物聯網水產監測系統的設計

黃勁斐

0 引言

隨著信息技術的快速發展，無線通信技術、物聯網技術、計算機網絡、檢測與自動控制技術、人工智能技術、云計算和大數據技術等新一代信息技術已經逐步用于生產生活的各個環節。在農業生產方面，通過信息化技術在水產養殖領域的運用，建立一個高產、高效、環保、安全的系統，也成了廣大水產養殖戶所追求的目標。影響水產養殖的主要因素包括：水體渾濁度、溫度、酸堿度（pH值）、含氧量、氨氮濃度等水質條件，光照、風力、風向等大氣環境參數等。一個物聯網水產監測系統能夠提供水體、水質、空氣等多個關鍵參數的無線遠程監測，并根據監測數據智能化的完成放苗、投食、凈水排污、增氧、投藥、捕撈等功能。本設計提供了一個基于無線傳感器網絡、智能信息處理、智能控制決策、信息預警、云計算等功能的物聯網水產監測系統。

1 系統設計

本文設計的物聯網水產監測系統，包括：養殖監測現場、農業云和遠程監控終端等三大部分，系統原理結構如圖1。養殖監測現場由無線傳感器節點、無線控制機構節點網絡、無線網關共同構成的無線傳感器網絡部署組成。物聯網水產監測系統通過無線傳感器網絡的各傳感器節點負責采集環境參數，匯總至網關，并可以由網關向各控制節點發出控制指令；再由網關上傳至農業云平臺，由農業云負責完成：信息處理和分析、控制決策、信息預警等功能；遠程監控終端可以通過訪問農業云了解生產現場，對現場的機構和設備加以控制，并可以通過具備人工智能功能的農業云進行智能化的養殖管理。

圖1系統結構框圖

2 硬件設計

本設計采用CC2530以及Zigbee協議組建無線傳感器網絡，網絡采用的傳感器節點主要包括：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；控制機構包括：進水泵、出水泵、投食機、增氧機、施肥機、消毒凈化機等。整體硬件結構可分為：環境監控、養殖管理等兩大環節。各傳感器主要負責采集相應的環境監測數據，各控制機構則分別用于實現養殖池的進出水控制、精準喂養、水體智能供氧等功能。環境監控由各個環境監測傳感器和相應的處置控制機構組成，養殖管理則主要由喂養控制結構組成。環境監控主要通過根據環境狀況，動態的調節水氧濃度、水體酸堿度和氨氮濃度、凈化水質等；養殖管理則根據水產作物的需求，科學經濟的放苗、捕撈、投食、放藥消殺等。

CC2530是由美國德州儀器公司設計的工作在2.4G頻段的Zigbee協議SOC無線射頻芯片，內置8051內核和無線射頻模塊，可以運行Z-stack、Tinyos等協議棧，以實現Zigbee的無線組網，支持多達65536個節點的大規模組網。網關采用的是ARM9系列的32位精簡指令集嵌入式微控制器芯片S3C2440，該芯片內置大容量FLASH、SRAM、USB、DMA、ADC、DAC等功能模塊，網關通過4G、以太網絡連接到云端。

圖2無線傳感器網絡結構框圖

圖3系統軟件整體運行流程

3 軟件設計

本設計采用Z-stack協議棧組建Zigbee無線傳感器網絡，如圖2所示。Z-stack是開源IaaS無線傳感器網絡操作系統，可實現多跳自組網Zigbee網絡的快速組網。網關通過運行在ARM9平臺的Android平臺通過移動互聯網接入云端。監控終端通過智能手機、電腦等設備訪問云端和遠程管理養殖現場，實現遠程養殖綜合管理，功能包括：實時水質監測、現場視頻監控、無線信息交互、設備遠程校準、突發狀況報警，該系統軟件的整體運行流程如圖3所示

系統軟件運行流程：系統初始化后，由各傳感器節點采集相關數據并輸出，由無線傳感器網絡通過網關將數據上傳至農業云；農業云通過專家分析系統對傳感器數據進行分析，并做出智能決策；農業云將決策反饋給養殖現場，由各控制節點控制增氧機、投食機等機構工作，同時向監控終端發送預警信息和現場執行情況。

農業云搭載人工智能養殖專家分析系統，主要實現養殖現場數據分析、養殖部署、人工智能養殖專家分析系統。云端建立通過人工智能養殖專家分析系統建立養殖模型，模型構建養殖的運行實施、水體水質、養殖規劃、任務管理、作物生長規律、安全檢驗、突發預警、設備控制、科學投喂等運行規則。從而實現不同品種的投放養、育苗育種、成長管理、抽檢抽樣、病害防治、密度調度、成熟收獲等水產養殖的全天候、全過程、全方位管理。

遠程監控終端主要通過遠程訪問養殖現場和農業云，并以此實現養殖過程的遠程移動監控管理，具體實現的功能包括：環境日常監測、養殖池管理，水質水情數據的人工主動觀測、分析診斷，增氧機等設備的人工校準、主動控制、視頻監控、綜合數據分析核算、數據可視化分析與展示等。

4 結論

現如今，農業物聯網和智能農業已經逐漸成了現代農業發展的一個重要趨勢，通過該技術的發展和應用，可以簡化養殖管理流程，減少人為的不恰當干預，加強養殖的全程、高效管理，從而實現養殖的高效、環保、高產、安全。本文闡述了一個基于Zigbee技術的物聯網水產監測系統的設計，并給出了系統的硬件構造原理、軟件結構和設計流程等，闡述了該系統的軟硬件運行原理。本文為物聯網水產監測系統的設計實現提供了一個很好的借鑒思路，可以用于多種不同水產作物的智能化協同養殖、管理。