基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的魚類養(yǎng)殖環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)

蔡騫+紀然然+彭晶晶+呂進龍

摘 要：設(shè)計一個基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的魚類養(yǎng)殖環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)，該系統(tǒng)實現(xiàn)了對水溫、溶解氧、pH值等參數(shù)的采集、處理和預警，同時實現(xiàn)了視頻監(jiān)控、增氧機自動控制以及魚類的投食功能。該系統(tǒng)適用于目前大多數(shù)情況的水產(chǎn)養(yǎng)殖和水環(huán)境監(jiān)測，并增加了水環(huán)境中重金屬含量監(jiān)測的特色功能。

關(guān)鍵詞：監(jiān)控系統(tǒng)；魚類養(yǎng)殖；物聯(lián)網(wǎng)；ZigBee

中圖分類號：TP393 文獻標識碼：A 文章編號：2095-1302（2015）03-00-04

0 引 言

長期以來，我國水產(chǎn)養(yǎng)殖環(huán)保意識淡薄、養(yǎng)殖密度過高等問題，導致養(yǎng)殖病害呈逐年加重之勢，以至于水域環(huán)境遭到不同程度的破壞，水產(chǎn)品質(zhì)量安全得不到有效保障，解決水產(chǎn)養(yǎng)殖環(huán)境狀況已經(jīng)成為水產(chǎn)養(yǎng)殖業(yè)持續(xù)健康發(fā)展的重要課題。

影響水產(chǎn)養(yǎng)殖環(huán)境的關(guān)鍵參數(shù)是水溫、溶氧、氨氮、重金屬、pH值等。目前國內(nèi)的水產(chǎn)養(yǎng)殖業(yè)其水質(zhì)監(jiān)測基本上仍處于人工取樣、化學分析的人工監(jiān)測階段，其耗時費力、精確度不高，并且需要有專業(yè)人員進行操作。該魚類養(yǎng)殖系統(tǒng)結(jié)構(gòu)清晰，配置簡單，功能易擴展等，實現(xiàn)了對水溫、溶解氧、pH值以及重金屬含量等多參數(shù)的采集、處理和預警。同時，還可以自動控制增氧機、投食機等設(shè)備，實現(xiàn)自動喂食和增氧。

1 總體設(shè)計

本系統(tǒng)主要由感知系統(tǒng)、網(wǎng)絡(luò)層傳輸系統(tǒng)、應(yīng)用層系統(tǒng)（包括手動采集導入系統(tǒng)、數(shù)據(jù)處理展示系統(tǒng)和控制系統(tǒng)等）三大部分組成。感知層解決的是人類世界和物理世界的數(shù)據(jù)獲取問題。它首先通過傳感器、攝像機等設(shè)備，采集外部物理世界的數(shù)據(jù)，然后通過RFID、條形碼、藍牙、紅外等短距離傳輸技術(shù)傳遞數(shù)據(jù)。感知層所需要的關(guān)鍵技術(shù)包括檢測技術(shù)、短距離無線通信技術(shù)等。本系統(tǒng)的感知系統(tǒng)主要是指感知層設(shè)備所組成的硬件系統(tǒng)，包括了傳感器、攝像機、控制設(shè)備等，負責獲取各類數(shù)據(jù)、視頻，并傳輸給后臺處理；同時根據(jù)預警情況，對設(shè)備進行控制。

網(wǎng)絡(luò)層傳輸系統(tǒng)主要包括ZigBee和無線通信、以太網(wǎng)兩大部分。ZigBee技術(shù)是一種近距離、低復雜度、低功耗、低速率、低成本的雙向無線通訊技術(shù)，主要用于距離短、功耗低且傳輸速率不高的各種電子設(shè)備之間進行數(shù)據(jù)傳輸以及典型的有周期性數(shù)據(jù)、間歇性數(shù)據(jù)和低反應(yīng)時間數(shù)據(jù)之間的傳輸應(yīng)用。本系統(tǒng)中ZigBee通信主要用于傳感器和采集模塊之間的數(shù)據(jù)通信，解決了傳統(tǒng)環(huán)境監(jiān)測方案中遇到的布線困難、成本高等問題。無線通信、以太網(wǎng)部分主要用于采集控制設(shè)備和后臺管理中心之間數(shù)據(jù)交互、視頻傳輸?shù)裙δ堋Ｈ绻F(xiàn)場適合布線，可以采取以太網(wǎng)通信方式，但大多數(shù)都是采用無線通信的方式，使用3G或者4G的技術(shù)，具有無需布線，方便快捷等優(yōu)點。

應(yīng)用層系統(tǒng)包括手動采集導入系統(tǒng)、數(shù)據(jù)處理展示系統(tǒng)和控制系統(tǒng)三部分。手動采集導入系統(tǒng)是用于手持設(shè)備對水樣進行重金屬檢測后，把測試結(jié)果導入系統(tǒng)，系統(tǒng)根據(jù)導入的數(shù)據(jù)進行分析處理，然后進行預警等；數(shù)據(jù)處理展示系統(tǒng)是對數(shù)據(jù)中心處理后的數(shù)據(jù)、視頻等進行匯總，把相關(guān)的圖表、報表等展現(xiàn)給用戶；控制系統(tǒng)是根據(jù)預警信息或提示，可以自動或者人工對增氧機、投食機等設(shè)備進行控制，實現(xiàn)自動喂食和增加氧氣。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖1所示：

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

1.1 硬件設(shè)計

本系統(tǒng)所用主要硬件設(shè)備包括水溫傳感器、pH傳感器、溶解氧傳感器、重金屬檢測設(shè)備、視頻采集設(shè)備、網(wǎng)關(guān)設(shè)備、控制設(shè)備、視頻服務(wù)器等。

水溫傳感器從結(jié)構(gòu)上講與傳統(tǒng)的傳感器沒有什么變化，但它的作用是向發(fā)動機控制單元提供一個溫度變化的模擬量信號。它的供電電壓是由控制單元提供的5 V電源，返回控制單元的信號為1.3～3.8 V的線性變化信號。

pH傳感器是用來檢測被測物中氫離子濃度并將其轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的可用輸出信號的一種傳感設(shè)備，通常由化學部分和信號傳輸部分構(gòu)成。pH傳感器常用于進行對溶液、水等物質(zhì)的工業(yè)測量。

溶解氧傳感器是一種用于測量氧氣在水中的溶解量的傳感設(shè)備，用于水中含氧量的測量，通過調(diào)節(jié)，以便維持最佳的生態(tài)和生長環(huán)境。

重金屬，實際上主要是指汞、鎘、鉛、鉻、砷等金屬或類金屬，也指具有一定毒性的一般重金屬，如銅、鋅、鎳、鈷、錫等。在天然水體中一般重金屬產(chǎn)生毒性的范圍大約在1～10mg/L之間，而汞，鎘等產(chǎn)生毒性的范圍在0.01～0.001mg/L之間。重金屬檢測方面，日本和歐盟國家有的采用電感耦合等離子質(zhì)譜法（ICP-MS）分析，但儀器成本高。也有的采用X熒光光譜（XRF）分析，優(yōu)點是無損檢測，可直接分析成品，但檢測精度和重復性不如光譜法。目前最新流行的檢測方法是陽極溶出法，檢測速度快，數(shù)值準確，可用于現(xiàn)場等環(huán)境應(yīng)急檢測。

而視頻方面，根據(jù)不同的監(jiān)視對象和要求，攝像機應(yīng)做不同的配置，對大范圍的室外空間監(jiān)視，并要求看清整體目標的場景，配置球形云臺防護罩，帶動攝像機做上下左右掃描，攝像機配置22倍鏡頭以短焦距（廣角）作整體監(jiān)視，以長焦距（拉近）分辨具體細節(jié)（全遙控方式）；對小范圍空間或單個目標監(jiān)視，可用固定攝像機配置定焦鏡頭監(jiān)視。

在主要硬件設(shè)備中，水溫傳感器、pH傳感器、溶解氧傳感器、重金屬檢測設(shè)備等，主要負責環(huán)境數(shù)據(jù)的采集，并把采集的數(shù)據(jù)通過ZigBee協(xié)議傳送給網(wǎng)關(guān)設(shè)備或者導入系統(tǒng)數(shù)據(jù)中心；網(wǎng)關(guān)設(shè)備通過以太網(wǎng)或者無線網(wǎng)絡(luò)方式，負責把數(shù)據(jù)傳送給數(shù)據(jù)中心服務(wù)器；而視頻采集設(shè)備、視頻服務(wù)器，負責采集存儲視頻和圖像；控制設(shè)備主要功能是接收軟件平臺系統(tǒng)的指令，對增氧機、投食機等設(shè)備進行控制（如進行啟動、停止等操作），并把設(shè)備的運行狀態(tài)返回給軟件平臺系統(tǒng)。

該系統(tǒng)硬件部分主要部署圖如圖2所示：

圖2 硬件部署圖

1.2 軟件設(shè)計

該系統(tǒng)軟件主要功能包括水溫、水深、pH值、含氧量等數(shù)據(jù)的采集、處理、保存；重金屬含量測試數(shù)據(jù)的導入；視頻信息實時顯示以及歷史查詢；對自動控制增氧機、投食機等設(shè)備進行控制指令的下發(fā)以及設(shè)備狀態(tài)的查詢；以及在采集到的魚池參數(shù)超出標準時可進行報警等功能。

根據(jù)系統(tǒng)軟件的主要功能，本軟件系統(tǒng)模塊劃分主要包括：數(shù)據(jù)采集與處理模塊，負責傳感信息和視頻信息的采集、處理與保存；數(shù)據(jù)導入模塊，主要是把離線設(shè)備檢測的重金屬數(shù)據(jù)導入本系統(tǒng)中，供用戶查詢使用；設(shè)備控制模塊，主要是根據(jù)用戶指令或者自動控制的參數(shù)設(shè)置，下發(fā)控制設(shè)備信息，并返回設(shè)備控制以后的狀態(tài)；數(shù)據(jù)查詢模塊，主要是供用戶查詢實時的數(shù)據(jù)和歷史數(shù)據(jù)，并把查詢的結(jié)果比如數(shù)據(jù)曲線或者報表，展示給用戶；自動報警模塊，對采集的數(shù)據(jù)信息超過警戒后，自動給用戶提示的功能，以方便用戶及時地進行處理。系統(tǒng)流程圖如圖3所示：

圖3 系統(tǒng)流程圖

本系統(tǒng)啟動開始，軟件平臺系統(tǒng)自動根據(jù)設(shè)置，進行采集數(shù)據(jù)，然后進行數(shù)據(jù)處理。當數(shù)據(jù)達到報警設(shè)置的條件，對用戶進行報警，如果數(shù)據(jù)正常，則進行數(shù)據(jù)保存，如果產(chǎn)生報警，再根據(jù)系統(tǒng)設(shè)備檢查是否需要下發(fā)設(shè)備控制指令，該指令也可以由操作人員進行手動點擊下發(fā)，再把操作結(jié)果返回給用戶。系統(tǒng)對導入和采集的數(shù)據(jù)，進行處理后，保存到存儲服務(wù)器，供用戶進行提取和查詢。

系統(tǒng)根據(jù)設(shè)置，自動進行采集數(shù)據(jù)。其中，采集數(shù)據(jù)的主要代碼如下：

int RevData（char * strbuff）

{

int retVal；

WSADATA wsaData；

DWORD dwIP = 0；

//域名解析

HOSTENT* pHS = gethostbyname（strdomain）；

if（ pHS ！= NULL）

{

in_addr addr；

CopyMemory（&addr.S_un.S_addr， pHS->h_addr_list[0]， pHS->h_length）；

dwIP = addr.S_un.S_addr；

}

else

{

return 0；

}

SOCKET sckTongJi = socket（AF_INET， SOCK_STREAM， 0）；

//定義地址結(jié)構(gòu)體 并初始化

SOCKADDR_IN addrSvr；

addrSvr.sin_family = AF_INET；

addrSvr.sin_addr.S_un.S_addr = dwIP；

addrSvr.sin_port = htons（80）； //使用網(wǎng)絡(luò)字序

retVal = connect（sckTongJi， （SOCKADDR*）&addrSvr， sizeof（SOCKADDR_IN））；

if （retVal）

{

//AfxMessageBox（"connect error！"）；

WSACleanup（）；

return 0；

}

memset（strbuff， 0， sizeof（strbuff））；

recv（sckTongJi， strbuff， 4096， 0）；

closesocket（sckTongJi）；

WSACleanup（）；

}

用戶進行查詢數(shù)據(jù)后，軟件系統(tǒng)根據(jù)查詢得到的數(shù)據(jù)繪制出數(shù)據(jù)曲線圖。其中，繪制溶解氧曲線的主要代碼如下：

void CDrawCoorView：：OnDraw（CDC* pDC）

{

CDrawCoorDoc* pDoc = GetDocument（）；

ASSERT_VALID（pDoc）；

const int num=6；

float initX[num]={1，2，3，4，5，6}；

float initY[num]={0，2，4，6，8，10}；

//分別取得X和Y最大值，最小值

float maxX=initX[0]；

float minX=initX[0]；

float maxY=initY[0]；

float minY=initY[0]；

for（int i=0；i

{

if（initX>maxX）

maxX=initX；

if（initX

minX=initX；

if（initY>maxY）

maxY=initY；

if（initY

minY=initY；

}

//確定圖象顯示大小

int width=500；

int height=300；

const int mytop=20；

const int mybottom=40；

const int myleft=50；

const int myright=40；

//確定X，Y軸每單位顯示寬度

float intervalX=（width-myleft-myright）/（maxX-minX）；

float intervalY=（height-mybottom-mytop）/（maxY-minY）；

//繪制曲線

pDC->MoveTo（int（myleft+（initX[0]-minX）*intervalX），

int（height-（mybottom+（initY[0]-minY）*intervalY）））；

for（i=0；i

{

pDC->LineTo（int（myleft+（initX-minX）*intervalX），

int（height-（mybottom+（initY-minY）*intervalY）））；

}

}

2 系統(tǒng)調(diào)試

2.1 傳感器的調(diào)試

傳感器上電后，通過ZigBee協(xié)議自動與網(wǎng)關(guān)設(shè)備進行組網(wǎng)，然后可以通過軟件采集傳感器的數(shù)據(jù)。如果采集上來的數(shù)據(jù)不準確，通常是由下面三個方面問題引起的：傳感器輸出電流不對（常用傳感器輸出為電流型）、傳感器量程配置不對、數(shù)據(jù)計算錯誤。傳感器輸出電流不對是傳感器設(shè)備問題，可以更換新的傳感器；傳感器量程配置不對可以通過配置說明書進行糾正；而數(shù)據(jù)計算錯誤是軟件方面的Bug引起的，需調(diào)試并修改軟件。

2.2 視頻圖像的調(diào)試

在視頻的調(diào)試過程中，常常發(fā)現(xiàn)有視頻畫面抖動或者不清晰的問題。視頻畫面抖動，通常是由視頻信號線問題或者電磁干擾引起的，更換新的視頻信號線或者查找周圍干擾源并消除干擾，抖動現(xiàn)象就會消失。而視頻不清晰，如果經(jīng)過調(diào)節(jié)焦距等操作，仍然達不到預期的效果，則說明是攝像機的選擇不適合。攝像機種類很多，不同的環(huán)境需要采用不同的攝像機，以達到預期的效果。比如：室外定點監(jiān)視目前最常用的是紅外一體化攝像機，有特殊要求可選擇陣列紅外攝像機，雙CCD陣列攝像機等；而室外動點監(jiān)視常用的是智能球機，可以分高速球、中速球、低速球，根據(jù)需要來選擇，也可以選擇普通攝像機；室內(nèi)一般也可以選用紅外一體化攝像機，但用的更多的是半球吸頂式攝像機，可以選擇是否帶紅外，鏡頭大小等。還有，局部光線強的環(huán)境，選擇背光或抑光補償能力強的攝像機或直接選用寬動態(tài)攝像機。

2.3 軟件系統(tǒng)的調(diào)試

如果硬件調(diào)試完畢，通過軟件顯示的數(shù)據(jù)或者曲線不準確，則是由軟件系統(tǒng)引起的，通過排查并修復軟件系統(tǒng)的Bug，可以展示正確的結(jié)果。本軟件系統(tǒng)經(jīng)過調(diào)試后，可以正確的顯示水溫、溶解氧、pH值等數(shù)據(jù)曲線，其中溶解氧傳感器的數(shù)據(jù)曲線如圖4所示：

圖4 溶解氧數(shù)據(jù)曲線

3 結(jié) 語

本系統(tǒng)已經(jīng)成功應(yīng)用在多個水產(chǎn)養(yǎng)殖實驗基地，大大提高了工作效率和人工成本，獲得了用戶的好評。本系統(tǒng)和傳統(tǒng)的水產(chǎn)監(jiān)控系統(tǒng)相比，具有下列一些特色和創(chuàng)新：

針對水中含有重金屬常常離線檢測，本系統(tǒng)開發(fā)了重金屬數(shù)據(jù)導入系統(tǒng)，使整個水域的環(huán)境參數(shù)更加真實和完整。

本系統(tǒng)可以根據(jù)報警信息設(shè)置，自動對溶解氧等設(shè)備進行控制，也可以通過人工的方式去控制增氧機、投食機等設(shè)備。

本系統(tǒng)可以通過調(diào)節(jié)視頻設(shè)備，通過視頻直接觀察水域的情況和被控制設(shè)備的狀態(tài)，大大提高了操作的安全性。

本系統(tǒng)可以對水產(chǎn)類特別是魚類養(yǎng)殖環(huán)境中水的溫度、水位，氧含量等情況進行7*24小時的連續(xù)監(jiān)測。由于系統(tǒng)可實現(xiàn)遠程監(jiān)控，即使沒有人員在監(jiān)測現(xiàn)場，也可以全面了解水域的環(huán)境情況，在水產(chǎn)養(yǎng)殖應(yīng)用中具有很強的實際意義。另外，本系統(tǒng)不僅包含電腦客戶端軟件，也含有移動終端操作使用的APP，大大提高了系統(tǒng)使用的便捷性。同時，系統(tǒng)設(shè)計時，兼顧了穩(wěn)定性、可靠性、可擴展性等特點。

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