基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的水產(chǎn)養(yǎng)殖監(jiān)控方案

【摘 要】介紹了一種適用于水產(chǎn)養(yǎng)殖的多水因子遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)，該系統(tǒng)由上位機(jī)、網(wǎng)關(guān)單元、ZigBee節(jié)點(diǎn)、手機(jī)組成，網(wǎng)關(guān)基于S3C2440嵌入式開(kāi)發(fā)板、GSM模塊、ZigBee匯聚節(jié)點(diǎn)開(kāi)發(fā)，測(cè)控節(jié)點(diǎn)基于ZigBee節(jié)點(diǎn)擴(kuò)展溫度傳感器、溶解氧電極、PH值電極、輸出繼電器組成，系統(tǒng)可以通過(guò)GPRS網(wǎng)絡(luò)及時(shí)的向用戶(hù)發(fā)送監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，也可以通過(guò)以太網(wǎng)絡(luò)向上位機(jī)發(fā)送。

【關(guān)鍵詞】水產(chǎn)養(yǎng)殖 物聯(lián)網(wǎng) 嵌入式系統(tǒng) ZigBee

在名貴水產(chǎn)品育種和養(yǎng)殖中，除了餌料的準(zhǔn)確投放外，對(duì)水質(zhì)的要求也很高，水的溫度、溶氧量、氨氮濃度、渾濁度、PH值等參數(shù)的實(shí)時(shí)測(cè)量[1]和控制是一個(gè)十分關(guān)鍵的問(wèn)題。有的參數(shù)容易獲得，比如水位高低[2]、渾濁程度肉眼就可以看到，有的參數(shù)，比如溶氧量、氨氮濃度、PH值，單憑經(jīng)驗(yàn)很難精確和實(shí)時(shí)的估摸，需要借助儀器才能測(cè)知。現(xiàn)在的做法是，養(yǎng)殖戶(hù)購(gòu)買(mǎi)單獨(dú)的儀表分別測(cè)量某個(gè)參數(shù)，市售的儀表有手持式的PH計(jì)、溶氧計(jì)、氨氮計(jì)，雖然也出現(xiàn)了在線(xiàn)式的測(cè)量?jī)x器，但是這些設(shè)備在使用上還是存在一些問(wèn)題。手持式儀表雖然攜帶方便，但是不能長(zhǎng)時(shí)間在線(xiàn)測(cè)量，只有用戶(hù)覺(jué)得水質(zhì)異常時(shí)才主動(dòng)監(jiān)測(cè)，所以測(cè)量不及時(shí)。而現(xiàn)有的在線(xiàn)測(cè)量的儀表功能又比較單一，比如只能測(cè)量溶氧量或者氨氮量，用戶(hù)必須購(gòu)買(mǎi)所有這些不同廠家生產(chǎn)的測(cè)量?jī)x器然后分別得到測(cè)量的結(jié)果，不能實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)時(shí)間多參素的連續(xù)測(cè)控，并且需要人的頻繁的參與，不能滿(mǎn)足生產(chǎn)的自動(dòng)化管理需求。為此，我們提出了物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)為核心的水溫、溶解氧濃度等水體多環(huán)境因子自動(dòng)監(jiān)控系統(tǒng)[3]，能連續(xù)在線(xiàn)測(cè)量多個(gè)水體參數(shù)，并根據(jù)用戶(hù)對(duì)測(cè)量閾值的設(shè)定自動(dòng)開(kāi)啟或關(guān)閉水閥、增氧機(jī)等相關(guān)設(shè)備或報(bào)警。在測(cè)控單元還進(jìn)行各參數(shù)的補(bǔ)償和數(shù)據(jù)處理，有效地提高了測(cè)量準(zhǔn)確度和控制的時(shí)效性，另外根據(jù)用戶(hù)的要求增加了存放歷史數(shù)據(jù)的上位機(jī)。

一、ZigBee技術(shù)與物聯(lián)網(wǎng)

水產(chǎn)養(yǎng)殖戶(hù)需要隨時(shí)了解水池的物理狀況，也就是水塘各參數(shù)通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)或者移動(dòng)通信網(wǎng)呈現(xiàn)在用戶(hù)面前，其實(shí)就是物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的水產(chǎn)養(yǎng)殖應(yīng)用。物聯(lián)網(wǎng)是指通過(guò)各種信息傳感設(shè)備，實(shí)時(shí)采集任何需要監(jiān)控、連接、互動(dòng)的物體或過(guò)程等各種需要的信息，通過(guò)各種有線(xiàn)通信、無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)或者移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)與互聯(lián)網(wǎng)結(jié)合形成的一個(gè)巨大網(wǎng)絡(luò)。其目的是實(shí)現(xiàn)物與物、物與人，所有的物品與網(wǎng)絡(luò)的連接，方便識(shí)別、管理和控制，在這種互連中，物聯(lián)網(wǎng)需要解決的是最后100米的問(wèn)題，ZigBee[4]技術(shù)是目前公認(rèn)的最后100米主要技術(shù)解決方案，它比現(xiàn)有的WiFi、藍(lán)牙等無(wú)線(xiàn)技術(shù)更加安全、可靠，同時(shí)由于其組網(wǎng)能力強(qiáng)、具備網(wǎng)絡(luò)自愈能力并且功耗更低，ZigBee無(wú)線(xiàn)技術(shù)的這些特點(diǎn)非常適合物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展要求。

ZigBee協(xié)議是在IEEE 802.15.4標(biāo)準(zhǔn)的物理層和媒介層基礎(chǔ)上增加網(wǎng)絡(luò)層和應(yīng)用層組成的，網(wǎng)絡(luò)中的所有設(shè)備都擁有一個(gè)64位的IEEE地址，在多個(gè)微小的末端設(shè)備之間相互協(xié)調(diào)實(shí)現(xiàn)通信。這些末端設(shè)備只需要很少的能量，以接力的方式通過(guò)無(wú)線(xiàn)電波將數(shù)據(jù)從一個(gè)節(jié)點(diǎn)發(fā)送到另一個(gè)節(jié)點(diǎn)，以達(dá)到更大的測(cè)控范圍和更高的通信效率。作為物聯(lián)網(wǎng)主要支撐技術(shù)之一，ZigBee技術(shù)的主要應(yīng)用領(lǐng)域包括智慧城市、工業(yè)自動(dòng)化、數(shù)字家庭、醫(yī)療設(shè)備和農(nóng)業(yè)應(yīng)用等，在水環(huán)境參數(shù)監(jiān)測(cè)中，對(duì)數(shù)據(jù)量和通信速度的要求并不高，采用ZigBee技術(shù)既發(fā)揮了該技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)，又滿(mǎn)足了測(cè)控需要，節(jié)省系統(tǒng)成本。

二、基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的水產(chǎn)養(yǎng)殖測(cè)控系統(tǒng)

（一）系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

水產(chǎn)養(yǎng)殖測(cè)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示，由ZigBee無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)、有線(xiàn)以太網(wǎng)絡(luò)、GPRS移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)組成。ZigBee網(wǎng)絡(luò)采用星形拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)[5]，由一個(gè)負(fù)責(zé)協(xié)調(diào)管理的匯聚節(jié)點(diǎn)和可擴(kuò)展的若干個(gè)測(cè)控子節(jié)點(diǎn)組成，其中匯聚節(jié)點(diǎn)是無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)的控制核心，負(fù)責(zé)ZigBee網(wǎng)絡(luò)的建立、維護(hù)、路由等功能，它除具有ZigBee全功能設(shè)備（FFD）的電路和協(xié)議棧之外，還具有RS232串行通信電路，可以提供ARM的訪(fǎng)問(wèn)和控制功能。測(cè)控子節(jié)點(diǎn)是一個(gè)包含單片機(jī)的ZigBee協(xié)議應(yīng)用終端設(shè)備（RFD），它用來(lái)測(cè)量水體的各個(gè)參數(shù)或執(zhí)行水塘維護(hù)設(shè)備的運(yùn)行控制，它通過(guò)ZigBee無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)和匯聚節(jié)點(diǎn)通信，并經(jīng)過(guò)匯聚節(jié)點(diǎn)和以太網(wǎng)絡(luò)或GPRS網(wǎng)絡(luò)間接接受用戶(hù)的遠(yuǎn)程控制。

（二）網(wǎng)關(guān)的設(shè)計(jì)

網(wǎng)關(guān)包括ARM處理器、人機(jī)交互模塊、ZigBee通信模塊、GSM通信模塊、以太網(wǎng)通信模塊五部分構(gòu)成。ARM處理器采用SAMSUNG公司的S3C2440A[6]，S3C2440A為用戶(hù)提供了面向移動(dòng)終端應(yīng)用的豐富外設(shè)、低功耗管理和低成本的外圍配置。S3C2440A內(nèi)嵌ARM920T 32位ARM內(nèi)核，運(yùn)行在200MHz，集成了支持640*480真彩色LCD控制器；支持低成本的NAND Flash并可從其直接啟動(dòng)，支持SDRAM等存儲(chǔ)器件，四通道的定時(shí)器和三通道的PWM，三個(gè)UART控制器滿(mǎn)足了GSM模塊、ZigBee模塊的擴(kuò)展以及開(kāi)發(fā)過(guò)程中的串口調(diào)試的需求。

如圖2所示，主節(jié)點(diǎn)以S3C2440A為核心，通過(guò)片內(nèi)存儲(chǔ)控制器外擴(kuò)32MB的NAND Flash和64MB SDRAM構(gòu)成存儲(chǔ)子系統(tǒng)，通過(guò)片內(nèi)的LCD控制器和GPIO外擴(kuò)640×480的TFT LCD和4個(gè)按鍵構(gòu)成人機(jī)交互界面，通過(guò)片內(nèi)UART外擴(kuò)RS485通信電路，通過(guò)片內(nèi)SPI接口外擴(kuò)ZigBee模塊。ZigBee模塊以TI/Chipcon的CC2420單片ZigBee 無(wú)線(xiàn)收發(fā)電路構(gòu)成，GSM模塊采用西門(mén)子TC35成品，保證了穩(wěn)定性和可靠性，也降低了系統(tǒng)成本。

（三）測(cè)控節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)

測(cè)控節(jié)點(diǎn)以TI/Chipcon的CC2530單片ZigBee無(wú)線(xiàn)收發(fā)電路和各傳感器電路構(gòu)成。CC2530是在CC2420的基礎(chǔ)上增加微控制器、A/D、DMA、AES協(xié)處理器、USART、RAM、Flash等電路組成的，它是完整的ZigBee片上系統(tǒng)，只需外接簡(jiǎn)單的射頻匹配電路和天線(xiàn)即可實(shí)現(xiàn)一個(gè)ZigBee的FFD或RFD節(jié)點(diǎn)，并可外擴(kuò)常規(guī)的傳感器電路和I/O量。本設(shè)計(jì)中，測(cè)控節(jié)點(diǎn)外擴(kuò)了溫度傳感器、溶氧傳感器、PH值傳感器測(cè)量電路，控制節(jié)點(diǎn)外擴(kuò)了水閥繼電器、加熱爐、增氧機(jī)等功率設(shè)備的啟?？刂齐娐罚渲兴w測(cè)量和調(diào)控用的溫度傳感器、溶氧傳感器、PH值傳感器、加熱爐、增氧機(jī)等均采用水產(chǎn)養(yǎng)殖專(zhuān)用設(shè)備。

（四）軟件設(shè)計(jì)

網(wǎng)關(guān)主要負(fù)責(zé)ZigBee網(wǎng)絡(luò)的維護(hù)和管理，接受遠(yuǎn)程PC機(jī)的調(diào)度和控制，并且可以響應(yīng)測(cè)控室內(nèi)用戶(hù)的按鍵操作，執(zhí)行現(xiàn)場(chǎng)查詢(xún)控制任務(wù)，需要進(jìn)行復(fù)雜的多任務(wù)處理，因此主節(jié)點(diǎn)的軟件采用基于uCLinux嵌入式操作系統(tǒng)[7]開(kāi)發(fā)。在S3C2440處理器上移植uCLinux后，根據(jù)網(wǎng)關(guān)的功能需求，構(gòu)建uCLinux驅(qū)動(dòng)程序和應(yīng)用任務(wù)、ZigBee組網(wǎng)任務(wù)、主節(jié)點(diǎn)與測(cè)控節(jié)點(diǎn)通信交互任務(wù)、遠(yuǎn)程端口監(jiān)聽(tīng)任務(wù)、文件管理任務(wù)、按鍵任務(wù)等一系列應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)主控協(xié)調(diào)器軟件的全部應(yīng)用功能。

測(cè)控子節(jié)點(diǎn)加電初始化后，先后關(guān)閉傳感器模塊、射頻模塊、內(nèi)部時(shí)鐘進(jìn)入休眠模式，由休眠模式定時(shí)器產(chǎn)生定時(shí)中斷信號(hào)來(lái)控制節(jié)點(diǎn)的測(cè)量工作，當(dāng)設(shè)定的數(shù)據(jù)發(fā)送間隔時(shí)間達(dá)到后，定時(shí)器發(fā)送一個(gè)中斷信號(hào)喚醒測(cè)控節(jié)點(diǎn)，微處理器脫離休眠狀態(tài)進(jìn)入工作狀態(tài)，恢復(fù)時(shí)鐘并打開(kāi)傳感器和射頻模塊的功能，整個(gè)節(jié)點(diǎn)微處理器采集傳感器檢測(cè)到的數(shù)據(jù)進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換及一些初步處理，按照設(shè)定的數(shù)據(jù)格式送入射頻模塊調(diào)制成射頻信號(hào)發(fā)送出去，匯聚節(jié)點(diǎn)接收這個(gè)信號(hào)再還原成數(shù)字量送給遠(yuǎn)程監(jiān)控計(jì)算機(jī)。

（五）系統(tǒng)的應(yīng)用

受目前技術(shù)的限制，溶氧量傳感器價(jià)格昂貴，又需要定期維護(hù)，使用較為麻煩，PH值傳感器雖然相對(duì)便宜，但是也需要定期維護(hù)，只有溫度傳感器便宜并且很少需要維護(hù)，所以建議溶氧傳感器數(shù)量少些，只放置在魚(yú)群集中的地方、PH值傳感器和溫度傳感器的數(shù)量可以適當(dāng)多一些。具體應(yīng)用時(shí)，上位機(jī)放置在用戶(hù)方便操作的地方，網(wǎng)關(guān)安置在水池附近的測(cè)控室內(nèi)，上位機(jī)和網(wǎng)關(guān)之間通過(guò)有線(xiàn)以太網(wǎng)通信，測(cè)控子節(jié)點(diǎn)根據(jù)養(yǎng)殖現(xiàn)場(chǎng)規(guī)模的大小安置在水體適當(dāng)?shù)奈恢茫W(wǎng)關(guān)也通過(guò)GSM網(wǎng)絡(luò)和用戶(hù)的手機(jī)通信。測(cè)控節(jié)點(diǎn)定時(shí)測(cè)量并通過(guò)網(wǎng)關(guān)向上位機(jī)和手機(jī)發(fā)送一次傳感器數(shù)值，當(dāng)測(cè)量到水溫或溶氧量偏低時(shí)，自動(dòng)啟動(dòng)相應(yīng)設(shè)備進(jìn)行補(bǔ)償，當(dāng)水體PH值不正常時(shí)發(fā)出報(bào)警聲，手機(jī)會(huì)收到是否更換水質(zhì)的提示，用戶(hù)只需要回復(fù)短信即可打開(kāi)相應(yīng)設(shè)備，借助本系統(tǒng)的再現(xiàn)測(cè)控功能，用戶(hù)可以及時(shí)處理險(xiǎn)情，減少損失。

本系統(tǒng)采用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)和嵌入式系統(tǒng)控制技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了水產(chǎn)養(yǎng)殖多個(gè)水體環(huán)境參數(shù)的實(shí)時(shí)測(cè)控，不僅避免了傳統(tǒng)的手工測(cè)定存在的耗時(shí)費(fèi)力、數(shù)據(jù)不及時(shí)等弊端，還可以隨時(shí)了解數(shù)據(jù)的變化情況，并對(duì)環(huán)境參數(shù)進(jìn)行自動(dòng)控制，降低了水產(chǎn)養(yǎng)殖的投入成本和勞動(dòng)強(qiáng)度，提高了生產(chǎn)效率，加快水產(chǎn)養(yǎng)殖業(yè)的商業(yè)化進(jìn)程。產(chǎn)品在滿(mǎn)足水塘環(huán)境因子測(cè)控需求的同時(shí)，還可以用于其他工農(nóng)業(yè)控制和通信產(chǎn)品中，具有明顯的技術(shù)優(yōu)勢(shì)和市場(chǎng)推廣前景。

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作者簡(jiǎn)介：華大龍，1972-5-1，男，漢族，籍貫：江蘇淮安市，淮安信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院，副教授 本科，研究方向：計(jì)算機(jī)應(yīng)用方面。