水產養殖遠程監測系統的設計

易先軍，桑青松，聶 童，彭 萌

武漢工程大學電氣信息學院，湖北 武漢 430205

水產養殖遠程監測系統的設計

易先軍，桑青松，聶 童，彭 萌

武漢工程大學電氣信息學院，湖北 武漢 430205

設計了一種可以在手機或PC端實時監測的水產養殖遠程監測系統.該系統由數據集采中心、檢測節點、云端服務器和監測端Android App或PC瀏覽器構成.檢測節點負責采集數據和接受命令，通過ZigBee無線網絡與數據集采中心交換信息；數據集采中心一方面從ZigBee網絡中讀取數據并在現場顯示，另一方面通過GPRS與云端服務器進行通信；云端服務器能夠存儲安裝在便攜式設備上的App或PC瀏覽器顯示的數據.相比于傳統的水產養殖，這個系統不受時間、地域、環境、距離等因數的限制，可全天候不間斷地穩定地遠程監測多個水產養殖場.

水產養殖；遠程監測；App；ZigBee；GPRS

隨著科學技術的高速發展，遠程監測技術已成為重要的監測技術之一，并且對促進經濟發展具有重要的現實意義［1-2］.目前的水產養殖大多處于人工采樣、現場顯示、化學分析監測階段，操作耗時費力、實時性不強［3-5］.鑒于此，設計了一種基于物聯網的水產養殖遠程監測系統，以ZigBee無線局域網內各節點采集各養殖池的水質參數，以STM32F103為主處理器結合GPRS（general packet radio service，GPRS）技術將ZigBee網絡收集的數據上傳云端，通過監測端Android App（application，App）或 PC（personal computer，PC）瀏覽器進行遠程監測，可以為養殖業提供方便、快捷、智能的服務.

1 系統結構及工作原理

水產養殖遠程監測系統包括數據集采中心、多個檢測節點、云端服務器、監測端App或PC瀏覽器，水產養殖遠程監測系統的結構如圖1所示.

圖1 水產養殖遠程監測系統Fig.1 Rmote monitoring system of aquaculture

數據集采中心是由單片機模塊、ZigBee模塊（協調器節點）、GPRS模塊、顯示模塊組成.數據集采中心主要完成的功能是云端服務器與檢測節點之間的數據轉發、信息顯示、報警提醒以及采集周期修改命令.檢測節點是由單片機模塊、ZigBee模塊（終端節點）、溫度傳感器、溶解氧傳感器、pH值傳感器和相關硬件電路組成，主要的功能是將采集的養殖水池內水溫、含氧量和pH值通過ZigBee傳輸到數據集采中心，并接受數據集采中心下發的（采樣周期修改）命令；另一方面，多個檢測節點和數據集采中心的ZigBee協調器一起構建ZigBee無線局域網.云端服務器選擇移動物聯網開放平臺OneNet存儲數據.通過Android App或PC端瀏覽器，查看水質數據.

2 硬件設計

2.1 數據集采中心硬件

數據集采中心硬件電路圖如圖2所示，結構包括STM32F103ZET6單片機、ZigBee模塊、顯示模塊、GPRS模塊組成.數據集采中心在整個系統中，負責無線局域網與云端服務器的數據轉發、報警與顯示，以及組建ZigBee無線局域網.

1）ZigBee模塊在數據集采中心起到數據收發和組建ZigBee無線局域網的作用.在ZigBee網絡中有三類基本節點模式：協調器、路由、終端［6］.協調器節點在整個網絡中起到啟動網絡、分配網絡地址，接收數據和允許終端節點或路由節點加入網絡等功能.終端節點在整個網絡中起到收發數據和加入網絡的功能［7-8］.系統中采用的ZigBee模塊為TI公司的CC2530芯片方案.ZigBee網絡結構采用星型網絡，將數據集采中心的ZigBee模塊設置為協調器節點，檢測節點的ZigBee模塊設置為終端節點［9］.

圖2 數據集采中心硬件電路圖Fig.2 Hardware circuit diagram of data collection center

2）顯示模塊在數據集采中心起到顯示檢測節點數據的作用.STM32單片機將接收到的數據顯示在顯示模塊上.顯示模塊使用LCD12864，下設兩級菜單.一級菜單為養殖水池的選擇，用于選擇一個養殖池；二級菜單將會顯示所選養殖池的溫度、pH值、含氧量的信息.

3）GPRS模塊在數據集采中心起到與云端數據傳輸的作用.GPRS模塊通過AT指令與云端服務器建立連接，然后與云端服務器進行數據傳輸.GPRS模塊使用SIMCOM有限公司提供的SIM900A，其內嵌TCP/IP協議［10］.

2.2 檢測節點硬件

檢測節點硬件電路圖如圖3所示，結構包括STM32F103單片機、ZigBee模塊、溫度傳感器、pH值傳感器、溶解氧傳感器、pH值檢測電路、溶解氧檢測電路；主要完成數據的采集、數據收發和協助組建無線局域網.微處理器采用了與數據集采中心相同的芯片STM32ZET6.ZigBee模塊工作在終端模式.養殖水池水溫檢測使用DALLAS半導體公司生產的DS18B20溫度傳感器，pH值檢測使用上海雷磁公司生產的E-201-C型pH復合電極，含氧量檢測使用RY952溶解氧傳感器［11-14］.

圖3 檢測節點硬件電路圖Fig.3 Hardware circuit diagram of detection node

3 軟件設計

3.1 檢測節點軟件

檢測節點流程圖如圖4所示，檢測節點上電，系統初始化，ZigBee模塊作為終端加入ZigBee網絡，單片機判斷有無來自數據集采中心的修改數據采集周期命令，如果沒有接到命令，則按照預設的數據采集時間，進行溫度、含氧量和pH值的采集，然后將數據通過ZigBee網絡發送到數據集采中心.如果有收到修改數據采集周期命令，調用SetTime（）函數修改數據采集周期.

3.2 云端數據接入

本文的云端服務器使用中移動物聯網開放平臺OneNet.OneNet是中移物聯網有限公司基于物聯網技術和產業特點打造的開放平臺和生態環境，適配各種網絡環境和協議類型，支持各類傳感器和智能硬件的快速接入和大數據服務，提供豐富的API和應用模板以支持各類行業應用和智能硬件的開發，推進個性化應用系統構建［15-16］.接入OneNet之前，需要在OneNet平臺注冊賬戶，設計中注冊的設備ID為“3168916”，設備ID下面申請的 api-key為“tRR1w9I44g2FeHWFvYMwRZ8SQKA=”.

圖4 檢測節點流程圖Fig.4 Schematic diagram of detection node

3.2.1 數據集采中心接入云端 數據集采中心接入云端采用GPRS模塊（型號為SIM900A），GPRS模塊通過AT指令連接云端服務器.STM32單片機通過UART串口通信讀取ZigBee模塊接收到的數據，一方面判斷采集的溫度、含氧量和pH值是否在預設值范圍內，如果在預設值范圍內就調用LCD_ShowString（）函數將數據顯示出來，如果有一種數據（溫度、含氧量或pH值）不在預設值范圍內，就調用jingbao（）函數進行報警提醒LED燈閃爍3s，同時將數據顯示在顯示模塊上，當有按鍵按下時，STM32單片機會通過Key_Scan（）函數來判斷是什么按鍵功能按下，再進行不同的功能執行；另一方面STM32單片機將數據按照RestFul的封裝結構進行上傳至云端服務器，RestFul的封裝格式如下：

POST/devices/3168916/datapoints？type=3 HTTP/1.1

api-key:tRR1w9l44g2FeHWFvYMwRZ8SQKA=

Host:api.heclouds.com

Conneltion:close

Content-Length:49

{"temprature":22.3,"oxygen content":6.1,"pH":7.3}

3.2.2 App接入云端 App使用開發環境為Android SDK+Eclipse+JDK.App與云端服務器之間采用HTTP（hyperText transfer protocol，HTTP）通 信 方法，通過HTTP的協議向云端服務器發送GET和POST請求.服務器接收請求，將請求的相關數據回傳給Android App.獲取的數據包格式是JSON（javaScript object notation，JSON），它是一種輕量級的數據交換格式，通過此格式可以更加有效地進行數據交互.然后將數據顯示到App監測界面上，實現水產養殖水池水質的遠程查看.

4 數據傳輸測試

將水產養殖遠程監測系統的檢測節點傳感器放入水池中采集數據.數據集采中心的ZigBee模塊組建ZigBee網絡.網絡組建成功后，檢測節點采集數據，然后通過ZigBee網絡將數據傳輸到數據集采中心；數據集采中心將數據顯示在顯示模塊，當數據（溫度、含氧量或pH值）超過預設的警戒值時，將進行報警提醒；同時將數據上傳到云端服務器，云端服務器存儲數據.通過Android App或PC端瀏覽器來顯示云端服務器中數據，PC端瀏覽器打開的監測界面（由OneNet提供的應用孵化器創建）如圖5所示（溫度為實測值，含氧量和pH值為模擬數據），App監測界面如圖6所示.

由圖5和圖6可知，本系統可以對水產養殖水池里的水質進行連續采集數據，同時可以在瀏覽器或App上顯示實時采集的數據，實現了水產養殖的實時遠程監測.

圖5 PC端瀏覽器打開的界面Fig.5 Interface of PC browser

圖6 App監測界面Fig.6 Interface of App monitoring

5 結 語

上述水產養殖遠程監測系統，能夠實時的進行遠程監測養殖場水池里的水質.所設計的檢測節點和數據集采中心硬件模塊電路和相應的軟件控制流程，實現了檢測節點、數據集采中心、云端以及Android App之間的無線數據傳輸，開發了Android App應用軟件.最后對此系統進行測試.經測試，此系統能夠實時遠程監測養殖場水池里的水質.但還可在如何提高水產養殖檢測的靈敏度以及豐富App軟件的數據分析功能上作進一步的改進.

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Design of Remote Monitoring System of Aquaculture

YI Xianjun，SANG Qingsong，NIE Tong，PENG Meng
School of Electrical and Information Engineering，Wuhan Institute of Technology，Wuhan 430205，China

This work designs a remote monitoring system of aquaculture，which can be monitored in real time by mobile phone or personal computer（PC）.The system consists of a detection node，a data collection center，a cloud server and a Android App of monitoring terminal or a PC browser.The detection node is responsible for collecting data，receiving instructions and exchanging information with the data collection center and the wireless network of ZigBee.The data collection center reads data from the network of ZigBee and shows them at the scene.Meanwhile，it communicates with the cloud server by general packet radio service.The cloud server stores the data which display on the App installed in the portable device or browser.Compared with traditional aquaculture，this system is not limited by time，region，environment，distance and other factors，and it can continuously and remotely monitor the breeding ponds with stable operation.

aquaculture；remote monitoring；App；ZigBee；GPRS

S965.1

A

10.3969/j.issn.1674-2869.2017.05.019

1674-2869（2017）05-0514-05

2017-05-08

易先軍，碩士，副教授.E-mail：xjuny_wit@163.com

易先軍，桑青松，聶童，等.水產養殖遠程監測系統的設計［J］.武漢工程大學學報，2017，39（5）：514-518.

YI X J，SANG Q S，NIE T，et al.Design of remote monitoring system of aquaculture［J］.Journal of Wuhan Institute of Technology，2017，39（5）：514-518.

陳小平