海洋環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)方案設(shè)計與研究

付宗魁　蔡芳萍

摘 要：文中論述了基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的海洋環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)的設(shè)計方法。對當(dāng)前物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展和社會需求進(jìn)行了系統(tǒng)開發(fā)的可行性和必要性研究。并從物聯(lián)網(wǎng)體系架構(gòu)中的感知層、網(wǎng)絡(luò)層和應(yīng)用層分別進(jìn)行了設(shè)計與研究。

關(guān)鍵詞：物聯(lián)網(wǎng)；海洋監(jiān)測系統(tǒng)；可行性；必要性

中圖分類號：TP393 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：2095-1302（2016）04-00-01

0 引 言

隨著我國藍(lán)海經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，海水養(yǎng)殖業(yè)近年來發(fā)展勢頭迅猛，沿海養(yǎng)殖場及育苗場發(fā)展迅速。最近幾年我國受厄爾尼諾現(xiàn)象影響嚴(yán)重，各大海水養(yǎng)殖場遭遇“冷水團(tuán)”，造成了巨大的經(jīng)濟(jì)損失。

由于海洋監(jiān)測范圍大，不易監(jiān)測，針對此現(xiàn)狀，本項目提出了一種基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的海洋環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)的設(shè)計方案，以便更有效的監(jiān)測海洋環(huán)境，節(jié)省人工監(jiān)測成本。此項目利用物聯(lián)網(wǎng)相關(guān)技術(shù)，將采集到的數(shù)據(jù)及相關(guān)信息發(fā)送給上位機(jī)軟件接收系統(tǒng)，以便對海水中各項實時參數(shù)進(jìn)行監(jiān)測，反饋信息預(yù)測海洋各項指標(biāo)發(fā)展動態(tài)。

1 必要性及可行性研究

近年來，我國大力發(fā)展藍(lán)海經(jīng)濟(jì)以及環(huán)渤海經(jīng)濟(jì)圈國家戰(zhàn)略的快速推進(jìn)，并隨著人們生活質(zhì)量的提高，海水養(yǎng)殖業(yè)得到了突飛猛進(jìn)的發(fā)展。由于近海網(wǎng)箱養(yǎng)殖海產(chǎn)品更接近原生態(tài)，該養(yǎng)殖方式逐漸成為海水養(yǎng)殖的首選。但對海水養(yǎng)殖中為促進(jìn)養(yǎng)殖生物的生長所使用的大量餌料和化學(xué)品若不加以監(jiān)管，將加劇鄰近海域的水質(zhì)污染，并引發(fā)赤潮等海洋生態(tài)環(huán)境問題，從而造成“失?！爆F(xiàn)象。

由于海水養(yǎng)殖面積大、分散度高等特點，人工監(jiān)測成本高，監(jiān)管難度較大。如何將空間分布的養(yǎng)殖區(qū)域進(jìn)行統(tǒng)一化監(jiān)管，縮短空間距離，這是海水養(yǎng)殖產(chǎn)業(yè)經(jīng)濟(jì)發(fā)展需要解決的難題。近年來，物聯(lián)網(wǎng)相關(guān)技術(shù)快速發(fā)展，使得解決這些難題有了一定的技術(shù)支持。

隨著芯片成本的降低，低功耗芯片的發(fā)展越來越成熟。近海的手機(jī)信號覆蓋范圍越來越廣，給海上數(shù)據(jù)傳輸提供了通信保障。遠(yuǎn)距離供電方案可采用太陽能供電或移動電源供電方式，移動電源可為單片機(jī)供電數(shù)月至半年左右，能夠滿足供電需求。

2 方案設(shè)計與研究

根據(jù)項目實際需求，所設(shè)計的系統(tǒng)原始架構(gòu)圖如圖1所示。

2.1 感知層

根據(jù)實用及成本考慮，感知層可采用STM32單片機(jī)，設(shè)計兩路電壓輸入和兩路電流輸入，一路RS 485及一路CAN接口。單片機(jī)的選用主要考慮到STM32的低功耗和低成本特性。由于海洋環(huán)境監(jiān)測的特殊性，只需對每天的特定時段進(jìn)行采集，所以單片機(jī)在大多數(shù)情況下都處于休眠狀態(tài)，STM32可以滿足休眠功能的需要。采集接口的設(shè)計原則為夠用即可，適當(dāng)擴(kuò)展。設(shè)計主要采集海水中的溫度，根據(jù)特殊需要可以增加pH值、含氧量等傳感數(shù)據(jù)的采集。

2.2 網(wǎng)絡(luò)層

網(wǎng)絡(luò)層采用GPRS、ZigBee與北斗導(dǎo)航相結(jié)合的無線網(wǎng)絡(luò)通信方式。

考慮到海上手機(jī)信號的覆蓋和信息傳輸量小等特點，遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)傳輸以GPRS為主，北斗導(dǎo)航通信為輔的設(shè)計方案。對于局域密集型采集采用ZigBee局域網(wǎng)通信，由匯集節(jié)點通過遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)傳輸方式，將數(shù)據(jù)發(fā)送至數(shù)據(jù)中心。數(shù)據(jù)中心將通過有線及無線的方式將相關(guān)數(shù)據(jù)展示在平臺或手機(jī)上。

2.3 應(yīng)用層

應(yīng)用層中主要的功能有數(shù)據(jù)匯總，數(shù)據(jù)分析及展示，手機(jī)端數(shù)據(jù)查詢。

使用C#開發(fā)數(shù)據(jù)接收端程序，使用Socket編程實現(xiàn)服務(wù)器端程序開發(fā)，將接收數(shù)據(jù)存儲在相應(yīng)數(shù)據(jù)庫中。使用B/S模式開發(fā)Web服務(wù)程序，將所需數(shù)據(jù)通過Web界面顯示出來，這樣就可以在電腦和手機(jī)等相關(guān)設(shè)備中實現(xiàn)跨平臺展示。

3 結(jié) 語

此方案是為海上惡劣條件下，數(shù)據(jù)遠(yuǎn)程采集及處理而設(shè)計。通過多種模式采集，將有線與無線等布網(wǎng)方式相結(jié)合，將局域無線網(wǎng)與廣域無線網(wǎng)相結(jié)合，使用了跨平臺等應(yīng)用開發(fā)技術(shù)。將物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)應(yīng)用于智能海洋環(huán)境監(jiān)測中，優(yōu)勢明顯，相關(guān)技術(shù)很成熟。此系統(tǒng)在提供了海洋環(huán)境相關(guān)數(shù)據(jù)的同時，能夠及時進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，發(fā)出海洋環(huán)境相關(guān)預(yù)警。

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