劉星橋， 駱 波， 朱成云

( 江蘇大學(xué)電氣信息工程學(xué)院，江蘇 鎮(zhèn)江 212013)

基于物聯(lián)網(wǎng)和GIS的水產(chǎn)養(yǎng)殖測控系統(tǒng)平臺設(shè)計(jì)

劉星橋， 駱 波， 朱成云

( 江蘇大學(xué)電氣信息工程學(xué)院，江蘇 鎮(zhèn)江 212013)

針對水產(chǎn)養(yǎng)殖水質(zhì)多參數(shù)監(jiān)測的需求和現(xiàn)有水質(zhì)環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)存在的問題，設(shè)計(jì)了一種基于物聯(lián)網(wǎng)和地理信息系統(tǒng)(GIS)的水產(chǎn)養(yǎng)殖測控系統(tǒng)。通過整體性能的研究分析，設(shè)計(jì)了測控系統(tǒng)平臺的3層體系架構(gòu)(傳感控制層、傳輸層和應(yīng)用層)，提出了自頂向下、逐步求精以及模塊化、結(jié)構(gòu)化的設(shè)計(jì)方法；根據(jù)采集數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃?、穩(wěn)定性等要求，提出WiFi網(wǎng)狀組網(wǎng)的配置方法，設(shè)計(jì)了系統(tǒng)硬件的供電模塊；研究了本地服務(wù)器、中心服務(wù)器和控制模塊軟件系統(tǒng)；通過網(wǎng)絡(luò)丟包率測試和水質(zhì)溶氧量分析，驗(yàn)證了系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃?，并在溶氧超出范圍后自動控制增氧機(jī)，有效地調(diào)節(jié)池塘溶氧量。相比于傳統(tǒng)的水產(chǎn)養(yǎng)殖遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)，該系統(tǒng)通過物聯(lián)網(wǎng)和 GIS 技術(shù)的融合，實(shí)現(xiàn)了水質(zhì)環(huán)境的遠(yuǎn)程無線測控和區(qū)域化水產(chǎn)養(yǎng)殖管理，因此能夠大大推進(jìn)水產(chǎn)養(yǎng)殖智能化、自動化系統(tǒng)建設(shè)的發(fā)展，適應(yīng)水產(chǎn)養(yǎng)殖的需要。

物聯(lián)網(wǎng);GIS;WiFi;服務(wù)器;Android客戶端

中國的水產(chǎn)養(yǎng)殖業(yè)近年來發(fā)展迅猛，產(chǎn)量已占到世界總產(chǎn)量的70%[1]，但多數(shù)水產(chǎn)養(yǎng)殖環(huán)境監(jiān)控仍停留在傳統(tǒng)的依靠人工經(jīng)驗(yàn)的水平上，成本高、效率低，已經(jīng)無法滿足當(dāng)前水產(chǎn)養(yǎng)殖業(yè)的發(fā)展需求。建立水產(chǎn)養(yǎng)殖物聯(lián)網(wǎng)監(jiān)控平臺，對水體溫度、pH 、溶氧、氨氮和濁度等參數(shù)進(jìn)行長期的實(shí)時(shí)監(jiān)測，是提高現(xiàn)代水產(chǎn)養(yǎng)殖監(jiān)管水平的一個(gè)重要措施[2-3]。國內(nèi)外一些研究機(jī)構(gòu)已經(jīng)將無線傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用到水產(chǎn)養(yǎng)殖領(lǐng)域，如：利用ZigBee技術(shù)開發(fā)無線水產(chǎn)養(yǎng)殖監(jiān)控循環(huán)系統(tǒng)[4]；結(jié)合傳感器、無線網(wǎng)絡(luò)和 GPRS 通信等技術(shù)，實(shí)現(xiàn)現(xiàn)代化水產(chǎn)養(yǎng)殖的監(jiān)控方案[5]；基于Android平臺的水質(zhì)遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了隨時(shí)隨地查看水質(zhì)狀況的功能[6]。地理信息系統(tǒng)(Geographic Information System，GIS)[7-10]在農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)方面的應(yīng)用，目前主要集中在大田種植方面，在水產(chǎn)養(yǎng)殖領(lǐng)域的應(yīng)用還比較少。

通過GPRS和ZigBee通信技術(shù)測量，能夠較為準(zhǔn)確地測出水質(zhì)情況，但GPRS成本較高，ZigBee傳輸距離近，難以滿足低成本、高效率的要求[11]。為了滿足水質(zhì)參數(shù)信息的遠(yuǎn)程測控要求[12-13]，在現(xiàn)有技術(shù)基礎(chǔ)上提出了一種基于WiFi和GIS的測量與信息管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案。通過WiFi和GPS定位模塊將采集的水質(zhì)信息以及采集點(diǎn)的地理位置信息傳送至上位機(jī)，結(jié)合上位機(jī)GIS軟件，設(shè)計(jì)成綜合管理平臺。

1 物聯(lián)網(wǎng)平臺總體設(shè)計(jì)

1.1 總體設(shè)計(jì)方案

本系統(tǒng)將WiFi技術(shù)和GIS技術(shù)相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)對區(qū)域內(nèi)多個(gè)魚塘水質(zhì)的遠(yuǎn)程測控和管理(圖1)。系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)分為傳感控制層、傳輸層和應(yīng)用層。傳感控制層包括各種水質(zhì)參數(shù)與GPS采集傳感器和設(shè)備控制部分；傳輸層實(shí)現(xiàn)WiFi模塊網(wǎng)狀組網(wǎng)，將采集數(shù)據(jù)通過WiFi模塊上傳至本地服務(wù)器處理；應(yīng)用層則由本地服務(wù)器、中心服務(wù)器和Android客戶端組成。本地服務(wù)器負(fù)責(zé)魚塘水質(zhì)測控管理，記錄測量數(shù)據(jù)并在服務(wù)器端實(shí)時(shí)顯示，同時(shí)將數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)復(fù)制、分發(fā)給中心服務(wù)器和Android客戶端；中心服務(wù)器作為區(qū)域化管理平臺，實(shí)現(xiàn)地圖數(shù)據(jù)管理和統(tǒng)計(jì)分析功能；Android客戶端通過互聯(lián)網(wǎng)連接本地服務(wù)器，用于實(shí)時(shí)監(jiān)視水質(zhì)參數(shù)變化及遠(yuǎn)程控制增氧機(jī)調(diào)節(jié)水質(zhì)狀況。

圖1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)圖Fig.1 Design layout of system

1.2 系統(tǒng)邏輯結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

系統(tǒng)設(shè)計(jì)主要采用了自頂向下、逐步求精以及模塊化、結(jié)構(gòu)化設(shè)計(jì)方法(圖 2)。

圖2 系統(tǒng)邏輯結(jié)構(gòu)Fig.2 System logic structure

按照邏輯結(jié)構(gòu)可劃分為三個(gè)層次：基礎(chǔ)數(shù)據(jù)層、業(yè)務(wù)邏輯層和人機(jī)交互層?；A(chǔ)數(shù)據(jù)層實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)資源的存儲管理，由地圖數(shù)據(jù)庫和魚塘基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫組成；業(yè)務(wù)邏輯層按功能劃分為地圖數(shù)據(jù)管理和統(tǒng)計(jì)分析兩個(gè)模塊，地圖數(shù)據(jù)管理模塊主要實(shí)現(xiàn)地圖顯示、圖層控制、地圖操作等功能，統(tǒng)計(jì)分析模塊主要實(shí)現(xiàn)統(tǒng)計(jì)圖表、數(shù)據(jù)顯示、設(shè)備狀態(tài)等功能；人機(jī)交互層采用Winform方式，提供用戶與系統(tǒng)之間的接口。專題圖制作模塊利用SuperMap iObject組件[14-15]，生成統(tǒng)計(jì)圖、標(biāo)簽圖、等級圖等專題地圖。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1 WiFi模塊組網(wǎng)設(shè)計(jì)

為提高無線網(wǎng)絡(luò)的通信距離和覆蓋面積，本設(shè)計(jì)力圖實(shí)現(xiàn)WiFi網(wǎng)絡(luò)網(wǎng)狀組網(wǎng)[16-17]。使用某公司的WiFi串口服務(wù)器模塊USR-WiFi232-630和USR-WiFi232-604，其通訊距離約400 m。圖3為WiFi組網(wǎng)示意圖。本地服務(wù)器通過TP-LINK路由器與互聯(lián)網(wǎng)相連，多個(gè)USR-WiFi232-630作為二級路由設(shè)置為AP+STA(無線訪問接入點(diǎn)+客戶端)模式，同時(shí)若干USR-WiFi232-604設(shè)置為STA(客戶端)模式。為確保數(shù)據(jù)傳輸?shù)耐暾?，各采集?jié)點(diǎn)相距50 m，最大測量范圍可達(dá)3.14 hm2，可以滿足水產(chǎn)養(yǎng)殖智能化要求。

圖3 WiFi組網(wǎng)示意圖Fig.3 Schematic diagram of WiFi network

2.2 節(jié)點(diǎn)供電模塊設(shè)計(jì)

考慮到戶外魚塘接線比較困難和持續(xù)陰雨天的情況，本設(shè)計(jì)采取雙供電模式。采集節(jié)點(diǎn)采用太陽能供電方式，在浮筒上安裝40 W太陽能光板和蓄電池給傳感器和WiFi模塊供電，從而實(shí)現(xiàn)24 h不間斷工作?？刂乒?jié)點(diǎn)采用220 V市電供電方式，可以實(shí)時(shí)控制增氧機(jī)開關(guān)及投餌機(jī)的定時(shí)開關(guān)。傳輸模塊一直處于工作狀態(tài)，耗電量多，所以設(shè)置每5 min發(fā)送一組數(shù)據(jù)。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)由本地服務(wù)器程序、中心服務(wù)器程序和控制節(jié)點(diǎn)程序組成。本地服務(wù)器是整個(gè)物聯(lián)網(wǎng)平臺的數(shù)據(jù)處理中心，它既要接收WiFi模塊上傳的數(shù)據(jù)以達(dá)到實(shí)時(shí)測控的效果，又要及時(shí)將數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)復(fù)制、分發(fā)給中心服務(wù)器和Android客戶端；中心服務(wù)器程序作為區(qū)域化水產(chǎn)養(yǎng)殖管理平臺，可以遠(yuǎn)程查看地圖上各魚塘的空間屬性信息；控制節(jié)點(diǎn)對魚塘的溶氧進(jìn)行分析，以判斷是否開啟增氧機(jī)設(shè)備。

3.1 本地服務(wù)器端軟件設(shè)計(jì)

本地服務(wù)器以Visual Studio 2010為開發(fā)平臺，使用C#.NET語言編寫。該系統(tǒng)包括了用戶管理、節(jié)點(diǎn)定位顯示、報(bào)警、數(shù)據(jù)分析和數(shù)據(jù)存儲，其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖4所示。其中，用戶管理模塊主要實(shí)現(xiàn)監(jiān)控中心管理員對訪問用戶身份的授權(quán)以及系統(tǒng)維護(hù)，用戶查閱系統(tǒng)數(shù)據(jù)資源可根據(jù)不同級別設(shè)置權(quán)限；定位顯示模塊顯示各節(jié)點(diǎn)的位置信息；報(bào)警模塊可根據(jù)監(jiān)控中心收到的由采集節(jié)點(diǎn)傳回的水質(zhì)參數(shù)和設(shè)備工作狀態(tài)是否異常而報(bào)警；數(shù)據(jù)分析模塊可用于水質(zhì)歷史數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)、查詢與分析；數(shù)據(jù)存儲模塊由數(shù)據(jù)庫服務(wù)器構(gòu)成，用于存儲對應(yīng)的空間屬性數(shù)據(jù)。

圖4 服務(wù)器結(jié)構(gòu)圖Fig.4 Structure diagram of Server

3.2 中心服務(wù)器端軟件設(shè)計(jì)

中心服務(wù)器設(shè)計(jì)是在本地服務(wù)器的基礎(chǔ)上增加了GIS功能模塊，其中GIS是對地理空間位置、屬性等信息進(jìn)行采集、管理、分析、建模與可視化的軟件工具[18-20]。該程序設(shè)計(jì)可以通過地圖瀏覽功能按鈕，在地圖上進(jìn)行相應(yīng)的地圖瀏覽操作；還可以單擊“圖層屬性”按鈕查看空間對象的屬性信息，包括GPS模塊傳輸?shù)目臻g信息和魚塘屬性信息。中心服務(wù)器可以實(shí)時(shí)了解區(qū)域水產(chǎn)養(yǎng)殖的水質(zhì)環(huán)境，并將WiFi和GPS采集到的信息作為智能化、自動化、精細(xì)化水產(chǎn)養(yǎng)殖的決策依據(jù)。借助GIS，物聯(lián)網(wǎng)對信息的存儲和管理的手段更加豐富，能夠提高對空間和非空間數(shù)據(jù)的分析、挖掘能力，強(qiáng)化物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用的信息管理水平。

3.3 控制節(jié)點(diǎn)程序設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

使用西門子S7-200 PLC對魚塘水質(zhì)溶氧進(jìn)行控制[21]。該軟件部分是控制系統(tǒng)的核心，在STEP 7-MicroWIN編程環(huán)境下以梯形圖方法在 PC 機(jī)上編制，經(jīng)調(diào)試編輯后下載至 PLC機(jī)。軟件可實(shí)現(xiàn)投餌機(jī)定時(shí)開關(guān)，以及增氧機(jī)根據(jù)水質(zhì)狀況進(jìn)行相應(yīng)調(diào)節(jié)。當(dāng)溶氧小于上限時(shí)自動打開增氧機(jī)，大于上限時(shí)則自動關(guān)閉；還可在與PLC連接的TD-400C上直接查看實(shí)時(shí)的溶氧、溫度、pH、氨氮、濁度等水質(zhì)信息。

圖5 增氧機(jī)控制框圖Fig.5 Control diagram of aerator

4 試驗(yàn)與分析

本系統(tǒng)在江蘇省揚(yáng)中市現(xiàn)代漁業(yè)養(yǎng)殖試驗(yàn)基地進(jìn)行了試驗(yàn)，結(jié)果顯示，本地服務(wù)器能夠?qū)iFi模塊上傳的數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)處理、分析和顯示；中心服務(wù)器運(yùn)行穩(wěn)定，服務(wù)器端GIS功能模塊通過查找點(diǎn)擊地圖上標(biāo)明的試驗(yàn)節(jié)點(diǎn)，可以顯示相對應(yīng)的空間數(shù)據(jù)和屬性數(shù)據(jù)，包括魚塘編號、魚塘所有人、聯(lián)系方式、魚類信息、面積、水質(zhì)狀況等；Android客戶端可以實(shí)時(shí)獲取節(jié)點(diǎn)的水質(zhì)信息，并能夠遠(yuǎn)程控制現(xiàn)場設(shè)備。此外，還對WiFi網(wǎng)絡(luò)丟包率和魚塘溶氧數(shù)據(jù)進(jìn)行了測試分析。

4.1 WiFi網(wǎng)絡(luò)丟包率測試

網(wǎng)絡(luò)丟包率測試目的是為驗(yàn)證系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆€(wěn)定性和可靠性。由于單次數(shù)據(jù)傳輸長度沒有達(dá)到網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)淖畲罅?，TCP/IP協(xié)議能夠保證數(shù)據(jù)的完整性，所以以數(shù)據(jù)包個(gè)數(shù)為統(tǒng)計(jì)樣本。在3 d的監(jiān)測過程中，WiFi模塊平均每天發(fā)送數(shù)據(jù)包288個(gè)，遠(yuǎn)程監(jiān)控中心服務(wù)器平均每天接收數(shù)據(jù)包287.3個(gè)，平均丟包率為0.24%。可見WiFi組網(wǎng)穩(wěn)定、可靠性強(qiáng)，能夠滿足實(shí)際需要。

4.2 溶氧數(shù)據(jù)分析

本系統(tǒng)對該實(shí)驗(yàn)基地魚塘進(jìn)行了3 d的連續(xù)測量，表1為2016年5月27日的測試數(shù)據(jù)。

表1 溫度、溶氧、pH、經(jīng)緯度數(shù)據(jù)

圖6為池塘水體72 h內(nèi)的溶氧變化。當(dāng)DO≤4 mg/L時(shí)，本地服務(wù)器給控制模塊發(fā)送打開增氧機(jī)命令，當(dāng)DO≥6 mg/L時(shí)增氧機(jī)自動停止運(yùn)行，從而使池塘水體的溶氧始終維持在6.53 mg/L左右，波動范圍在3.95 ～8.33 mg/L之間，滿足絕大部分魚類的生長條件。

圖6 72 h內(nèi)池塘溶氧變化Fig.6 The change of DO in pond within 72 hours

5 結(jié)論

基于物聯(lián)網(wǎng)和 GIS 的水產(chǎn)養(yǎng)殖測控系統(tǒng)平臺的設(shè)計(jì)與實(shí)驗(yàn)表明：數(shù)據(jù)傳輸?shù)木W(wǎng)絡(luò)丟包率為0.24%，可滿足實(shí)際需求；控制模塊能夠按要求控制增氧機(jī)的開關(guān)，使得水中溶氧值在可控范圍內(nèi)。相比于傳統(tǒng)的系統(tǒng)平臺，本系統(tǒng)可以大大推進(jìn)水產(chǎn)養(yǎng)殖智能化、自動化系統(tǒng)建設(shè)的發(fā)展，還可以建立和推廣區(qū)域化水產(chǎn)養(yǎng)殖魚塘水質(zhì)及相關(guān)空間屬性信息的數(shù)據(jù)管理平臺。

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Design of an aquaculture monitoring and control system based on Internet of things and GIS

LIU Xingqiao, LUO Bo, ZHU Chengyun

(School of Electrical & Information Engineering, Jiangsu University, Zhenjiang 212013, China)

To meet the requirement for multi-parameter water quality monitoring and solve the problems in the existing water quality environmental monitoring system, an aquaculture monitoring and control system based on Internet of things and GIS is designed. Based on the research and analysis of overall performance, a three-layer (sensing control layer, transport layer and application layer) frame of the monitoring and control platform was first designed, presenting a top-down, stepwise refinement modular and structured design method. According to the requirement for the reliability and stability of data transmission, the configuration method of WiFi mesh network was put forward, and the power-supply module of the system hardware was designed. The software systems of the local server, center server, and control module were studied, and the reliability of the system of data transmission was verified through network packet loss rate test and water dissolved oxygen (DO) analysis. The system could automatically control the aerators when DO in water is beyond the desirable level, and effectively regulate the amount of DO in pond. Compared to the traditional remote monitoring systems, this system, through the integration of networking and GIS technology, realizes the wireless remote monitoring and regional aquaculture water quality management, and will greatly promote aquaculture intelligentization and atomization as well as better meet the needs of aquaculture development.

Internet of things; GIS; WiFi; Server; Android Client

10.3969/j.issn.1007-9580.2016.06.004

6-09-08

2016-11-20

2016省農(nóng)業(yè)科技自主創(chuàng)新資金項(xiàng)目(CX(16)1006)；國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(31172243)；江蘇高校優(yōu)勢學(xué)科建設(shè)工程項(xiàng)目(PAPD,NO.6-2011)；江蘇省農(nóng)業(yè)科技支撐項(xiàng)目(BE2013402)

劉星橋(1960—)，男，教授，博士生導(dǎo)師，研究方向：農(nóng)業(yè)設(shè)施智能控制系統(tǒng)。E-mail：xqliu@ujs.edu.cn

S959

A

1007-9580(2016)06-016-05