基于物聯(lián)網(wǎng)的水產(chǎn)養(yǎng)殖監(jiān)控系統(tǒng)

作者 魏武 梁中華 胡冬清 嶺南師范學(xué)院(湛江 524048)

　　魏武，男，廣東湛江人，講師，碩士研究生，主要研究方向?yàn)榍度胧介_發(fā)及物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)。

摘要：由于水產(chǎn)養(yǎng)殖水域環(huán)境現(xiàn)狀需要得到控制和改善，實(shí)時(shí)遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)尤為必要。本系統(tǒng)應(yīng)用嵌入式技術(shù)、4G通信模塊、服務(wù)器后臺處理和物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)進(jìn)行對水中溶解氧含量和溫度的實(shí)時(shí)監(jiān)控。本系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)是通過終端實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的采集、傳輸、存儲和發(fā)布，并實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)遠(yuǎn)程網(wǎng)頁監(jiān)控、手機(jī)遠(yuǎn)程控制設(shè)備啟停等功能。該監(jiān)控系統(tǒng)可以廣泛應(yīng)用于水產(chǎn)養(yǎng)殖業(yè)，還可拓展更多傳感器應(yīng)用于現(xiàn)代農(nóng)業(yè)生產(chǎn)。

0 引言

　　部分沿海或養(yǎng)殖業(yè)發(fā)達(dá)地區(qū)對水質(zhì)環(huán)境要求較高，水域環(huán)境遭到不同程度污染，因此水質(zhì)環(huán)境需要得到改善和控制，方能保持養(yǎng)殖業(yè)可持續(xù)發(fā)展，特別是在水產(chǎn)資源十分豐富和養(yǎng)殖規(guī)模龐大地區(qū)，在傳統(tǒng)養(yǎng)殖業(yè)發(fā)展同時(shí)，面臨著相關(guān)水產(chǎn)環(huán)境的破壞和矛盾等問題，溶解氧、溫度等因素影響水產(chǎn)養(yǎng)殖環(huán)境，因此養(yǎng)殖業(yè)亟須引進(jìn)實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)以更好地針對水質(zhì)環(huán)境進(jìn)行信息反饋。

　　市面上出現(xiàn)的產(chǎn)品例如溶氧儀測量器、養(yǎng)殖水質(zhì)檢測系統(tǒng)等，其主要問題是投入設(shè)備的生產(chǎn)成本較高，且人工控制缺乏靈活性和明顯低效率。由于大部分處于傳統(tǒng)的監(jiān)測方式和手動控制設(shè)備的階段，并且未能進(jìn)行實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的監(jiān)測和遠(yuǎn)程控制水產(chǎn)養(yǎng)殖設(shè)備，參考現(xiàn)有基于物聯(lián)網(wǎng)的水產(chǎn)養(yǎng)殖監(jiān)控系統(tǒng)對水質(zhì)環(huán)境控制實(shí)現(xiàn)在線監(jiān)測^[1]，本系統(tǒng)著力于設(shè)計(jì)通過4G網(wǎng)絡(luò)傳輸、在線網(wǎng)頁顯示數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)網(wǎng)頁對水質(zhì)環(huán)境實(shí)時(shí)發(fā)布、存儲、傳輸，隨時(shí)隨地通過手機(jī)對設(shè)備做出控制。

1 系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)

　　本系統(tǒng)由數(shù)據(jù)采集終端主控制器、傳感器模塊、通信模塊、設(shè)備控制模塊和遠(yuǎn)程監(jiān)控中心(包括服務(wù)器和手機(jī)客戶端)組成?；谇度胧絋iny6410主控制器，通過傳感器采集數(shù)據(jù)并由通信模塊把數(shù)據(jù)傳輸?shù)?a class="contentlabel" href="http://butianyuan.cn/news/listbylabel/label/遠(yuǎn)程監(jiān)控">遠(yuǎn)程監(jiān)控中心，遠(yuǎn)程監(jiān)控中心可以對數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)發(fā)布、存儲及處理，手機(jī)客戶端根據(jù)需要可以對設(shè)備進(jìn)行遠(yuǎn)程控制，系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)如圖1所示。

2 硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

　　2.1 數(shù)據(jù)采集和傳輸模塊設(shè)計(jì)

　　數(shù)據(jù)采集和傳輸模塊結(jié)構(gòu)如圖2所示，其包括Tiny6410主控制器、溶解氧傳感器和4G通信模塊。溶解氧傳感器通RS232串口連接Tiny6410主控制器的串口COM2，其任務(wù)是向微處理器發(fā)送溫度和溶解氧數(shù)據(jù)，ZSD3410 4G DTU經(jīng)RS232串口連接Tiny6410主控制器的串口COM3，其任務(wù)是傳輸微處理器的數(shù)據(jù)和發(fā)送控制指令給微處理器。

　　Tiny6410是一款以ARM11芯片為處理器的主控制器，集成了128 M/256 M DDR RAM，采用5 V供電，實(shí)現(xiàn)CPU必需的各種核心電壓轉(zhuǎn)換，包括了三個(gè)標(biāo)準(zhǔn)DB9五線串口，還可以通過2.0 mm間距的排針，引出豐富的接口資源。

　　溶解氧傳感器^[2]支持RS485/RS232和MODBUS協(xié)議，可以采集溫度和溶解氧，輸出十六進(jìn)制數(shù)字量，傳感器能實(shí)現(xiàn)自動溫度補(bǔ)償。其數(shù)據(jù)參數(shù)溫度范圍為0-50 ℃，溫度精度為±0.5 ℃，溶解氧精度為±5%。

　　設(shè)備控制模塊模擬增氧泵驅(qū)動裝置，配置Tiny6410的GPIO驅(qū)動，接收Tiny6410的GPIO的信號或指令，以驅(qū)動設(shè)備。

　　ZSD3410 4G DTU支持SIM卡，采用RS485/RS232串行接口，串口波特率為300-115200 bps，可配置，8位數(shù)據(jù)位。

3 軟件設(shè)計(jì)

　　軟件設(shè)計(jì)包括數(shù)據(jù)采集終端主控制器軟件、服務(wù)器后臺搭建和監(jiān)控中心軟件三部分。

　　3.1 數(shù)據(jù)采集終端主控制器軟件設(shè)計(jì)

　　數(shù)據(jù)采集終端主控制器是系統(tǒng)核心部件，主要任務(wù)有：①根據(jù)MODBUS協(xié)議，通過串口獲取由溶解氧傳感器采集的原始數(shù)據(jù)并對數(shù)據(jù)進(jìn)行有效處理;②采用POST模式通過ZSD3410 4G DTU通信模塊將溶解氧數(shù)據(jù)發(fā)送到服務(wù)器。

　　3.2 服務(wù)器后臺搭建

　?、俜?wù)器是采用tomcat + spring + spring MVC + Mybatis搭建的，這套方案的原理：以Java寫后臺服務(wù)，選用spring+springMVC+Mybatis框架。

　?、赟pringMVC分離了控制器、模型對象、分派器以及處理程序?qū)ο蟮慕巧?，這種分離讓它們更容易進(jìn)行定制。設(shè)備通過POST請求將數(shù)據(jù)上傳到服務(wù)器，服務(wù)器將數(shù)據(jù)存儲到數(shù)據(jù)庫并利用Websocket實(shí)時(shí)加載到相應(yīng)網(wǎng)頁^[3]。

　　3.3 監(jiān)控中心軟件設(shè)計(jì)

　　監(jiān)控中心包括手機(jī)客戶端、服務(wù)器端和遠(yuǎn)程設(shè)備客戶端。手機(jī)客戶端基于Qt編程，搭建Android環(huán)境進(jìn)行開發(fā)，利用C編寫TCP服務(wù)器多線程程序^[4]，Qt編程遠(yuǎn)程控制界面，手機(jī)客戶端通過移動無線網(wǎng)絡(luò)連接服務(wù)器，服務(wù)器創(chuàng)建線程轉(zhuǎn)發(fā)指令到遠(yuǎn)程設(shè)備客戶端，實(shí)現(xiàn)手機(jī)客戶端與遠(yuǎn)程設(shè)備客戶端之間的通信^[5]。遠(yuǎn)程控制流程圖如圖3所示，手機(jī)控制界面如圖4所示。

4 系統(tǒng)測試

　　圖5為整體監(jiān)控系統(tǒng)實(shí)物圖，包括Tiny6410主控制器、溶解氧傳感器、設(shè)備控制模塊(模擬增氧泵)、通信模塊、監(jiān)控界面和手機(jī)遠(yuǎn)程控制。圖6為測試網(wǎng)頁顯示實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，顯示具體時(shí)間、溶解氧濃度和水溫。

　　系統(tǒng)測試分析：

　?、贁?shù)據(jù)通信穩(wěn)定，實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)可以在線網(wǎng)頁顯示，安卓遠(yuǎn)程控制可以啟動模擬增氧泵裝置，不存在阻塞情況。實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)顯示，測試環(huán)境為標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下，試驗(yàn)以自來水作為水產(chǎn)環(huán)境，某時(shí)刻獲得環(huán)境因子溶解氧和溫度分別為7.61037 g/ml和24.613888 ℃，經(jīng)過長時(shí)間的采集和數(shù)據(jù)處理，數(shù)據(jù)表明其與標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)誤差在0.5%左右，數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確度合理，一旦溶解氧低于正常參數(shù)設(shè)置水平，可通過遠(yuǎn)程控制啟動模擬增氧泵裝置，使溶解氧含量恢復(fù)正常值。

　　②系統(tǒng)測試時(shí)，4G通信模塊有出現(xiàn)掉線情況，經(jīng)配置撥號腳本實(shí)現(xiàn)4G模塊重連，重連穩(wěn)定，重連的成功率為95%以上。

5 結(jié)語

　　本設(shè)計(jì)應(yīng)用嵌入式技術(shù)、傳感器技術(shù)、4G通信技術(shù)及Qt安卓客戶端開發(fā)技術(shù)等,實(shí)現(xiàn)溶解氧、溫度等水產(chǎn)指標(biāo)的實(shí)時(shí)監(jiān)控，并且通過遠(yuǎn)程控制設(shè)備啟停，可以大大提高水產(chǎn)養(yǎng)殖經(jīng)濟(jì)效益和減輕污染。

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　　本文來源于《電子產(chǎn)品世界》2018年第12期第79頁，歡迎您寫論文時(shí)引用，并注明出處。