基于单片机的水产养殖水质监控系统设计
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路就能满足功能要求，大大简化了硬件设计。
2.2
RS485 接口
FUJIAN
输距离远等优点。
2.3
按键
各输出设备如热泵、增氧机、进水阀、排水阀、回
水阀等分别设有对应的手动 On/Off 按键，便于在需要
时单独控制；功能设置与调节按键可对日期、时钟、运
水体溶氧量和浊度等是水产养殖水质的重要指
－ 44 －
......
Q1
R31
+3 .3 V
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
17
KEY2
TCK
J2
50BB
3
IC2
#/ /& '
R21
48
47
46
45
44
43
42
41
40
39
38
37
36
35
34
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+3.3V
+3 .3 V
IC1
K
P0.7
P0.6
TCK
TDI
TMS
TDO
P4 .1
P4 .2
P4 .3
P4 .4
P4 .5
P4 .6
P4 .7
P5 .2
P5 .1
P5 .2
P5 .3
P5 .4
P5 .5
P5 .6
P5 .7
R3
IC5
9
R9 R8 R7 R6 R5
TXD0
RXD0
TXD1
RXD1
P3 .2
P3 .0
P2 .7
P2 .6
P2 .5
AN1
AN0
P2 .2
标值。当水质的各项指标超出预设范围时自动开
启增氧机、热泵、排水阀、进水阀等设备进行调节，并
对异常状况以声光报警形式提醒养殖人员及时处理。
系统由主控芯片、RS485 接口、按键、液晶显示、输出
小固体的含量。这些杂物过多会使水变得浑浊，当超
过一定的范围，说明水质已经过于浑浊并且不适合鱼
类生长，应该进行换水处理。然而过于清澈的水也不
Fig. 2 Circuit schematic diagram of water quality monitor
主控芯片
标，由传感器负责水质数据采集，考虑通信可靠性和
根据 I/O 口的数量、通信与存储空间要求，主控
稳定性，前端采集数据和主控芯片之间采用 RS485 通
GF80F928，工 作 电 压 2.4～3.6 V，具 备 64 K 字 节
溶氧传感器
该设计选用具有温度补偿的 DOG8008A 溶氧传
感器，应用极谱法原理进行溶解氧值测量、温度测量
和补偿。极谱法是以铂金（Pt）作为氧电极阴极，Ag/
AgCl 作为阳极，0.1 M 氯化钾（Kcl）作为电解液，用硅
橡胶渗透膜作为透气膜。测量时，在阳极和阴极间加
上 0.68 V 的极化电压，氧通过渗透膜在阴极消耗，透
ZHENG Zhenxuan
（Fujian Academy of Mechanical Sciences，Fuzhou，Fujian 350005，China）
Abstract：According to the characteristics of industrial internal circulation aquaculture and the needs of small and medium-sized
有效处理，达到节水省电、降低劳动强度、减少人为失
成经济损失。为解决上述问题，及时采取措施改善
误的目的。同时预留数据交换接口，便于后续通过网
水质，本文探讨应用单片机技术实现水质实时监控，
络与云服务器通信，完成数据传输、远程监控、远程数
达到减轻劳动强度、减少人为失误，有效降低养殖风
据存储与分析等功能。
*福建省属公益类科研院所基本科研专项（2020R1004002）
用光耦实现监控器与控制设备的电路隔离，提高
抗干扰能力，增强监控器的可靠性。
2.6
0
电源
FLCD
/
以单片机为核心的控制器采用外部直流 5 V
USB 接口电源供电。通过 LM1117-3.3 降压电源模
适合养殖，所以应将水质保持在合适的范围。一般水
体 的 浊 度 保 持 在 1200~3000 NTU 是 较 理 想 的 生 存
环境[2]。
光电隔离、无线通信（预留）等模块组成，整体框图如
1.1.4
图 1 所示。
浪费水且鱼也容易跳出。所以一般需要设定高低警
"C-
GL
4F
N+
#
2
警温度。
1.2.4
系统硬件设计
系统电路原理图如图 2 所示。
水位开关
6L/
OC9
OC1
LED9
......
+5 V
LED1
+5 V
R29
GND
......
TDO
TMS
TDI
VDD
6
5
4
2
1
VSS
VDD
REQ
RST
TXD
RXD
BUSY
DB7
DB6
DB5
DB4
DB3
DB2
DB1
DB0
KEY2
Q9
R39
口接上拉电阻，通过检测主控芯片引脚的电平来判断
传感器应用单总线专用技术，可与单片机 I/O 口直接
动时，触动磁簧开关而检出水位位置。主控芯片 I/O
～125℃，工作电压在 3.0~5.5 V 之间，接线简单，体积
浮球开关的状态，进而判断水位情况。
小，内含 64 bit 只读存储器 ROM，可以设置上、下限报
1.2.2
浊度传感器
浊度传感器是应用光学原理，红外发射器发送的
当水里的溶解氧浓度过低，会造成厌氧菌的快速繁
光波在传输过程中经过被测溶液的吸收、反射和散射
殖，从而导致水质变差，严重时会引起鳗鱼窒息而亡；
后仅有一小部分光线能照射到接收器上，透射光的透
反之如果溶解氧浓度过高，容易造成气泡病等各种疾
射率与被测溶液的浊度成比例关系，通过测量透射光
过膜的氧量与水中溶解氧浓度成正比，因而电极间的
极限扩散电流与水中溶解氧浓度成正比，仪表检测此
电流并经运算转换成氧浓度，
同时热敏电阻检测溶液的
温度，
对氧浓度进行温度补偿。测量范围为0～25 mg/L，
测量误差为±1%F•S，在 0～60℃进行自动温度补偿，
具有 RS485 Modbus RTU 通讯接口的输出信号。
P0.1
P0.0
P1.7
P1.6
P1.5
P1.4
P1.3
P1.2
P1.1
P1.0
49
50
51
52
53
54
55
56
57
58
59
60
61
62
63
64
+3.3V
R2 R1
+5V
G80F928
VDDIO
NC
NC
NC
NC
NC
NC
NC
AGND
DGND
PLLC
NC
VDD
VOUT
C
XTAL2
$
P4 .0
低 水 位 开 关 值 及 控 制 设 备 状 态 等 ，本 设 计 采 用
限值、通信参数等设置。系统采用声光语音报警器，
LCD12864 液晶显示模块进行显示。
当水质参数指标超出预设的范围时，报警处理模块立
2.5
输出光耦隔离
即启动报警功能，即警示灯不停地闪烁，并进行语音
播报通知养殖户与值守人员及时处理[2]。
作者简介：郑震璇（1973—），女，高级工程师，研究方向：养殖装备物联网。
－ 42 －
FUJIAN
NONGJI
研究与探索
2021
第2期
1
系统整体方案设计
福建农机
FUJIAN
NONGJI
浊度是指水中悬浮的粪便、残饵、泥沙、灰尘等微
该方案以鳗鱼生长的生态环境条件为例，以单片
机为主控制芯片，设定适合鳗鱼生长的水环境各项指
器，可以简化设计，具有扩展灵活方便、传输可靠、传
芯 片 选 用 中 颖 低 功 耗 8 位 增 强 型 8051 微 控 制 器
FLASH，3 K 字节 SRAM，46 个通用 I/O 口，集成了实时
时钟、LCD 驱动器、ADC 等模块，2 个 16 位定时器/计
数器、3 个 EUART 接口等资源，不需要太多的外围电
病。适合鳗鱼等鱼类生存的溶解氧含量一般是在 5~
的 透 射 率 计 算 浊 度 值 。 选 用 NT8000G 型 浊 度 传 感
1.1.3
有 RS485 Modbus RTU 通讯接口的输出信号。
12 mg/L 之间。
浊度
器，测量范围为 0~4000 NTU，基本误差为±1%F•S，具
FUJIAN
管者人为失误导致水产品品质不佳或死亡，从而造
险，增加养殖效益的目的[1]。
该系统以单片机为主控制器，通过对养殖水体的
溶解氧、水温、浊度、水位等参数实时监测，在参数超
出预设范围时自动启动相关设备进行调节，使水质指
标稳定在适合养殖对象正常生长的范围内。此外，该
系统还能对异常状况提示报警，及时提醒养殖户快速
的自动控制。
关键词：水产养殖；单片机；水质监控
中图分类号：S932.911
文献标识码：A
文章编号：1004-3969（2021）02-042-05
Design of Aquaculture Water Quality Monitoring System Based on
Single Chip Microcomputer
2021
第2期
福建农机
FUJIAN
研究与探索
NONGJI
基于单片机的水产养殖水质监控系统设计*
郑震璇
（福建省机械科学研究院，福建 福州 350005）
摘
要：根据工厂化内循环水产养殖的特点和中小型水产养殖户的需求，设计一种基于单片机的水产养殖
水质监控系统，应用单片机技术对水质实时监控，具有高性价比、使用简单、可靠有效等特点，可实现对养殖池
信方式。选用具有 RS485 串行信号输出形式的传感
NONGJI
行模式、水质参数上下限值、通信参数等进行设置。
研究与探索
2021
第2期
2.4
福建农机
FUJIAN
NONGJI
液晶显示
按键有设置请求时，系统进入功能设置模块，用户可
液晶显示模块用于显示溶氧量，水温，浊度，高、
以进行日期、时钟、手/自动运行模式、水质参数上下
+3 .3 V
"
485DI1
1
2
3
4
RO
RE
DE
DI
C9 C10
C1
IC3
LM1 117
Vin
C4
C3
+3 .3 V
GND
485RO1
+$
+5 V
3
Vout
C2
2
C12
C11
+3 .3 V
1
IC4
RS48 5
+5V
8
VCC
7
B
6
A
5
GND
MAX1 487
图2
2.1
水质监控器电路原理图
工厂化内循环水产养殖的养殖密度高，养殖对
象对溶氧量、水温、pH 值、电导率、氨氮等水质参数变
化极为敏感，目前大多数水产养殖户仅凭感官或目
测水体浑浊度、养殖对象的灵活度等对水质进行判
断，也有一些水产养殖户应用便携式仪表测量水质，
并采取人工换水方式改善水质，工作强度大、人工成
本高、耗水耗电量大。更有甚者，由于经验缺乏或看
水温
水温过高或者过低都会对鳗鱼的新陈代谢产生
影响，因此将水温控制在一定范围内是十分必要的。
适合鳗鱼生存的水温一般控制在 20~30℃之间。
1.1.2
鱼池水位太低会导致鱼类缺水死亡，水位太高则
戒水位。
$
$"
水位
溶解氧
溶解氧是关系鳗鱼生死的一个非常重要的指标。
1.2
1.2.1
水质参数传感器选型
RS485
8(
#/
"
E6
L/
K
图1
水质监控系统整体框图
Fig. 1 Overall block diagram of water quality monitoring system
1.1
水质指标
水质指标包括水体温度、溶解氧含量、浊度、水位
等适合鳗鱼生长的生态环境条件。
1.1.1
NONGJI － 43 －
2021
第2期
1.2.3
福建农机
FUJIAN
研究与探索
NONGJI
选用 EP4310 小型浮球开关，它由磁簧开关与浮
温度传感器
选用数字式温度传感器 DS18B20 检测水温，该
子组成，浮子内有磁性材料，浮子随被测水位上下移
相连，不需要任何外围元件与电路，测量范围为-55
P2 .1
RST
NC
XTAL1
32
31
30
29
28
27
26
25
24
23
22
21
20
19
18
17
48 5DI0
48 5RO0
48 5DI1
48 5RO1
S5
S6
S7
S8
S9
S1 0
C7
C6
15 P
X1
32 .7 68KHz C5
15 P
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
3
2
1
R10
DS18B20
aquaculture farmers，an aquaculture water quality monitoring system based on single-chip microcomputer is designed，which applies
single-chip microcomputer technology to real-time monitoring of water quality，it has the characteristics of high performance-to-price
ratio，easy to use，reliable and effective，and can realize the automatic control of the aquaculture pond.
Key words：Aquaculture；Single chip microcomputer；Water quality monitoring
2.2
RS485 接口
FUJIAN
输距离远等优点。
2.3
按键
各输出设备如热泵、增氧机、进水阀、排水阀、回
水阀等分别设有对应的手动 On/Off 按键，便于在需要
时单独控制；功能设置与调节按键可对日期、时钟、运
水体溶氧量和浊度等是水产养殖水质的重要指
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+3.3V
+3 .3 V
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TMS
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P4 .1
P4 .2
P4 .3
P4 .4
P4 .5
P4 .6
P4 .7
P5 .2
P5 .1
P5 .2
P5 .3
P5 .4
P5 .5
P5 .6
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P3 .0
P2 .7
P2 .6
P2 .5
AN1
AN0
P2 .2
标值。当水质的各项指标超出预设范围时自动开
启增氧机、热泵、排水阀、进水阀等设备进行调节，并
对异常状况以声光报警形式提醒养殖人员及时处理。
系统由主控芯片、RS485 接口、按键、液晶显示、输出
小固体的含量。这些杂物过多会使水变得浑浊，当超
过一定的范围，说明水质已经过于浑浊并且不适合鱼
类生长，应该进行换水处理。然而过于清澈的水也不
Fig. 2 Circuit schematic diagram of water quality monitor
主控芯片
标，由传感器负责水质数据采集，考虑通信可靠性和
根据 I/O 口的数量、通信与存储空间要求，主控
稳定性，前端采集数据和主控芯片之间采用 RS485 通
GF80F928，工 作 电 压 2.4～3.6 V，具 备 64 K 字 节
溶氧传感器
该设计选用具有温度补偿的 DOG8008A 溶氧传
感器，应用极谱法原理进行溶解氧值测量、温度测量
和补偿。极谱法是以铂金（Pt）作为氧电极阴极，Ag/
AgCl 作为阳极，0.1 M 氯化钾（Kcl）作为电解液，用硅
橡胶渗透膜作为透气膜。测量时，在阳极和阴极间加
上 0.68 V 的极化电压，氧通过渗透膜在阴极消耗，透
ZHENG Zhenxuan
（Fujian Academy of Mechanical Sciences，Fuzhou，Fujian 350005，China）
Abstract：According to the characteristics of industrial internal circulation aquaculture and the needs of small and medium-sized
有效处理，达到节水省电、降低劳动强度、减少人为失
成经济损失。为解决上述问题，及时采取措施改善
误的目的。同时预留数据交换接口，便于后续通过网
水质，本文探讨应用单片机技术实现水质实时监控，
络与云服务器通信，完成数据传输、远程监控、远程数
达到减轻劳动强度、减少人为失误，有效降低养殖风
据存储与分析等功能。
*福建省属公益类科研院所基本科研专项（2020R1004002）
用光耦实现监控器与控制设备的电路隔离，提高
抗干扰能力，增强监控器的可靠性。
2.6
0
电源
FLCD
/
以单片机为核心的控制器采用外部直流 5 V
USB 接口电源供电。通过 LM1117-3.3 降压电源模
适合养殖，所以应将水质保持在合适的范围。一般水
体 的 浊 度 保 持 在 1200~3000 NTU 是 较 理 想 的 生 存
环境[2]。
光电隔离、无线通信（预留）等模块组成，整体框图如
1.1.4
图 1 所示。
浪费水且鱼也容易跳出。所以一般需要设定高低警
"C-
GL
4F
N+
#
2
警温度。
1.2.4
系统硬件设计
系统电路原理图如图 2 所示。
水位开关
6L/
OC9
OC1
LED9
......
+5 V
LED1
+5 V
R29
GND
......
TDO
TMS
TDI
VDD
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VDD
REQ
RST
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RXD
BUSY
DB7
DB6
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KEY2
Q9
R39
口接上拉电阻，通过检测主控芯片引脚的电平来判断
传感器应用单总线专用技术，可与单片机 I/O 口直接
动时，触动磁簧开关而检出水位位置。主控芯片 I/O
～125℃，工作电压在 3.0~5.5 V 之间，接线简单，体积
浮球开关的状态，进而判断水位情况。
小，内含 64 bit 只读存储器 ROM，可以设置上、下限报
1.2.2
浊度传感器
浊度传感器是应用光学原理，红外发射器发送的
当水里的溶解氧浓度过低，会造成厌氧菌的快速繁
光波在传输过程中经过被测溶液的吸收、反射和散射
殖，从而导致水质变差，严重时会引起鳗鱼窒息而亡；
后仅有一小部分光线能照射到接收器上，透射光的透
反之如果溶解氧浓度过高，容易造成气泡病等各种疾
射率与被测溶液的浊度成比例关系，通过测量透射光
过膜的氧量与水中溶解氧浓度成正比，因而电极间的
极限扩散电流与水中溶解氧浓度成正比，仪表检测此
电流并经运算转换成氧浓度，
同时热敏电阻检测溶液的
温度，
对氧浓度进行温度补偿。测量范围为0～25 mg/L，
测量误差为±1%F•S，在 0～60℃进行自动温度补偿，
具有 RS485 Modbus RTU 通讯接口的输出信号。
P0.1
P0.0
P1.7
P1.6
P1.5
P1.4
P1.3
P1.2
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R2 R1
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G80F928
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AGND
DGND
PLLC
NC
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C
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P4 .0
低 水 位 开 关 值 及 控 制 设 备 状 态 等 ，本 设 计 采 用
限值、通信参数等设置。系统采用声光语音报警器，
LCD12864 液晶显示模块进行显示。
当水质参数指标超出预设的范围时，报警处理模块立
2.5
输出光耦隔离
即启动报警功能，即警示灯不停地闪烁，并进行语音
播报通知养殖户与值守人员及时处理[2]。
作者简介：郑震璇（1973—），女，高级工程师，研究方向：养殖装备物联网。
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FUJIAN
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研究与探索
2021
第2期
1
系统整体方案设计
福建农机
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浊度是指水中悬浮的粪便、残饵、泥沙、灰尘等微
该方案以鳗鱼生长的生态环境条件为例，以单片
机为主控制芯片，设定适合鳗鱼生长的水环境各项指
器，可以简化设计，具有扩展灵活方便、传输可靠、传
芯 片 选 用 中 颖 低 功 耗 8 位 增 强 型 8051 微 控 制 器
FLASH，3 K 字节 SRAM，46 个通用 I/O 口，集成了实时
时钟、LCD 驱动器、ADC 等模块，2 个 16 位定时器/计
数器、3 个 EUART 接口等资源，不需要太多的外围电
病。适合鳗鱼等鱼类生存的溶解氧含量一般是在 5~
的 透 射 率 计 算 浊 度 值 。 选 用 NT8000G 型 浊 度 传 感
1.1.3
有 RS485 Modbus RTU 通讯接口的输出信号。
12 mg/L 之间。
浊度
器，测量范围为 0~4000 NTU，基本误差为±1%F•S，具
FUJIAN
管者人为失误导致水产品品质不佳或死亡，从而造
险，增加养殖效益的目的[1]。
该系统以单片机为主控制器，通过对养殖水体的
溶解氧、水温、浊度、水位等参数实时监测，在参数超
出预设范围时自动启动相关设备进行调节，使水质指
标稳定在适合养殖对象正常生长的范围内。此外，该
系统还能对异常状况提示报警，及时提醒养殖户快速
的自动控制。
关键词：水产养殖；单片机；水质监控
中图分类号：S932.911
文献标识码：A
文章编号：1004-3969（2021）02-042-05
Design of Aquaculture Water Quality Monitoring System Based on
Single Chip Microcomputer
2021
第2期
福建农机
FUJIAN
研究与探索
NONGJI
基于单片机的水产养殖水质监控系统设计*
郑震璇
（福建省机械科学研究院，福建 福州 350005）
摘
要：根据工厂化内循环水产养殖的特点和中小型水产养殖户的需求，设计一种基于单片机的水产养殖
水质监控系统，应用单片机技术对水质实时监控，具有高性价比、使用简单、可靠有效等特点，可实现对养殖池
信方式。选用具有 RS485 串行信号输出形式的传感
NONGJI
行模式、水质参数上下限值、通信参数等进行设置。
研究与探索
2021
第2期
2.4
福建农机
FUJIAN
NONGJI
液晶显示
按键有设置请求时，系统进入功能设置模块，用户可
液晶显示模块用于显示溶氧量，水温，浊度，高、
以进行日期、时钟、手/自动运行模式、水质参数上下
+3 .3 V
"
485DI1
1
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C9 C10
C1
IC3
LM1 117
Vin
C4
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GND
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+$
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+3 .3 V
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RS48 5
+5V
8
VCC
7
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GND
MAX1 487
图2
2.1
水质监控器电路原理图
工厂化内循环水产养殖的养殖密度高，养殖对
象对溶氧量、水温、pH 值、电导率、氨氮等水质参数变
化极为敏感，目前大多数水产养殖户仅凭感官或目
测水体浑浊度、养殖对象的灵活度等对水质进行判
断，也有一些水产养殖户应用便携式仪表测量水质，
并采取人工换水方式改善水质，工作强度大、人工成
本高、耗水耗电量大。更有甚者，由于经验缺乏或看
水温
水温过高或者过低都会对鳗鱼的新陈代谢产生
影响，因此将水温控制在一定范围内是十分必要的。
适合鳗鱼生存的水温一般控制在 20~30℃之间。
1.1.2
鱼池水位太低会导致鱼类缺水死亡，水位太高则
戒水位。
$
$"
水位
溶解氧
溶解氧是关系鳗鱼生死的一个非常重要的指标。
1.2
1.2.1
水质参数传感器选型
RS485
8(
#/
"
E6
L/
K
图1
水质监控系统整体框图
Fig. 1 Overall block diagram of water quality monitoring system
1.1
水质指标
水质指标包括水体温度、溶解氧含量、浊度、水位
等适合鳗鱼生长的生态环境条件。
1.1.1
NONGJI － 43 －
2021
第2期
1.2.3
福建农机
FUJIAN
研究与探索
NONGJI
选用 EP4310 小型浮球开关，它由磁簧开关与浮
温度传感器
选用数字式温度传感器 DS18B20 检测水温，该
子组成，浮子内有磁性材料，浮子随被测水位上下移
相连，不需要任何外围元件与电路，测量范围为-55
P2 .1
RST
NC
XTAL1
32
31
30
29
28
27
26
25
24
23
22
21
20
19
18
17
48 5DI0
48 5RO0
48 5DI1
48 5RO1
S5
S6
S7
S8
S9
S1 0
C7
C6
15 P
X1
32 .7 68KHz C5
15 P
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
3
2
1
R10
DS18B20
aquaculture farmers，an aquaculture water quality monitoring system based on single-chip microcomputer is designed，which applies
single-chip microcomputer technology to real-time monitoring of water quality，it has the characteristics of high performance-to-price
ratio，easy to use，reliable and effective，and can realize the automatic control of the aquaculture pond.
Key words：Aquaculture；Single chip microcomputer；Water quality monitoring