物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在海水養(yǎng)殖中的研究與應(yīng)用

引 言

2016 年 3 月17 日，《中華人民共和國國民經(jīng)濟和社會發(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色經(jīng)濟空間中提出推進智慧海洋工程建設(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，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。當采集數(shù)據(jù)超出標準時，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)中主要負責數(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)器端對指定端口進行 監(jiān)聽，當監(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 口號進行綁定，存儲在數(shù)據(jù)庫中。當接收信息前四位為 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) 警機制，根據(jù)各預(yù)警參數(shù)值進行分析判斷，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。當數(shù)據(jù)超標時， 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。