基于云服務(wù)的水產(chǎn)養(yǎng)殖水質(zhì)監(jiān)測系統(tǒng)

覃偉鋒，郝文杰，莫勝勝，龍應(yīng)萍，蔡世媚，范嘉晨

（1.廣西師范大學(xué)電子工程學(xué)院，廣西桂林，541004；2.廣西師范大學(xué)經(jīng)濟(jì)管理學(xué)院，廣西桂林，541004）

0 引言

十四五規(guī)劃中提出，要進(jìn)一步提高農(nóng)業(yè)質(zhì)量效益和競爭力，強(qiáng)化農(nóng)業(yè)科技和裝備支撐，建設(shè)智慧農(nóng)業(yè)。其中水產(chǎn)養(yǎng)殖在我國農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中占有重要的地位，水產(chǎn)養(yǎng)殖對水中的各項參數(shù)指標(biāo)要求很嚴(yán)格，而水中所含物質(zhì)的監(jiān)測又較為困難，由此現(xiàn)階段對淡水魚監(jiān)控系統(tǒng)的研究成為重要課題之一。當(dāng)前水質(zhì)監(jiān)測站監(jiān)測、無線遙感監(jiān)測、無線傳感器網(wǎng)絡(luò)監(jiān)測水質(zhì)參數(shù)的實(shí)現(xiàn)多采用現(xiàn)場人工檢測、分析，而實(shí)施人工檢測，對工作人員要求嚴(yán)格、技術(shù)實(shí)現(xiàn)復(fù)雜、實(shí)時性差。另外，大多數(shù)監(jiān)測系統(tǒng)只能實(shí)現(xiàn)本地數(shù)據(jù)采集、存儲，對用戶而言無法實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程實(shí)時的一體化監(jiān)測、顯示，而且通常這類設(shè)備工作環(huán)境要求嚴(yán)格、造價昂貴、功耗高，傳感器需要采用特定傳感器，特定傳感器兼容性差、大規(guī)模部署困難、更換麻煩，而且更無法遠(yuǎn)程控制監(jiān)測設(shè)備工作狀態(tài)、無法根據(jù)實(shí)際需要更新節(jié)點(diǎn)設(shè)備MCU處理器固件[1]。推動水產(chǎn)養(yǎng)殖監(jiān)測技術(shù)信息化、數(shù)字化、智慧化，是推動水產(chǎn)養(yǎng)殖優(yōu)質(zhì)、高效、安全、環(huán)保目標(biāo)的重要手段[2-3]。基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的水體環(huán)境在線實(shí)時監(jiān)測系統(tǒng)已有不少研究者討論，劉傳領(lǐng)等設(shè)計了包括數(shù)據(jù)采集模塊、通信接口電路、控制核心、LoRa 無線發(fā)送模塊、遠(yuǎn)程LoRa無線接收模塊和上位機(jī)端可視化平臺為一體的方案[4]。但當(dāng)前所設(shè)計的方案仍存在成本高等問題，本文所設(shè)計的系統(tǒng)進(jìn)一步發(fā)展了LoRa的相關(guān)研究，能夠高效處理監(jiān)測數(shù)據(jù)、提高信息傳遞效率以及提高對監(jiān)測數(shù)據(jù)的綜合利用，實(shí)現(xiàn)水質(zhì)監(jiān)測的自動化、智能化、網(wǎng)絡(luò)化，降低水質(zhì)監(jiān)測成本，本文的研究成果能為理論及實(shí)踐應(yīng)用提供一定的借鑒。

1 總體方案設(shè)計

本文所設(shè)計的水質(zhì)檢測系統(tǒng)，包括無線網(wǎng)絡(luò)連接的一組水質(zhì)參數(shù)采集節(jié)點(diǎn)單元、數(shù)據(jù)收集網(wǎng)關(guān)單元和云服務(wù)器單元。水質(zhì)參數(shù)采集節(jié)點(diǎn)單元采用LoRa無線時分多址（TDMA）通信技術(shù)，將采集到的水質(zhì)信息傳輸至網(wǎng)關(guān)單元，網(wǎng)關(guān)將各節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)發(fā)送給GSM通信模塊，GSM通信模塊進(jìn)而將各個節(jié)點(diǎn)的水質(zhì)信息傳給寄存器，經(jīng)過加密后上傳到云服務(wù)中心；管理人員在具備網(wǎng)絡(luò)連接的電腦上登錄網(wǎng)站即可以在網(wǎng)站查看各個區(qū)域的水質(zhì)信息，包括常規(guī)的PH值、溫度、溶解氧、氮含量、電導(dǎo)率和濁度等，系統(tǒng)方案如圖1所示。

圖1 水質(zhì)檢測系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

2 硬件電路設(shè)計

本系統(tǒng)涉及硬件應(yīng)用的主要有水質(zhì)參數(shù)采集節(jié)點(diǎn)單元、數(shù)據(jù)收集網(wǎng)關(guān)單元。

■2.1 水質(zhì)參數(shù)采集節(jié)點(diǎn)單元

節(jié)點(diǎn)MCU模塊為新唐高速1T 8051 單片機(jī)系列產(chǎn)品N76E003，N76E003芯片內(nèi)部時鐘工作頻率可達(dá) 16 MHz,具備18 KB 可編程Flash ROM、可配置Data Flash與高容量1 KB SRAM，支持在線系統(tǒng)更新ISP、IAP，內(nèi)置兩個可靈活配置的全雙工多功能UART，節(jié)點(diǎn)MCU模塊通過串口轉(zhuǎn)485模塊讀取和設(shè)置水質(zhì)傳感器的數(shù)據(jù)，節(jié)點(diǎn)MCU模塊根據(jù)傳感器協(xié)議對數(shù)據(jù)進(jìn)行解析，在收到網(wǎng)關(guān)第二433M無線通信模塊發(fā)送的查詢指令時將數(shù)據(jù)通過第一433M無線通信模塊上報給網(wǎng)關(guān)，節(jié)點(diǎn)MCU模塊也對來自網(wǎng)關(guān)單元的其他指令進(jìn)行解析，若為控制繼電器指令則控制繼電器工作狀態(tài)，若為升級固件指令則進(jìn)入升級狀態(tài)等待接收升級數(shù)據(jù)直到升級完成，節(jié)點(diǎn)單元和網(wǎng)關(guān)單元的通信依靠第一、第二433MHz無線通信模塊完成。節(jié)點(diǎn)單元結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示。

■2.2 數(shù)據(jù)收集網(wǎng)關(guān)單元

網(wǎng)關(guān)MCU模塊為意法半導(dǎo)體生產(chǎn)的STM32F103C8T6，STM32F103C8T6是一款基于ARM Cortex-M內(nèi)核STM32系列的32位的微控制器，72MHz的工作頻率，64 KB的可編程Flash存儲器和高達(dá)20 KB的SRAM，內(nèi)置三個可靈活配置的全雙工多功能UART，兩路SPI通信，具備DMA高速傳輸，12位ADC采樣、外部IO中斷檢測等常用外設(shè)。

圖2 節(jié)點(diǎn)單元結(jié)構(gòu)框圖

圖3 網(wǎng)關(guān)單元結(jié)構(gòu)框圖

在網(wǎng)關(guān)單元，網(wǎng)關(guān)MCU模塊通過第二433MHz無線通信模塊，定時對各個節(jié)點(diǎn)發(fā)送查詢指令，各節(jié)點(diǎn)根據(jù)指令里的地址ID和節(jié)點(diǎn)保存的地址是否為一致，若一致則將數(shù)據(jù)上報給網(wǎng)關(guān)，否則不做任何處理。在一定時間內(nèi)網(wǎng)關(guān)單元輪詢完所有節(jié)點(diǎn)單元后，將所有節(jié)點(diǎn)單元的數(shù)據(jù)按照協(xié)議進(jìn)行重新整理，然后通過GPRS模塊利用網(wǎng)絡(luò)主動將數(shù)據(jù)發(fā)送到云服務(wù)器。此外，網(wǎng)關(guān)單元通過GPRS模塊接收到云服務(wù)器的指令后，會判斷是網(wǎng)關(guān)單元數(shù)據(jù)還是節(jié)點(diǎn)單元數(shù)據(jù)，若為網(wǎng)關(guān)單元數(shù)據(jù)則在網(wǎng)關(guān)單元處理，網(wǎng)關(guān)單元對云服務(wù)器指令解析，若為設(shè)置報警值指令則重新保存設(shè)置的報警值，若為升級網(wǎng)關(guān)MCU模塊固件指令則進(jìn)入升級狀態(tài)等待接收升級數(shù)據(jù)直到升級完成；若為節(jié)點(diǎn)單元數(shù)據(jù)，則通過網(wǎng)關(guān)單元的第二433MHz無線通信模塊將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)到節(jié)點(diǎn)單元。網(wǎng)關(guān)單元結(jié)構(gòu)框圖如圖3所示。

圖5 網(wǎng)關(guān)MCU主程序工作流程圖

3 軟件設(shè)計

本系統(tǒng)設(shè)計的難點(diǎn)在于節(jié)點(diǎn)、網(wǎng)關(guān)、服務(wù)器各個單元內(nèi)部對數(shù)據(jù)的處理以及單元與單元之間數(shù)據(jù)的傳輸。節(jié)點(diǎn)、網(wǎng)關(guān)MCU主程序工作流程圖分別如圖4、圖5所示。

4 系統(tǒng)整體聯(lián)調(diào)

當(dāng)軟件與硬件部分調(diào)試完成后，需要進(jìn)行聯(lián)合調(diào)試，防止軟件的適配錯誤。該測試需要PH控制器、電源、萬用表和示波器等儀器儀表。使用萬用表測試在發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)運(yùn)行失敗的情況下，各模塊是否出現(xiàn)短路、短路、虛接等情況。在確保各模塊正常工作的前提下，檢查網(wǎng)關(guān)、服務(wù)器、節(jié)點(diǎn)之間連接的穩(wěn)定性。由于該過程是匹配程序，因此需對照原理圖和程序接口定義同時檢查，防止輸出輸入不對應(yīng)。最后，要檢查程序編寫是否符合設(shè)計要求，通過PH控制器，與節(jié)點(diǎn)采集到的PH數(shù)據(jù)提供對照，檢測系統(tǒng)的誤差。

5 結(jié)果與結(jié)論

用該系統(tǒng)采集PH標(biāo)準(zhǔn)樣液，將獲得的數(shù)據(jù)與樣液相比，PH采集數(shù)據(jù)誤差<0.1。設(shè)備設(shè)計小巧靈活，便于安裝和大規(guī)模部署；整套設(shè)備一體化設(shè)計，從數(shù)據(jù)采集到實(shí)時顯示給用戶、從遠(yuǎn)程對設(shè)備進(jìn)行控制的一站式服務(wù)，大大降低了成本和維護(hù)費(fèi)用；可廣泛應(yīng)用于水產(chǎn)養(yǎng)殖、污水處理、自來水廠、海洋環(huán)境監(jiān)測、農(nóng)業(yè)水質(zhì)監(jiān)測等，通用性強(qiáng)。