基于無線傳感器網絡的河蟹病原體監(jiān)測系統(tǒng)

蓋之華　施連敏　陳志峰

摘要：為了有效預防河蟹養(yǎng)殖過程中的病原體危害，指導蟹農進行河蟹疾病的預防與控制，設計并實現(xiàn)了基于無線傳感器網絡的河蟹病原體監(jiān)測系統(tǒng)，主要包括建立病原體實時數據庫、設計系統(tǒng)的軟件架構和傳感器模塊、提供數據優(yōu)化模塊。結果表明，本系統(tǒng)在河蟹養(yǎng)殖領域具有極大的應用前景。

關鍵詞：河蟹病原體；監(jiān)測系統(tǒng)；無線傳感器網絡

中圖分類號： TP274；S126文獻標志碼： A文章編號：1002-1302（2015）11-0510-03

收稿日期：2014-12-29

基金項目：江蘇省蘇州市應用基礎研究計劃（編號：SYN201305）；江蘇省高校科研成果產業(yè)化推進工程項目（編號：JHB2012-79）。

作者簡介：蓋之華（1979—），男，江蘇淮安人，工程師，主要從事智能信息處理研究。E-mail：slmxiaodai@163.com。

通信作者：施連敏，工程師，主要從事智能信息處理研究。E-mail：18915418296@163.com。河蟹是我國最重要的淡水蟹類，由于其適應性較強，養(yǎng)殖范圍廣，近年來養(yǎng)殖規(guī)模迅速增加，給養(yǎng)殖戶帶來了良好的經濟效益。但由于河蟹棲息在水底，生病后往往不易發(fā)覺。通常情況下，河蟹的疾病是由相關病原體的入侵造成的[1]。但是，由于絕大多數蟹農缺乏足夠的信息資料來準確地監(jiān)測預警與控制產生河蟹疾病的病原體，從而導致無法對河蟹疾病進行有效的預防和治理，病急亂投醫(yī)、亂投藥的情況時有發(fā)生，造成了極大的經濟損失，同時也制約了河蟹產業(yè)的發(fā)展。因此，防治蟹病應從控制病原體著手，建立起有效的河蟹病原體監(jiān)測與控制系統(tǒng)體系。當前，隨著生物傳感器[2-3]、地理信息系統(tǒng)（geographic information system，GIS）、移動互聯(lián)網、云計算等新一代信息技術的快速發(fā)展，將信息化技術應用到河蟹病原體監(jiān)測預警與控制中，指導蟹農進行疾病的預防與控制，改變蟹農看病難、用藥亂的現(xiàn)狀，提升河蟹生態(tài)化養(yǎng)殖品質，已成為河蟹養(yǎng)殖業(yè)健康發(fā)展的必然趨勢。

1河蟹病原體監(jiān)測系統(tǒng)體系結構

1.1傳感器網絡的軟件結構

無線傳感器網絡（wireless sensor networks，WSN）是由部署在監(jiān)測區(qū)域內的大量廉價微型傳感器節(jié)點組成，通過無線通信方式形成的一個多跳的自組織的網絡系統(tǒng)，其目的是協(xié)作地感知、采集和處理網絡覆蓋區(qū)域中感知對象的信息，并轉發(fā)給觀察者處理[4-5]。本系統(tǒng)的傳感器網絡采用LEACH[6]協(xié)議，該網絡主要由節(jié)點、簇頭以及基站組成。節(jié)點是感知水質參數的主要節(jié)點，位于傳感網的末端，負責采集病原體、水溫、pH值等數據，并將采集到的數據通過無線傳輸模塊發(fā)送出去；簇頭是數據采集的關鍵節(jié)點，在預先設定的時刻按順序收集簇內節(jié)點的數據，并轉發(fā)給基站；基站收到各簇頭的數據，再通過GPRS模塊將數據包通過Internet傳送到服務器。傳感器網絡的結構如圖1所示。

1.2河蟹病原體監(jiān)測系統(tǒng)軟件架構

從病原體預警的實時性及長期性考慮，將河蟹病原體監(jiān)測系統(tǒng)架構分為4層，分別為應用層、中間層、數據層、基礎層。應用層由河蟹病原體預警功能模塊和WEBGIS發(fā)布功能模塊組成，研究者和決策者可以通過瀏覽器或病原體預警功能模塊主界面向數據層發(fā)送指令包并通過不同接口實現(xiàn)響應指令；中間層由通信接口、GIS接口及數據接口組成，用來處理用戶傳入的指令并通過數據層實現(xiàn)數據分析；數據層由病原體數據庫和病原體預測模型組成，用來儲存數據，接受基礎層的指令請求。河蟹病原體監(jiān)測系統(tǒng)軟件架構如圖2所示。

2病原體實時數據庫設計

數據庫的設計以日常病原體監(jiān)測數據為主，科學研究和特殊情況監(jiān)測數據為輔；系統(tǒng)數據庫共設置5個基本表，它們是實時數據接收表、病原體類型表、水質中病原體濃度閾值表、歷史數據表以及監(jiān)測點水文特征表。實時數據接收表是數據庫關系圖中最主要的、所占空間最多的一個表，其儲存的是能實時采集的病原體參數，因此表項設置主要有溶氧量、水溫、pH值、病原體類型、病原體個數，并且預留幾個可擴展項。

3系統(tǒng)分析、設計與實現(xiàn)

3.1系統(tǒng)分析

預警系統(tǒng)主要目的是收集河蟹病原體數據、分析病原體數據、建立預警模型。本系統(tǒng)依據河蟹養(yǎng)殖的實際情況，總結了河蟹養(yǎng)殖預警需求，概括如下：（1）數據采集。數據采集主要通過無線傳感器收集河蟹病原體數據、養(yǎng)殖區(qū)域水質數據等。該模塊須要完成網絡建立、系統(tǒng)維護、數據采集及數據傳輸等功能。（2）數據分析。無線傳感器網絡將采集到的數據傳輸到服務器，服務器須要將接收到的數據進行分析、加工，然后將處理后的數據存儲到數據庫。（3）系統(tǒng)預警。數據庫中數據須進行再加工，并通過分析后建立直觀的數據報表，同時對符合的數據進行預警。

3.2系統(tǒng)設計

河蟹病原體監(jiān)測系統(tǒng)主要包括病原體數據采集、病原體數據分析、系統(tǒng)預警等。該系統(tǒng)總體設計結構如圖3所示。

如圖3所示，須預先在河蟹養(yǎng)殖區(qū)域部署傳感器監(jiān)測節(jié)點和無線路由節(jié)點，通過路由節(jié)點將采集的數據傳輸到河蟹監(jiān)測站點，最終通過監(jiān)測站點和服務器通信，將采集和處理過的信息傳輸給中心服務器，中心服務器將采集的數據進一步加工、分析，并將結果反饋給監(jiān)控設備。根據河蟹病原體預警結構可設計出如圖4所示的系統(tǒng)流程圖。

如圖4所示，系統(tǒng)分為數據采集、數據分析和系統(tǒng)預警3個部分。其中，數據采集主要包括傳感器節(jié)點和路由器節(jié)點的初始化、傳感器網絡建立、數據采集、數據匯聚；數據分析主要包括對采集到的病原體數據并進行數據處理、數據分析、數據存儲等；系統(tǒng)預警包括將采集和分析的數據嵌入到GIS系統(tǒng)、生成分析報表、預警信息發(fā)布等。

由于傳感器節(jié)點在數據采集過程中非常關鍵，所以本系統(tǒng)在實施時考慮到成本和維護問題，采用如圖5所示的傳感器模塊結構。

根據河蟹養(yǎng)殖和傳感器工作的特點，同時為了節(jié)約成本和延長傳感器電池使用時間，本系統(tǒng)采用低功耗處理模塊和無線發(fā)射模塊，同時采用鋰電池供電，達到延長傳感器工作時間，減少電池更換成本的目的。為了延長電源使用時間該傳

感器模塊處理器采用TI公司的單片機MSP430F149，該芯片突出特點是低電壓、低功耗；同時無線通信模塊采用低電壓、低功耗的nRF905模塊，該模塊主要特色是有空閑模式和關閉模式。

數據處理主要包括采集點位置數據和采集河蟹病原體數據的分析和處理。為了簡化操作流程本系統(tǒng)在數據處理過程中先將采集的數據通過監(jiān)測站點進行初步加工，然后將加工過的數據傳輸給服務器進行再次加工和存儲，數據優(yōu)化流程如圖6所示。

本系統(tǒng)在實現(xiàn)預警模塊時，為了更直觀及時地實現(xiàn)預警功能，采用了信息通知和監(jiān)控中心圖形顯示同步進行。主要實現(xiàn)方式是系統(tǒng)在出現(xiàn)警報時，系統(tǒng)會將消息發(fā)送至移動客戶端（也可短信、郵件等），同時也會將報警消息直接顯示在GIS系統(tǒng)中。

3.3預警服務

預警服務在本系統(tǒng)中是直接向管理者展示河蟹病原體采

集數據的服務。該服務針對河蟹病原體數據進行分析，得出河蟹養(yǎng)殖過程中的病原體是否超過閾值，如果超過閾值，系統(tǒng)則預警，否則實時顯示數據。為了更直觀地提供預警服務，本系統(tǒng)在實現(xiàn)時將河蟹養(yǎng)殖病原體信息直接嵌入到GIS系統(tǒng)中，這樣管理人員在監(jiān)控河蟹養(yǎng)殖數據時可直觀地觀測到河蟹養(yǎng)殖數據。本系統(tǒng)中的預警服務流程如下：（1）采集點位置預處理。將采集點位置預先保存在GIS數據庫中，同時將采集點進行編號，形成一一對應的表格，這樣減少采集點定位成本，同時也減少采集點定位不準確的問題。（2）采集數據反饋。采集點須要將采集點編號和采集的數據一起傳給服務器，服務器根據采集點編號將采集的數據進行處理，根據采集點編號查找到GIS數據，然后直接顯示在GIS系統(tǒng)中。（3）閾值設置。本系統(tǒng)的閾值可設定固定值，也可根據一定的統(tǒng)計規(guī)律計算出1個有效的閾值，這樣將采集的數據直接和閾值數據進行比對，如果在閾值之內，GIS系統(tǒng)中的數據正常顯示，否則顯示報警提示。

4應用試驗

試驗選取面積為0.033 hm2的池塘，將5個硝化細菌傳感器均勻地分布在塘底。監(jiān)測2 h后統(tǒng)計結果（表1）。從表1可以看出，通過傳感器實時監(jiān)測池塘底的環(huán)境和病原體數量，后期通過統(tǒng)計規(guī)律計算出1個有效的閾值實現(xiàn)實時預警。

5結論

系統(tǒng)利用傳感器技術與無線通信技術實現(xiàn)了河蟹病原體數據和養(yǎng)殖區(qū)域水質參數的實時采集與傳輸，采集數據匯聚到監(jiān)測服務器，經過處理后存入數據庫中并同時在終端設備預警。本系統(tǒng)構建成本低，具有較強的可擴展性，在河蟹養(yǎng)殖實時監(jiān)測領域具有良好的應用前景。

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