付宗魁+童紅兵

摘 要：文中論述了在海水養(yǎng)殖中利用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)實現(xiàn)養(yǎng)殖環(huán)境監(jiān)測及遠(yuǎn)程控制的實現(xiàn)方法。數(shù)據(jù)采集及控制節(jié)點、服務(wù)器、客戶展示端為此套設(shè)計系統(tǒng)的三個重要組成部分，現(xiàn)系統(tǒng)已開發(fā)完成，運行良好，達(dá)到了預(yù)期效果。

關(guān)鍵詞：物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)；海水養(yǎng)殖；環(huán)境監(jiān)測；遠(yuǎn)程控制

中圖分類號：TP393 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：2095-1302（2017）08-00-02

0 引 言

2016年3月17日，《中華人民共和國國民經(jīng)濟(jì)和社會發(fā)展第十三個五年規(guī)劃綱要》發(fā)布，其中多處提到物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)及智慧海洋。綱要第二十七章實施國家大數(shù)據(jù)戰(zhàn)略中提出建設(shè)物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用基礎(chǔ)設(shè)施和服務(wù)平臺，推進(jìn)物聯(lián)網(wǎng)重大應(yīng)用示范工程建設(shè)。在第四十一章拓展藍(lán)色經(jīng)濟(jì)空間中提出推進(jìn)智慧海洋工程建設(shè)。

如何構(gòu)建科學(xué)的智慧海洋系統(tǒng)架構(gòu)，使智慧海洋工程更好地為海水養(yǎng)殖服務(wù)。此方案從數(shù)據(jù)采集及控制節(jié)點、服務(wù)器、展示端三個部分設(shè)計和實現(xiàn)了一套完整的海水養(yǎng)殖智慧平臺。

1 系統(tǒng)架構(gòu)

如何能夠快速將遠(yuǎn)端數(shù)據(jù)采集及監(jiān)控，根據(jù)系統(tǒng)需求設(shè)計系統(tǒng)架構(gòu)圖，如圖1所示。

在系統(tǒng)架構(gòu)圖中，虛線雙向箭頭表示無線雙向通信，實線雙箭頭表示有線雙向通信。在系統(tǒng)整體架構(gòu)中，通信方式主要采用Socket通信，對于數(shù)據(jù)采集節(jié)點的識別主要采用設(shè)備編號的方式進(jìn)行區(qū)分。展示端采用定時更新數(shù)據(jù)及請求更新模式，同時服務(wù)器端設(shè)計了預(yù)警實時提示功能，系統(tǒng)采用C/S模式開發(fā)完成。

2 數(shù)據(jù)采集及控制節(jié)點

根據(jù)實用及成本考慮，數(shù)據(jù)采集及控制節(jié)點采用STM32單片機(jī)，設(shè)計兩路電壓輸入和兩路電流輸入，一路RS 485及一路CAN接口，一個繼電器。節(jié)點中現(xiàn)接有pH傳感器一個，輸出為電壓模擬量0～10 V；含氧量傳感器一個，輸出為電流模擬量4～20 mA；溫度傳感器一個，采用ds18b20，將其它沒有使用的輸入接口作為后期其它數(shù)據(jù)采集擴(kuò)展使用。此節(jié)點通信模塊采用SIM900A，通訊模式采用GPRS，滿足近海海域信號的全覆蓋。節(jié)點與服務(wù)器連接時，首先發(fā)送固定編號，格式為“1111+ID”，ID編號從STM32芯片唯一96位設(shè)備ID號中讀取，1111表示數(shù)據(jù)采集節(jié)點。當(dāng)采集數(shù)據(jù)超出標(biāo)準(zhǔn)時，可以通過控制繼電器來采取相應(yīng)控制措施，同時可發(fā)送短信到指定手機(jī)中發(fā)布預(yù)警信息。根據(jù)實際需求，可使用休眠模式，定時采集相關(guān)數(shù)據(jù)，大大降低數(shù)據(jù)采集及控制節(jié)點的能耗問題。

3 服務(wù)器

服務(wù)器作為數(shù)據(jù)匯集端，在設(shè)計和實現(xiàn)中主要負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)通信、數(shù)據(jù)存儲和數(shù)據(jù)處理等，采用C#編程語言、Socket通信方式和SQL Server 2008數(shù)據(jù)庫。服務(wù)器端對指定端口進(jìn)行監(jiān)聽，當(dāng)監(jiān)聽到客戶端建立連接時，將客戶端IP地址及端口號儲存到特定集合中，以便后期對指定采集節(jié)點發(fā)送控制信息。當(dāng)服務(wù)器端建立連接后，通過判斷客戶端發(fā)送的第一條信息的前四位以區(qū)分是采集控制節(jié)點還是展示節(jié)點。當(dāng)接收信息前四位為1111時，為采集控制節(jié)點，需將ID號與IP地址及端口號進(jìn)行綁定，存儲在數(shù)據(jù)庫中。當(dāng)接收信息前四位為2222時，連接用戶為展示端，根據(jù)后面請求指令返回相應(yīng)的數(shù)據(jù)信息，包括身份驗證、溫度數(shù)據(jù)請求、pH值數(shù)據(jù)請求和含氧量數(shù)據(jù)請求等信息。服務(wù)器端將根據(jù)接收數(shù)據(jù)進(jìn)行信號調(diào)理，使接收到的采集節(jié)點的數(shù)據(jù)與實際值更加接近。同時具有數(shù)據(jù)預(yù)警機(jī)制，根據(jù)各預(yù)警參數(shù)值進(jìn)行分析判斷，一旦超出既定范圍將立即采取相應(yīng)措施并發(fā)送信息給展示端，起到環(huán)境監(jiān)測預(yù)警的作用。

4 展示端

展示端主要包括兩部分，一部分為PC展示端，另一部分為移動展示端。PC展示端主要采用C#編程模式，而移動終端展示使用Android編程模式。展示端僅僅是在展示設(shè)備和編程語言中有所不同，其通信協(xié)議完全相同，通信方式仍使用Socket編程。首次與服務(wù)器端連接時需發(fā)送2222作為展示端身份驗證，服務(wù)器有數(shù)據(jù)更新時將向展示端發(fā)送更新數(shù)據(jù)。展示端需實現(xiàn)的功能有溫度、pH值、含氧量、預(yù)警顯示及數(shù)據(jù)采集控制節(jié)點的繼電器控制。根據(jù)服務(wù)器端請求指令的不同來獲取不同的數(shù)據(jù)，以便在展示端展示。當(dāng)數(shù)據(jù)超標(biāo)時，預(yù)警信號由綠色變?yōu)榧t色，恢復(fù)正常后將自動切換回綠色。以PC展示端為例，實際接收和顯示的數(shù)據(jù)如圖2所示。

圖2 PC展示端數(shù)據(jù)

5 結(jié) 語

此平臺提供了一套完整的智慧海洋系統(tǒng)解決方案，從終端采集、網(wǎng)絡(luò)傳輸、服務(wù)端數(shù)據(jù)處理到展示端數(shù)據(jù)展示及預(yù)警均采用了相關(guān)成熟的技術(shù)，保證了平臺的穩(wěn)定性。將物聯(lián)網(wǎng)相關(guān)技術(shù)應(yīng)用于海水養(yǎng)殖中，優(yōu)勢明顯，大大節(jié)省了人力成本并解決了在惡劣環(huán)境中養(yǎng)殖數(shù)據(jù)的實時采集和處理等問題。除應(yīng)用于海水養(yǎng)殖，此平臺還為海洋環(huán)境監(jiān)測等方面提供了相關(guān)借鑒，其商業(yè)推廣前景十分廣闊。

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