物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在海水養(yǎng)殖中的研究與應(yīng)用

付宗魁+童紅兵

摘 要：文中論述了在海水養(yǎng)殖中利用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)實(shí)現(xiàn)養(yǎng)殖環(huán)境監(jiān)測(cè)及遠(yuǎn)程控制的實(shí)現(xiàn)方法。數(shù)據(jù)采集及控制節(jié)點(diǎn)、服務(wù)器、客戶(hù)展示端為此套設(shè)計(jì)系統(tǒng)的三個(gè)重要組成部分，現(xiàn)系統(tǒng)已開(kāi)發(fā)完成，運(yùn)行良好，達(dá)到了預(yù)期效果。

關(guān)鍵詞：物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)；海水養(yǎng)殖；環(huán)境監(jiān)測(cè)；遠(yuǎn)程控制

中圖分類(lèi)號(hào)：TP393 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：2095-1302（2017）08-00-02

0 引 言

2016年3月17日，《中華人民共和國(guó)國(guó)民經(jīng)濟(jì)和社會(huì)發(fā)展第十三個(gè)五年規(guī)劃綱要》發(fā)布，其中多處提到物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)及智慧海洋。綱要第二十七章實(shí)施國(guó)家大數(shù)據(jù)戰(zhàn)略中提出建設(shè)物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用基礎(chǔ)設(shè)施和服務(wù)平臺(tái)，推進(jìn)物聯(lián)網(wǎng)重大應(yīng)用示范工程建設(shè)。在第四十一章拓展藍(lán)色經(jīng)濟(jì)空間中提出推進(jìn)智慧海洋工程建設(shè)。

如何構(gòu)建科學(xué)的智慧海洋系統(tǒng)架構(gòu)，使智慧海洋工程更好地為海水養(yǎng)殖服務(wù)。此方案從數(shù)據(jù)采集及控制節(jié)點(diǎn)、服務(wù)器、展示端三個(gè)部分設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)了一套完整的海水養(yǎng)殖智慧平臺(tái)。

1 系統(tǒng)架構(gòu)

如何能夠快速將遠(yuǎn)端數(shù)據(jù)采集及監(jiān)控，根據(jù)系統(tǒng)需求設(shè)計(jì)系統(tǒng)架構(gòu)圖，如圖1所示。

在系統(tǒng)架構(gòu)圖中，虛線(xiàn)雙向箭頭表示無(wú)線(xiàn)雙向通信，實(shí)線(xiàn)雙箭頭表示有線(xiàn)雙向通信。在系統(tǒng)整體架構(gòu)中，通信方式主要采用Socket通信，對(duì)于數(shù)據(jù)采集節(jié)點(diǎn)的識(shí)別主要采用設(shè)備編號(hào)的方式進(jìn)行區(qū)分。展示端采用定時(shí)更新數(shù)據(jù)及請(qǐng)求更新模式，同時(shí)服務(wù)器端設(shè)計(jì)了預(yù)警實(shí)時(shí)提示功能，系統(tǒng)采用C/S模式開(kāi)發(fā)完成。

2 數(shù)據(jù)采集及控制節(jié)點(diǎn)

根據(jù)實(shí)用及成本考慮，數(shù)據(jù)采集及控制節(jié)點(diǎn)采用STM32單片機(jī)，設(shè)計(jì)兩路電壓輸入和兩路電流輸入，一路RS 485及一路CAN接口，一個(gè)繼電器。節(jié)點(diǎn)中現(xiàn)接有pH傳感器一個(gè)，輸出為電壓模擬量0～10 V；含氧量傳感器一個(gè)，輸出為電流模擬量4～20 mA；溫度傳感器一個(gè)，采用ds18b20，將其它沒(méi)有使用的輸入接口作為后期其它數(shù)據(jù)采集擴(kuò)展使用。此節(jié)點(diǎn)通信模塊采用SIM900A，通訊模式采用GPRS，滿(mǎn)足近海海域信號(hào)的全覆蓋。節(jié)點(diǎn)與服務(wù)器連接時(shí)，首先發(fā)送固定編號(hào)，格式為“1111+ID”，ID編號(hào)從STM32芯片唯一96位設(shè)備ID號(hào)中讀取，1111表示數(shù)據(jù)采集節(jié)點(diǎn)。當(dāng)采集數(shù)據(jù)超出標(biāo)準(zhǔn)時(shí)，可以通過(guò)控制繼電器來(lái)采取相應(yīng)控制措施，同時(shí)可發(fā)送短信到指定手機(jī)中發(fā)布預(yù)警信息。根據(jù)實(shí)際需求，可使用休眠模式，定時(shí)采集相關(guān)數(shù)據(jù)，大大降低數(shù)據(jù)采集及控制節(jié)點(diǎn)的能耗問(wèn)題。

3 服務(wù)器

服務(wù)器作為數(shù)據(jù)匯集端，在設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)中主要負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)通信、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和數(shù)據(jù)處理等，采用C#編程語(yǔ)言、Socket通信方式和SQL Server 2008數(shù)據(jù)庫(kù)。服務(wù)器端對(duì)指定端口進(jìn)行監(jiān)聽(tīng)，當(dāng)監(jiān)聽(tīng)到客戶(hù)端建立連接時(shí)，將客戶(hù)端IP地址及端口號(hào)儲(chǔ)存到特定集合中，以便后期對(duì)指定采集節(jié)點(diǎn)發(fā)送控制信息。當(dāng)服務(wù)器端建立連接后，通過(guò)判斷客戶(hù)端發(fā)送的第一條信息的前四位以區(qū)分是采集控制節(jié)點(diǎn)還是展示節(jié)點(diǎn)。當(dāng)接收信息前四位為1111時(shí)，為采集控制節(jié)點(diǎn)，需將ID號(hào)與IP地址及端口號(hào)進(jìn)行綁定，存儲(chǔ)在數(shù)據(jù)庫(kù)中。當(dāng)接收信息前四位為2222時(shí)，連接用戶(hù)為展示端，根據(jù)后面請(qǐng)求指令返回相應(yīng)的數(shù)據(jù)信息，包括身份驗(yàn)證、溫度數(shù)據(jù)請(qǐng)求、pH值數(shù)據(jù)請(qǐng)求和含氧量數(shù)據(jù)請(qǐng)求等信息。服務(wù)器端將根據(jù)接收數(shù)據(jù)進(jìn)行信號(hào)調(diào)理，使接收到的采集節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)與實(shí)際值更加接近。同時(shí)具有數(shù)據(jù)預(yù)警機(jī)制，根據(jù)各預(yù)警參數(shù)值進(jìn)行分析判斷，一旦超出既定范圍將立即采取相應(yīng)措施并發(fā)送信息給展示端，起到環(huán)境監(jiān)測(cè)預(yù)警的作用。

4 展示端

展示端主要包括兩部分，一部分為PC展示端，另一部分為移動(dòng)展示端。PC展示端主要采用C#編程模式，而移動(dòng)終端展示使用Android編程模式。展示端僅僅是在展示設(shè)備和編程語(yǔ)言中有所不同，其通信協(xié)議完全相同，通信方式仍使用Socket編程。首次與服務(wù)器端連接時(shí)需發(fā)送2222作為展示端身份驗(yàn)證，服務(wù)器有數(shù)據(jù)更新時(shí)將向展示端發(fā)送更新數(shù)據(jù)。展示端需實(shí)現(xiàn)的功能有溫度、pH值、含氧量、預(yù)警顯示及數(shù)據(jù)采集控制節(jié)點(diǎn)的繼電器控制。根據(jù)服務(wù)器端請(qǐng)求指令的不同來(lái)獲取不同的數(shù)據(jù)，以便在展示端展示。當(dāng)數(shù)據(jù)超標(biāo)時(shí)，預(yù)警信號(hào)由綠色變?yōu)榧t色，恢復(fù)正常后將自動(dòng)切換回綠色。以PC展示端為例，實(shí)際接收和顯示的數(shù)據(jù)如圖2所示。

圖2 PC展示端數(shù)據(jù)

5 結(jié) 語(yǔ)

此平臺(tái)提供了一套完整的智慧海洋系統(tǒng)解決方案，從終端采集、網(wǎng)絡(luò)傳輸、服務(wù)端數(shù)據(jù)處理到展示端數(shù)據(jù)展示及預(yù)警均采用了相關(guān)成熟的技術(shù)，保證了平臺(tái)的穩(wěn)定性。將物聯(lián)網(wǎng)相關(guān)技術(shù)應(yīng)用于海水養(yǎng)殖中，優(yōu)勢(shì)明顯，大大節(jié)省了人力成本并解決了在惡劣環(huán)境中養(yǎng)殖數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)采集和處理等問(wèn)題。除應(yīng)用于海水養(yǎng)殖，此平臺(tái)還為海洋環(huán)境監(jiān)測(cè)等方面提供了相關(guān)借鑒，其商業(yè)推廣前景十分廣闊。

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