1. 引言
沿海滩涂是我国海水水产养殖的核心载体与海洋渔业高质量发展的重要资源。当前，滩涂水产养殖规模化、集约化发展趋势显著，养殖产能持续提升，但也面临水质动态波动频繁、局部水体退化、生态稳定性弱化等突出问题[1] [2]。相较于内陆静态养殖水体，滩涂水域受潮汐交替、气候变化、外源污染及养殖尾水排放等多重因素耦合影响，水温、pH值、浑浊度、总溶解固体(TDS)、核辐射废水等关键水质参数波动随机性强、变化速度快，极易造成养殖生物生长受阻、病害多发、水产品品质下降。同时，粗放的水质管控模式易引发近岸水体富营养化，破坏海岸带生态平衡，难以适配现代渔业绿色安全、可持续发展的核心要求。目前，国内滩涂养殖仍普遍采用人工定期采样、离线实验室检测的传统管控方式，存在监测间断、数据滞后、人工成本高、异常溯源困难等诸多弊端，难以捕捉潮汐时段水质瞬时突变特征，水质异常发现与调控干预滞后[3]-[5]。当前，国内外针对水产养殖水质监测与预警技术已开展大量研究，智慧渔业技术体系日趋完善，但适配沿海滩涂动态复杂水体的溯源预警一体化技术仍存在明显短板。欧美、日本等发达国家智慧水产技术起步较早，依托物联网、大数据与云计算技术，构建了成熟的海水水质自动化管控体系，可实现水质参数实时监测、分析与联动调控，相关设备系统稳定性高、智能化程度突出，但设备成本高昂，且多适配标准化近海养殖池，对我国潮汐扰动强、环境复杂的滩涂养殖场景适配性较差。
针对上述行业痛点与技术短板，本文基于物联网与嵌入式控制技术，设计适配沿海滩涂水产养殖的水质溯源监测及安全预警系统。系统可实时采集水温、pH值、浑浊度、TDS、核辐射等核心水质参数，通过OLED屏幕实现本地数据可视化展示，同时设置手动、自动双工作模式，支持自定义水质阈值，可实现水质超限自动调控与蜂鸣预警。依托ESP8266无线通信模块，系统可完成水质数据云端存储、溯源查询与设备远程管控，有效解决传统人工管控低效、滞后、不可追溯的问题，具备良好的实用价值与应用前景。
2. 控制系统总体设计
系统整体采用模块化设计思路，以物联网技术为核心，融合水质数据采集、阈值判断、自动调控、声光预警、本地显示及云端远程管控功能，实现滩涂养殖水质全天候、高精度、可追溯的智能化管理。
系统总体硬件架构以STM32F103C8T6单片机为主控核心[6]，集成多类功能模块，包括多参数水质传感模块、主控模块、OLED显示模块、声光报警模块、ESP8266无线通信模块、水泵执行模块及电源模块。其中，水质传感模块搭载水温、pH值、浑浊度、TDS传感器、核废水传感器，可实时、同步采集滩涂养殖水体关键水质指标，为水质状态分析与异常溯源提供连续数据支撑。主控模块负责完成数据接收、阈值比对、逻辑判断与设备联动控制，根据水质超标情况自动驱动水泵执行水体降温、酸碱中和、水质稀释等调控操作。系统配备蜂鸣器与多色LED指示灯实现分级安全预警，可直观反馈水质正常、警戒与超标状态，有效提升异常响应效率。系统总体框架图，如图1所示。
系统支持手动与自动双模式切换，既可通过本地按键与手机APP实现人工精准干预，也可依托自定义阈值完成全自动智能管控，适配滩涂养殖不同场景的动态管控需求。借助ESP8266 WiFi模块，系统可实现水质数据云端上传、存储与远程查询，支持历史数据溯源分析与设备远程控制，解决了传统养殖管控智能化不足、数据不可追溯、运维不便等问题。模块化硬件架构兼顾稳定性、扩展性与经济性，各单元分工明确、协同运行。
3. 硬件模块设计
在沿海滩涂水产养殖水质溯源监测系统里，硬件设计构成了该系统实现功能的基础和中心。
Figure 1. Overall block diagram of the system
图1. 系统总体框图
3.1. STM32F103C8T6
作为本文系统的主控模块，STM32F103C8T6使用ARM Cortex-M3核心作为32位微控制器，它拥有多样化功能，可以适应不同应用。该芯片主频可以达到72 MHz，数据处理性能良好，特别适合用于本文实时系统开发，如图2所示[7]。
Figure 2. STM32F103C8T6
图2. STM32F103C8T6
3.2. 浊度检测模块
浑浊度检测模块在水质监测系统中起到主要作用，可以实时对水中悬浮颗粒物的浓度进行检测。水中存在的悬浮颗粒物包括泥沙、藻类、微生物、有机物等，会改变水的透明度，并且影响水生生物的生长和水的安全性。该模块运用光散射和吸收原理，使用LED灯等光源照射水体，依靠接收器检测水中光的变化以确定水体浑浊程度。其电气原理图如图3所示。
Figure 3. Turbidity detection module
图3. 浊度检测模块
3.3. TDS检测模块
TDS总溶解固体检测模块属于水质监测系统里的主要部分，该模块用来对水中溶解物质包括盐类、矿物质和有机物质的浓度进行测量，电气原理图如图4所示。
Figure 4. TDS detection module
图4. TDS检测模块
3.4. DS18B20模块
DS18B20模块可以在温度范围内给出准确的温度读数，测量范围覆盖−10℃~+60℃、精度 ± 0.5℃，并且拥有较好的抗干扰能力，很适合在水质监测系统中使用，用来实时监测水温。在引脚配置上，DS18B20模块包括电源引脚VCC和GND、数据引脚DQ。DQ引脚主要负责温度数据的传输工作，并连接到微控制器的输入端，依靠One-Wire协议来进行通信，电气原理图如图5所示[8]。
3.5. pH检测模块
该模块通常包括pH电极和信号调节电路，测量范围0~14，如图6所示。pH电极和水中氢离子发生反应产生电压信号，信号调节电路对其进行转换并把电压信号输出到微控制器。模块的工作原理是依靠氢离子浓度在电极上所产生的电压差来进行测量。微控制器利用ADC模块把信号变成数字数据，同时按照设定好的阈值来判断水质有没有超标。
Figure 5. DS18B20
图5. DS18B20
Figure 6. pH detection module
图6. pH检测模块
3.6. 核废水检测模块
沿海滩涂毗邻近海海域，存在外源放射性核素污染侵入养殖水体的风险，核废水检测模块是本系统实现水质安全溯源、放射性污染预警的专用硬件单元，可实时监测养殖水体放射性活度，填补常规水质传感器无法识别核污染的监测空白，保障滩涂水产品食用安全与海岸生态稳定。该模块核心探测单元采用防水型盖革–米勒(GM)计数管，搭配升压信号调理电路，能够捕捉水体中γ射线电离脉冲信号，将辐射强度转化为连续模拟电压量输出至主控STM32单片机ADC采集端口，实物如图7所示。
Figure 7. Nuclear wastewater detection module
图7. 核废水检测模块
模块整体采用全密封防水外壳，探测范围0.01~50,000 μSv/h，适配滩涂高盐、高湿、潮汐浸没复杂水环境，有效屏蔽海水盐分、悬浮物对探测元件干扰，保证长期原位监测稳定性。
3.7. ESP8266模块
ESP8266模块属于一种应用范围很广的Wi-Fi通信模块，经常出现在物联网IoT项目里，它可以完成设备同互联网之间的无线连接。在水质监测系统中，ESP8266模块利用Wi-Fi把采集到的水质数据上传到云平台或者发送到手机APP，达到对数据进行远程监控的目的[9]。
3.8. 水泵模块
水泵模块在水质监测和控制系统里发挥着重要作用，该模块的主要功能是依据实时采集到的水质数据，对水流进行自动调节或者进行水质调节操作。当水温较高、pH值不适宜、浑浊度较高或者TDS较大时，水泵模块会启动，来协助系统恢复到正常的水质状态，如图8所示。
Figure 8. Water pump module
图8. 水泵模块
3.9. 蜂鸣器模块
蜂鸣器模块属于水质监测系统中的报警组件，它主要用来发出声音警告，以提醒用户水质超出设定的安全阈值，如图9所示[10]。
4. 软件设计
本文系统主程序依靠微控制器来协调各个模块的工作，保证系统可以实时响应水质的变化。微控制器通过对各个传感器模块的数据进行读取，来判断水质是否达到设定的标准，并据此决定是否执行相应的措施，其设计框图如图10所示[11] [12]。
Figure 9. Buzzer module
图9. 蜂鸣器模块
Figure 10. Software flow framework diagram
图10. 软件流程框架图
4.1. 浑浊度检测子程序
浑浊度检测子程序会实时监控水体浑浊度，并且根据设定的阈值来判断水质的清洁程度。程序先由微控制器采集浑浊度传感器的测量数据，并把传感器输出的模拟信号利用ADC转换成数字信号，其流程图如图11所示。
Figure 11. Flowchart of the turbidity detection subroutine
图11. 浑浊度检测子程序流程图
4.2. TDS检测子程序
TDS检测子程序用来实时监测水中溶解固体物质的浓度。程序先从TDS传感器获得模拟信号，该信号代表水中溶解物质的电导率。微控制器利用ADC模块把模拟信号转变为数字信号，接着对信号进行滤波和噪声抑制。处理后的TDS值会与设定的阈值进行比较，以此来判断水体是否超标，其流程图如图12所示。
4.3. 显示模块子程序
显示模块子程序把水质监测系统里的实时数据展示在OLED屏幕上，让用户可以直接看到水质参数的变化。程序的首要步骤是对OLED显示模块进行初始化，以保证屏幕可以正确地响应微控制器的指令，并且已经准备好接收数据。在初始化过程中，系统会把屏幕进行清空操作，并且对显示的基本格式和布局进行设置，一般包括标题、传感器数据、警告信息和系统状态等内容。
4.4. DS18B20模块子程序
DS18B20模块子程序主要负责读取水质监测系统中DS18B20温度传感器的温度数据，并且对这些数据进行处理和显示。程序先对DS18B20传感器进行初始化，使其可以正常启动并和微控制器通信。主程序利用One-Wire协议对DS18B20模块发送定期命令以启动温度测量，并且等待响应。每次读取时，程序会利用转换后的数字信号得到温度值，并把它传送到微控制器进行处理，流程图如图13所示。
Figure 12. Flowchart of the TDS detection subroutine
图12. TDS检测子程序流程图
Figure 13. Flowchart of DS18B20 Subroutine
图13. DS18B20程序流程图
4.5. PH检测子程序
pH检测子程序读取水质中pH值的变化情况，让系统能及时发现水体的酸碱度异常。程序先对pH传感器进行初始化，保证它同微控制器之间的通信正确。pH电极的工作原理是检测水中氢离子浓度的变化，从而生成一个和pH值成正比的电压信号。该信号经模拟输入接口传入微控制器，在ADC转换后，程序会对信号进行处理和分析。
4.6. WiFi子程序
WiFi子程序主要负责把水质监测系统和云平台或者移动设备建立无线通信连接，使用户可以远程对水质数据进行监控，并且控制该系统。子程序利用ESP8266 WiFi模块来进行通信。在初始化阶段，程序会对WiFi网络进行配置，并且连接到指定的路由器，然后和云平台建立通信连接。连接完成后，系统会利用WiFi模块把实时的水质数据，比如水温、pH值和TDS值等，上传到云端，用户可以借助APP或者网页实时查看数据，并且对设备进行远程控制。WiFi子程序也负责对数据进行上传和下载，以保证水质数据得到及时更新，其流程如图14所示。
Figure 14. Flowchart of WiFi subroutine
图14. WiFi子程序流程图
5. 实物测试及分析
系统通电后系统开始初始化，初始化完成后显示屏开始显示当前信息。第一行显示水温，第二行显示浊度，第三行显示TDS和ph，第四行显示系统模式，如图15所示。
5.1. 自动模式
在自动模式下，长按第一个按键两秒进入设置界面，把浑浊度上限设置为1000，当系统检测到浑浊度为1081时，高于设置的上限阈值时蜂鸣器开始报警；把温度上限设置为25℃，当系统检测到温度为27.9℃时，高于设置的上限阈值时蜂鸣器开始报警；把TDS上限设置为155，当系统检测到TDS为178时，高于设置的上限阈值时蜂鸣器开始报警；把ph下限设置为4，当系统检测到ph为3.7时，低于设置的下限阈值时蜂鸣器开始报警，如图16所示。
Figure 15. Initialization interface
图15. 初始化界面
Figure 16. System test results
图16. 系统测试结果图
5.2. 手机控制
通过机智云配网完成后，可以在手机上完成相关操作，如图17所示。
通过上述对本系统整机通电初始化、本地OLED可视化显示、阈值自定义、自动联动调控、云端远程管控等全部预设功能均可稳定实现。自动模式下系统可精准采集水温、浊度、TDS、pH四类核心水质参数，能够根据用户预先设定的上下限阈值实时判定水质异常，参数超标时同步触发蜂鸣声光报警并驱动水泵开展稀释、降温、酸碱中和等水质修复操作，各项指标超限识别响应及时、控制逻辑可靠；依托
Figure 17. Mobile phone control interface
图17. 手机控制界面
ESP8266模块完成机智云配网后，移动端APP可完整实现远程数据查看、设备操控、历史水质溯源等功能，本地手动调控与云端远程管控两种运行模式切换流畅。本文系统硬件集成度高、操作门槛低、环境适配性强，可直接应用于规模化滩涂海水养殖池日常运维，能够显著降低人工管护成本，具备良好实用价值与广阔推广前景。
6. 结论
本文针对沿海滩涂水产养殖水质管控人工滞后、数据无法溯源、缺少一体化预警调控手段的行业痛点，基于物联网与STM32主控硬件，设计集成多传感器、云端传输、本地交互的水质溯源安全预警系统。系统硬件由多水质传感、STM32主控、ESP8266无线、水泵执行、声光报警、OLED显示、按键电源模块组成；软件配套多参数采集、阈值判断、云端上传、远程控制子程序，支持手动/自动双运行模式。实物测试表明，设备可实时精准采集水温、pH、浊度、TDS、核辐射指标，超标时自动启动水泵并声光告警，支持本地按键与手机APP自定义阈值、远程查看历史水质数据，监测与联动调控逻辑稳定可靠。该系统弥补传统养殖间断采样、调控滞后的短板，实现水质全周期数据可追溯，大幅降低人工管护成本，可适配规模化滩涂养殖场景，为沿海智慧渔业、养殖生态安全管控提供低成本智能化方案，助力水产养殖产业绿色数字化转型升级。
基金项目
江苏省市场监督管理局科技计划项目(KJ2026100, KJ2025083)、盐城市重点研发计划(社会发展)项目(YCBE202506)。