基于物聯(lián)網(wǎng)的水產(chǎn)養殖監控系統

作者 魏武 梁中華 胡冬清 嶺南師范學(xué)院(湛江 524048)

　　魏武，男，廣東湛江人，講師，碩士研究生，主要研究方向為嵌入式開(kāi)發(fā)及物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)。

摘要：由于水產(chǎn)養殖水域環(huán)境現狀需要得到控制和改善，實(shí)時(shí)遠程監控系統尤為必要。本系統應用嵌入式技術(shù)、4G通信模塊、服務(wù)器后臺處理和物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)進(jìn)行對水中溶解氧含量和溫度的實(shí)時(shí)監控。本系統的關(guān)鍵技術(shù)是通過(guò)終端實(shí)現數據的采集、傳輸、存儲和發(fā)布，并實(shí)現實(shí)時(shí)遠程網(wǎng)頁(yè)監控、手機遠程控制設備啟停等功能。該監控系統可以廣泛應用于水產(chǎn)養殖業(yè)，還可拓展更多傳感器應用于現代農業(yè)生產(chǎn)。

0 引言

　　部分沿?；蝠B殖業(yè)發(fā)達地區對水質(zhì)環(huán)境要求較高，水域環(huán)境遭到不同程度污染，因此水質(zhì)環(huán)境需要得到改善和控制，方能保持養殖業(yè)可持續發(fā)展，特別是在水產(chǎn)資源十分豐富和養殖規模龐大地區，在傳統養殖業(yè)發(fā)展同時(shí)，面臨著(zhù)相關(guān)水產(chǎn)環(huán)境的破壞和矛盾等問(wèn)題，溶解氧、溫度等因素影響水產(chǎn)養殖環(huán)境，因此養殖業(yè)亟須引進(jìn)實(shí)時(shí)監控系統以更好地針對水質(zhì)環(huán)境進(jìn)行信息反饋。

　　市面上出現的產(chǎn)品例如溶氧儀測量器、養殖水質(zhì)檢測系統等，其主要問(wèn)題是投入設備的生產(chǎn)成本較高，且人工控制缺乏靈活性和明顯低效率。由于大部分處于傳統的監測方式和手動(dòng)控制設備的階段，并且未能進(jìn)行實(shí)時(shí)數據的監測和遠程控制水產(chǎn)養殖設備，參考現有基于物聯(lián)網(wǎng)的水產(chǎn)養殖監控系統對水質(zhì)環(huán)境控制實(shí)現在線(xiàn)監測^[1]，本系統著(zhù)力于設計通過(guò)4G網(wǎng)絡(luò )傳輸、在線(xiàn)網(wǎng)頁(yè)顯示數據，實(shí)現網(wǎng)頁(yè)對水質(zhì)環(huán)境實(shí)時(shí)發(fā)布、存儲、傳輸，隨時(shí)隨地通過(guò)手機對設備做出控制。

1 系統整體設計

　　本系統由數據采集終端主控制器、傳感器模塊、通信模塊、設備控制模塊和遠程監控中心(包括服務(wù)器和手機客戶(hù)端)組成?；谇度胧絋iny6410主控制器，通過(guò)傳感器采集數據并由通信模塊把數據傳輸到遠程監控中心，遠程監控中心可以對數據進(jìn)行實(shí)時(shí)發(fā)布、存儲及處理，手機客戶(hù)端根據需要可以對設備進(jìn)行遠程控制，系統整體結構設計如圖1所示。

2 硬件系統設計

　　2.1 數據采集和傳輸模塊設計

　　數據采集和傳輸模塊結構如圖2所示，其包括Tiny6410主控制器、溶解氧傳感器和4G通信模塊。溶解氧傳感器通RS232串口連接Tiny6410主控制器的串口COM2，其任務(wù)是向微處理器發(fā)送溫度和溶解氧數據，ZSD3410 4G DTU經(jīng)RS232串口連接Tiny6410主控制器的串口COM3，其任務(wù)是傳輸微處理器的數據和發(fā)送控制指令給微處理器。

　　Tiny6410是一款以ARM11芯片為處理器的主控制器，集成了128 M/256 M DDR RAM，采用5 V供電，實(shí)現CPU必需的各種核心電壓轉換，包括了三個(gè)標準DB9五線(xiàn)串口，還可以通過(guò)2.0 mm間距的排針，引出豐富的接口資源。

　　溶解氧傳感器^[2]支持RS485/RS232和MODBUS協(xié)議，可以采集溫度和溶解氧，輸出十六進(jìn)制數字量，傳感器能實(shí)現自動(dòng)溫度補償。其數據參數溫度范圍為0-50 ℃，溫度精度為±0.5 ℃，溶解氧精度為±5%。

　　設備控制模塊模擬增氧泵驅動(dòng)裝置，配置Tiny6410的GPIO驅動(dòng)，接收Tiny6410的GPIO的信號或指令，以驅動(dòng)設備。

　　ZSD3410 4G DTU支持SIM卡，采用RS485/RS232串行接口，串口波特率為300-115200 bps，可配置，8位數據位。

3 軟件設計

　　軟件設計包括數據采集終端主控制器軟件、服務(wù)器后臺搭建和監控中心軟件三部分。

　　3.1 數據采集終端主控制器軟件設計

　　數據采集終端主控制器是系統核心部件，主要任務(wù)有：①根據MODBUS協(xié)議，通過(guò)串口獲取由溶解氧傳感器采集的原始數據并對數據進(jìn)行有效處理;②采用POST模式通過(guò)ZSD3410 4G DTU通信模塊將溶解氧數據發(fā)送到服務(wù)器。

　　3.2 服務(wù)器后臺搭建

　?、俜?wù)器是采用tomcat + spring + spring MVC + Mybatis搭建的，這套方案的原理：以Java寫(xiě)后臺服務(wù)，選用spring+springMVC+Mybatis框架。

　?、赟pringMVC分離了控制器、模型對象、分派器以及處理程序對象的角色，這種分離讓它們更容易進(jìn)行定制。設備通過(guò)POST請求將數據上傳到服務(wù)器，服務(wù)器將數據存儲到數據庫并利用Websocket實(shí)時(shí)加載到相應網(wǎng)頁(yè)^[3]。

　　3.3 監控中心軟件設計

　　監控中心包括手機客戶(hù)端、服務(wù)器端和遠程設備客戶(hù)端。手機客戶(hù)端基于Qt編程，搭建Android環(huán)境進(jìn)行開(kāi)發(fā)，利用C編寫(xiě)TCP服務(wù)器多線(xiàn)程程序^[4]，Qt編程遠程控制界面，手機客戶(hù)端通過(guò)移動(dòng)無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )連接服務(wù)器，服務(wù)器創(chuàng )建線(xiàn)程轉發(fā)指令到遠程設備客戶(hù)端，實(shí)現手機客戶(hù)端與遠程設備客戶(hù)端之間的通信^[5]。遠程控制流程圖如圖3所示，手機控制界面如圖4所示。

4 系統測試

　　圖5為整體監控系統實(shí)物圖，包括Tiny6410主控制器、溶解氧傳感器、設備控制模塊(模擬增氧泵)、通信模塊、監控界面和手機遠程控制。圖6為測試網(wǎng)頁(yè)顯示實(shí)時(shí)數據，顯示具體時(shí)間、溶解氧濃度和水溫。

　　系統測試分析：

　?、贁祿ㄐ欧€定，實(shí)時(shí)數據可以在線(xiàn)網(wǎng)頁(yè)顯示，安卓遠程控制可以啟動(dòng)模擬增氧泵裝置，不存在阻塞情況。實(shí)時(shí)數據顯示，測試環(huán)境為標準大氣壓下，試驗以自來(lái)水作為水產(chǎn)環(huán)境，某時(shí)刻獲得環(huán)境因子溶解氧和溫度分別為7.61037 g/ml和24.613888 ℃，經(jīng)過(guò)長(cháng)時(shí)間的采集和數據處理，數據表明其與標準數據誤差在0.5%左右，數據的準確度合理，一旦溶解氧低于正常參數設置水平，可通過(guò)遠程控制啟動(dòng)模擬增氧泵裝置，使溶解氧含量恢復正常值。

　?、谙到y測試時(shí)，4G通信模塊有出現掉線(xiàn)情況，經(jīng)配置撥號腳本實(shí)現4G模塊重連，重連穩定，重連的成功率為95%以上。

5 結語(yǔ)

　　本設計應用嵌入式技術(shù)、傳感器技術(shù)、4G通信技術(shù)及Qt安卓客戶(hù)端開(kāi)發(fā)技術(shù)等,實(shí)現溶解氧、溫度等水產(chǎn)指標的實(shí)時(shí)監控，并且通過(guò)遠程控制設備啟停，可以大大提高水產(chǎn)養殖經(jīng)濟效益和減輕污染。

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　　本文來(lái)源于《電子產(chǎn)品世界》2018年第12期第79頁(yè)，歡迎您寫(xiě)論文時(shí)引用，并注明出處。