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魚塘環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計(jì)分析論文
摘要：文中設(shè)計(jì)了一款基于物聯(lián)網(wǎng)、傳感器的集反饋與控制于一體的魚塘環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)，利用水溫水位傳感器、水質(zhì)pH值檢測傳感器和溶氧量檢測傳感器監(jiān)測魚塘相關(guān)參數(shù)，并通過分析監(jiān)測數(shù)據(jù)判斷魚塘當(dāng)前的環(huán)境狀況，進(jìn)而控制氣泵、水泵對魚塘進(jìn)行充氧、換水等操作。該系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)淡水養(yǎng)殖過程的水質(zhì)自動(dòng)控制、管理與預(yù)警，降低水產(chǎn)養(yǎng)殖風(fēng)險(xiǎn)，提高產(chǎn)品數(shù)量和質(zhì)量，具有廣闊的市場應(yīng)用前景。
關(guān)鍵詞：物聯(lián)網(wǎng)；傳感器；監(jiān)測系統(tǒng)；無線網(wǎng)絡(luò)
我國漁業(yè)總產(chǎn)量連續(xù)多年居世界首位。魚的產(chǎn)量與魚塘環(huán)境休戚相關(guān)，一旦水質(zhì)被污染就會(huì)破壞魚塘環(huán)境導(dǎo)致減產(chǎn)，因此必須對魚塘環(huán)境相關(guān)參數(shù)進(jìn)行監(jiān)測，預(yù)防水質(zhì)被破壞，滿足魚塘所需的水質(zhì)要求[1]。目前我國大多數(shù)魚塘管理者對水中環(huán)境好壞的判斷主要通過魚有無浮頭等現(xiàn)象來判斷含氧量的多少，再利用人工控制增氧機(jī)作業(yè)。這類方法效率低。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)和物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的不斷發(fā)展和提高，遠(yuǎn)程監(jiān)測系統(tǒng)已被廣泛應(yīng)用于各領(lǐng)域。在水產(chǎn)養(yǎng)殖領(lǐng)域，傳統(tǒng)的人工養(yǎng)殖和人工采樣監(jiān)測已無法實(shí)現(xiàn)對魚塘環(huán)境的實(shí)時(shí)監(jiān)控，也不能隨時(shí)獲取魚塘的水質(zhì)動(dòng)態(tài)，所以智能化、自動(dòng)化和網(wǎng)絡(luò)化的工廠化養(yǎng)殖方式已成為漁業(yè)發(fā)展的必然趨勢[2]。這種養(yǎng)殖方式不僅能降低傳統(tǒng)養(yǎng)殖的勞動(dòng)強(qiáng)度，保障水產(chǎn)品安全，保障水產(chǎn)養(yǎng)殖高效生產(chǎn)，同時(shí)還能對魚塘環(huán)境進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測[3-4]。針對上述情況，本文設(shè)計(jì)了一套基于物聯(lián)網(wǎng)的魚塘環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)。該系統(tǒng)集數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)分析、信息反饋和自動(dòng)調(diào)節(jié)等功能于一體，通過無線接入點(diǎn)向配電箱發(fā)送控制指令。該系統(tǒng)針對魚塘分布廣、監(jiān)測點(diǎn)多、布線和供電困難等特點(diǎn)，利用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，遠(yuǎn)程在線采集氣象信息，實(shí)現(xiàn)旱情自動(dòng)預(yù)報(bào)等。用戶可以通過手機(jī)、平板、計(jì)算機(jī)等信息終端遠(yuǎn)程查詢水質(zhì)信息，采集溫度、光照、pH值、水位、溶解氧等數(shù)據(jù)，并控制進(jìn)出水、增氧設(shè)備等的工作，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程魚塘環(huán)境監(jiān)測。數(shù)據(jù)中心利用采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，之后作出決策發(fā)出指令控制氣泵和水泵進(jìn)行自我調(diào)節(jié)，實(shí)現(xiàn)淡水養(yǎng)殖過程水質(zhì)自動(dòng)控制、管理與預(yù)警，降低水產(chǎn)養(yǎng)殖風(fēng)險(xiǎn)，提高單位水面的產(chǎn)量和水產(chǎn)品質(zhì)量。
1魚塘環(huán)境檢測系統(tǒng)的框架結(jié)構(gòu)
平臺(tái)架構(gòu)如圖1所示。系統(tǒng)架構(gòu)分為數(shù)據(jù)采集層、網(wǎng)絡(luò)傳輸層、中間網(wǎng)關(guān)層、應(yīng)用服務(wù)層、移動(dòng)服務(wù)層。1.1數(shù)據(jù)采集層數(shù)據(jù)采集層由多種傳感器組成，主要采集魚塘環(huán)境的相關(guān)參數(shù)。終端接入層放置在魚塘中，用以檢測水質(zhì)參數(shù)，可對水位、光照、pH值、溶解氧和水溫等環(huán)境參數(shù)進(jìn)行遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)監(jiān)測[5-6]。1.2網(wǎng)絡(luò)傳輸層網(wǎng)絡(luò)傳輸層負(fù)責(zé)與外部網(wǎng)絡(luò)通信，用于應(yīng)用層和采集層之間的數(shù)據(jù)傳輸，將終端采集到的數(shù)據(jù)通過ZigBee網(wǎng)絡(luò)發(fā)送至網(wǎng)關(guān)，系統(tǒng)支持以太網(wǎng)、RS232等有線方式和WiFi，ZigBee，Bluetooth等無線方式[7-9]。1.3中間網(wǎng)關(guān)層網(wǎng)關(guān)放置在魚塘附近，采用無線傳輸方式接收數(shù)據(jù)并顯示，同時(shí)將該終端發(fā)送的數(shù)據(jù)通過串口傳送給監(jiān)控中心軟件，再通過Internet網(wǎng)絡(luò)將數(shù)據(jù)傳輸至遠(yuǎn)程魚塘監(jiān)控中心[10]。1.4應(yīng)用服務(wù)層應(yīng)用層主要負(fù)責(zé)感知數(shù)據(jù)的分析、處理、統(tǒng)計(jì)及顯示，并進(jìn)行及時(shí)預(yù)警、自動(dòng)控制和科學(xué)決策，主要包括物聯(lián)網(wǎng)云服務(wù)平臺(tái)、兩級監(jiān)控中心、預(yù)警與控制決策系統(tǒng)，對傳輸層傳遞的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析、處理和決策控制。負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)、統(tǒng)計(jì)、分析、圖形化顯示，包括數(shù)據(jù)查詢、報(bào)表生成、繪制分析曲線等，并根據(jù)環(huán)境信息進(jìn)行決策和自動(dòng)控制，及數(shù)據(jù)的分析判斷，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)監(jiān)控查詢和預(yù)警[11-12]。該部分由數(shù)據(jù)庫和后臺(tái)數(shù)據(jù)處理軟件組成。1.5移動(dòng)服務(wù)層移動(dòng)服務(wù)層支持手持設(shè)備，智能手機(jī)和平板使用APP軟件連接數(shù)據(jù)庫查看監(jiān)控中心的信息并進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，通過藍(lán)牙、無線技術(shù)自動(dòng)傳輸?shù)紸ndroid手機(jī)端[13]。服務(wù)器將數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)推送到云端，通過手機(jī)或者電腦網(wǎng)頁遠(yuǎn)程控制和獲取相關(guān)數(shù)據(jù)�？蓴U(kuò)展連接公有、私有云服務(wù)器。水產(chǎn)養(yǎng)殖智能監(jiān)控系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)對水位、光照、pH值、溶解氧和水溫等魚塘環(huán)境參數(shù)的實(shí)時(shí)自動(dòng)采集、處理和顯示，傳感器節(jié)點(diǎn)和協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)之間的數(shù)據(jù)通過無線網(wǎng)絡(luò)傳輸，構(gòu)建云網(wǎng)關(guān)，實(shí)時(shí)將水的溶解氧、水溫、pH值等信息推送到云數(shù)據(jù)中心，再憑借Android移動(dòng)客戶端和Web端獲得這些數(shù)據(jù)，用戶能夠隨時(shí)隨地遠(yuǎn)程獲取測得的水的溶解氧、水溫等信息[14]。
2魚塘環(huán)境檢測系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)
溶解氧、水溫、pH值、光照、水位等傳感器作為數(shù)據(jù)采集類物聯(lián)網(wǎng)傳感器，能夠主動(dòng)采集水的環(huán)境信息并發(fā)送至采集節(jié)點(diǎn)。采集到水質(zhì)參數(shù)后，利用ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)將其發(fā)送至ZigBee網(wǎng)關(guān)，后經(jīng)串口發(fā)送至控制電腦，再通過互聯(lián)網(wǎng)把數(shù)據(jù)發(fā)送到服務(wù)器的接收端程序。該程序把數(shù)據(jù)保存到數(shù)據(jù)庫，利用Web網(wǎng)站和手機(jī)顯示數(shù)據(jù)庫的傳感器數(shù)據(jù)，用戶也可通過網(wǎng)站和手機(jī)控制主動(dòng)采樣過程。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)監(jiān)測節(jié)點(diǎn)的硬件結(jié)構(gòu)模塊如圖2所示。系統(tǒng)主要包括微處理器、水溫水位傳感器、水質(zhì)pH值檢測傳感器、溶氧量檢測傳感器和無線射頻模塊[15]。測量節(jié)點(diǎn)采用ZigBee芯片CC2530作為微處理器，主要接收來自PC機(jī)水質(zhì)數(shù)據(jù)采集軟件的命令并轉(zhuǎn)發(fā)給每個(gè)水質(zhì)數(shù)據(jù)檢測終端，接收每個(gè)水質(zhì)檢測終端上傳的數(shù)據(jù)并通過USB接口傳送到PC機(jī)。
3魚塘環(huán)境檢測系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)
系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)需求主要包括移動(dòng)監(jiān)測平臺(tái)設(shè)計(jì)和網(wǎng)站平臺(tái)設(shè)計(jì)[16]�；贏ndroid手機(jī)系統(tǒng)打造一個(gè)基于云服務(wù)的魚塘環(huán)境移動(dòng)監(jiān)控平臺(tái)。通過手機(jī)對魚塘環(huán)境進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，并可按日、月、年將環(huán)境參數(shù)（如溫濕度）變化以曲線方式呈現(xiàn)。通過與移動(dòng)終端連接，在APP中可及時(shí)、準(zhǔn)確地監(jiān)測魚塘的水質(zhì)狀況，可在水質(zhì)信號異常時(shí)發(fā)出警告[17]。對監(jiān)測和跟蹤的數(shù)據(jù)進(jìn)行系統(tǒng)分析，并將分析結(jié)果及時(shí)通知管理人員。移動(dòng)監(jiān)測平臺(tái)分為水質(zhì)參數(shù)監(jiān)測與讀取顯示模塊，水質(zhì)歷史數(shù)據(jù)分析模塊，水質(zhì)聯(lián)動(dòng)遠(yuǎn)程管理控制模塊，設(shè)備管理模塊，養(yǎng)魚咨詢模塊，用戶信息模塊，水產(chǎn)品追溯模塊等。移動(dòng)監(jiān)測平臺(tái)功能模塊如圖3所示。網(wǎng)站平臺(tái)設(shè)計(jì)：網(wǎng)站提供實(shí)時(shí)監(jiān)控式水質(zhì)診斷服務(wù)。平臺(tái)可接收網(wǎng)關(guān)傳輸?shù)聂~塘水質(zhì)監(jiān)測數(shù)據(jù)，并對數(shù)據(jù)做出解析處理、遠(yuǎn)程顯示和控制網(wǎng)關(guān)[18]。通過監(jiān)測水溫、pH值等生命體征，實(shí)時(shí)分析魚塘水質(zhì)狀況，建立魚塘水質(zhì)狀況檔案，發(fā)布水質(zhì)狀況曲線，計(jì)算水質(zhì)指數(shù)，并對潛在水質(zhì)風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行評估和預(yù)警[19]。子功能包括監(jiān)控管理模塊、系統(tǒng)管理模塊、數(shù)據(jù)分析模塊等。網(wǎng)站功能模塊如圖4所示。
4結(jié)語
本文基于對國內(nèi)外水產(chǎn)養(yǎng)殖環(huán)境監(jiān)測的現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢以及相關(guān)環(huán)境監(jiān)測技術(shù)和應(yīng)用的研究，得出目前魚塘環(huán)境監(jiān)測幾大關(guān)鍵因素集中在水位監(jiān)測、pH值檢測、水溫、氧容量等指標(biāo)，以及在檢測中所要用到的設(shè)備與技術(shù)的結(jié)論。本系統(tǒng)的基本功能包括魚塘水位監(jiān)控，可實(shí)時(shí)控制水泵開關(guān)、監(jiān)測水體pH值、監(jiān)測水溶解氧，并在移動(dòng)端控制增氧閥門以及水溫的監(jiān)測。與當(dāng)前其他水產(chǎn)養(yǎng)殖監(jiān)測系統(tǒng)相比，本系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)魚塘監(jiān)測的智能化，進(jìn)而提高魚塘環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)的自動(dòng)化程度，降低魚塘管理與維護(hù)難度，具有廣闊的市場應(yīng)用前景。
作者：漆顥 管華 龔?fù)砹?單位：湖北中醫(yī)藥大學(xué)信息工程學(xué)院 武漢大學(xué)電子信息學(xué)院
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