物聯(lián)網(wǎng)水產(chǎn)監(jiān)測系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

黃勁斐

0 引言

隨著信息技術(shù)的快速發(fā)展，無線通信技術(shù)、物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)、檢測與自動控制技術(shù)、人工智能技術(shù)、云計(jì)算和大數(shù)據(jù)技術(shù)等新一代信息技術(shù)已經(jīng)逐步用于生產(chǎn)生活的各個環(huán)節(jié)。在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)方面，通過信息化技術(shù)在水產(chǎn)養(yǎng)殖領(lǐng)域的運(yùn)用，建立一個高產(chǎn)、高效、環(huán)保、安全的系統(tǒng)，也成了廣大水產(chǎn)養(yǎng)殖戶所追求的目標(biāo)。影響水產(chǎn)養(yǎng)殖的主要因素包括：水體渾濁度、溫度、酸堿度（pH值）、含氧量、氨氮濃度等水質(zhì)條件，光照、風(fēng)力、風(fēng)向等大氣環(huán)境參數(shù)等。一個物聯(lián)網(wǎng)水產(chǎn)監(jiān)測系統(tǒng)能夠提供水體、水質(zhì)、空氣等多個關(guān)鍵參數(shù)的無線遠(yuǎn)程監(jiān)測，并根據(jù)監(jiān)測數(shù)據(jù)智能化的完成放苗、投食、凈水排污、增氧、投藥、捕撈等功能。本設(shè)計(jì)提供了一個基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)、智能信息處理、智能控制決策、信息預(yù)警、云計(jì)算等功能的物聯(lián)網(wǎng)水產(chǎn)監(jiān)測系統(tǒng)。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

本文設(shè)計(jì)的物聯(lián)網(wǎng)水產(chǎn)監(jiān)測系統(tǒng)，包括：養(yǎng)殖監(jiān)測現(xiàn)場、農(nóng)業(yè)云和遠(yuǎn)程監(jiān)控終端等三大部分，系統(tǒng)原理結(jié)構(gòu)如圖1。養(yǎng)殖監(jiān)測現(xiàn)場由無線傳感器節(jié)點(diǎn)、無線控制機(jī)構(gòu)節(jié)點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)、無線網(wǎng)關(guān)共同構(gòu)成的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)部署組成。物聯(lián)網(wǎng)水產(chǎn)監(jiān)測系統(tǒng)通過無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的各傳感器節(jié)點(diǎn)負(fù)責(zé)采集環(huán)境參數(shù)，匯總至網(wǎng)關(guān)，并可以由網(wǎng)關(guān)向各控制節(jié)點(diǎn)發(fā)出控制指令；再由網(wǎng)關(guān)上傳至農(nóng)業(yè)云平臺，由農(nóng)業(yè)云負(fù)責(zé)完成：信息處理和分析、控制決策、信息預(yù)警等功能；遠(yuǎn)程監(jiān)控終端可以通過訪問農(nóng)業(yè)云了解生產(chǎn)現(xiàn)場，對現(xiàn)場的機(jī)構(gòu)和設(shè)備加以控制，并可以通過具備人工智能功能的農(nóng)業(yè)云進(jìn)行智能化的養(yǎng)殖管理。

圖1系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

2 硬件設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)采用CC2530以及Zigbee協(xié)議組建無線傳感器網(wǎng)絡(luò)，網(wǎng)絡(luò)采用的傳感器節(jié)點(diǎn)主要包括：濁度傳感器、酸堿度傳感器、氨氮傳感器、光照傳感器、溫濕度傳感器、含氧量傳感器、流量傳感器、水上攝像頭、水下攝像頭等；控制機(jī)構(gòu)包括：進(jìn)水泵、出水泵、投食機(jī)、增氧機(jī)、施肥機(jī)、消毒凈化機(jī)等。整體硬件結(jié)構(gòu)可分為：環(huán)境監(jiān)控、養(yǎng)殖管理等兩大環(huán)節(jié)。各傳感器主要負(fù)責(zé)采集相應(yīng)的環(huán)境監(jiān)測數(shù)據(jù)，各控制機(jī)構(gòu)則分別用于實(shí)現(xiàn)養(yǎng)殖池的進(jìn)出水控制、精準(zhǔn)喂養(yǎng)、水體智能供氧等功能。環(huán)境監(jiān)控由各個環(huán)境監(jiān)測傳感器和相應(yīng)的處置控制機(jī)構(gòu)組成，養(yǎng)殖管理則主要由喂養(yǎng)控制結(jié)構(gòu)組成。環(huán)境監(jiān)控主要通過根據(jù)環(huán)境狀況，動態(tài)的調(diào)節(jié)水氧濃度、水體酸堿度和氨氮濃度、凈化水質(zhì)等；養(yǎng)殖管理則根據(jù)水產(chǎn)作物的需求，科學(xué)經(jīng)濟(jì)的放苗、捕撈、投食、放藥消殺等。

CC2530是由美國德州儀器公司設(shè)計(jì)的工作在2.4G頻段的Zigbee協(xié)議SOC無線射頻芯片，內(nèi)置8051內(nèi)核和無線射頻模塊，可以運(yùn)行Z-stack、Tinyos等協(xié)議棧，以實(shí)現(xiàn)Zigbee的無線組網(wǎng)，支持多達(dá)65536個節(jié)點(diǎn)的大規(guī)模組網(wǎng)。網(wǎng)關(guān)采用的是ARM9系列的32位精簡指令集嵌入式微控制器芯片S3C2440，該芯片內(nèi)置大容量FLASH、SRAM、USB、DMA、ADC、DAC等功能模塊，網(wǎng)關(guān)通過4G、以太網(wǎng)絡(luò)連接到云端。

圖2無線傳感器網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)框圖

圖3系統(tǒng)軟件整體運(yùn)行流程

3 軟件設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)采用Z-stack協(xié)議棧組建Zigbee無線傳感器網(wǎng)絡(luò)，如圖2所示。Z-stack是開源IaaS無線傳感器網(wǎng)絡(luò)操作系統(tǒng)，可實(shí)現(xiàn)多跳自組網(wǎng)Zigbee網(wǎng)絡(luò)的快速組網(wǎng)。網(wǎng)關(guān)通過運(yùn)行在ARM9平臺的Android平臺通過移動互聯(lián)網(wǎng)接入云端。監(jiān)控終端通過智能手機(jī)、電腦等設(shè)備訪問云端和遠(yuǎn)程管理養(yǎng)殖現(xiàn)場，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程養(yǎng)殖綜合管理，功能包括：實(shí)時水質(zhì)監(jiān)測、現(xiàn)場視頻監(jiān)控、無線信息交互、設(shè)備遠(yuǎn)程校準(zhǔn)、突發(fā)狀況報警，該系統(tǒng)軟件的整體運(yùn)行流程如圖3所示

系統(tǒng)軟件運(yùn)行流程：系統(tǒng)初始化后，由各傳感器節(jié)點(diǎn)采集相關(guān)數(shù)據(jù)并輸出，由無線傳感器網(wǎng)絡(luò)通過網(wǎng)關(guān)將數(shù)據(jù)上傳至農(nóng)業(yè)云；農(nóng)業(yè)云通過專家分析系統(tǒng)對傳感器數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，并做出智能決策；農(nóng)業(yè)云將決策反饋給養(yǎng)殖現(xiàn)場，由各控制節(jié)點(diǎn)控制增氧機(jī)、投食機(jī)等機(jī)構(gòu)工作，同時向監(jiān)控終端發(fā)送預(yù)警信息和現(xiàn)場執(zhí)行情況。

農(nóng)業(yè)云搭載人工智能養(yǎng)殖專家分析系統(tǒng)，主要實(shí)現(xiàn)養(yǎng)殖現(xiàn)場數(shù)據(jù)分析、養(yǎng)殖部署、人工智能養(yǎng)殖專家分析系統(tǒng)。云端建立通過人工智能養(yǎng)殖專家分析系統(tǒng)建立養(yǎng)殖模型，模型構(gòu)建養(yǎng)殖的運(yùn)行實(shí)施、水體水質(zhì)、養(yǎng)殖規(guī)劃、任務(wù)管理、作物生長規(guī)律、安全檢驗(yàn)、突發(fā)預(yù)警、設(shè)備控制、科學(xué)投喂等運(yùn)行規(guī)則。從而實(shí)現(xiàn)不同品種的投放養(yǎng)、育苗育種、成長管理、抽檢抽樣、病害防治、密度調(diào)度、成熟收獲等水產(chǎn)養(yǎng)殖的全天候、全過程、全方位管理。

遠(yuǎn)程監(jiān)控終端主要通過遠(yuǎn)程訪問養(yǎng)殖現(xiàn)場和農(nóng)業(yè)云，并以此實(shí)現(xiàn)養(yǎng)殖過程的遠(yuǎn)程移動監(jiān)控管理，具體實(shí)現(xiàn)的功能包括：環(huán)境日常監(jiān)測、養(yǎng)殖池管理，水質(zhì)水情數(shù)據(jù)的人工主動觀測、分析診斷，增氧機(jī)等設(shè)備的人工校準(zhǔn)、主動控制、視頻監(jiān)控、綜合數(shù)據(jù)分析核算、數(shù)據(jù)可視化分析與展示等。

4 結(jié)論

現(xiàn)如今，農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)和智能農(nóng)業(yè)已經(jīng)逐漸成了現(xiàn)代農(nóng)業(yè)發(fā)展的一個重要趨勢，通過該技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用，可以簡化養(yǎng)殖管理流程，減少人為的不恰當(dāng)干預(yù)，加強(qiáng)養(yǎng)殖的全程、高效管理，從而實(shí)現(xiàn)養(yǎng)殖的高效、環(huán)保、高產(chǎn)、安全。本文闡述了一個基于Zigbee技術(shù)的物聯(lián)網(wǎng)水產(chǎn)監(jiān)測系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，并給出了系統(tǒng)的硬件構(gòu)造原理、軟件結(jié)構(gòu)和設(shè)計(jì)流程等，闡述了該系統(tǒng)的軟硬件運(yùn)行原理。本文為物聯(lián)網(wǎng)水產(chǎn)監(jiān)測系統(tǒng)的設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)提供了一個很好的借鑒思路，可以用于多種不同水產(chǎn)作物的智能化協(xié)同養(yǎng)殖、管理。