基于物聯(lián)網(wǎng)的水產(chǎn)養(yǎng)殖環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)

韓凱 宋海明

摘 ?要：為滿足水產(chǎn)養(yǎng)殖過程中對水環(huán)境實(shí)時(shí)準(zhǔn)確遠(yuǎn)程監(jiān)測的的需求，本文設(shè)計(jì)了一套基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的水產(chǎn)養(yǎng)殖環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)。通過分析系統(tǒng)的功能需求，設(shè)計(jì)了以STM32為核心的現(xiàn)場采集單元和搭載Linux系統(tǒng)的Raspberry Pi遠(yuǎn)程監(jiān)測中心，能夠便捷的、實(shí)時(shí)的、遠(yuǎn)程的、多終端的監(jiān)測水產(chǎn)養(yǎng)殖環(huán)境信息，推進(jìn)水產(chǎn)養(yǎng)殖業(yè)信息化發(fā)展。

關(guān)鍵詞：水產(chǎn)養(yǎng)殖;物聯(lián)網(wǎng);STM32;環(huán)境監(jiān)測;Linux系統(tǒng)

引言

近些年，農(nóng)業(yè)信息化越來越受到國家的重視，其中農(nóng)業(yè)部專門針對水產(chǎn)養(yǎng)殖業(yè)提出了“信息化全面支撐現(xiàn)代水產(chǎn)養(yǎng)殖業(yè)轉(zhuǎn)型升級(jí)”的指導(dǎo)意見。

據(jù)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)顯示，自2009年起國內(nèi)水產(chǎn)人工養(yǎng)殖比例逐年增加，至2019年我國養(yǎng)捕比達(dá)到78：22。水產(chǎn)養(yǎng)殖的關(guān)鍵就是對PH、濁度、溶解氧、電導(dǎo)率、水溫、水流、光照、投飼、吸污、消毒等進(jìn)行監(jiān)測控制。目前在我國，養(yǎng)殖業(yè)多為粗放式經(jīng)營，多采用現(xiàn)場人工監(jiān)測的方法，需要投入大量的時(shí)間、物力、人力。

本文旨在開發(fā)一套結(jié)合物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)和傳感技術(shù)的水產(chǎn)養(yǎng)殖環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)，能夠便捷的、實(shí)時(shí)的、遠(yuǎn)程的監(jiān)控水產(chǎn)養(yǎng)殖環(huán)境信息。

1 系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)

系統(tǒng)整體功能是要對上述水環(huán)境信息進(jìn)行實(shí)時(shí)采集與監(jiān)測，監(jiān)測的頻度和范圍都要符合相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，各個(gè)監(jiān)測點(diǎn)信息數(shù)據(jù)能在遠(yuǎn)程監(jiān)測中心進(jìn)行顯示、存儲(chǔ)、處理。

在完成上述功能的同時(shí)，也要考慮系統(tǒng)的性能需具備現(xiàn)場采集單元能耗低、系統(tǒng)成本低、數(shù)據(jù)精確性高、操作簡單易上手等特點(diǎn)。

如圖1所示，系統(tǒng)主要分為現(xiàn)場采集單元和遠(yuǎn)程監(jiān)測中心。現(xiàn)場采集單元實(shí)現(xiàn)各傳感器數(shù)據(jù)的采集，并以無線通信的方式將數(shù)據(jù)傳輸?shù)竭h(yuǎn)程監(jiān)測中心。遠(yuǎn)程監(jiān)測中心將傳輸來的數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)和處理，實(shí)時(shí)了解各項(xiàng)環(huán)境參數(shù)。

2 硬件設(shè)計(jì)

現(xiàn)場采集單元采用蓄電池加太陽能板的持續(xù)供電方案，選用大容量的12V，8AH鉛蓄電池彌補(bǔ)陰雨天太陽板供電不足，用STM32F103VET6微處理器，具有低成本、高性能、低功耗、豐富的外設(shè)等優(yōu)點(diǎn)，滿足系統(tǒng)開發(fā)的需要。

按Modbus協(xié)議采集各從站傳感器數(shù)據(jù)，使用微處理器USART接口外接MAX485/MAX232低功耗收發(fā)器，實(shí)現(xiàn)硬件通信。使用微處理器的USART接口實(shí)現(xiàn)與GPRS模塊無線通信的數(shù)據(jù)交互。從站傳感器選用基于RS-485的Modbus RTU傳輸協(xié)議的電化學(xué)傳感器，實(shí)現(xiàn)對PH、濁度、溶解氧、電導(dǎo)率等參數(shù)的測量。

為了降低系統(tǒng)成本，本文選用Raspberry Pi作為遠(yuǎn)程監(jiān)測中心的工作臺(tái)終端，基于Linux系統(tǒng)進(jìn)行了相應(yīng)的軟件開發(fā)。

3 軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)設(shè)計(jì)采用Modbus協(xié)議的單播模式，以RTU傳輸進(jìn)行設(shè)計(jì)。主站程序設(shè)計(jì)采用周期輪詢模式，以定時(shí)器和串口模塊配合使用，實(shí)現(xiàn)Modbus主站對從站傳感器的輪詢。

采集單元設(shè)備注冊到服務(wù)器后，在一個(gè)定時(shí)周期內(nèi)，將采集到的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)進(jìn)行應(yīng)用層協(xié)議封裝后生成上報(bào)數(shù)據(jù)幀，其設(shè)計(jì)是基于字節(jié)流的TCP協(xié)議數(shù)據(jù)格式，通過串口發(fā)送到GPRS模塊將數(shù)據(jù)打包上傳。現(xiàn)場采集單元將數(shù)據(jù)幀以串口中斷模式發(fā)送給GPRS模塊，若發(fā)送過程中接收中斷觸發(fā)，不予處理，直到數(shù)據(jù)幀發(fā)送完成后處理接收中斷，這樣可以避免數(shù)據(jù)被分包發(fā)送到服務(wù)器，出現(xiàn)接收處理錯(cuò)誤。

在TCP服務(wù)器中，實(shí)現(xiàn)C/S架構(gòu)中的業(yè)務(wù)邏輯層和數(shù)據(jù)訪問層，負(fù)責(zé)采集單元的連接處理以及之間的雙向通信功能;需要將長久保存的數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)寫入數(shù)據(jù)庫進(jìn)行查詢與修改;TCP服務(wù)器還要與用戶界面（UI）進(jìn)行數(shù)據(jù)交互，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)信息的可視化管理。

在Linux系統(tǒng)中創(chuàng)建數(shù)據(jù)庫存儲(chǔ)發(fā)來的數(shù)據(jù)。

[mysql]> CREATE TABLE Area_Binding（AreaId TINYINT PRIMARY KEY，AreaName CHAR（10），DeviceId INT，DeviceStatus BIT，Breed CHAR（15），SensorCount TINYINT，SensorStaId TINYINT）;

在Raspberry Pi中安裝Qt運(yùn)行環(huán)境開發(fā)支持多線程的TCP服務(wù)器。

$ sudo apt-get install gcc g++ qt5-default qtcreator

搭建服務(wù)器的主要操作如下：

定義Server類，公有繼承QTcpServer類;

定義serverThread類，公有繼承QThread類;

定義MySocket類，公有繼承QTcpSocket類;

數(shù)據(jù)庫調(diào)用使用Qt封裝的數(shù)據(jù)庫相關(guān)類實(shí)現(xiàn)。

UI實(shí)現(xiàn)的系統(tǒng)架構(gòu)圖如圖5（b）所示，其元素由QML實(shí)現(xiàn)，包括文本、圖片、按鈕、菜單、表格等元素;QML Application負(fù)責(zé)動(dòng)態(tài)加載QML文件，與業(yè)務(wù)邏輯（Biz）層交互;Biz層負(fù)責(zé)業(yè)務(wù)邏輯和復(fù)雜的運(yùn)算，并協(xié)調(diào)上層和下層的調(diào)用和轉(zhuǎn)換;開放式圖形庫OpenGL用于渲染2D、3D矢量圖形的跨語言、跨平臺(tái)的應(yīng)用程序編程接口（API）;DirectFB是一個(gè)提供輕量級(jí)硬件圖形加速、輸入設(shè)備處理的抽象的圖形庫;System（DB，Kernel）提供與系統(tǒng)底層相關(guān)的支持。

4 結(jié)論

本文為滿足水產(chǎn)養(yǎng)殖過程中對于環(huán)境自動(dòng)監(jiān)測的需求，在綜合考慮功能和性能的基礎(chǔ)上，結(jié)合物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)和傳感技術(shù)從硬件設(shè)計(jì)和軟件實(shí)現(xiàn)兩方面方面開發(fā)了一套水環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)，以達(dá)到降低工作人員的勞動(dòng)強(qiáng)度，提高水產(chǎn)品產(chǎn)量的目標(biāo)。

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