基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的河蟹病原體監(jiān)測系統(tǒng)

蓋之華　施連敏　陳志峰

摘要：為了有效預(yù)防河蟹養(yǎng)殖過程中的病原體危害，指導(dǎo)蟹農(nóng)進(jìn)行河蟹疾病的預(yù)防與控制，設(shè)計并實(shí)現(xiàn)了基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的河蟹病原體監(jiān)測系統(tǒng)，主要包括建立病原體實(shí)時數(shù)據(jù)庫、設(shè)計系統(tǒng)的軟件架構(gòu)和傳感器模塊、提供數(shù)據(jù)優(yōu)化模塊。結(jié)果表明，本系統(tǒng)在河蟹養(yǎng)殖領(lǐng)域具有極大的應(yīng)用前景。

關(guān)鍵詞：河蟹病原體；監(jiān)測系統(tǒng)；無線傳感器網(wǎng)絡(luò)

中圖分類號： TP274；S126文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A文章編號：1002-1302（2015）11-0510-03

收稿日期：2014-12-29

基金項目：江蘇省蘇州市應(yīng)用基礎(chǔ)研究計劃（編號：SYN201305）；江蘇省高?？蒲谐晒a(chǎn)業(yè)化推進(jìn)工程項目（編號：JHB2012-79）。

作者簡介：蓋之華（1979—），男，江蘇淮安人，工程師，主要從事智能信息處理研究。E-mail：slmxiaodai@163.com。

通信作者：施連敏，工程師，主要從事智能信息處理研究。E-mail：18915418296@163.com。河蟹是我國最重要的淡水蟹類，由于其適應(yīng)性較強(qiáng)，養(yǎng)殖范圍廣，近年來養(yǎng)殖規(guī)模迅速增加，給養(yǎng)殖戶帶來了良好的經(jīng)濟(jì)效益。但由于河蟹棲息在水底，生病后往往不易發(fā)覺。通常情況下，河蟹的疾病是由相關(guān)病原體的入侵造成的[1]。但是，由于絕大多數(shù)蟹農(nóng)缺乏足夠的信息資料來準(zhǔn)確地監(jiān)測預(yù)警與控制產(chǎn)生河蟹疾病的病原體，從而導(dǎo)致無法對河蟹疾病進(jìn)行有效的預(yù)防和治理，病急亂投醫(yī)、亂投藥的情況時有發(fā)生，造成了極大的經(jīng)濟(jì)損失，同時也制約了河蟹產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。因此，防治蟹病應(yīng)從控制病原體著手，建立起有效的河蟹病原體監(jiān)測與控制系統(tǒng)體系。當(dāng)前，隨著生物傳感器[2-3]、地理信息系統(tǒng)（geographic information system，GIS）、移動互聯(lián)網(wǎng)、云計算等新一代信息技術(shù)的快速發(fā)展，將信息化技術(shù)應(yīng)用到河蟹病原體監(jiān)測預(yù)警與控制中，指導(dǎo)蟹農(nóng)進(jìn)行疾病的預(yù)防與控制，改變蟹農(nóng)看病難、用藥亂的現(xiàn)狀，提升河蟹生態(tài)化養(yǎng)殖品質(zhì)，已成為河蟹養(yǎng)殖業(yè)健康發(fā)展的必然趨勢。

1河蟹病原體監(jiān)測系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)

1.1傳感器網(wǎng)絡(luò)的軟件結(jié)構(gòu)

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)（wireless sensor networks，WSN）是由部署在監(jiān)測區(qū)域內(nèi)的大量廉價微型傳感器節(jié)點(diǎn)組成，通過無線通信方式形成的一個多跳的自組織的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，其目的是協(xié)作地感知、采集和處理網(wǎng)絡(luò)覆蓋區(qū)域中感知對象的信息，并轉(zhuǎn)發(fā)給觀察者處理[4-5]。本系統(tǒng)的傳感器網(wǎng)絡(luò)采用LEACH[6]協(xié)議，該網(wǎng)絡(luò)主要由節(jié)點(diǎn)、簇頭以及基站組成。節(jié)點(diǎn)是感知水質(zhì)參數(shù)的主要節(jié)點(diǎn)，位于傳感網(wǎng)的末端，負(fù)責(zé)采集病原體、水溫、pH值等數(shù)據(jù)，并將采集到的數(shù)據(jù)通過無線傳輸模塊發(fā)送出去；簇頭是數(shù)據(jù)采集的關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)，在預(yù)先設(shè)定的時刻按順序收集簇內(nèi)節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)，并轉(zhuǎn)發(fā)給基站；基站收到各簇頭的數(shù)據(jù)，再通過GPRS模塊將數(shù)據(jù)包通過Internet傳送到服務(wù)器。傳感器網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)如圖1所示。

1.2河蟹病原體監(jiān)測系統(tǒng)軟件架構(gòu)

從病原體預(yù)警的實(shí)時性及長期性考慮，將河蟹病原體監(jiān)測系統(tǒng)架構(gòu)分為4層，分別為應(yīng)用層、中間層、數(shù)據(jù)層、基礎(chǔ)層。應(yīng)用層由河蟹病原體預(yù)警功能模塊和WEBGIS發(fā)布功能模塊組成，研究者和決策者可以通過瀏覽器或病原體預(yù)警功能模塊主界面向數(shù)據(jù)層發(fā)送指令包并通過不同接口實(shí)現(xiàn)響應(yīng)指令；中間層由通信接口、GIS接口及數(shù)據(jù)接口組成，用來處理用戶傳入的指令并通過數(shù)據(jù)層實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)分析；數(shù)據(jù)層由病原體數(shù)據(jù)庫和病原體預(yù)測模型組成，用來儲存數(shù)據(jù)，接受基礎(chǔ)層的指令請求。河蟹病原體監(jiān)測系統(tǒng)軟件架構(gòu)如圖2所示。

2病原體實(shí)時數(shù)據(jù)庫設(shè)計

數(shù)據(jù)庫的設(shè)計以日常病原體監(jiān)測數(shù)據(jù)為主，科學(xué)研究和特殊情況監(jiān)測數(shù)據(jù)為輔；系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫共設(shè)置5個基本表，它們是實(shí)時數(shù)據(jù)接收表、病原體類型表、水質(zhì)中病原體濃度閾值表、歷史數(shù)據(jù)表以及監(jiān)測點(diǎn)水文特征表。實(shí)時數(shù)據(jù)接收表是數(shù)據(jù)庫關(guān)系圖中最主要的、所占空間最多的一個表，其儲存的是能實(shí)時采集的病原體參數(shù)，因此表項設(shè)置主要有溶氧量、水溫、pH值、病原體類型、病原體個數(shù)，并且預(yù)留幾個可擴(kuò)展項。

3系統(tǒng)分析、設(shè)計與實(shí)現(xiàn)

3.1系統(tǒng)分析

預(yù)警系統(tǒng)主要目的是收集河蟹病原體數(shù)據(jù)、分析病原體數(shù)據(jù)、建立預(yù)警模型。本系統(tǒng)依據(jù)河蟹養(yǎng)殖的實(shí)際情況，總結(jié)了河蟹養(yǎng)殖預(yù)警需求，概括如下：（1）數(shù)據(jù)采集。數(shù)據(jù)采集主要通過無線傳感器收集河蟹病原體數(shù)據(jù)、養(yǎng)殖區(qū)域水質(zhì)數(shù)據(jù)等。該模塊須要完成網(wǎng)絡(luò)建立、系統(tǒng)維護(hù)、數(shù)據(jù)采集及數(shù)據(jù)傳輸?shù)裙δ?。?）數(shù)據(jù)分析。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)將采集到的數(shù)據(jù)傳輸?shù)椒?wù)器，服務(wù)器須要將接收到的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析、加工，然后將處理后的數(shù)據(jù)存儲到數(shù)據(jù)庫。（3）系統(tǒng)預(yù)警。數(shù)據(jù)庫中數(shù)據(jù)須進(jìn)行再加工，并通過分析后建立直觀的數(shù)據(jù)報表，同時對符合的數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)警。

3.2系統(tǒng)設(shè)計

河蟹病原體監(jiān)測系統(tǒng)主要包括病原體數(shù)據(jù)采集、病原體數(shù)據(jù)分析、系統(tǒng)預(yù)警等。該系統(tǒng)總體設(shè)計結(jié)構(gòu)如圖3所示。

如圖3所示，須預(yù)先在河蟹養(yǎng)殖區(qū)域部署傳感器監(jiān)測節(jié)點(diǎn)和無線路由節(jié)點(diǎn)，通過路由節(jié)點(diǎn)將采集的數(shù)據(jù)傳輸?shù)胶有繁O(jiān)測站點(diǎn)，最終通過監(jiān)測站點(diǎn)和服務(wù)器通信，將采集和處理過的信息傳輸給中心服務(wù)器，中心服務(wù)器將采集的數(shù)據(jù)進(jìn)一步加工、分析，并將結(jié)果反饋給監(jiān)控設(shè)備。根據(jù)河蟹病原體預(yù)警結(jié)構(gòu)可設(shè)計出如圖4所示的系統(tǒng)流程圖。

如圖4所示，系統(tǒng)分為數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)分析和系統(tǒng)預(yù)警3個部分。其中，數(shù)據(jù)采集主要包括傳感器節(jié)點(diǎn)和路由器節(jié)點(diǎn)的初始化、傳感器網(wǎng)絡(luò)建立、數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)匯聚；數(shù)據(jù)分析主要包括對采集到的病原體數(shù)據(jù)并進(jìn)行數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)分析、數(shù)據(jù)存儲等；系統(tǒng)預(yù)警包括將采集和分析的數(shù)據(jù)嵌入到GIS系統(tǒng)、生成分析報表、預(yù)警信息發(fā)布等。

由于傳感器節(jié)點(diǎn)在數(shù)據(jù)采集過程中非常關(guān)鍵，所以本系統(tǒng)在實(shí)施時考慮到成本和維護(hù)問題，采用如圖5所示的傳感器模塊結(jié)構(gòu)。

根據(jù)河蟹養(yǎng)殖和傳感器工作的特點(diǎn)，同時為了節(jié)約成本和延長傳感器電池使用時間，本系統(tǒng)采用低功耗處理模塊和無線發(fā)射模塊，同時采用鋰電池供電，達(dá)到延長傳感器工作時間，減少電池更換成本的目的。為了延長電源使用時間該傳

感器模塊處理器采用TI公司的單片機(jī)MSP430F149，該芯片突出特點(diǎn)是低電壓、低功耗；同時無線通信模塊采用低電壓、低功耗的nRF905模塊，該模塊主要特色是有空閑模式和關(guān)閉模式。

數(shù)據(jù)處理主要包括采集點(diǎn)位置數(shù)據(jù)和采集河蟹病原體數(shù)據(jù)的分析和處理。為了簡化操作流程本系統(tǒng)在數(shù)據(jù)處理過程中先將采集的數(shù)據(jù)通過監(jiān)測站點(diǎn)進(jìn)行初步加工，然后將加工過的數(shù)據(jù)傳輸給服務(wù)器進(jìn)行再次加工和存儲，數(shù)據(jù)優(yōu)化流程如圖6所示。

本系統(tǒng)在實(shí)現(xiàn)預(yù)警模塊時，為了更直觀及時地實(shí)現(xiàn)預(yù)警功能，采用了信息通知和監(jiān)控中心圖形顯示同步進(jìn)行。主要實(shí)現(xiàn)方式是系統(tǒng)在出現(xiàn)警報時，系統(tǒng)會將消息發(fā)送至移動客戶端（也可短信、郵件等），同時也會將報警消息直接顯示在GIS系統(tǒng)中。

3.3預(yù)警服務(wù)

預(yù)警服務(wù)在本系統(tǒng)中是直接向管理者展示河蟹病原體采

集數(shù)據(jù)的服務(wù)。該服務(wù)針對河蟹病原體數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，得出河蟹養(yǎng)殖過程中的病原體是否超過閾值，如果超過閾值，系統(tǒng)則預(yù)警，否則實(shí)時顯示數(shù)據(jù)。為了更直觀地提供預(yù)警服務(wù)，本系統(tǒng)在實(shí)現(xiàn)時將河蟹養(yǎng)殖病原體信息直接嵌入到GIS系統(tǒng)中，這樣管理人員在監(jiān)控河蟹養(yǎng)殖數(shù)據(jù)時可直觀地觀測到河蟹養(yǎng)殖數(shù)據(jù)。本系統(tǒng)中的預(yù)警服務(wù)流程如下：（1）采集點(diǎn)位置預(yù)處理。將采集點(diǎn)位置預(yù)先保存在GIS數(shù)據(jù)庫中，同時將采集點(diǎn)進(jìn)行編號，形成一一對應(yīng)的表格，這樣減少采集點(diǎn)定位成本，同時也減少采集點(diǎn)定位不準(zhǔn)確的問題。（2）采集數(shù)據(jù)反饋。采集點(diǎn)須要將采集點(diǎn)編號和采集的數(shù)據(jù)一起傳給服務(wù)器，服務(wù)器根據(jù)采集點(diǎn)編號將采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，根據(jù)采集點(diǎn)編號查找到GIS數(shù)據(jù)，然后直接顯示在GIS系統(tǒng)中。（3）閾值設(shè)置。本系統(tǒng)的閾值可設(shè)定固定值，也可根據(jù)一定的統(tǒng)計規(guī)律計算出1個有效的閾值，這樣將采集的數(shù)據(jù)直接和閾值數(shù)據(jù)進(jìn)行比對，如果在閾值之內(nèi)，GIS系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)正常顯示，否則顯示報警提示。

4應(yīng)用試驗

試驗選取面積為0.033 hm2的池塘，將5個硝化細(xì)菌傳感器均勻地分布在塘底。監(jiān)測2 h后統(tǒng)計結(jié)果（表1）。從表1可以看出，通過傳感器實(shí)時監(jiān)測池塘底的環(huán)境和病原體數(shù)量，后期通過統(tǒng)計規(guī)律計算出1個有效的閾值實(shí)現(xiàn)實(shí)時預(yù)警。

5結(jié)論

系統(tǒng)利用傳感器技術(shù)與無線通信技術(shù)實(shí)現(xiàn)了河蟹病原體數(shù)據(jù)和養(yǎng)殖區(qū)域水質(zhì)參數(shù)的實(shí)時采集與傳輸，采集數(shù)據(jù)匯聚到監(jiān)測服務(wù)器，經(jīng)過處理后存入數(shù)據(jù)庫中并同時在終端設(shè)備預(yù)警。本系統(tǒng)構(gòu)建成本低，具有較強(qiáng)的可擴(kuò)展性，在河蟹養(yǎng)殖實(shí)時監(jiān)測領(lǐng)域具有良好的應(yīng)用前景。

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