基于物聯(lián)網(wǎng)的水產(chǎn)養(yǎng)殖環(huán)境智能監(jiān)控系統(tǒng)的研究

1、基于物聯(lián)網(wǎng)的水產(chǎn)養(yǎng)殖環(huán)境智能監(jiān)控系統(tǒng)的研究蓋之華 1，施連敏 1，王斐 1，郭翠珍 2（1.蘇州經(jīng)貿(mào)職業(yè)技術(shù)學(xué)院 數(shù)字化校園管理中心，江蘇 蘇州 215009；2.蘇州市職業(yè)大學(xué) 計(jì)算機(jī)工程學(xué)院，江蘇 蘇州 215104）摘要：隨著物聯(lián)網(wǎng)、云計(jì)算、下一代通信網(wǎng)絡(luò)等新一代信息技術(shù)的快速發(fā)展，并結(jié)合國家科技興農(nóng)的政策要求，設(shè)計(jì)了基于物聯(lián)網(wǎng)的水產(chǎn)養(yǎng)殖環(huán)境智能監(jiān)控系統(tǒng)，通過該系統(tǒng)可以實(shí)時(shí)感知水溫、溶解氧、ph 值、氨氮等水產(chǎn)養(yǎng)殖環(huán)境的關(guān)鍵參數(shù)，并 根據(jù)生態(tài)化養(yǎng)殖的要求，進(jìn)行最優(yōu)化調(diào)整，從而提高水產(chǎn)養(yǎng)殖的智能化水平和水產(chǎn)品的生態(tài)品質(zhì)。關(guān)鍵詞：水產(chǎn)養(yǎng)殖；物聯(lián)網(wǎng)；數(shù)據(jù)感知；智能監(jiān)控中圖分類號：TP393文獻(xiàn)

2、標(biāo)識(shí)碼：A文章編號：1009-3044(2013)34-7826-03Research of Intelligent Monitoring System of Water Environmental Factors Based on the Internet of ThingsGAI Zhi-hua1, SHI Lian-min1, WANG Fei1,GUO Cui-zhen2(1.Digital Campus Management Center Suzhou Institute of Trade & Commence, Suzhou 215009, China; 2.School

3、of ComputerEngineering Suzhou Vocational University, Suzhou 215104, China)Abstract: With the rapid development of a new generation of information technology, such as the internet of things, cloud com puting, the next generation communication network, and so on. And the national policy on promoting a

4、griculture by applying scientific and technological advances, intelligent monitoring system of water environmental factors based on the Internet of Things is designed, various parameters of water environmental factors, such as water temperature, dissolved oxygen content, pH value, concentrations of

5、ammonia and nitrate, etc, can be real- timely collected, and be optimized to meet the requirements of ecological aquaculture. Therefore, the intelligent level of aquaculture and the ecological quality of aquatic products are improved.Key words: Aquiculture; The Internet of Things; Data sensing; Inte

6、lligent monitoring2012 年中央一號文件關(guān)于加快推進(jìn)農(nóng)業(yè)科技創(chuàng)新持續(xù)增強(qiáng)農(nóng)產(chǎn)品供給保障能力的若干意見中重點(diǎn)強(qiáng)調(diào)了科技興農(nóng)，依靠科技創(chuàng)新驅(qū)動(dòng)，引領(lǐng)支撐現(xiàn)代農(nóng)業(yè)建設(shè)【1】。水產(chǎn)養(yǎng)殖是農(nóng)業(yè)的重要組成部分，如何利用物聯(lián)網(wǎng)、下一代通信網(wǎng)絡(luò)、移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)等新 一代信息技術(shù)，提升水產(chǎn)養(yǎng)殖的智能化水平和效率，是當(dāng)前一個(gè)非常重要的課題【2】。本文針對水產(chǎn)養(yǎng)殖環(huán)境對象具有的多變性、多樣性、以及分散等特點(diǎn)，提出了一種基于物聯(lián)網(wǎng)的水產(chǎn)養(yǎng)殖環(huán)境智能監(jiān)控系統(tǒng)，該系統(tǒng)是面向工廠化水產(chǎn)養(yǎng)殖集約、高效、高產(chǎn)、生態(tài)的發(fā)展需求，基于智能感知、無線傳感器網(wǎng)絡(luò)、智能信息處理與控制等物聯(lián)網(wǎng) 技術(shù)開發(fā)的，集養(yǎng)殖環(huán)境參數(shù)遠(yuǎn)

7、程感知、無線傳輸、實(shí)時(shí)存儲(chǔ)、智能處理、信息發(fā)布、決策支持與自動(dòng)控制等功能于一體的水產(chǎn)養(yǎng)殖 物聯(lián)網(wǎng)服務(wù)平臺(tái)。1 系統(tǒng)框架結(jié)構(gòu)基于物聯(lián)網(wǎng)的水產(chǎn)養(yǎng)殖環(huán)境智能監(jiān)控系統(tǒng)主要通過各類傳感器以及視頻采集設(shè)備實(shí)時(shí)感知水產(chǎn)養(yǎng)殖現(xiàn)場的水溫、溶解氧、pH 值、氨氮含量以及相關(guān)視頻信息，并通過固網(wǎng)、移動(dòng)網(wǎng)、專網(wǎng)等網(wǎng)絡(luò)媒介將感知的現(xiàn)場數(shù)據(jù)信息實(shí)時(shí)傳輸?shù)竭h(yuǎn)程的監(jiān)控中心，由監(jiān) 控中心的上位機(jī)監(jiān)控軟件實(shí)現(xiàn)對數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)、顯示、處理、分析等，同時(shí)對不達(dá)標(biāo)的水產(chǎn)養(yǎng)殖現(xiàn)場，通過網(wǎng)絡(luò)媒介將相關(guān)控制指令 傳輸?shù)街悄芫W(wǎng)關(guān)，由智能網(wǎng)關(guān)將控制指令下發(fā)到相應(yīng)控制器，來啟動(dòng)相關(guān)設(shè)備（如增氧泵、換水系統(tǒng)設(shè)備等），從而改善水產(chǎn)養(yǎng)殖現(xiàn) 場的各項(xiàng)參數(shù)【3

8、】。整個(gè)系統(tǒng)的框架結(jié)構(gòu)如圖 1 所示。2 系統(tǒng)功能模塊設(shè)計(jì)整個(gè)系統(tǒng)主要分為四個(gè)功能模塊，即：數(shù)據(jù)感知與傳輸功能模塊、設(shè)備控制與指令傳輸功能模塊、數(shù)據(jù)服務(wù)功能模塊和遠(yuǎn)程監(jiān) 控功能模塊【4】，如圖 2 所示。收稿日期：2013-10-25基金項(xiàng)目：2011 年蘇州市科技支撐計(jì)劃_農(nóng)業(yè)部分（SN201139）；2012 年蘇州市應(yīng)用基礎(chǔ)研究計(jì)劃（SYN201219）；2011 年度蘇州市加快信息化建設(shè)專項(xiàng)資金項(xiàng)目作者簡介：蓋之華（1979-），男，工程師，主要研究方向?yàn)檗r(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)；施連敏（1984-），男，工程師，主要研究方向?yàn)橐苿?dòng)互聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用； 王斐（1986-），女，助理工程師，主要研究方向?yàn)檗r(nóng)業(yè)

9、物聯(lián)網(wǎng)；郭翠珍（1979-），女，講師，碩士，主要研究方向?yàn)樾畔⑻幚怼５?9 卷第 34 期 (2013 年 12 月)Computer Knowledge and Technology 電腦知識(shí)與技術(shù)監(jiān)控系統(tǒng)（數(shù)據(jù)顯示、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、數(shù)據(jù)檢索、實(shí)時(shí)曲線等）應(yīng)用層網(wǎng)絡(luò)層固網(wǎng)、移動(dòng)網(wǎng)、專網(wǎng)等功能層實(shí)時(shí)感知、視頻監(jiān)控、智能網(wǎng)關(guān)、遠(yuǎn)程管理等各類傳感器（溫度、溶解氧、pH增氧泵、換水系統(tǒng)、感知層被控層值、氨氮等）、視頻采集設(shè)備投藥器等水產(chǎn)養(yǎng)殖現(xiàn)場圖 1系統(tǒng)框架結(jié)構(gòu)3、數(shù)據(jù)服務(wù)功能模塊1、數(shù)據(jù)感知與傳輸功能模塊4、遠(yuǎn)程監(jiān)控功能模塊水溫傳感器 ZigBee路由模塊ZigBee路由模塊溶解氧傳感器接口服務(wù)器We

10、b服務(wù)器應(yīng)用服務(wù)器介Web、Wap、SMS等遠(yuǎn)程監(jiān)控中心管理系統(tǒng)ZigBee主節(jié)pH值傳感器 ZigBee路由模塊ZigBee路由模塊氨氮傳感器數(shù)據(jù)管理服務(wù)器 移動(dòng)應(yīng)用服務(wù)器Wifi節(jié)點(diǎn)視頻采集設(shè)備智能移動(dòng)終端被控設(shè)備物聯(lián)網(wǎng)智能網(wǎng)關(guān)2、設(shè)備控制與指令傳輸功能模塊圖 2系統(tǒng)功能模塊2.1 數(shù)據(jù)感知與傳輸功能模塊設(shè)計(jì)該模塊主要利用無線傳感器節(jié)點(diǎn)實(shí)時(shí)感知水產(chǎn)養(yǎng)殖現(xiàn)場數(shù)據(jù)，并通過 ZigBee 無線通信技術(shù)將數(shù)據(jù)傳輸?shù)?ZigBee 主節(jié)點(diǎn)，由ZigBee 主節(jié)點(diǎn)簡單處理后經(jīng)網(wǎng)絡(luò)媒介傳輸?shù)綌?shù)據(jù)服務(wù)功能模塊。 其中無線傳感器節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)是整個(gè)功能模塊的核心，在設(shè)計(jì)時(shí)主要考慮以下幾個(gè)主要因素：（1）能夠?qū)崟r(shí)

11、感知養(yǎng)殖現(xiàn)場水的溫度、溶解氧、pH 值、氨氮含量等數(shù)據(jù)，并降低開發(fā)難度；（2）充分利用 ZigBee 無線通信技術(shù)和農(nóng)業(yè)用低成本傳感器技術(shù)，實(shí)現(xiàn)對現(xiàn) 場數(shù)據(jù)的精確感知、實(shí)時(shí)傳輸；（3）低成本、低功耗，并降低安裝和維護(hù)難度【5】。出于以上幾個(gè)主要因素的考慮，無線傳感器節(jié)點(diǎn)中的各類傳感器全部采用農(nóng)業(yè)用低成本數(shù)字信號傳感器，從而在節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)中不用考慮 A/D 轉(zhuǎn)換，降低了開發(fā)難度。同時(shí)在節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)中采用了 TI 的低功耗系列單片機(jī) MSP430 作為主控芯片，并輔助 CC2530 作為 ZigBee 無線通信的收發(fā)芯片【6】。此外，根據(jù)水產(chǎn)養(yǎng)殖的實(shí)際情況，節(jié)點(diǎn)需要被安裝在養(yǎng)殖水域的中心位置，因此提供

12、 固定電源的成本會(huì)大大增加，所以節(jié)點(diǎn)使用太陽能電池板、智能充電模塊和蓄電池組成整個(gè)節(jié)點(diǎn)的供電系統(tǒng)【7】。整個(gè)節(jié)點(diǎn)的硬件 結(jié)構(gòu)如圖 3 所示。對于現(xiàn)場視頻數(shù)據(jù)的感知?jiǎng)t主要通過攝像頭等視頻設(shè)備采集后，經(jīng) Wifi 節(jié)點(diǎn)實(shí)時(shí)傳輸?shù)綌?shù)據(jù)服務(wù)功能模塊。2.2 設(shè)備控制與指令傳輸功能模塊設(shè)計(jì)遠(yuǎn)程監(jiān)控功能模塊將無線傳感器節(jié)點(diǎn)感知的養(yǎng)殖環(huán)境實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)處理后，對不符合生態(tài)化養(yǎng)殖環(huán)境參數(shù)要求的數(shù)據(jù)，自動(dòng)下發(fā) 相應(yīng)的指令，經(jīng)網(wǎng)絡(luò)媒介下發(fā)到設(shè)備控制與指令傳輸功能模塊，由模塊中的物聯(lián)網(wǎng)智能網(wǎng)關(guān)對指令進(jìn)行解析后，傳輸?shù)浆F(xiàn)場被控 設(shè)備的控制電路，由控制電路來控制中間繼電器的開關(guān)來啟動(dòng)或關(guān)閉被控設(shè)備，從而來改善養(yǎng)殖環(huán)境，使其達(dá)

13、到生態(tài)化養(yǎng)殖的標(biāo) 準(zhǔn)【8】。2.3 數(shù)據(jù)服務(wù)功能模塊設(shè)計(jì)該模塊主要實(shí)現(xiàn)對無線傳感器節(jié)點(diǎn)實(shí)時(shí)感知的養(yǎng)殖現(xiàn)場環(huán)境數(shù)據(jù)進(jìn)行處理后，供遠(yuǎn)程監(jiān)控功能模塊調(diào)用。模塊由一系列具 有特定功能的服務(wù)器組成，如接口服務(wù)器主要負(fù)責(zé)偵聽指定端口，判斷并識(shí)別數(shù)據(jù)感知終端發(fā)出的 TCP/IP Socket 連接請求，如屬本欄目責(zé)任編輯：唐一東人工智能及識(shí)別技術(shù)7827網(wǎng)絡(luò)媒點(diǎn)Computer Knowledge and Technology 電腦知識(shí)與技術(shù)第 9 卷第 34 期 (2013 年 12 月)圖 3 無線傳感器節(jié)點(diǎn)硬件結(jié)構(gòu)于合法數(shù)據(jù)則存入指定的數(shù)據(jù)庫；數(shù)據(jù)管理服務(wù)器主要實(shí)現(xiàn)對存入指定數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)進(jìn)行相應(yīng)的處

14、理后，進(jìn)行規(guī)范化管理；Web 服務(wù)器主要為遠(yuǎn)程監(jiān)控中心管理系統(tǒng)提供 Web 服務(wù)；移動(dòng)應(yīng)用服務(wù)器主要智能移動(dòng)終端的提供 WAP 服務(wù)；應(yīng)用服務(wù)器主要為其 他各類系統(tǒng)提供數(shù)據(jù)接口、權(quán)限管理和其他應(yīng)用服務(wù)。2.4 遠(yuǎn)程監(jiān)控功能模塊設(shè)計(jì)該模塊主要是運(yùn)行在 Web/Wap 服務(wù)器上的網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用程序，采用 B/S 模式設(shè)計(jì)，用戶通過遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)客戶端或智能移動(dòng)終端 瀏覽器即可訪問，實(shí)現(xiàn)對無線傳感器節(jié)點(diǎn)實(shí)時(shí)感知的養(yǎng)殖現(xiàn)場環(huán)境數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)顯示、歷史查詢、數(shù)據(jù)分析，以及控制指令下發(fā)、報(bào) 表管理和輔助的決策分析等功能。3 總結(jié)影響水產(chǎn)養(yǎng)殖環(huán)境的關(guān)鍵參數(shù)是水溫、溶解氧、氨氮、ph 值等，但目前這些參數(shù)的獲取主要以手工

15、化學(xué)測定為主，基于物聯(lián)網(wǎng) 等新一代信息技術(shù)的水產(chǎn)養(yǎng)殖智能監(jiān)控系統(tǒng)的應(yīng)用，不但可以避免傳統(tǒng)離線檢測中存在的數(shù)據(jù)不全及耗時(shí)費(fèi)力等弊端，還可以實(shí) 時(shí)了解各個(gè)關(guān)鍵數(shù)據(jù)的變化情況，以便為水產(chǎn)養(yǎng)殖人員提供準(zhǔn)確、實(shí)時(shí)的數(shù)據(jù)，使人們對水產(chǎn)養(yǎng)殖過程的規(guī)律有更進(jìn)一步的認(rèn)識(shí)， 從而對養(yǎng)殖環(huán)境參數(shù)進(jìn)行最優(yōu)化控制，降低養(yǎng)殖成本，提高養(yǎng)殖效益，為科學(xué)水產(chǎn)養(yǎng)殖的可持續(xù)發(fā)展奠定基礎(chǔ)。參考文獻(xiàn)：1 賈德昌.中國農(nóng)業(yè)進(jìn)入科技創(chuàng)新驅(qū)動(dòng)新時(shí)代專家學(xué)者闡釋 2012 年中央一號文件J.中國工程咨詢,2012(3):13-19. 2 施連敏,陳志峰,蓋之華. 物聯(lián)網(wǎng)在智慧農(nóng)業(yè)中的應(yīng)用J.農(nóng)機(jī)化研究,2013(6):250-252.3 曾寶國,劉美芩.基于物聯(lián)網(wǎng)的水產(chǎn)養(yǎng)殖水質(zhì)實(shí)時(shí)監(jiān)測系統(tǒng)J.計(jì)算機(jī)系統(tǒng)應(yīng)用,2013, 22(6):53-56.4 李慧,劉星橋,李景,陸曉嵩,宦娟.基于物聯(lián)網(wǎng) Android 平臺(tái)的水產(chǎn)養(yǎng)殖遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)J.農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2013, 29(13):175-181.5 史兵,趙德安,劉星橋,蔣建明,孫月平.基于無線傳感網(wǎng)絡(luò)的規(guī)?；a(chǎn)養(yǎng)殖智能監(jiān)控系統(tǒng)J.農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào),2011,27(9):136-140. 6 單正婭.基于無線傳感網(wǎng)的原生態(tài)