基于移動(dòng)互聯(lián)水產(chǎn)養(yǎng)殖智能監(jiān)控系統(tǒng)的研制

劉玉潔，唐升

（珠海城市職業(yè)技術(shù)學(xué)院廣東珠海519090）

隨著科技的進(jìn)步和互聯(lián)網(wǎng)的廣泛使用，水產(chǎn)養(yǎng)殖業(yè)開始逐步使用不同程度的自動(dòng)化控制和數(shù)字化監(jiān)控來替代人工巡守、投餌以及檢測(cè)等養(yǎng)殖模式[1-2]。然而，當(dāng)前的水產(chǎn)養(yǎng)殖監(jiān)控系統(tǒng)大多只是使用了定點(diǎn)數(shù)據(jù)采集的方式，只能對(duì)某一固定區(qū)域的水質(zhì)參數(shù)進(jìn)行監(jiān)控與采集，無法對(duì)養(yǎng)殖水域進(jìn)行全方面的監(jiān)控評(píng)估[3-5]。由于養(yǎng)殖水域面積較大，不同位置處的水質(zhì)會(huì)有不同程度的差異，若是監(jiān)控和檢測(cè)不全面、不準(zhǔn)確，極有可能對(duì)水產(chǎn)養(yǎng)殖造成不可估量的損失。因此，本文針對(duì)定點(diǎn)數(shù)據(jù)檢測(cè)和采集不全面的問題，借鑒傳統(tǒng)成熟的水產(chǎn)養(yǎng)殖監(jiān)控系統(tǒng)，采用數(shù)字化數(shù)據(jù)采集以及對(duì)應(yīng)的移動(dòng)互聯(lián)傳輸技術(shù)，設(shè)計(jì)并開發(fā)了一套多點(diǎn)數(shù)據(jù)采集水產(chǎn)養(yǎng)殖監(jiān)控系統(tǒng)。該系統(tǒng)具有多點(diǎn)數(shù)據(jù)采集功能，并結(jié)合微信公眾號(hào)實(shí)現(xiàn)智能控制，能提高養(yǎng)殖水域的監(jiān)測(cè)范圍，實(shí)時(shí)全面的獲取水質(zhì)參數(shù)信息，從而確保水產(chǎn)品的質(zhì)量與養(yǎng)殖工作的順利進(jìn)行。

1　系統(tǒng)設(shè)計(jì)概述

本系統(tǒng)主要分為3個(gè)部分：定點(diǎn)和非定點(diǎn)數(shù)據(jù)采集模塊部分以及監(jiān)控平臺(tái)部分，主要部分可見圖1所示?？晒┍O(jiān)測(cè)的水質(zhì)參數(shù)包括了溫度、溶氧量、pH值及電導(dǎo)率等。系統(tǒng)工作時(shí)，定點(diǎn)數(shù)據(jù)采集模塊通過安置于采樣池的傳感器，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)養(yǎng)殖水域中特定位置由抽水泵輪流輸運(yùn)來的水樣，采集并向主控制器發(fā)送水質(zhì)參數(shù)和相關(guān)數(shù)據(jù)。同時(shí)，承載于可移動(dòng)機(jī)器魚的不定點(diǎn)數(shù)據(jù)采集模塊實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和采集所處位置以及水質(zhì)參數(shù)信息。再經(jīng)由ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)傳送給對(duì)應(yīng)網(wǎng)關(guān)，并通過串口傳遞給主控制器。主控制器接收到兩個(gè)模塊的數(shù)據(jù)后，經(jīng)分析處理后進(jìn)行打包操作，并借助RS485和RS232接口，將最終數(shù)據(jù)傳輸給人機(jī)交互模塊以及上位機(jī)監(jiān)控中心平臺(tái)。上位機(jī)監(jiān)控中心平臺(tái)可將相關(guān)數(shù)據(jù)信息傳遞給手機(jī)微信端，最終實(shí)現(xiàn)對(duì)水產(chǎn)養(yǎng)殖水域的全方位、實(shí)時(shí)的數(shù)據(jù)監(jiān)控。此外，監(jiān)控者也可使用上位機(jī)和手機(jī)微信端，向各模塊執(zhí)行機(jī)構(gòu)發(fā)送指令，進(jìn)行所需的遠(yuǎn)程控制。

圖1　系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)

2　定點(diǎn)數(shù)據(jù)采集模塊設(shè)計(jì)

定點(diǎn)數(shù)據(jù)采集模塊主要是針對(duì)水質(zhì)參數(shù)進(jìn)行監(jiān)測(cè)和采集。該模塊主要有主控制器，用于溫度、電導(dǎo)率、pH值以及溶氧量等信息采集的模擬傳感器組（放置在采樣池中）和采樣池。玻璃構(gòu)成的長方體采樣池位于實(shí)際水域附近的主控制室內(nèi)，主控制器通過控制水泵將各養(yǎng)殖水域的水樣輪流抽取，并輸運(yùn)到采樣池內(nèi)進(jìn)行定點(diǎn)數(shù)據(jù)采集操作。各傳感器采集完該水樣的水質(zhì)信息數(shù)據(jù)后，主控制器控制采樣池將本次水樣放掉。如此循壞，以實(shí)現(xiàn)單一傳感器組采集多養(yǎng)殖水域某些特定位置處的水質(zhì)信息。對(duì)應(yīng)的定點(diǎn)數(shù)據(jù)采集模塊結(jié)構(gòu)圖，可見圖2。

2.1　傳感器選擇

定點(diǎn)數(shù)據(jù)采集模塊的傳感器選擇來自于德國的IQ sensor系列。該系列傳感器具有性價(jià)比高、響應(yīng)速度快、精度高和運(yùn)行可靠等優(yōu)點(diǎn)，能夠符合水產(chǎn)養(yǎng)殖的要求。

2.2　系統(tǒng)設(shè)計(jì)

圖2　定點(diǎn)數(shù)據(jù)采集模塊結(jié)構(gòu)示意圖

本文定點(diǎn)數(shù)據(jù)采集模塊選用TI公司研發(fā)的MSP430FG4618型號(hào)16位主控制芯片。該芯片能效比高，配備8KB的RAM以及116KB的Flash，足夠滿足本模塊設(shè)計(jì)的性能需求。傳感器實(shí)時(shí)采集的水質(zhì)參數(shù)數(shù)據(jù)，經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換器完成模數(shù)轉(zhuǎn)換，傳輸給主控制器進(jìn)行相關(guān)的處理操作。主控制器上還連接著ZigBee網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)和繼電器等部件，可以實(shí)時(shí)接收不定點(diǎn)數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)信息，并對(duì)水域執(zhí)行機(jī)構(gòu)進(jìn)行遠(yuǎn)程控制[6]。

2.3　硬件電路設(shè)計(jì)

本模塊所需的部分硬件電路設(shè)計(jì)，可見圖3。使用CD4051作為信號(hào)選擇電路的8路選通開關(guān)，該選擇電路借助3路MCU信號(hào)實(shí)現(xiàn)對(duì)8路模擬傳感器信號(hào)的選擇操作。當(dāng)某路傳感器信號(hào)被選中后，依次進(jìn)行功率放大以及模數(shù)轉(zhuǎn)換等操作，產(chǎn)生最終的數(shù)字信號(hào)，供給MCU進(jìn)行相關(guān)讀取操作。

圖3　定點(diǎn)數(shù)據(jù)采集模塊硬件電路圖（部分）

2.4　軟件處理

軟件處理部分，主要分為水質(zhì)參數(shù)讀取、數(shù)據(jù)的糾錯(cuò)以及數(shù)據(jù)發(fā)送與存儲(chǔ)共3個(gè)部分。水質(zhì)參數(shù)讀取部分中使用的是滿足精度要求的10位模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片。讀取操作前，會(huì)優(yōu)先進(jìn)行初始化操作，設(shè)置好芯片的相關(guān)引腳功能，并選通A/D轉(zhuǎn)換芯片所需的片選引腳后完成讀取準(zhǔn)備工作；之后依照所應(yīng)滿足的延遲要求，在時(shí)鐘信號(hào)的控制操作下依次進(jìn)行10位數(shù)據(jù)的讀取操作。

由于采集和讀取到的數(shù)據(jù)可能會(huì)在采集、傳輸過程中產(chǎn)生誤差。因此，不能立即使用采集和讀取到的數(shù)據(jù)，而應(yīng)優(yōu)先進(jìn)行數(shù)據(jù)糾錯(cuò)處理。本文所使用的是200次采集取平均值的糾錯(cuò)處理方式。

數(shù)據(jù)發(fā)送和存儲(chǔ)部分主要是用于數(shù)據(jù)傳遞與存儲(chǔ)。具體而言，發(fā)送指的是將相關(guān)數(shù)據(jù)傳遞給上位機(jī)亦或是人機(jī)交互模塊供監(jiān)控者實(shí)時(shí)查看水質(zhì)參數(shù)信息；存儲(chǔ)指的是將相關(guān)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在上述主控制器上的flash芯片中，實(shí)現(xiàn)水質(zhì)參數(shù)數(shù)據(jù)的短期備份。

3　不定點(diǎn)數(shù)據(jù)采集模塊設(shè)計(jì)

文中所設(shè)計(jì)的不定點(diǎn)數(shù)據(jù)采集模塊，可見下圖4所示。主要是對(duì)定點(diǎn)數(shù)據(jù)采集帶來的局限性缺陷進(jìn)行完善與補(bǔ)充。具體是借助移動(dòng)互聯(lián)的無線傳感器技術(shù)，通過將無線傳感器模塊（各傳感器和ZigBee可移動(dòng)節(jié)點(diǎn)）安置在某一可遠(yuǎn)程遙控移動(dòng)的機(jī)器魚上，并利用養(yǎng)殖水域周圍安放的若干ZigBee參考節(jié)點(diǎn)模塊來獲取機(jī)器魚的位置以及對(duì)應(yīng)水質(zhì)參數(shù)信息[7-13]。而水質(zhì)參數(shù)數(shù)據(jù)信息經(jīng)ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)傳輸給主控制器進(jìn)行相關(guān)的處理操作。

圖4　不定點(diǎn)數(shù)據(jù)采集模塊示意圖

3.1　系統(tǒng)設(shè)計(jì)

文中采用了TI公司的CC2430作為該不定點(diǎn)數(shù)據(jù)采集模塊的無線通信芯片。該芯片內(nèi)部嵌有ZigBee協(xié)議棧，可靠性高且功耗較低，能夠完成所需的無線傳輸工作。本文存在4種無線模塊：利用UART實(shí)現(xiàn)串行通信并與基站主控制器相連接的網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)；用于定位移動(dòng)節(jié)點(diǎn)并放置在養(yǎng)殖水域周邊的參考節(jié)點(diǎn)；放置在移動(dòng)機(jī)器魚身上用來采集傳感器數(shù)據(jù)的移動(dòng)節(jié)點(diǎn)，以及當(dāng)遇到上述參考和移動(dòng)節(jié)點(diǎn)距離網(wǎng)關(guān)較遠(yuǎn)時(shí)作為路由使用的路由節(jié)點(diǎn)。

3.2　采集流程

不定點(diǎn)數(shù)據(jù)采集模塊采集的數(shù)據(jù)包括水質(zhì)參數(shù)信息和移動(dòng)機(jī)器魚所處的位置信息。前者由機(jī)器魚身上的傳感器采集，后者則是利用指示接收信號(hào)強(qiáng)度的RSSI信號(hào)衰減模型，借助極大似然估計(jì)以及多變測(cè)量法，通過計(jì)算確定移動(dòng)節(jié)點(diǎn)和網(wǎng)絡(luò)內(nèi)設(shè)置的有效參考節(jié)點(diǎn)之間的相對(duì)距離得到。

3.2.1　機(jī)器魚位置信息確定和采集

本文所用的定位模塊工作示意圖，可見圖5所示。文中所用的ZigBee網(wǎng)絡(luò)的網(wǎng)關(guān)為基于CC2430的全功能節(jié)點(diǎn)FFD，該網(wǎng)關(guān)能將主控制器和無線傳感器網(wǎng)絡(luò)相連接；養(yǎng)殖水域周邊分布了4～8個(gè)用于定位參考節(jié)點(diǎn)的終端節(jié)點(diǎn)，參考坐標(biāo)系為二維平面坐標(biāo)系（x，y）；機(jī)器魚則作為移動(dòng)定位被估計(jì)節(jié)點(diǎn)，搭載了CC2430芯片，其實(shí)物圖如圖6所示。各節(jié)點(diǎn)之間可互相通信，定位半徑范圍為0～64 m，最高定位精度可達(dá)0.25 m[14]。

圖5　定位模塊定位示意圖

由于使用了基于RSSI的多變定位和距離測(cè)量方法，經(jīng)簡化后的RSSI距離引擎計(jì)算算法如下式：

其中，n和A參數(shù)是網(wǎng)絡(luò)環(huán)境常量，前者表示路徑損耗索引，代表RSSI信號(hào)隨距離變化的衰減率；后者則以dBm為單位，代表了全方位射頻工作模式下，于發(fā)射端1m位置處所接收到的實(shí)際信號(hào)強(qiáng)度的絕對(duì)值。借助于多變測(cè)量以及最小方差估計(jì)法，對(duì)被估計(jì)移動(dòng)節(jié)點(diǎn)與各參考節(jié)點(diǎn)Ref距離的測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，得到相應(yīng)的機(jī)器魚位置信息估計(jì)值。

3.2.2　水質(zhì)參數(shù)溫度信息采集

圖6　機(jī)器魚實(shí)物圖

這里用溫度采集為例對(duì)水質(zhì)參數(shù)信息的采集進(jìn)行簡要敘述。本文選擇使用美國Dallas公司研發(fā)的D18B20溫度傳感器采集水質(zhì)溫度信息。工作時(shí)，當(dāng)控制者在基站主控制器下達(dá)BLINDNODE_ADX_XY_FINE_REQUEST指令時(shí)，機(jī)器魚會(huì)開啟相應(yīng)的ADC功能模塊，開始進(jìn)行水質(zhì)參數(shù)的檢測(cè)工作。當(dāng)機(jī)器魚采集到溫度參數(shù)信息后，會(huì)將該信息與RSSI信息一起經(jīng)相關(guān)節(jié)點(diǎn)返回給主控制器。

4　定點(diǎn)和不定點(diǎn)數(shù)據(jù)融合及現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控

文中的特色之一即為定點(diǎn)和不定點(diǎn)數(shù)據(jù)采集后的融合，能為養(yǎng)殖水域帶來全方位的監(jiān)測(cè)與控制，并通過可視化人機(jī)交互界面讓控制者實(shí)時(shí)獲得監(jiān)控信息并下達(dá)控制指令。

定點(diǎn)與不定點(diǎn)數(shù)據(jù)融合分為兩步。第一步，主控制器模塊對(duì)兩者數(shù)據(jù)進(jìn)行整合、分析和處理，最后進(jìn)行存儲(chǔ)。分析過程主要是進(jìn)行閾值判斷，即將采集到的水質(zhì)參數(shù)和設(shè)定閾值進(jìn)行對(duì)比。若是發(fā)生了超過閾值的情況，主控制器會(huì)通過在數(shù)據(jù)整合包中添加警報(bào)指令并結(jié)合蜂鳴器對(duì)控制者進(jìn)行警示。

第二步，將上述處理過的數(shù)據(jù)包傳輸給人機(jī)交互模塊，經(jīng)解析并讀取相關(guān)16位進(jìn)制數(shù)據(jù)后，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行進(jìn)制轉(zhuǎn)換，使其變?yōu)楦↑c(diǎn)數(shù)，最后顯示在現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控基站中的LCD顯示屏上?？刂普咭虼丝梢詮幕镜娘@示屏中觀察到各水域不同位置的水質(zhì)參數(shù)信息，及時(shí)發(fā)現(xiàn)異常情況，保證養(yǎng)殖作業(yè)的正常進(jìn)行。

5　微信端控制軟件設(shè)計(jì)

文中引入了微信公眾號(hào)來實(shí)現(xiàn)智能控制，幫助控制者利用微信端遠(yuǎn)程監(jiān)控水產(chǎn)養(yǎng)殖現(xiàn)場(chǎng)。微信公眾號(hào)基于Java開發(fā)，具有開發(fā)成本低、技術(shù)成熟等優(yōu)勢(shì)。開發(fā)環(huán)境為Eclipse IDE for Java Developers，具體內(nèi)容包括了前端界面和后端程序設(shè)計(jì)。前端界面設(shè)計(jì)主要采用了XML語言，負(fù)責(zé)相關(guān)的Activity界面的設(shè)計(jì)。后端設(shè)計(jì)主要采用Java語言，根據(jù)控制者選擇的按鈕接收水質(zhì)的參數(shù)信息數(shù)據(jù)或者是發(fā)送相關(guān)控制指令，相關(guān)詳細(xì)設(shè)計(jì)流程可見圖7。微信端主要采用了Socket方式和上位機(jī)監(jiān)控中心平臺(tái)服務(wù)器進(jìn)行通信，具體流程為使用服務(wù)器的IP地址和端口建立新的Socket連接，利用該端口號(hào)對(duì)服務(wù)器發(fā)送相關(guān)連接請(qǐng)求。若連接成功微信端便會(huì)啟動(dòng)偵聽功能，等待接收服務(wù)器端特定端口發(fā)送來的水質(zhì)參數(shù)信息，并通過Message接收處理數(shù)據(jù)，并顯示在手機(jī)屏幕上；若連接失敗則拋出相應(yīng)異常提示。數(shù)據(jù)的接收和發(fā)送均采用數(shù)據(jù)流類下的讀取方式進(jìn)行。

圖7　微信端控制軟件設(shè)計(jì)流程圖

6　上位機(jī)軟件管理平臺(tái)及遠(yuǎn)程監(jiān)控

上位機(jī)監(jiān)控中心平臺(tái)的計(jì)算機(jī)上裝有上位機(jī)管理軟件，該軟件平臺(tái)可利用Lab View開發(fā)工具經(jīng)圖形化開發(fā)得到[15-19]?，F(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控基站主控制器經(jīng)由485總線和該上位機(jī)管理軟件相連，處理后的數(shù)據(jù)因此在主控制器的控制下同時(shí)向現(xiàn)場(chǎng)人機(jī)交互模塊和該軟件平臺(tái)進(jìn)行傳輸。監(jiān)控中心管理者同樣可以通過查看人工監(jiān)控界面，從實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)功能中監(jiān)測(cè)養(yǎng)殖水域水質(zhì)參數(shù)，并具有遠(yuǎn)程下發(fā)指令的功能，能夠及時(shí)發(fā)現(xiàn)潛在異常，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控。上位機(jī)軟件管理平臺(tái)具有存儲(chǔ)功能，采用Microsoft Acess數(shù)據(jù)庫對(duì)接收到的數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)存儲(chǔ)備份，在歷史查詢中可通過設(shè)置時(shí)間區(qū)間獲取歷史數(shù)據(jù)信息。此外，該上位機(jī)軟件管理平臺(tái)還可以通過Socket方式和監(jiān)控者手機(jī)微信端進(jìn)行通信，使控制者可以在手機(jī)端對(duì)該水產(chǎn)養(yǎng)殖監(jiān)控系統(tǒng)進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)控。本文所使用的系統(tǒng)和相關(guān)管理軟件均已同某漁業(yè)企業(yè)進(jìn)行合作，實(shí)際使用良好，能完成多點(diǎn)水質(zhì)參數(shù)信息的獲取，誤差可控制在2%以內(nèi)，滿足了實(shí)際使用的精度要求。

7　結(jié)束語

由于傳統(tǒng)的水產(chǎn)養(yǎng)殖監(jiān)控系統(tǒng)通過采集定點(diǎn)數(shù)據(jù)來檢測(cè)水質(zhì)參數(shù)，其將會(huì)導(dǎo)致數(shù)據(jù)采集不全面的問題。為了解決這個(gè)問題，本文在傳統(tǒng)水產(chǎn)養(yǎng)殖監(jiān)控系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)并開發(fā)了一套多點(diǎn)數(shù)據(jù)采集水產(chǎn)養(yǎng)殖監(jiān)控系統(tǒng)，其引入不定點(diǎn)數(shù)據(jù)采集模塊，融合了定點(diǎn)數(shù)據(jù)和不定點(diǎn)數(shù)據(jù)，從而提高了養(yǎng)殖水域的監(jiān)測(cè)范圍，并采用數(shù)字化數(shù)據(jù)采集以及ZigBee等移動(dòng)互聯(lián)傳輸技術(shù)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，同時(shí)引入了手機(jī)微信端監(jiān)控方式，讓監(jiān)控者通過微信公眾號(hào)也能夠?qū)崟r(shí)全面的獲取水質(zhì)參數(shù)信息，確保水產(chǎn)品的質(zhì)量和養(yǎng)殖工作的順利進(jìn)行。該系統(tǒng)已經(jīng)投入使用，運(yùn)行良好，能夠?yàn)橄嚓P(guān)水產(chǎn)養(yǎng)殖監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與開發(fā)提供技術(shù)支持。