基於物聯網的水產養殖監控系統

作者 魏武 梁中華 胡冬清 嶺南師範學院(湛江 524048)

本文引用地址：http://www.eepw.com.cn/article/201811/395045.htm

　　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發及物聯網技術。

摘要：由於水產養殖水域環境現狀需要得到控制和改善，實時遠程監控系統尤為必要。本系統應用嵌入式技術、4G通信模塊、伺服器後臺處理和物聯網技術進行對水中溶解氧含量和溫度的實時監控。本系統的關鍵技術是通過終端實現數據的採集、傳輸、存儲和發布，並實現實時遠程網頁監控、手機遠程控制設備啟停等功能。該監控系統可以廣泛應用於水產養殖業，還可拓展更多傳感器應用於現代農業生產。

0 引言

　　部分沿海或養殖業發達地區對水質環境要求較高，水域環境遭到不同程度汙染，因此水質環境需要得到改善和控制，方能保持養殖業可持續發展，特別是在水產資源十分豐富和養殖規模龐大地區，在傳統養殖業發展同時，面臨著相關水產環境的破壞和矛盾等問題，溶解氧、溫度等因素影響水產養殖環境，因此養殖業亟須引進實時監控系統以更好地針對水質環境進行信息反饋。

　　市面上出現的產品例如溶氧儀測量器、養殖水質檢測系統等，其主要問題是投入設備的生產成本較高，且人工控制缺乏靈活性和明顯低效率。由於大部分處於傳統的監測方式和手動控制設備的階段，並且未能進行實時數據的監測和遠程控制水產養殖設備，參考現有基於物聯網的水產養殖監控系統對水質環境控制實現在線監測^[1]，本系統著力於設計通過4G網絡傳輸、在線網頁顯示數據，實現網頁對水質環境實時發布、存儲、傳輸，隨時隨地通過手機對設備做出控制。

1 系統整體設計

　　本系統由數據採集終端主控制器、傳感器模塊、通信模塊、設備控制模塊和遠程監控中心(包括伺服器和手機客戶端)組成。基於嵌入式Tiny6410主控制器，通過傳感器採集數據並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行實時發布、存儲及處理，手機客戶端根據需要可以對設備進行遠程控制，系統整體結構設計如圖1所示。

2 硬體系統設計

　　2.1 數據採集和傳輸模塊設計

　　數據採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，其任務是向微處理器發送溫度和溶解氧數據，ZSD3410 4G DTU經RS232串口連接Tiny6410主控制器的串口COM3，其任務是傳輸微處理器的數據和發送控制指令給微處理器。

　　Tiny6410是一款以ARM11晶片為處理器的主控制器，集成了128 M/256 M DDR RAM，採用5 V供電，實現CPU必需的各種核心電壓轉換，包括了三個標準DB9五線串口，還可以通過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協議，可以採集溫度和溶解氧，輸出十六進位數字量，傳感器能實現自動溫度補償。其數據參數溫度範圍為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裝置，配置Tiny6410的GPIO驅動，接收Tiny6410的GPIO的信號或指令，以驅動設備。

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

3 軟體設計

　　軟體設計包括數據採集終端主控制器軟體、伺服器後臺搭建和監控中心軟體三部分。

　　3.1 數據採集終端主控制器軟體設計

　　數據採集終端主控制器是系統核心部件，主要任務有：①根據MODBUS協議，通過串口獲取由溶解氧傳感器採集的原始數據並對數據進行有效處理;②採用POST模式通過ZSD3410 4G DTU通信模塊將溶解氧數據發送到伺服器。

　　3.2 伺服器後臺搭建

　　①伺服器是採用tomcat + spring + spring MVC + Mybatis搭建的，這套方案的原理：以Java寫後臺服務，選用spring+springMVC+Mybatis框架。

　　②SpringMVC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行定製。設備通過POST請求將數據上傳到伺服器，伺服器將數據存儲到資料庫並利用Websocket實時加載到相應網頁^[3]。

　　3.3 監控中心軟體設計

　　監控中心包括手機客戶端、伺服器端和遠程設備客戶端。手機客戶端基於Qt編程，搭建Android環境進行開發，利用C編寫TCP伺服器多線程程序^[4]，Qt編程遠程控制界面，手機客戶端通過移動無線網絡連接伺服器，伺服器創建線程轉發指令到遠程設備客戶端，實現手機客戶端與遠程設備客戶端之間的通信^[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為測試網頁顯示實時數據，顯示具體時間、溶解氧濃度和水溫。

　　系統測試分析：

　　①數據通信穩定，實時數據可以在線網頁顯示，安卓遠程控制可以啟動模擬增氧泵裝置，不存在阻塞情況。實時數據顯示，測試環境為標準大氣壓下，試驗以自來水作為水產環境，某時刻獲得環境因子溶解氧和溫度分別為7.61037 g/ml和24.613888 ℃，經過長時間的採集和數據處理，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，一旦溶解氧低於正常參數設置水平，可通過遠程控制啟動模擬增氧泵裝置，使溶解氧含量恢復正常值。

　　②系統測試時，4G通信模塊有出現掉線情況，經配置撥號腳本實現4G模塊重連，重連穩定，重連的成功率為95%以上。

5 結語

　　本設計應用嵌入式技術、傳感器技術、4G通信技術及Qt安卓客戶端開發技術等,實現溶解氧、溫度等水產指標的實時監控，並且通過遠程控制設備啟停，可以大大提高水產養殖經濟效益和減輕汙染。

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　　本文來源於《電子產品世界》2018年第12期第79頁，歡迎您寫論文時引用，並註明出處。