智能水產(chǎn)養(yǎng)殖監(jiān)控系統(tǒng)構(gòu)建分析

謝小平

（常州市金壇區(qū)、溧陽市長(zhǎng)蕩湖水產(chǎn)管理委員會(huì)管理處，江蘇常州 213224）

隨著水產(chǎn)養(yǎng)殖行業(yè)的快速發(fā)展，針對(duì)水產(chǎn)品的產(chǎn)量與質(zhì)量都有了新的標(biāo)準(zhǔn)。為進(jìn)一步推動(dòng)水產(chǎn)養(yǎng)殖行業(yè)的發(fā)展，構(gòu)建智能水產(chǎn)養(yǎng)殖監(jiān)控系統(tǒng)很有必要，其主要是用于監(jiān)控水產(chǎn)養(yǎng)殖的狀態(tài)，確保其養(yǎng)殖能夠滿足實(shí)際需求。

1 智能水產(chǎn)養(yǎng)殖監(jiān)控系統(tǒng)的構(gòu)建意義

當(dāng)前，我國(guó)的水產(chǎn)養(yǎng)殖規(guī)模龐大，已成為國(guó)民經(jīng)濟(jì)發(fā)展的支柱型產(chǎn)業(yè)之一。水產(chǎn)養(yǎng)殖不僅能夠緩解糧食方面的壓力，而且能提供工作崗位、增加勞動(dòng)人員收入、改善國(guó)民生活質(zhì)量等。但我國(guó)的水產(chǎn)養(yǎng)殖長(zhǎng)期以來存在不足，其自動(dòng)化與智能化的水平相對(duì)不高，養(yǎng)殖的效率難以提升，人工勞動(dòng)的強(qiáng)度較大，同時(shí)易造成環(huán)境污染，使水產(chǎn)養(yǎng)殖行業(yè)的進(jìn)一步發(fā)展受到阻礙。部分水產(chǎn)養(yǎng)殖戶過于看重養(yǎng)殖所帶來的利益，常常會(huì)出現(xiàn)池塘超容量養(yǎng)殖的現(xiàn)象，這也會(huì)造成許多不良后果，因此推進(jìn)水產(chǎn)養(yǎng)殖的智能化和科學(xué)化發(fā)展已經(jīng)十分緊要。在實(shí)際的水產(chǎn)養(yǎng)殖過程中，監(jiān)控系統(tǒng)的運(yùn)用十分重要，其不僅能保證水產(chǎn)養(yǎng)殖工作的高產(chǎn)、生態(tài)、集約、高效及安全，而且能對(duì)水質(zhì)進(jìn)行準(zhǔn)確監(jiān)測(cè)，保證實(shí)際養(yǎng)殖情況良好。水產(chǎn)養(yǎng)殖監(jiān)控系統(tǒng)的構(gòu)建是保證水產(chǎn)養(yǎng)殖品質(zhì)和安全的關(guān)鍵，同時(shí)其監(jiān)控系統(tǒng)一般還具有遠(yuǎn)程控制功能，當(dāng)監(jiān)測(cè)到水質(zhì)出現(xiàn)問題時(shí)，能及時(shí)通過自動(dòng)化換水、增加氧氣等措施改善水質(zhì)，防止養(yǎng)殖環(huán)境出現(xiàn)不良情況，減少經(jīng)濟(jì)損失。智能化和自動(dòng)化水平的提升是為了更加準(zhǔn)確、及時(shí)地完成養(yǎng)殖管理工作，其對(duì)水產(chǎn)養(yǎng)殖行業(yè)的發(fā)展也有著重要意義［1］。

2 基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的智能水產(chǎn)養(yǎng)殖監(jiān)控系統(tǒng)的構(gòu)建

2.1 設(shè)計(jì)系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)

采取的設(shè)計(jì)方案為利用ZigBee 監(jiān)控技術(shù)設(shè)置遠(yuǎn)程水產(chǎn)養(yǎng)殖的監(jiān)測(cè)和控制系統(tǒng)，重點(diǎn)是監(jiān)測(cè)并控制養(yǎng)殖池塘區(qū)域內(nèi)的實(shí)際環(huán)境溫度及環(huán)境濕度等相關(guān)參數(shù)，最后將其連接到手機(jī)終端設(shè)備，實(shí)現(xiàn)有效監(jiān)控，操作智能手機(jī)是主要手段。

對(duì)于部分大型水產(chǎn)養(yǎng)殖基地，其自動(dòng)化智能水產(chǎn)養(yǎng)殖的管理和監(jiān)控系統(tǒng)主要為單片機(jī)形式，在設(shè)計(jì)系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)時(shí)，其結(jié)構(gòu)的基本框架主要包含遠(yuǎn)程監(jiān)控模塊、傳感檢測(cè)通信模塊及控制器模塊3 個(gè)模塊。整體硬件結(jié)構(gòu)包含的設(shè)施有與控制器連接的光感傳感器、溫度傳感器、pH 值及溶解氧傳感器和上位機(jī)設(shè)備。遠(yuǎn)程控制及通信工作連接設(shè)備為監(jiān)控終端服務(wù)器、個(gè)人計(jì)算機(jī)（Personal Computer，PC）遠(yuǎn)程監(jiān)控設(shè)施及手機(jī)終端。傳感器檢測(cè)模塊能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)整個(gè)養(yǎng)殖池塘內(nèi)的pH 值、水溫及含氧量等數(shù)據(jù)進(jìn)行有效收集，并利用通信手段將收集到的數(shù)據(jù)信息發(fā)送到遠(yuǎn)程監(jiān)控及控制器模塊中。控制器模塊具有自動(dòng)處理監(jiān)控信息的功能，會(huì)分析收集到的數(shù)據(jù)信息并有效合并，然后將處理好的信息向上級(jí)傳輸，實(shí)現(xiàn)有效監(jiān)控。結(jié)合傳感器所采集的顯示數(shù)據(jù)及池塘中實(shí)際情況的現(xiàn)有數(shù)據(jù)，通過遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)處理，最后將所有整理好的養(yǎng)殖池塘數(shù)據(jù)信息發(fā)送到遠(yuǎn)程終端設(shè)備上，終端設(shè)備會(huì)顯示出池塘中有關(guān)養(yǎng)殖的環(huán)境參數(shù)，該參數(shù)將作為遠(yuǎn)程自動(dòng)監(jiān)控、調(diào)整設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)的基礎(chǔ)［2］。

2.2 分布式系統(tǒng)模塊設(shè)計(jì)

2.2.1 系統(tǒng)模塊中的數(shù)據(jù)采集部分

構(gòu)建智能水產(chǎn)養(yǎng)殖監(jiān)控系統(tǒng)時(shí)，模塊中的數(shù)據(jù)采集功能十分關(guān)鍵，因而應(yīng)對(duì)其科學(xué)設(shè)計(jì)。如在具體的水產(chǎn)養(yǎng)殖中，數(shù)據(jù)采集的對(duì)象包括池塘水溫度、pH 值、溶解度、含氧數(shù)值和照明相關(guān)參數(shù)等，而系統(tǒng)監(jiān)測(cè)實(shí)現(xiàn)的重要基礎(chǔ)則為相關(guān)傳感器數(shù)據(jù)模塊的無線網(wǎng)絡(luò)，其能夠?qū)⒁陨媳O(jiān)測(cè)到的所有數(shù)據(jù)信息放置到傳感器無線網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)監(jiān)測(cè)的節(jié)點(diǎn)上，使水產(chǎn)養(yǎng)殖生態(tài)環(huán)境中的所有相關(guān)數(shù)據(jù)信息都能夠被準(zhǔn)確、及時(shí)收集，最后進(jìn)行分析，而無線網(wǎng)絡(luò)作用下的傳感器數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)模塊的主要框架為直接相連的傳感器與電源模塊，傳感器可實(shí)現(xiàn)數(shù)模的有效轉(zhuǎn)換，包含溫度傳感器、光照傳感器、溶氧傳感器及pH 值傳感器等，傳感器還與處理器相連接，處理器部分包含微處理器、存儲(chǔ)器及應(yīng)用軟件等構(gòu)造，最后與無線通信設(shè)備相連接，其主要是采用ZigBee 無線接收器設(shè)備。

在傳感器的處理模塊中，表單管理環(huán)境下能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)內(nèi)部數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確收集和自動(dòng)化處理，將數(shù)據(jù)整理后生成表單信息，再自動(dòng)轉(zhuǎn)換為能夠被微處理器所自動(dòng)識(shí)別的信息。其控制器部分可通過驅(qū)動(dòng)管理的手段有效調(diào)節(jié)傳感器的控制模塊及整體的無線電，確保系統(tǒng)的工作狀態(tài)正常，對(duì)所有收集到的數(shù)據(jù)信息能夠自動(dòng)控制，同時(shí)控制的還包括不同控制模塊間的數(shù)據(jù)處理，實(shí)現(xiàn)不同控制模塊間的實(shí)時(shí)信息交換。系統(tǒng)的通信控制功能主要是自動(dòng)控制通信，保證互相通信模塊間的主機(jī)信息能得到有效交流，最后將接收模塊的數(shù)據(jù)信息自動(dòng)發(fā)送并傳輸。電源模塊為所有的功能模塊提供電力，確保其實(shí)際運(yùn)行工作時(shí)的有源電壓充足。

整個(gè)數(shù)據(jù)采集功能實(shí)現(xiàn)的流程為：對(duì)實(shí)際需要的水質(zhì)參數(shù)使用傳感器進(jìn)行監(jiān)測(cè)和收集，然后利用信號(hào)來調(diào)節(jié)電路，將其輸入到ARM 微處理器線性預(yù)測(cè)編碼LPC13（Linear Predictive Coding，LPC）的模數(shù)轉(zhuǎn)換器中，將模擬的量值轉(zhuǎn)換為具體的數(shù)字量值。轉(zhuǎn)換完成后，LPC13控制器利用串行端口收集數(shù)據(jù)，將收集到的數(shù)據(jù)信息傳輸?shù)絑igBee 無線模塊中，在該模塊中，其會(huì)根據(jù)點(diǎn)對(duì)點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)協(xié)議將所收集到的數(shù)據(jù)結(jié)果發(fā)送到遠(yuǎn)程終端設(shè)備，也會(huì)利用串行端口將數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)發(fā)送到遠(yuǎn)程監(jiān)控模塊中的相關(guān)軟件，最后由計(jì)算機(jī)設(shè)備定期將收集到的數(shù)據(jù)信息存儲(chǔ)到數(shù)據(jù)庫中，方便監(jiān)控人員可隨時(shí)進(jìn)行數(shù)據(jù)的查找、分析及整理［3］。

2.2.2 遠(yuǎn)程服務(wù)器終端的軟件設(shè)計(jì)

遠(yuǎn)程服務(wù)器終端主要是進(jìn)行信息整合的終端，因此其功能框架的設(shè)計(jì)可采取分層模式，實(shí)際工作時(shí)要保證數(shù)據(jù)的整個(gè)流轉(zhuǎn)都能夠完整、有效且安全。在分層設(shè)計(jì)中，主要包含3 個(gè)層次：1）表示層，包括計(jì)算機(jī)、智能手機(jī)等終端顯示設(shè)備；2）業(yè)務(wù)層，包括相應(yīng)的服務(wù)組件；3）數(shù)據(jù)層，主要為數(shù)據(jù)庫結(jié)構(gòu)，包含主數(shù)據(jù)庫和備份數(shù)據(jù)庫。在整個(gè)遠(yuǎn)程服務(wù)器中，業(yè)務(wù)層屬于核心部分，因此其用戶的訪問和控制功能應(yīng)當(dāng)設(shè)置權(quán)限范圍，確保實(shí)際控制過程的規(guī)范性，如普通用戶進(jìn)入到該層結(jié)構(gòu)時(shí)只可瀏覽，而具有管理員身份的用戶不僅可以瀏覽，還能夠?qū)刂葡到y(tǒng)中的各項(xiàng)功能進(jìn)行操作［4］。

2.2.3 信息網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)模塊設(shè)計(jì)

在本系統(tǒng)的設(shè)計(jì)構(gòu)建中，其信息網(wǎng)絡(luò)的無線通信主要是運(yùn)用ZigBee 通信技術(shù)。該技術(shù)能夠?yàn)榈退俾蕦拵Ъ暗统杀镜臄?shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)傳輸速率提供一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)，而這個(gè)標(biāo)準(zhǔn)也將會(huì)作為技術(shù)運(yùn)用的基礎(chǔ)，其依據(jù)的標(biāo)準(zhǔn)基礎(chǔ)包括服務(wù)層網(wǎng)絡(luò)協(xié)議及物理層網(wǎng)絡(luò)協(xié)議。ZigBee 技術(shù)的應(yīng)用成本較為低廉，且實(shí)際耗時(shí)不長(zhǎng)，響應(yīng)速度也較快，因此能夠得到很好的應(yīng)用效果。但同時(shí)該項(xiàng)技術(shù)也有著不足之處，即其傳輸?shù)木嚯x相對(duì)較短，通常情況下都是在百米以內(nèi)。本系統(tǒng)采取的CC530 是射頻收發(fā)器的處理模塊，具有2.4 GHz IEEE 80.15.4 標(biāo)準(zhǔn)化特征，主要功能為進(jìn)行無線命令信號(hào)的發(fā)送、對(duì)實(shí)際信號(hào)的狀態(tài)進(jìn)行讀取、對(duì)部分事件進(jìn)行排序及地址有效識(shí)別和對(duì)有效數(shù)據(jù)進(jìn)行過濾提取等，因此其能夠構(gòu)建出強(qiáng)大的移動(dòng)無線網(wǎng)絡(luò)管理節(jié)點(diǎn)。整體系統(tǒng)能使監(jiān)控人員的工作效果進(jìn)一步提升，確保監(jiān)控效率能夠滿足實(shí)際需求，其還提供了養(yǎng)殖環(huán)境數(shù)據(jù)歷史信息的查詢、實(shí)時(shí)情況信息的顯示及對(duì)巡邏人員的顯示等功能，是功能相對(duì)強(qiáng)大的人機(jī)交互型系統(tǒng)［5］。

3 結(jié)語

在水產(chǎn)養(yǎng)殖的工作中，智能監(jiān)控系統(tǒng)的運(yùn)用能夠更好地保障水產(chǎn)養(yǎng)殖的高效性和安全性，提升其養(yǎng)殖成果的品質(zhì)?；谖锫?lián)網(wǎng)技術(shù)的智能水產(chǎn)養(yǎng)殖監(jiān)控系統(tǒng)的構(gòu)建包括：設(shè)計(jì)系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)、對(duì)分布式系統(tǒng)模塊中的硬件進(jìn)行設(shè)計(jì)，后者還包含了系統(tǒng)模塊中的數(shù)據(jù)采集部分設(shè)計(jì)、遠(yuǎn)程服務(wù)器終端的軟件設(shè)計(jì)及信息網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)模塊設(shè)計(jì)。