基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的規(guī)模化水產(chǎn)養(yǎng)殖智能監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

張志杰

摘 要

中國水產(chǎn)養(yǎng)殖業(yè)發(fā)展迅速、總量巨大，傳統(tǒng)的水產(chǎn)監(jiān)控手段已不適用于現(xiàn)今的狀況，而基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的智能監(jiān)控能較好地適應(yīng)新世紀(jì)的需求，它協(xié)調(diào)了低成本、高效率兩種需求，提供詳盡且精確的數(shù)據(jù)，真正地將科學(xué)融入了生產(chǎn)之中。

【關(guān)鍵詞】水產(chǎn)養(yǎng)殖 智能監(jiān)控 物聯(lián)網(wǎng)

中國的水產(chǎn)養(yǎng)殖歷史源遠(yuǎn)流長，可以追溯到三千年前，而如今中國的水產(chǎn)養(yǎng)殖業(yè)沒有辜負(fù)這段歷史，在世界上擁有舉足輕重的產(chǎn)量比（占全球總產(chǎn)量的百分之七十五）。改革開放后水產(chǎn)養(yǎng)殖逐步地替代了傳統(tǒng)的捕撈，從八十年代起兩者的產(chǎn)量持平，到二十一世紀(jì)初水產(chǎn)養(yǎng)殖的產(chǎn)量占水產(chǎn)品總產(chǎn)量的百分之七十。故而陳舊的養(yǎng)殖手段已然無法適應(yīng)當(dāng)今水產(chǎn)養(yǎng)殖業(yè)的快速發(fā)展，伴隨物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的抬頭，新世紀(jì)的變革已悄然而至。

1 物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的優(yōu)勢

陳舊的養(yǎng)殖手段存在著諸多問題，比如效率低、收益率低、破壞環(huán)境等等。但以上種種弱點(diǎn)皆是由缺乏科學(xué)性導(dǎo)致，以經(jīng)驗(yàn)為指導(dǎo)的舊養(yǎng)殖手段已經(jīng)不適應(yīng)當(dāng)代的生產(chǎn)需求，而傳統(tǒng)的人力監(jiān)控手段更是落后。但是物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的出現(xiàn)使得智能監(jiān)控水溶氧含量、酸堿性等等環(huán)境數(shù)據(jù)成為了可能。

物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)以ZigBee技術(shù)為核心，它基于IEEE802.15.4協(xié)議，簡單、方便、能耗小、續(xù)航能力高、價(jià)格親民。這將現(xiàn)代機(jī)械自動(dòng)化與傳統(tǒng)的水產(chǎn)養(yǎng)殖結(jié)合在了一起，將節(jié)能、環(huán)保與高效率無縫結(jié)合在一起，最終實(shí)現(xiàn)了水產(chǎn)養(yǎng)殖業(yè)的智能化。

2 關(guān)鍵技術(shù)

2.1 傳感器技術(shù)

人類通過感覺來感知外界，除了視聽嗅味觸五感以外，還有冷熱感、方向感等等，人類也只能通過這樣來獲得外界的信息，所以基于傳感器的監(jiān)控技術(shù)也僅僅是人類感覺的延長，倘若游離到感覺之外，那就稱不上所謂的監(jiān)控技術(shù)了。一般用到的傳感器大致有光敏、聲敏、氣敏、味敏、壓敏、熱敏、濕敏等幾種傳感器。在本次設(shè)計(jì)中用到的主要有溶解氧傳感器、PH值傳感器、鹽度傳感器、濁度傳感器、氦氮傳感器等幾種。傳感器的原理很簡單，假如要監(jiān)控水的酸堿度，那么用到的是PH值傳感器，水中PH值的高低將影響到傳感器的電阻值（因?yàn)閭鞲衅髦杏袑H值變化敏感的半導(dǎo)體），換句話說不同的PH值對應(yīng)不同的電阻值，再將電阻值轉(zhuǎn)變成肉眼可見的數(shù)值顯示在屏幕上，這就達(dá)到了監(jiān)控PH值的效果。

2.2 ZigBee技術(shù)

假如說本次設(shè)計(jì)的監(jiān)控系統(tǒng)是一只章魚，那么傳感器就是章魚的觸手，而ZigBee網(wǎng)絡(luò)則是章魚的神經(jīng)。ZigBee其實(shí)對很多人來說并不陌生，小米的智能家居便是使用ZigBee協(xié)議，其最大的特征是短距離、低速率、低功耗，非常適合續(xù)航能力要求高的智能水產(chǎn)養(yǎng)殖。而另一個(gè)ZigBee的巨大優(yōu)勢則是安全性極高，至今尚未發(fā)現(xiàn)一起破解的先例。雖然在各方面Z-Wave可以替代ZigBee，但Z-Wave所使用的頻段在國內(nèi)是非民用頻段。

3 系統(tǒng)設(shè)計(jì)架構(gòu)

3.1 底層設(shè)計(jì)

底層是傳感器節(jié)點(diǎn)，密集分散在養(yǎng)殖區(qū)之中，包括溶解氧傳感器、PH值傳感器、鹽度傳感器、濁度傳感器、氦氮傳感器等多種傳感器，它們會(huì)自動(dòng)搜索并參與到ZigBee的自組網(wǎng)中，同時(shí)也會(huì)把本節(jié)點(diǎn)的網(wǎng)絡(luò)IP一并發(fā)過去。

本傳感器的處理器采用CC2530處理器，除了處理器外，還包括電池、CCDBUGER調(diào)試接口、串口、功放模塊，并接有溶解氧、PH值、鹽度、濁度、氦氮等傳感單元，如果希望傳感器可以接受命令，還可以接上增氧泵、水泵等控制器。

3.2 中層設(shè)計(jì)

中層是ZigBee的無線自組網(wǎng)，需要有能對傳感器發(fā)起信息的響應(yīng)能力。當(dāng)傳感器收集到數(shù)據(jù)后，將自動(dòng)上傳到無線自組網(wǎng)中，無線自主網(wǎng)就像神經(jīng)一樣，將數(shù)據(jù)上傳到“大腦”，也就是上位機(jī)之中。而上位機(jī)想要對各節(jié)點(diǎn)下達(dá)命令的話，也是會(huì)將命令流入無線自組網(wǎng)中再通過自組網(wǎng)傳遞給傳感器節(jié)點(diǎn)的。當(dāng)數(shù)據(jù)抵達(dá)無線自組網(wǎng)時(shí)，自組網(wǎng)本身還要對數(shù)據(jù)進(jìn)行粗處理，以滿足上位機(jī)或傳感器的需求。

無線自組網(wǎng)由協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)產(chǎn)生，協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)同樣使用CC2530處理器，并包括了晶振、DB9串口、LED等各類外設(shè)模塊以滿足全方位的需求。值得注意的是為確保通信范圍足夠的大，協(xié)調(diào)器的RF前端正是TI公司的CC2591，并集成了包括功率放大器在內(nèi)的一系列放大器。這使得僅需少量的電流便可以有效擴(kuò)大網(wǎng)絡(luò)覆蓋范圍。

3.3 頂層設(shè)計(jì)

上層則包括了上位機(jī)、數(shù)據(jù)庫、遠(yuǎn)程監(jiān)控終端等等。數(shù)據(jù)上傳到上位機(jī)中時(shí)，上位機(jī)會(huì)將數(shù)據(jù)保存到數(shù)據(jù)庫中，并將處理過的數(shù)據(jù)呈現(xiàn)在遠(yuǎn)程監(jiān)控終端的屏幕上。這里可以將上位機(jī)與數(shù)據(jù)庫等合并稱為監(jiān)控中心，其能力除了保存數(shù)據(jù)、顯示數(shù)據(jù)外還有調(diào)和數(shù)據(jù)、發(fā)布數(shù)據(jù)、命令等等。

4 結(jié)論

一方水土養(yǎng)一方人，水產(chǎn)品關(guān)系到人民的幸福，水產(chǎn)養(yǎng)殖本身就是一種需要和大自然緊密聯(lián)系起來的行業(yè)，以破壞環(huán)境為代價(jià)進(jìn)行水產(chǎn)養(yǎng)殖本就是一件殺雞取卵的差勁交易，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)可以將人類科技同大自然聯(lián)系起來，已達(dá)到一種和諧的境界。傳統(tǒng)的人工養(yǎng)殖對水質(zhì)變化反應(yīng)遲鈍，遲鈍到等到無法挽回的時(shí)候才反應(yīng)過來，這份遲鈍不知浪費(fèi)了多少人力與自然資源，倘若想要做出敏捷的反應(yīng)那就需要巨大的人力資源，直接提升了成本。智能水產(chǎn)養(yǎng)殖同時(shí)解決了兩種需求，它以物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)為核心，實(shí)時(shí)檢測水質(zhì)狀況，提供詳盡且精確的數(shù)據(jù)，還允許遠(yuǎn)程控制，真正地將科學(xué)融入了生產(chǎn)。不僅如此，同樣的系統(tǒng)亦可以無縫鏈接到農(nóng)業(yè)、畜牧業(yè)之中，具背了強(qiáng)大的潛在價(jià)值。

參考文獻(xiàn)

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作者單位

北海職業(yè)學(xué)院電子信息工程系 廣西壯族自治區(qū)北海市 536000