
KM1/KM2通电，主触点KM1′/KM2′闭合，增氧机投料机
开始工作，同时状态触点KM1*/KM2*闭合，通过查询
I0.0/I0.4的状态得到增氧机和投料机的工作状态。
图6 增氧机、投料机与PLC接线图
Fig.6 Wiring diagram of aerator, feeder and PLC
2.4.2 增氧机与投料机远程控制
PLC经过RS485转串口模块与ESP8266相连，
ESP8266接入基地的AP基站，开启了远程和下端连接链
路。远程指令分为远程控制指令和远程查询指令。远程
控制指令包括6个字节，如：00 01 01 00 00 05，第1个
字节表示设备类型，若为00，表示增氧机，若为01，表
示投料机；第2个字节01表示此指令为远程控制指令；
第3个字节表示设备编号；第4个字节表示所要控制设
备的状态，若为00，表示停止，若为01，表示开启；第
5个和第6个字节表示设备开启时长，单位为min，若第
4个字节为00，第5个和第6个字节失效。远程查询指
令包括6个字节，如：00 00 01 00 00 00，第1个字节
表示设备类型，若为00，表示增氧机，若为01，表示投
料机；第二个字节00表示此指令为远程查询指令；后3
个字节都为00，为扩展字节，无实际意义。当PLC收到
远程查询指令后，回复5个字节，如：00 01 00 00 05，
第1个字节表示设备类型，若为00，表示增氧机，若为
01表示投料机；第2个字节表示机器编号；第3个字节
表示设备工作状态，00为停止，01为开启；后2个字节
表示设备剩余工作时长。
如要控制1号增氧机工作60 min，2号投料机工作
30 min，指令分别为00 01 01 01 00 3C和01 01 02 01 00
1E，同时PLC返回的数据分别为00 01 01 00 3C和01 02
01 00 1E，经过10 min后，查询其工作状态的指令分别为：
00 00 01 00 00 00和01 00 02 00 00 00，PLC返回的数据
分别为00 01 01 00 32和01 02 01 00 14，表示增氧机还要
继续工作50 min，投料机要继续工作20 min。
3 服务端系统框架
服务器是整个系统的核心组成部分，安装为Linux
的发型版本CentOS系统
[23]
，整体架构如图7所示，后台
服务中心主要有：
1）监测设备接入API程序：主要用于获取和控制各
种传感器、视频等监控设备上传的信息并存入MYSQL
210
农业工程学报（） 2018年
数据库中。开发工具为IntelliJ IDEA，开发语言为Java，
采用Netty高并发框架，利用maven进行构建Jar包，部
署在CentOS服务器上
[24-25]
；
2）后台管理信息API程序：主要提供给PC端浏览
器上访问提供接口。开发工具为IntelliJ IDEA，使用Java
语言开发，采用SpringMVC框架。使用Mybatis框架实
现对数据库表的操作
[26]
；
3）PC端访问页面主要使用html、css、js开发，开
发工具为IntelliJ IDEA，主要提供给用户对于基本信息的
增、删、改、查的维护
[27]
；
4）设计了基于Android系统的APP软件，可以查看
池塘温度、溶解氧等参数，可以实时查看池塘实时监控
视频，并可以远程控制智能设备。开发工具为Android
studio，开发语言为Java，构建工具为Gradle；与服务端
通过Http协议进行通信，格式为Json
[28]
；
5）养殖基地的气象数据，水质数据和智能设备的工
作状态数据使用json格式协议与远程服务中心进行通信，
并在CentOS服务器上开启TCP通信端口进行监听
[29]
；
6）实时视频播放通过集成萤石云Android SDK进行
二次开发
[30-32]
；
7）整个平台的数据库使用MYSQL数据库。
图7 服务器总体框架图
Fig.7 Server’s overall framework
4 试验与结果分析
本系统于2016年12月29日正式应用于上海海洋大
学崇明蟹种养殖基地，截止到目前已经正常工作超过18
个月。以下将分别对其通信稳定性、数据准确性和
Android客户端进行测试。
4.1 通信稳定性测试
一次完整的通信是从下端传感器数据读取，经过中
间网络传输，最终到达系统服务器的过程。水质数据与
气象数据每隔
1
min
向服务端上报一次，选取从2017年
3月1日到2017年10月15日共计230 d的数据作为样
本进行测试。每个池塘应向服务器上报水质数据331 200
条，气象站应上报331 200条。将服务器上MYSQL数据
库的日志进行读取，分析出如表3所示的结果。
表3 数据丢失率分布
Table 3 Distribution of data loss rate
数据源Data source 数据量Number 丢失率Loss rate/%
7号池塘No.7 pond
325 207 1.8
11号池塘No.11 pond
327 063 1.2
12号池塘No.12 pond
326 882 1.3
13号池塘No.13 pond
327 456 1.1
14号池塘No.14 pond
328 854 0.7
气象站Weather station
315 326 4.8
平均Average
325 131 1.8
测试结果表明，本系统数据通信平均失败率为1.8%，
成功率在98%以上，稳定性良好。
4.2 数据准确性测试
采用哈希公司进口的工业级别标准在线溶氧仪和pH
测试仪作为比较对象，于2017年8月13日进行测试，
在一天24 h内，每隔1 min采集13号池塘的溶解氧、温
度和pH值，共1 440条数据；同时读取本系统对应池塘
的水质数据，由于有数据丢失，数据库中含有1 386条数
据。为使试验结果具有准确性，根据实际养殖经验，将
测试仪的传感器和本系统传感器放在池塘中的同一位置
（池塘中心水下40 cm）介于有草区和无草区之间
[33]
。以
时间为横坐标，水质数据为纵坐标，将每两个小时内数
据的平均值作为一个数据点，并将所得数据点进行拟合，
绘制出如图8所示的对比图。
图8 溶解氧、水温、pH值数据对比
Fig.8 Comparison of dissolved oxygen, water
temperature and pH value data
第16期 刘雨青等：基于物联网的螃蟹养殖基地监控系统设计及应用
211
通过对以上试验结果进行分析，与标准水质测量仪
的测试结果进行对比，本系统溶解氧平均相对测量误差
为0.016 mg/L，温度为0.031 ℃，pH值为0.023，数据
正确率较高。
4.3 移动端APP应用测试
本系统开发了安卓手机端APP应用，主要功能包括：
实时视频查看、养殖塘水质监测、养殖设备控制和基地
气象查询4个功能，下面分别对其功能进行测试。
1）实时视频查看：在主界面输入正确的用户名和密
码后，将进入视频的小图预览模式，如图9a所示，可以
查看养殖基地的布防摄像头视频，养殖塘视频和水下视
频，点击其中任一小图，将进入实时视频模式，支持截
图和录像以及回放功能；
a. 登录界面与视频界面 b. 养殖塘水质查询界面
a. Login interface and video interface
b. Water quality query interface
c. 增氧机控制界面 d. 气象信息浏览界面
c. Aerator control interface
d. Weather information browsing interface
图9 移动端APP测试界面
图9 Mobile terminal APP test interface
2）养殖塘水质环境监测：显示各个养殖塘的最新更
新的温度和时间信息，如图9b所示。对于任一养殖塘，
通过池塘的溶解氧、pH值和温度详细曲线图，可实时显
示一天内各参数的变化趋势，查看具体数据信息，并可
设置各参数的最高最低报警值，同时界面下方显示出这
一池塘位置、面积、养殖对象、生长周期、投喂饲料和
增氧机工作状态信息；
3）养殖设备控制：可通过此前功能界面（见图9c）
改变增氧机的工作状态，也可根据溶氧传感器检测数据
进行自动控制；
4）基地气象监测：可显示基地气象站的局部气象信
息和崇明岛的大范围气象信息，如图9d所示。
5 结 论
本文设计了一套基于物联网技术的螃蟹养殖监测系
统。该系统根据服务层，应用层和执行层三层体系结构，
分别设计了水质监测系统，气象站系统，视频监控系统
以及智能控制系统。整套系统的底层采用嵌入式单片机
与PLC相结合的方式，通过ESP8266无线模块进行组网，
并设计开发了手机APP，使系统具备远程监控功能。整
个系统通信成功率为98%以上，溶解氧平均相对测量误
差为0.016 mg/L，温度为0.031 ℃，pH值为0.023。
该系统在上海海洋大学崇明蟹种养殖基地进行测
试，整个系统运行稳定、智能化程度高，可以节约人力、
减少浪费，既实用又经济。作为现代化水产养殖的示范，
该系统可为养殖户的生产经营提供科学指导，推动水产
养殖的品牌建设，在工厂化水产养殖、育苗和网箱养殖
等领域的进一步推广和应用中，为建设全产业链大数据
平台提供数据支撑和服务。
[参 考 文 献]
[1] 蔡加豪. 基于物联网的水产养殖监控系统的设计与研究
[D]. 长沙：湖南师范大学，2016.
Cai Jiahao. The Design and Research of Aquaculture
Monitoring and Control System Based on Internet of
Things[D]. Changsha: Hunan Normal University, 2016. (in
Chinese with English abstract)
[2] 郭玉环. 物联网技术在水产生态养殖中的应用探究[J]. 河
北渔业，2016(10)：54－55.
[3] 罗燕. 池塘底排污技术及均衡增氧技术与传统池塘养殖对
比试验[J]. 中国农业信息，2016(19)：120－122.
Luo Yan. The bottom of the pond sewage technology and
balanced oxygen technology and traditional pond culture
comparison test[J]. China Agricultural Information, 2016(19):
120－122. (in Chinese with English abstract)
[4] 李慧，刘星桥，李景，等. 基于物联网Android平台的水
产养殖远程监控系统[J]. 农业工程学报，2013，29(13)：
175－181.
Li Hui, Liu Xingqiao, Li Jing, et al. Aquiculture remote
monitoring system based on IOT Android platform[J].
Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering,
2013, 29(13): 175－181. (in Chinese with English abstract)
[5] 颜波，石平. 基于物联网的水产养殖智能化监控系统[J].
农业机械学报，2014，45(1)：259－265.
Yan Bo, Shi Ping. Intelligent monitoring system of
aquaculture based on internet of things [J]. Transactions of
the Chinese Society for Agricultural Machinery, 2014, 45(1):
259－265. (in Chinese with English abstract)
[6] 刘星桥，骆波，朱成云. 基于物联网和GIS的水产养殖测
控系统平台设计[J].
渔业现代化，2016，43(6)：16－20.
Liu Xingqiao, Luo Bo, Zhu Chengyun. Platform design of
aquaculture monitoring and control system based on Internet
of things and GIS[J]. Fisheries Modernization, 2016, 43(6):
16－20. (in Chinese with English abstract)
[7] 钟兴，刘永华，孙昌权. 基于物联网的水产养殖智能监控
系统设计[J]. 中国农机化学报，2018, 39(3)：70－73.
Zhong Xing, Liu Yonghua, Sun Changquan. Design of
aquaculture intelligent monitoring system based on internet
of things [J]. Journal of Chinese Agricultural Mechanization,
2018, 39(3): 70－73. (in Chinese with English abstract)
212
农业工程学报（） 2018年
[8] 史兵，赵德安，刘星桥，等. 基于无线传感网络的规模化
水产养殖智能监控系统[J]. 农业工程学报，2011，27(9)：
136－140.
Shi Bing, Zhao Dean, Liu Xingqiao, et al. Scaled aquaculture
intelligent monitoring system based on wireless sensor
network[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural
Engineering (Transactions of the CSAE), 2011, 27(9): 136－140.
(in Chinese with English abstract)
[9] 许涛涛，陈锋. 嵌入式水产养殖智能检测系统的研究与设
计[J]. 仪表技术，2014(9)：21－23.
Xu Taotao, Chen Feng. Research and design of intelligent
detection system for embedded aquaculture[J]. Instrumentation
Technology, 2014(9): 21－23. (in Chinese with English
abstract)
[10] 李颖华，张伟岗，徐云龙，等. 一种基于STC15F2K60S2
的智能电路平台的设计与实现[J]. 电子设计工程，2018，
26(2)：164－168.
Li Yinghua, Zhang Weigang, Xu Yunlong, et al. Design and
implementation of an intelligent circuit platform based on
STC15F2K60S2[J]. Electronic Design Engineering, 2018,
26(2): 164－168. (in Chinese with English abstract)
[11] Cai Xiaoyan, Hu Aina, Liu Ruyou. Design of intelligent
inductive security system based on wireless sensor
network[J]. Energy Procedia, 2011, 12(12): 718－725.
[12] Akhil Bhatt, Apurva Saxena, Shubhi Chauhan, et al.
Android-based home automation using bluetooth and
ESP8266[J]. Intelligent Communication, Control and Devices,
2018: 1767－1776.
[13] Antonio Kung, Frank Kargl, Santiago Suppan, et al. A
privacy engineering framework for the internet of things[J].
Data Protection and Privacy: (In) visibilities and Infrastructures,
2017: 163－202.
[14] 耿立中，王鹏，马骋，等. RS485高速数据传输协议的设
计与实现[J]. 清华大学学报(自然科学版)，2008，48(8)：
1311－1314.
Yu Lizhong, Wang Peng, Ma Cheng, et al. Design and
implementation of high-speed data transmission protocol[J].
Journal of Tsinghua University(Science and Technology),
2008, 48(8): 1311－1314. (in Chinese with English abstract)
[15] 曾宇，宋永端，王弼堃. 基于Proteus和Keil软件的温室
环境监测系统开发[J]. 农业工程学报，2012，28(14)：
177－183.
Zeng Yu, Song Yongduan, Wang Bikun. Development of
greenhouse environmental monitoring system based on
Proteus and Keil software[J]. Transactions of the Chinese
Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE),
2012, 28(14): 177－183. (in Chinese with English abstract)
[16] 董军堂，邵婷婷，常艳玲. 基于MCS-51单片机的多点定
时器设计[J]. 信息技术，2011(5)：22‒23, 26.
Dong Juntang, Shao Tingting, Chang Yanling. Design of
multi-point timer based on MCS-51 single chip computer[J].
Information Technology, 2011(5): 22‒23, 26. (in Chinese
with English abstract)
[17] 李蓉，傅志中. 串口中断编程技术及应用[J]. 仪器仪表学
报，2006，27(6)：2558‒2559.
Li Rong, Fu Zhizhong. Serial port interrupt programming
technology and application[J]. Chinese Journal of Scientific
Instrument, 2006, 27(6): 2558‒2559. (in Chinese with
English abstract)
[18] 赵东红. 十进制定点数与十六进制浮点数的互换[J]. 电子
与电脑，1994(4)：20－21.
Zhao Donghong. The exchange of decimal points and
hexadecimal floating point numbers[J]. Electronics &
Computer, 1994(4): 20－21. (in Chinese with English
abstract)
[19] 鲁力，张波. 嵌入式TCP/IP协议的高速电网络数据采集系
统[J]. 仪器仪表学报，2009，30(2)：405－409.
Lu Li, Zhang Bo. High-speed data acquisition system based
on embedded TCP/IP protocol[J]. Chinese Journal of
Scientific Instrument, 2009, 30(2): 405－409. (in Chinese
with English abstract)
[20] 王望杰，王贵锦，林行刚. 基于树型结构的摄像头网络智
能监控系统设计[J]. 传感器与微系统，2012，31(11)：
100‒103.
Wang Wangjie, Wang Guijin, Lin Xinggang. Design of
camera network intelligent monitoring system based on tree
structure[J]. Transducer and Microsystem Technologies,
2012, 31(11): 100‒103.(in Chinese with English abstract)
[21] 寇志伟，徐明娜，苏曦，等. 基于PLC的变频器应用实训
系统的设计[J]. 电子测量技术，2015，38(1)：12－15.
Kou Zhiwei, Xu Mingna, Su Xi, et al. Design of a practical
training system based on PLC in frequency converter[J].
Electronic Measurement Technology, 2015, 38(1): 12－15.
(in Chinese with English abstract)
[22] 张红燕，袁永明，马晓飞，等. 池塘养殖自动控制系统研
发[J]. 微型机与应用，2017，36(1)：99－102.
Zhang Hongyan, Yuan Yongming, Ma Xiaofei, et al. Research
and development of automatic pond control system[J].
Microcomputer and Applications, 2017, 36(1): 99－102. (in
Chinese with English abstract)
[23] 袁森，贺松. 基于CentOS 6.5的服务器搭建与配置[J]. 微
型机与应用，2014(16)：40‒41, 44.
Yuan Sen, He Song. Server construction and configuration
based on CentOS 6.5[J]. Microcomputer and Application,
2014(16): 40
‒41, 44. (in Chinese with English abstract)
[24] 代超，邓中亮. 基于Netty的面向移动终端的推送服务设
计[J]. 软件，2015，36(12)：1‒4, 21.
Dai Chao, Deng Zhongliang. Netty-based push service design
for mobile terminals [J]. Software, 2015, 36(12): 1‒4, 21.(in
Chinese with English abstract)
[25] 董晓光，喻涛. 使用Maven构建java项目[J]. 电子技术与
软件工程，2014(10)：105.
Dong Xiaoguang, Yu Tao. Construction of java project using
Maven[J]. Electronic Technology and Software Engineering,
2014(10): 105.(in Chinese with English abstract)
[26] 欧勤坪，余建桥. 基于SpringMVC+iBATIS框架的生物信
息数据库的设计与实现[J]. 西南大学学报(自然科学版)，
2008，30(11)：142－145.
Ou Qinping, Yu Jianqiao. Design and implementation of
biological information database based on SpringMVC+
iBATIS framework[J]. Journal of Southwest University
(Natural Science Edition), 2008, 30(11): 142－145. (in
Chinese with English abstract)
[27] 吴鸿雁. 网站页面设计中的人机界面设计分析[J]. 计算机
工程与设计，2008，29(21)：5633－5634, 5637.
第16期 刘雨青等：基于物联网的螃蟹养殖基地监控系统设计及应用
213
Wu Hongyan. Human-machine interface design analysis in
website page design [J]. Computer Engineering and Design,
2008, 29(21): 5633－5634, 5637. (in Chinese with English
abstract)
[28] 卢少军，过丹婷，刘守印. HTTP协议与JSON格式在ZStack
中的实现与应用[J]. 电子测量技术，2016，39(11)：100－104.
Lu Shaojun, Guo Danting, Liu Shouyin. The implementation
and application of HTTP protocol and JSON format in
ZStack[J]. Electronic Measurement Technology, 2016,
39(11): 100－104. (in Chinese with English abstract)
[29] Qin Yang, Yang Weihong, Ye Yibin, et al. Analysis for TCP
in data center networks: Outcast and Incast[J].Journal of
Network and Computer Applications, 2016, 68(6): 140－150.
[30] 黄建，高玉娟. 基于萤石SDK的移动端远程监控系统的开
发[J]. 设计，2016(5)：130－131.
Huang Jian, Gao Yujuan. Development of mobile remote
monitoring system based on fluorite SDK [J]. Design,
2016(5): 130－131.(in Chinese with English abstract)
[31] 杨明极，毕晶. 基于Android视频客户端的设计[J]. 电视
技术，2012，36(3)：43－47.
Yang Mingji, Bi Jing. Design of video client based on
Android[J]. Video Engineering, 2012, 36(3): 43－47.(in Chinese
with English abstract)
[32] 海康威视.设备网络SDK编程指南(DVR)[EB/OL].(2015-
09-16)[2018-07-23]./cn/download_
1.
Design and application of monitoring system for crab breeding base
based on internet of things
※
Liu Yuqing, Li Jiajia, Cao Shouqi, Xing Bowen
(College of Engineering, Shanghai Ocean University, Shanghai 201306, China)
Abstract: Aquaculture plays a vital role in our social and economic life, but its long production cycle, high labor intensity, low
production efficiency, large waste of resources, and severe susceptibility to disease, significantly restrict the healthy
development of the aquaculture industry. Facing a growing consumer market, traditional farming methods are increasingly
unable to meet the demands of the public, creating great uncertainty in this crucial industry. This paper aims to develop a
holistic management system for the crab farming, by combining technologies such as internet of things (according to the
three-layer architecture of service layer, application layer and executive layer) and big data to systematically monitor and
control aspects across the entire system. The system mainly includes the following aspects: 1) Aquaculture center water quality
and environment sensor network: A distributed sensor network is required for continuous and real-time monitoring of key
water quality parameters (including dissolved oxygen, pH value, and temperature), and such a system would be arranged
within the water, together with underwater cameras, to provide a constant stream of data for processing. Additionally,
information from a second network of local meteorological sensors (such as temperature, humidity, wind direction, wind speed,
barometric pressure, rainfall and illumination) will be gathered, and when combined with the underwater data, a complete data
monitoring network will be formed based on the internet of things technology. 2) Intelligent control network of farming center:
Aquaculture equipment mainly includes aerators, feeders, and so on, with management approaches to these being low-tech, not
optimized and wasteful currently. Through real-time analysis of water quality data, the growth cycle of aquatic crops, and their
active morphological data can be fed into a learning model, which will determine the optimum oxygen content at any given
moment and allow real-time precise control of the aerator. Furthermore, predicting the hunger time of the aquatic species will
enable accurate feeding regimes, greatly avoiding wastage of precious resources and improving production efficiency. Users
can remotely browse data in any place with network coverage through a computer browser or mobile phone App. The server of
the entire system is hosted at the Shanghai Ocean University’s network management center, deployed on the server website,
mobile phone App service background, and so on. The system adopts embedded single-chip microcomputer (STC15F2K60S2)
as the bottom layer controller chip, and communicates with the sensor by RS485 protocol. Each subsystem network uses
ESP8266 WIFI module to connect AP(access point) station and the video surveillance uses EZVIZ cloud platform. PLC
(programmable l
ogic
c
ontroller
) is the control part for the aquaculture equipment. The system has passed the actual debugging
in the Chongming crab breeding base, which belongs to Shanghai Ocean University, and all the indicators meet the
requirements. The accuracy of each parameter reaches the detection standard. Up to now, the system is stable in operation and
can meet the requirements of aquaculture. By testing, the communication success rate of the whole system is more than 98%,
and the average relative errors of dissolved oxygen, temperature and pH value are ±0.016 mg/L, ±0.031 ℃, and ±0.023,
respectively. It is worth promoting the application. This system can provide guarantees to promote the growth and
sustainability of this key industry, in addition to brand building of aquaculture and the rapid transformation and upgrading of
the industry. As a demonstration of modern aquaculture, especially in the fields of industrialized aquaculture, seedling raising
and cage culture, the system can provide scientific guidance on the production and management of aquaculture for the farmers.
At the same time it will be good for the construction of the big data platform of the whole industry chain.
Keywords: aquaculture; monitoring; sensors; internet of things; embedded micro-controller; wireless communication; PLC;
server
发布评论