水產(chǎn)養(yǎng)殖遠(yuǎn)程監(jiān)測系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

易先軍，桑青松，聶 童，彭 萌

武漢工程大學(xué)電氣信息學(xué)院，湖北 武漢 430205

水產(chǎn)養(yǎng)殖遠(yuǎn)程監(jiān)測系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

易先軍，桑青松，聶 童，彭 萌

武漢工程大學(xué)電氣信息學(xué)院，湖北 武漢 430205

設(shè)計(jì)了一種可以在手機(jī)或PC端實(shí)時監(jiān)測的水產(chǎn)養(yǎng)殖遠(yuǎn)程監(jiān)測系統(tǒng).該系統(tǒng)由數(shù)據(jù)集采中心、檢測節(jié)點(diǎn)、云端服務(wù)器和監(jiān)測端Android App或PC瀏覽器構(gòu)成.檢測節(jié)點(diǎn)負(fù)責(zé)采集數(shù)據(jù)和接受命令，通過ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)與數(shù)據(jù)集采中心交換信息；數(shù)據(jù)集采中心一方面從ZigBee網(wǎng)絡(luò)中讀取數(shù)據(jù)并在現(xiàn)場顯示，另一方面通過GPRS與云端服務(wù)器進(jìn)行通信；云端服務(wù)器能夠存儲安裝在便攜式設(shè)備上的App或PC瀏覽器顯示的數(shù)據(jù).相比于傳統(tǒng)的水產(chǎn)養(yǎng)殖，這個系統(tǒng)不受時間、地域、環(huán)境、距離等因數(shù)的限制，可全天候不間斷地穩(wěn)定地遠(yuǎn)程監(jiān)測多個水產(chǎn)養(yǎng)殖場.

水產(chǎn)養(yǎng)殖；遠(yuǎn)程監(jiān)測；App；ZigBee；GPRS

隨著科學(xué)技術(shù)的高速發(fā)展，遠(yuǎn)程監(jiān)測技術(shù)已成為重要的監(jiān)測技術(shù)之一，并且對促進(jìn)經(jīng)濟(jì)發(fā)展具有重要的現(xiàn)實(shí)意義［1-2］.目前的水產(chǎn)養(yǎng)殖大多處于人工采樣、現(xiàn)場顯示、化學(xué)分析監(jiān)測階段，操作耗時費(fèi)力、實(shí)時性不強(qiáng)［3-5］.鑒于此，設(shè)計(jì)了一種基于物聯(lián)網(wǎng)的水產(chǎn)養(yǎng)殖遠(yuǎn)程監(jiān)測系統(tǒng)，以ZigBee無線局域網(wǎng)內(nèi)各節(jié)點(diǎn)采集各養(yǎng)殖池的水質(zhì)參數(shù)，以STM32F103為主處理器結(jié)合GPRS（general packet radio service，GPRS）技術(shù)將ZigBee網(wǎng)絡(luò)收集的數(shù)據(jù)上傳云端，通過監(jiān)測端Android App（application，App）或 PC（personal computer，PC）瀏覽器進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)測，可以為養(yǎng)殖業(yè)提供方便、快捷、智能的服務(wù).

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及工作原理

水產(chǎn)養(yǎng)殖遠(yuǎn)程監(jiān)測系統(tǒng)包括數(shù)據(jù)集采中心、多個檢測節(jié)點(diǎn)、云端服務(wù)器、監(jiān)測端App或PC瀏覽器，水產(chǎn)養(yǎng)殖遠(yuǎn)程監(jiān)測系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如圖1所示.

圖1 水產(chǎn)養(yǎng)殖遠(yuǎn)程監(jiān)測系統(tǒng)Fig.1 Rmote monitoring system of aquaculture

數(shù)據(jù)集采中心是由單片機(jī)模塊、ZigBee模塊（協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)）、GPRS模塊、顯示模塊組成.數(shù)據(jù)集采中心主要完成的功能是云端服務(wù)器與檢測節(jié)點(diǎn)之間的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)、信息顯示、報(bào)警提醒以及采集周期修改命令.檢測節(jié)點(diǎn)是由單片機(jī)模塊、ZigBee模塊（終端節(jié)點(diǎn)）、溫度傳感器、溶解氧傳感器、pH值傳感器和相關(guān)硬件電路組成，主要的功能是將采集的養(yǎng)殖水池內(nèi)水溫、含氧量和pH值通過ZigBee傳輸?shù)綌?shù)據(jù)集采中心，并接受數(shù)據(jù)集采中心下發(fā)的（采樣周期修改）命令；另一方面，多個檢測節(jié)點(diǎn)和數(shù)據(jù)集采中心的ZigBee協(xié)調(diào)器一起構(gòu)建ZigBee無線局域網(wǎng).云端服務(wù)器選擇移動物聯(lián)網(wǎng)開放平臺OneNet存儲數(shù)據(jù).通過Android App或PC端瀏覽器，查看水質(zhì)數(shù)據(jù).

2 硬件設(shè)計(jì)

2.1 數(shù)據(jù)集采中心硬件

數(shù)據(jù)集采中心硬件電路圖如圖2所示，結(jié)構(gòu)包括STM32F103ZET6單片機(jī)、ZigBee模塊、顯示模塊、GPRS模塊組成.數(shù)據(jù)集采中心在整個系統(tǒng)中，負(fù)責(zé)無線局域網(wǎng)與云端服務(wù)器的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)、報(bào)警與顯示，以及組建ZigBee無線局域網(wǎng).

1）ZigBee模塊在數(shù)據(jù)集采中心起到數(shù)據(jù)收發(fā)和組建ZigBee無線局域網(wǎng)的作用.在ZigBee網(wǎng)絡(luò)中有三類基本節(jié)點(diǎn)模式：協(xié)調(diào)器、路由、終端［6］.協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)在整個網(wǎng)絡(luò)中起到啟動網(wǎng)絡(luò)、分配網(wǎng)絡(luò)地址，接收數(shù)據(jù)和允許終端節(jié)點(diǎn)或路由節(jié)點(diǎn)加入網(wǎng)絡(luò)等功能.終端節(jié)點(diǎn)在整個網(wǎng)絡(luò)中起到收發(fā)數(shù)據(jù)和加入網(wǎng)絡(luò)的功能［7-8］.系統(tǒng)中采用的ZigBee模塊為TI公司的CC2530芯片方案.ZigBee網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)采用星型網(wǎng)絡(luò)，將數(shù)據(jù)集采中心的ZigBee模塊設(shè)置為協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)，檢測節(jié)點(diǎn)的ZigBee模塊設(shè)置為終端節(jié)點(diǎn)［9］.

圖2 數(shù)據(jù)集采中心硬件電路圖Fig.2 Hardware circuit diagram of data collection center

2）顯示模塊在數(shù)據(jù)集采中心起到顯示檢測節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)的作用.STM32單片機(jī)將接收到的數(shù)據(jù)顯示在顯示模塊上.顯示模塊使用LCD12864，下設(shè)兩級菜單.一級菜單為養(yǎng)殖水池的選擇，用于選擇一個養(yǎng)殖池；二級菜單將會顯示所選養(yǎng)殖池的溫度、pH值、含氧量的信息.

3）GPRS模塊在數(shù)據(jù)集采中心起到與云端數(shù)據(jù)傳輸?shù)淖饔?GPRS模塊通過AT指令與云端服務(wù)器建立連接，然后與云端服務(wù)器進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸.GPRS模塊使用SIMCOM有限公司提供的SIM900A，其內(nèi)嵌TCP/IP協(xié)議［10］.

2.2 檢測節(jié)點(diǎn)硬件

檢測節(jié)點(diǎn)硬件電路圖如圖3所示，結(jié)構(gòu)包括STM32F103單片機(jī)、ZigBee模塊、溫度傳感器、pH值傳感器、溶解氧傳感器、pH值檢測電路、溶解氧檢測電路；主要完成數(shù)據(jù)的采集、數(shù)據(jù)收發(fā)和協(xié)助組建無線局域網(wǎng).微處理器采用了與數(shù)據(jù)集采中心相同的芯片STM32ZET6.ZigBee模塊工作在終端模式.養(yǎng)殖水池水溫檢測使用DALLAS半導(dǎo)體公司生產(chǎn)的DS18B20溫度傳感器，pH值檢測使用上海雷磁公司生產(chǎn)的E-201-C型pH復(fù)合電極，含氧量檢測使用RY952溶解氧傳感器［11-14］.

圖3 檢測節(jié)點(diǎn)硬件電路圖Fig.3 Hardware circuit diagram of detection node

3 軟件設(shè)計(jì)

3.1 檢測節(jié)點(diǎn)軟件

檢測節(jié)點(diǎn)流程圖如圖4所示，檢測節(jié)點(diǎn)上電，系統(tǒng)初始化，ZigBee模塊作為終端加入ZigBee網(wǎng)絡(luò)，單片機(jī)判斷有無來自數(shù)據(jù)集采中心的修改數(shù)據(jù)采集周期命令，如果沒有接到命令，則按照預(yù)設(shè)的數(shù)據(jù)采集時間，進(jìn)行溫度、含氧量和pH值的采集，然后將數(shù)據(jù)通過ZigBee網(wǎng)絡(luò)發(fā)送到數(shù)據(jù)集采中心.如果有收到修改數(shù)據(jù)采集周期命令，調(diào)用SetTime（）函數(shù)修改數(shù)據(jù)采集周期.

3.2 云端數(shù)據(jù)接入

本文的云端服務(wù)器使用中移動物聯(lián)網(wǎng)開放平臺OneNet.OneNet是中移物聯(lián)網(wǎng)有限公司基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)和產(chǎn)業(yè)特點(diǎn)打造的開放平臺和生態(tài)環(huán)境，適配各種網(wǎng)絡(luò)環(huán)境和協(xié)議類型，支持各類傳感器和智能硬件的快速接入和大數(shù)據(jù)服務(wù)，提供豐富的API和應(yīng)用模板以支持各類行業(yè)應(yīng)用和智能硬件的開發(fā)，推進(jìn)個性化應(yīng)用系統(tǒng)構(gòu)建［15-16］.接入OneNet之前，需要在OneNet平臺注冊賬戶，設(shè)計(jì)中注冊的設(shè)備ID為“3168916”，設(shè)備ID下面申請的 api-key為“tRR1w9I44g2FeHWFvYMwRZ8SQKA=”.

圖4 檢測節(jié)點(diǎn)流程圖Fig.4 Schematic diagram of detection node

3.2.1 數(shù)據(jù)集采中心接入云端 數(shù)據(jù)集采中心接入云端采用GPRS模塊（型號為SIM900A），GPRS模塊通過AT指令連接云端服務(wù)器.STM32單片機(jī)通過UART串口通信讀取ZigBee模塊接收到的數(shù)據(jù)，一方面判斷采集的溫度、含氧量和pH值是否在預(yù)設(shè)值范圍內(nèi)，如果在預(yù)設(shè)值范圍內(nèi)就調(diào)用LCD_ShowString（）函數(shù)將數(shù)據(jù)顯示出來，如果有一種數(shù)據(jù)（溫度、含氧量或pH值）不在預(yù)設(shè)值范圍內(nèi)，就調(diào)用jingbao（）函數(shù)進(jìn)行報(bào)警提醒LED燈閃爍3s，同時將數(shù)據(jù)顯示在顯示模塊上，當(dāng)有按鍵按下時，STM32單片機(jī)會通過Key_Scan（）函數(shù)來判斷是什么按鍵功能按下，再進(jìn)行不同的功能執(zhí)行；另一方面STM32單片機(jī)將數(shù)據(jù)按照RestFul的封裝結(jié)構(gòu)進(jìn)行上傳至云端服務(wù)器，RestFul的封裝格式如下：

POST/devices/3168916/datapoints？type=3 HTTP/1.1

api-key:tRR1w9l44g2FeHWFvYMwRZ8SQKA=

Host:api.heclouds.com

Conneltion:close

Content-Length:49

{"temprature":22.3,"oxygen content":6.1,"pH":7.3}

3.2.2 App接入云端 App使用開發(fā)環(huán)境為Android SDK+Eclipse+JDK.App與云端服務(wù)器之間采用HTTP（hyperText transfer protocol，HTTP）通 信 方法，通過HTTP的協(xié)議向云端服務(wù)器發(fā)送GET和POST請求.服務(wù)器接收請求，將請求的相關(guān)數(shù)據(jù)回傳給Android App.獲取的數(shù)據(jù)包格式是JSON（javaScript object notation，JSON），它是一種輕量級的數(shù)據(jù)交換格式，通過此格式可以更加有效地進(jìn)行數(shù)據(jù)交互.然后將數(shù)據(jù)顯示到App監(jiān)測界面上，實(shí)現(xiàn)水產(chǎn)養(yǎng)殖水池水質(zhì)的遠(yuǎn)程查看.

4 數(shù)據(jù)傳輸測試

將水產(chǎn)養(yǎng)殖遠(yuǎn)程監(jiān)測系統(tǒng)的檢測節(jié)點(diǎn)傳感器放入水池中采集數(shù)據(jù).數(shù)據(jù)集采中心的ZigBee模塊組建ZigBee網(wǎng)絡(luò).網(wǎng)絡(luò)組建成功后，檢測節(jié)點(diǎn)采集數(shù)據(jù)，然后通過ZigBee網(wǎng)絡(luò)將數(shù)據(jù)傳輸?shù)綌?shù)據(jù)集采中心；數(shù)據(jù)集采中心將數(shù)據(jù)顯示在顯示模塊，當(dāng)數(shù)據(jù)（溫度、含氧量或pH值）超過預(yù)設(shè)的警戒值時，將進(jìn)行報(bào)警提醒；同時將數(shù)據(jù)上傳到云端服務(wù)器，云端服務(wù)器存儲數(shù)據(jù).通過Android App或PC端瀏覽器來顯示云端服務(wù)器中數(shù)據(jù)，PC端瀏覽器打開的監(jiān)測界面（由OneNet提供的應(yīng)用孵化器創(chuàng)建）如圖5所示（溫度為實(shí)測值，含氧量和pH值為模擬數(shù)據(jù)），App監(jiān)測界面如圖6所示.

由圖5和圖6可知，本系統(tǒng)可以對水產(chǎn)養(yǎng)殖水池里的水質(zhì)進(jìn)行連續(xù)采集數(shù)據(jù)，同時可以在瀏覽器或App上顯示實(shí)時采集的數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)了水產(chǎn)養(yǎng)殖的實(shí)時遠(yuǎn)程監(jiān)測.

圖5 PC端瀏覽器打開的界面Fig.5 Interface of PC browser

圖6 App監(jiān)測界面Fig.6 Interface of App monitoring

5 結(jié) 語

上述水產(chǎn)養(yǎng)殖遠(yuǎn)程監(jiān)測系統(tǒng)，能夠?qū)崟r的進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)測養(yǎng)殖場水池里的水質(zhì).所設(shè)計(jì)的檢測節(jié)點(diǎn)和數(shù)據(jù)集采中心硬件模塊電路和相應(yīng)的軟件控制流程，實(shí)現(xiàn)了檢測節(jié)點(diǎn)、數(shù)據(jù)集采中心、云端以及Android App之間的無線數(shù)據(jù)傳輸，開發(fā)了Android App應(yīng)用軟件.最后對此系統(tǒng)進(jìn)行測試.經(jīng)測試，此系統(tǒng)能夠?qū)崟r遠(yuǎn)程監(jiān)測養(yǎng)殖場水池里的水質(zhì).但還可在如何提高水產(chǎn)養(yǎng)殖檢測的靈敏度以及豐富App軟件的數(shù)據(jù)分析功能上作進(jìn)一步的改進(jìn).

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Design of Remote Monitoring System of Aquaculture

YI Xianjun，SANG Qingsong，NIE Tong，PENG Meng
School of Electrical and Information Engineering，Wuhan Institute of Technology，Wuhan 430205，China

This work designs a remote monitoring system of aquaculture，which can be monitored in real time by mobile phone or personal computer（PC）.The system consists of a detection node，a data collection center，a cloud server and a Android App of monitoring terminal or a PC browser.The detection node is responsible for collecting data，receiving instructions and exchanging information with the data collection center and the wireless network of ZigBee.The data collection center reads data from the network of ZigBee and shows them at the scene.Meanwhile，it communicates with the cloud server by general packet radio service.The cloud server stores the data which display on the App installed in the portable device or browser.Compared with traditional aquaculture，this system is not limited by time，region，environment，distance and other factors，and it can continuously and remotely monitor the breeding ponds with stable operation.

aquaculture；remote monitoring；App；ZigBee；GPRS

S965.1

A

10.3969/j.issn.1674-2869.2017.05.019

1674-2869（2017）05-0514-05

2017-05-08

易先軍，碩士，副教授.E-mail：xjuny_wit@163.com

易先軍，桑青松，聶童，等.水產(chǎn)養(yǎng)殖遠(yuǎn)程監(jiān)測系統(tǒng)的設(shè)計(jì)［J］.武漢工程大學(xué)學(xué)報(bào)，2017，39（5）：514-518.

YI X J，SANG Q S，NIE T，et al.Design of remote monitoring system of aquaculture［J］.Journal of Wuhan Institute of Technology，2017，39（5）：514-518.

陳小平