基于NODE.JS/GPRS/ZigBee的水產(chǎn)養(yǎng)殖遠程測控系統(tǒng)的設計?

張繼飛 林 超

（1廈門市海洋職業(yè)技術學院 廈門 361005）（2廈門理工學院 廈門 361005）

基于NODE.JS/GPRS/ZigBee的水產(chǎn)養(yǎng)殖遠程測控系統(tǒng)的設計?

張繼飛1林 超2

（1廈門市海洋職業(yè)技術學院 廈門 361005）（2廈門理工學院 廈門 361005）

為了滿足水產(chǎn)養(yǎng)殖智能化的要求［1］，設計了水產(chǎn)養(yǎng)殖水質(zhì)參數(shù)的遠程實時監(jiān)控系統(tǒng)。該系統(tǒng)由水質(zhì)參數(shù)無線監(jiān)測部件RTU、遠程數(shù)據(jù)管理服務器和客戶終端APP組成。RTU采用STM32微處理器方案，實現(xiàn)水質(zhì)數(shù)據(jù)的采集和GPRS無線遠程數(shù)據(jù)的傳輸；遠程數(shù)據(jù)管理服務器，可以接收所有RTU傳輸過來的數(shù)據(jù)，進行智能判斷并且保存，供APP客戶隨時訪問。利用ZigBee和NODE.JS［2～3］技術，此系統(tǒng)不僅滿足了無線數(shù)據(jù)采集和數(shù)據(jù)傳輸?shù)南嚓P指標要求，而且有效地解決了水產(chǎn)養(yǎng)殖系統(tǒng)中布線困難，通信費用過高、連接并發(fā)數(shù)不高和實時性不強等問題。

水產(chǎn)養(yǎng)殖；智能化；GPRS網(wǎng)絡；RTU；ZigBee；NODE.JS；數(shù)據(jù)傳輸

C lassNum ber TP391

1 引言

在水產(chǎn)養(yǎng)殖中，水質(zhì)的監(jiān)測重點是水溫、PH值、溶解氧和氧化還原四個參數(shù)。目前市場上出現(xiàn)很多水產(chǎn)遠程測控系統(tǒng)，但是這種監(jiān)測方法，一個RTU要配一個SIM卡，一個養(yǎng)殖場需要很多RTU和SIM卡，通信費用很高。也有部分系統(tǒng)加入ZigBee技術，但是ZigBee通信受到的干擾很大，通信效果不好；另外市面上出現(xiàn)的很多監(jiān)控系統(tǒng)，服務器部分都是采用Windows系統(tǒng)加上位機模式，實時性和連接并發(fā)數(shù)不高，一般幾千臺。利用NODE.JS技術，結(jié)合ZigBee無線傳感網(wǎng)和GPRS無線數(shù)據(jù)傳輸技術，設計的多參數(shù)實時水產(chǎn)養(yǎng)殖監(jiān)控系統(tǒng)，實現(xiàn)了對池塘養(yǎng)殖數(shù)據(jù)的實時采集和對增氧機等大功率設備的遠程遙控，同時節(jié)省了大量的SIM卡通信費用，一臺服務器連接并發(fā)數(shù)也非常高，達到上萬臺，可以把大量的數(shù)據(jù)保存?zhèn)浞荩?］，節(jié)省了服務器寬帶的費用。

2 遠程測控系統(tǒng)的整體設計方案

整個遠程測控系統(tǒng)由客戶APP、RTU水產(chǎn)養(yǎng)殖終端數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)（包含ZigBee）和服務器組成，如圖1所示。

圖1 水產(chǎn)養(yǎng)殖遠程測控系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)原理框圖

在每個池塘里裝上一道RTU，其中RTU包括各種傳感器、繼電器、GPRS模塊、ZigBee模塊和控制器。如果水產(chǎn)養(yǎng)殖戶的規(guī)模比較小，只需要一臺或者兩臺RTU，傳感器的各種監(jiān)測數(shù)據(jù)可以直接通過GPRS網(wǎng)絡上傳到服務器數(shù)據(jù)測控中心；如果水產(chǎn)養(yǎng)殖戶規(guī)模較大，池塘很多，需要很多臺RTU，就可以在合適的節(jié)點布上使用GPRS網(wǎng)絡的RTU，別的節(jié)點都用ZigBee無線網(wǎng)絡的RTU，可以節(jié)省很多SIM卡通信費用；由ZigBee無線網(wǎng)絡的RTU將采集到的池塘傳感器數(shù)據(jù)，發(fā)送給GPRS網(wǎng)絡的RTU，再通過其上的GPRS無線遠程網(wǎng)絡將傳感器數(shù)據(jù)發(fā)給服務器的數(shù)據(jù)測控中心。水產(chǎn)養(yǎng)殖戶終端，有兩種方式可以遠程查看和控制自己池塘RTU數(shù)據(jù)。第一種方式，通過安裝特定開發(fā)的手機APP，用分配好的賬戶密碼登錄，就可以實現(xiàn)；第二種方式，用分配好的賬戶密碼，通過WEB網(wǎng)頁來登錄到服務器實現(xiàn)。另外，如果某一路采集到的水質(zhì)參數(shù)超出預警值，RTU通過GPRS網(wǎng)絡向服務器發(fā)送報警信息，服務器再推送到用戶手機上去，提醒用戶對采取相應的措施進行處理。服務器測控中心，接收來自各個區(qū)域現(xiàn)場監(jiān)測系統(tǒng)的水質(zhì)信息，有報表、打印、存檔、報警、控制等功能，同時還有數(shù)據(jù)庫查詢分析、管理用戶等多項功能。

3 整個系統(tǒng)的硬件設計和實現(xiàn)

由于水產(chǎn)養(yǎng)殖終端需要完成數(shù)據(jù)的通信、處理、存儲，因此需要MCU的控制板，STM32系列的單片機可以滿足。同時，與遠程服務器測控中心交互，需要支持網(wǎng)絡通信協(xié)議，目前主要使用GPRS通信模塊。池塘之間的近距離通信，采用ZigBee數(shù)據(jù)傳輸，簡單，好用，節(jié)省開發(fā)周期。

系統(tǒng)的硬件設計總體框圖如下圖（圖2）所示。

圖2 水產(chǎn)養(yǎng)殖終端RTU整體電路框圖

硬件系統(tǒng)主要由GPRS通信模塊、微控制器、ZigBee數(shù)傳模塊等外部接口電路組成。

GPRS通信模塊選用SIM800C模塊。SIM800C模塊是SIMCOM公司推出的新一代全球移動通信系統(tǒng)四頻通信模塊。GPRS通信模塊的串行接口是全雙工的，用戶可以通過這個串口發(fā)送AT命令與SIM800C交互，進行數(shù)據(jù)的收發(fā)和信息交互。

STM32系列單片機是意法半導體基于專為要求高性能、低成本、低功耗的嵌入式應用專門設計的ARMCortex-M內(nèi)核，本RTU采用STM32F103VC型號的單片機，其運算速度高達72MHz，且其可使用庫進行編程，能夠大大縮短開發(fā)時間。

ZigBee模塊［5］采用北京深聯(lián)智達科技有限公司的DL-LN3X系列無線數(shù)據(jù)透傳通信模塊，該模塊最大可支持130個模塊組成網(wǎng)絡，單個包長可達63字節(jié)，可視距離通信單跳70m～500m左右。

4 系統(tǒng)軟件設計

整個系統(tǒng)軟件包括三個部分：RTU軟件、服務器遠程測控中心軟件和終端用戶軟件。

4.1 RTU軟件結(jié)構(gòu)

圖3是RTU無線遠程數(shù)據(jù)傳輸與處理模塊的程序流程圖。

RTU上電后進行GPRS通信模塊的初始化，主要是通過AT命令設置SIM800C的各種通信參數(shù)并與遠程監(jiān)控中心建立—個Socket連接，然后偵聽監(jiān)控中心是否有參數(shù)傳輸或命令數(shù)據(jù)如果偵聽到遠程數(shù)據(jù)傳輸，進行相應的處理，遠程數(shù)據(jù)的偵聽使用SIM800C的一種數(shù)據(jù)主動傳輸方式，當SIM800C接收到遠程數(shù)據(jù)時，自動接收遠程數(shù)據(jù)。

圖3 RTU軟件的程序流程圖

如果RTU通過偵聽沒有發(fā)現(xiàn)遠程數(shù)據(jù)傳輸，則判斷是否進入定時數(shù)據(jù)傳輸狀態(tài)，RTU每個48秒將向遠程監(jiān)控中心傳輸一次RTU信息，包括水質(zhì)傳感器數(shù)據(jù)（溶解氧、水溫、PH值、氧化還原等）、時間信息、連接信息（RTU的ID、端口號）。

RTU在處理遠程數(shù)據(jù)和定時數(shù)據(jù)時，同時監(jiān)聽本地通信接口是否有來自別的池塘的ZigBee的水質(zhì)數(shù)據(jù)傳輸請求［6～8］，如果檢測到有本地數(shù)據(jù)傳輸請求，則進行相應的處理，如果沒有數(shù)據(jù)請求則RTU無線傳輸處理模塊重新進入偵聽狀態(tài)。

4.2 服務器遠程測控中心軟件

遠程測控中心軟件主要接收通過GPRS傳輸?shù)男畔⒉⒆龀鎏幚砗惋@示。該服務器采用NODE.JS實現(xiàn)，利用WEBSOCKET和HTTP網(wǎng)絡通信協(xié)議分別實現(xiàn)手機APP和WEB網(wǎng)頁遠程登陸來進行網(wǎng)絡連接、傳遞數(shù)據(jù)，并運行在遠程測控中心的服務器PC機上，包括監(jiān)測曲線、監(jiān)測數(shù)據(jù)。其主要功能是與RTU交互信息、監(jiān)測及異常處理等［9～11］。

5 結(jié)語

基于NODE.JS/GPRS/ZigBee的水產(chǎn)養(yǎng)殖遠程測控系統(tǒng)的設計采用GPRS/ZigBee網(wǎng)絡作為數(shù)據(jù)通信平臺，NODE.JS技術搭建的服務器作為水質(zhì)參數(shù)等信息存儲和轉(zhuǎn)發(fā)平臺，客戶APP和WEB網(wǎng)頁作為最終客戶收發(fā)信息平臺?？梢詫崿F(xiàn)無線數(shù)據(jù)采集、現(xiàn)場監(jiān)控、遠程監(jiān)控相結(jié)合的多參數(shù)水質(zhì)測控的系統(tǒng)方案。利用GPRS網(wǎng)絡實現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸，有著永遠在線、費用低廉、傳輸率高的特點。以ZigBee技術實現(xiàn)布線更加容易，節(jié)省GPRS通信。利用NODE.JS技術［12～13］，服務器的實時性更好，在線并發(fā)數(shù)更高。

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Design of Aquacu lture RemoteMonitoring System Based on NODE.JS/GPRS/ZigBee

ZHANG Jifei1LIN Chao2
（1.Xiamen Ocean VocationalCollege，Xiamen 361005）（2.Xiamen University of Technology，Xiamen 361005）

In order to satisfy the requirements of the aquatics breeding intelligetntialize，we design the long distancemonitoring system forwaterquality parameter in the aquaticsbreeding.This system was composed of thewater parameterwirelessmonitoring assembly unitRTU，long distance data administration serverand the clientserver terminal APP three parts.RTU adoptSTM32micro programming projectwhich can realize thewater quality data gathering and the GPRSwireless communication and the long distance data transmission.Long distance administration server can receive all the data RTU transferred and intelligently judge and save them that can help the APP client to visit at anymoment.The ZigBee and NODE.JS technology system notonly satisfy the index requirements of the wireless data gathering and transmismission，but also solve the problems ofwiring difficulties，excessive communication costand the low connecting concurrence and weak instantaneity.

aquaculture，intelligent，GPRSnetwork，RTU，ZigBee，NODE.JS，data transmission

TP391

10.3969/j.issn.1672-9730.2017.09.027

2017年3月9日，

2017年4月27日

福建省自然科學基金項目（編號：E0510023）資助。

張繼飛，男，碩士研究生，講師，研究方向：物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)應用的研究和教學。林超，男，碩士研究生，工程師，研究方向：軟件工程，大數(shù)據(jù)。