基于物聯(lián)網(wǎng)的魚塘環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)設計

漆 顥，管 華，龔晚林

（1.湖北中醫(yī)藥大學 信息工程學院，湖北 武漢 430065；2.武漢大學 電子信息學院，湖北 武漢 430000）

0 引 言

我國漁業(yè)總產(chǎn)量連續(xù)多年居世界首位。魚的產(chǎn)量與魚塘環(huán)境休戚相關，一旦水質被污染就會破壞魚塘環(huán)境導致減產(chǎn)，因此必須對魚塘環(huán)境相關參數(shù)進行監(jiān)測，預防水質被破壞，滿足魚塘所需的水質要求[1]。目前我國大多數(shù)魚塘管理者對水中環(huán)境好壞的判斷主要通過魚有無浮頭等現(xiàn)象來判斷含氧量的多少，再利用人工控制增氧機作業(yè)。這類方法效率低。隨著計算機技術和物聯(lián)網(wǎng)技術的不斷發(fā)展和提高，遠程監(jiān)測系統(tǒng)已被廣泛應用于各領域。在水產(chǎn)養(yǎng)殖領域，傳統(tǒng)的人工養(yǎng)殖和人工采樣監(jiān)測已無法實現(xiàn)對魚塘環(huán)境的實時監(jiān)控，也不能隨時獲取魚塘的水質動態(tài)，所以智能化、自動化和網(wǎng)絡化的工廠化養(yǎng)殖方式已成為漁業(yè)發(fā)展的必然趨勢[2]。這種養(yǎng)殖方式不僅能降低傳統(tǒng)養(yǎng)殖的勞動強度，保障水產(chǎn)品安全，保障水產(chǎn)養(yǎng)殖高效生產(chǎn)，同時還能對魚塘環(huán)境進行實時監(jiān)測[3-4]。

針對上述情況，本文設計了一套基于物聯(lián)網(wǎng)的魚塘環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)。該系統(tǒng)集數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)分析、信息反饋和自動調節(jié)等功能于一體，通過無線接入點向配電箱發(fā)送控制指令。該系統(tǒng)針對魚塘分布廣、監(jiān)測點多、布線和供電困難等特點，利用物聯(lián)網(wǎng)技術，遠程在線采集氣象信息，實現(xiàn)旱情自動預報等。用戶可以通過手機、平板、計算機等信息終端遠程查詢水質信息，采集溫度、光照、pH值、水位、溶解氧等數(shù)據(jù)，并控制進出水、增氧設備等的工作，實現(xiàn)遠程魚塘環(huán)境監(jiān)測。數(shù)據(jù)中心利用采集到的數(shù)據(jù)進行分析，之后作出決策發(fā)出指令控制氣泵和水泵進行自我調節(jié)，實現(xiàn)淡水養(yǎng)殖過程水質自動控制、管理與預警，降低水產(chǎn)養(yǎng)殖風險，提高單位水面的產(chǎn)量和水產(chǎn)品質量。

1 魚塘環(huán)境檢測系統(tǒng)的框架結構

平臺架構如圖1所示。系統(tǒng)架構分為數(shù)據(jù)采集層、網(wǎng)絡傳輸層、中間網(wǎng)關層、應用服務層、移動服務層。

圖1 系統(tǒng)平臺框架圖

1.1 數(shù)據(jù)采集層

數(shù)據(jù)采集層由多種傳感器組成，主要采集魚塘環(huán)境的相關參數(shù)。終端接入層放置在魚塘中，用以檢測水質參數(shù)，可對水位、光照、pH值、溶解氧和水溫等環(huán)境參數(shù)進行遠程實時監(jiān)測[5-6]。

1.2 網(wǎng)絡傳輸層

網(wǎng)絡傳輸層負責與外部網(wǎng)絡通信，用于應用層和采集層之間的數(shù)據(jù)傳輸，將終端采集到的數(shù)據(jù)通過ZigBee網(wǎng)絡發(fā)送至網(wǎng)關，系統(tǒng)支持以太網(wǎng)、RS 232等有線方式和WiFi，ZigBee， Bluetooth 等無線方式[7-9]。

1.3 中間網(wǎng)關層

網(wǎng)關放置在魚塘附近，采用無線傳輸方式接收數(shù)據(jù)并顯示，同時將該終端發(fā)送的數(shù)據(jù)通過串口傳送給監(jiān)控中心軟件，再通過Internet網(wǎng)絡將數(shù)據(jù)傳輸至遠程魚塘監(jiān)控中心[10]。

1.4 應用服務層

應用層主要負責感知數(shù)據(jù)的分析、處理、統(tǒng)計及顯示，并進行及時預警、自動控制和科學決策，主要包括物聯(lián)網(wǎng)云服務平臺、兩級監(jiān)控中心、預警與控制決策系統(tǒng)，對傳輸層傳遞的數(shù)據(jù)進行分析、處理和決策控制。負責數(shù)據(jù)的存儲、統(tǒng)計、分析、圖形化顯示，包括數(shù)據(jù)查詢、報表生成、繪制分析曲線等，并根據(jù)環(huán)境信息進行決策和自動控制，及數(shù)據(jù)的分析判斷，實現(xiàn)遠程實時監(jiān)控查詢和預警[11-12]。該部分由數(shù)據(jù)庫和后臺數(shù)據(jù)處理軟件組成。

1.5 移動服務層

移動服務層支持手持設備，智能手機和平板使用APP軟件連接數(shù)據(jù)庫查看監(jiān)控中心的信息并進行數(shù)據(jù)處理，通過藍牙、無線技術自動傳輸?shù)紸ndroid手機端[13]。服務器將數(shù)據(jù)實時推送到云端，通過手機或者電腦網(wǎng)頁遠程控制和獲取相關數(shù)據(jù)?？蓴U展連接公有、私有云服務器。水產(chǎn)養(yǎng)殖智能監(jiān)控系統(tǒng)可實現(xiàn)對水位、光照、pH值、溶解氧和水溫等魚塘環(huán)境參數(shù)的實時自動采集、處理和顯示，傳感器節(jié)點和協(xié)調器節(jié)點之間的數(shù)據(jù)通過無線網(wǎng)絡傳輸，構建云網(wǎng)關，實時將水的溶解氧、水溫、pH值等信息推送到云數(shù)據(jù)中心，再憑借Android移動客戶端和Web端獲得這些數(shù)據(jù)，用戶能夠隨時隨地遠程獲取測得的水的溶解氧、水溫等信息[14]。

2 魚塘環(huán)境檢測系統(tǒng)的硬件設計

溶解氧、水溫、pH值、光照、水位等傳感器作為數(shù)據(jù)采集類物聯(lián)網(wǎng)傳感器，能夠主動采集水的環(huán)境信息并發(fā)送至采集節(jié)點。采集到水質參數(shù)后，利用ZigBee無線網(wǎng)絡將其發(fā)送至ZigBee網(wǎng)關，后經(jīng)串口發(fā)送至控制電腦，再通過互聯(lián)網(wǎng)把數(shù)據(jù)發(fā)送到服務器的接收端程序。該程序把數(shù)據(jù)保存到數(shù)據(jù)庫，利用Web網(wǎng)站和手機顯示數(shù)據(jù)庫的傳感器數(shù)據(jù)，用戶也可通過網(wǎng)站和手機控制主動采樣過程。無線傳感器網(wǎng)絡監(jiān)測節(jié)點的硬件結構模塊如圖2所示。系統(tǒng)主要包括微處理器、水溫水位傳感器、水質pH值檢測傳感器、溶氧量檢測傳感器和無線射頻模塊[15]。測量節(jié)點采用ZigBee芯片CC2530作為微處理器，主要接收來自PC機水質數(shù)據(jù)采集軟件的命令并轉發(fā)給每個水質數(shù)據(jù)檢測終端，接收每個水質檢測終端上傳的數(shù)據(jù)并通過USB接口傳送到PC機。

圖2 硬件結構模塊

3 魚塘環(huán)境檢測系統(tǒng)的軟件設計

系統(tǒng)軟件設計需求主要包括移動監(jiān)測平臺設計和網(wǎng)站平臺設計[16]。基于Android手機系統(tǒng)打造一個基于云服務的魚塘環(huán)境移動監(jiān)控平臺。通過手機對魚塘環(huán)境進行實時監(jiān)控，并可按日、月、年將環(huán)境參數(shù)（如溫濕度）變化以曲線方式呈現(xiàn)。通過與移動終端連接，在APP中可及時、準確地監(jiān)測魚塘的水質狀況，可在水質信號異常時發(fā)出警告[17]。對監(jiān)測和跟蹤的數(shù)據(jù)進行系統(tǒng)分析，并將分析結果及時通知管理人員。移動監(jiān)測平臺分為水質參數(shù)監(jiān)測與讀取顯示模塊，水質歷史數(shù)據(jù)分析模塊，水質聯(lián)動遠程管理控制模塊，設備管理模塊，養(yǎng)魚咨詢模塊，用戶信息模塊，水產(chǎn)品追溯模塊等。移動監(jiān)測平臺功能模塊如圖3所示。

圖3 移動監(jiān)測平臺功能模塊

網(wǎng)站平臺設計：網(wǎng)站提供實時監(jiān)控式水質診斷服務。平臺可接收網(wǎng)關傳輸?shù)聂~塘水質監(jiān)測數(shù)據(jù)，并對數(shù)據(jù)做出解析處理、遠程顯示和控制網(wǎng)關[18]。通過監(jiān)測水溫、pH值等生命體征，實時分析魚塘水質狀況，建立魚塘水質狀況檔案，發(fā)布水質狀況曲線，計算水質指數(shù)，并對潛在水質風險進行評估和預警[19]。子功能包括監(jiān)控管理模塊、系統(tǒng)管理模塊、數(shù)據(jù)分析模塊等。網(wǎng)站功能模塊如圖4所示。

圖4 網(wǎng)站功能模塊

4 結 語

本文基于對國內外水產(chǎn)養(yǎng)殖環(huán)境監(jiān)測的現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢以及相關環(huán)境監(jiān)測技術和應用的研究，得出目前魚塘環(huán)境監(jiān)測幾大關鍵因素集中在水位監(jiān)測、pH值檢測、水溫、氧容量等指標，以及在檢測中所要用到的設備與技術的結論。本系統(tǒng)的基本功能包括魚塘水位監(jiān)控，可實時控制水泵開關、監(jiān)測水體pH值、監(jiān)測水溶解氧，并在移動端控制增氧閥門以及水溫的監(jiān)測。與當前其他水產(chǎn)養(yǎng)殖監(jiān)測系統(tǒng)相比，本系統(tǒng)可以實現(xiàn)魚塘監(jiān)測的智能化，進而提高魚塘環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)的自動化程度，降低魚塘管理與維護難度，具有廣闊的市場應用前景。