基于北斗定位系統(tǒng)的蝦塘投餌管控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)

張麗珍,楊加慶,邵祺,楊朦朦,胡慶松,張樂

(1.上海海洋大學(xué) 工程學(xué)院,上海 201306;2.北斗天匯上?？萍加邢薰?上海 201306)

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基于北斗定位系統(tǒng)的蝦塘投餌管控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)

張麗珍1,楊加慶1,邵祺1,楊朦朦1,胡慶松1,張樂2

(1.上海海洋大學(xué) 工程學(xué)院,上海 201306;2.北斗天匯上?？萍加邢薰?上海 201306)

水質(zhì)長期實(shí)時(shí)監(jiān)控對于水產(chǎn)養(yǎng)殖具有極其重要的作用,為此設(shè)計(jì)了一套基于北斗衛(wèi)星定位系統(tǒng)的移動式水質(zhì)監(jiān)測系統(tǒng),根據(jù)蝦塘養(yǎng)殖特點(diǎn)有針對性地選取了需要檢測的溶解氧、PH值、溫度、電導(dǎo)率等水質(zhì)參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)在線檢測。通過數(shù)據(jù)采集模塊獲取蝦塘實(shí)時(shí)水質(zhì)參數(shù)信息,再經(jīng)專家系統(tǒng)智能判斷蝦塘水質(zhì)動態(tài),科學(xué)進(jìn)行水質(zhì)管理、飼料投喂以及科學(xué)養(yǎng)殖等。

蝦塘;水質(zhì)監(jiān)測;BDS;專家系統(tǒng)

0 引 言

中國是水產(chǎn)養(yǎng)殖業(yè)大國,近年來隨著農(nóng)業(yè)結(jié)構(gòu)的調(diào)整,我國水產(chǎn)養(yǎng)殖業(yè)正從傳統(tǒng)的人工養(yǎng)殖逐步向工業(yè)化集約化養(yǎng)殖方式轉(zhuǎn)變,水質(zhì)監(jiān)控成為集約化養(yǎng)殖的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。由于集約化水產(chǎn)養(yǎng)殖密度大,當(dāng)出現(xiàn)水質(zhì)問題時(shí),往往已經(jīng)造成了無可挽回的經(jīng)濟(jì)損失,故水質(zhì)因素成為集約化水產(chǎn)養(yǎng)殖中最為關(guān)鍵的一環(huán)。傳統(tǒng)的人工采樣法無法實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)監(jiān)控,不能獲取水質(zhì)動態(tài)數(shù)據(jù),以自動化、智能化和網(wǎng)絡(luò)化為核心內(nèi)容的工業(yè)化養(yǎng)殖成為必然趨勢[1]。近年來,世界各國紛紛加大研究力度,運(yùn)用自動控制技術(shù)、化學(xué)分析技術(shù)、以及計(jì)算機(jī)測控技術(shù)等先進(jìn)手段來發(fā)展水環(huán)境監(jiān)控,旨在建立一個(gè)以水質(zhì)環(huán)境參數(shù)綜合指標(biāo)為基礎(chǔ)的在線監(jiān)控系統(tǒng)。

其中,投餌船導(dǎo)航、定位是至關(guān)重要的一部分,如何及時(shí)有效和實(shí)時(shí)的定位是當(dāng)前船載導(dǎo)航的迫切要求。由于養(yǎng)殖水質(zhì)會發(fā)生極端或者無法預(yù)測的情況,這對傳統(tǒng)的水質(zhì)監(jiān)測提出了更高的要求。北斗導(dǎo)航系統(tǒng)以其特有的短報(bào)文通信功能在船載導(dǎo)航領(lǐng)域有其得天獨(dú)厚的優(yōu)勢,采用以北斗導(dǎo)航系統(tǒng)為核心的船載導(dǎo)航系統(tǒng),同時(shí)增添實(shí)時(shí)顯示、緊急報(bào)警、SD卡存儲等應(yīng)用功能[2]。

本文開發(fā)基于北斗衛(wèi)星定位系統(tǒng)(BDS)的移動式水質(zhì)監(jiān)控裝置,進(jìn)行溶氧、PH值、溫度、電導(dǎo)率和鹽度五個(gè)水質(zhì)參數(shù)以及空氣溫濕度和風(fēng)向、風(fēng)力的實(shí)時(shí)在線檢測,并通過專家系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)水質(zhì)的在線評估并給出改善當(dāng)前水質(zhì)的措施,減少因水質(zhì)問題帶來的損失[3]。

1 系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)是一款基于北斗定位的水質(zhì)監(jiān)測系統(tǒng),結(jié)合了衛(wèi)星導(dǎo)航技術(shù)、地理信息技術(shù)以及GPRS無線通訊技術(shù),實(shí)現(xiàn)了對于水質(zhì)的實(shí)時(shí)監(jiān)測和有效管理,系統(tǒng)終端需要完成的功能如下:

1) 北斗定位:通過衛(wèi)星接收機(jī),接收衛(wèi)星導(dǎo)航信號,獲取船只的位置、速度、時(shí)間等相關(guān)信息;

2) 數(shù)據(jù)處理:一方面,對接收到導(dǎo)航信號進(jìn)行處理,提取出衛(wèi)星的定位信息,按照特定通信協(xié)議對提取出的定位信息進(jìn)行封裝;另一方面,解析來自遠(yuǎn)程監(jiān)控中心發(fā)送的控制命令;

3) 遠(yuǎn)程通信:利用移動數(shù)字網(wǎng)絡(luò)與遠(yuǎn)程監(jiān)控中心進(jìn)行數(shù)據(jù)交換;

4) 船載控制:根據(jù)遠(yuǎn)程監(jiān)控中心發(fā)送的控制命令,完成對船只的控制操作。

系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)包括了終端設(shè)計(jì)和監(jiān)控中心設(shè)計(jì)。系統(tǒng)終端主要由衛(wèi)星接收模塊、控制模塊和通信模塊組成,負(fù)責(zé)接收和處理衛(wèi)星的定位信息,并將定位信息發(fā)送到遠(yuǎn)程服務(wù)器上,同時(shí)接收和響應(yīng)遠(yuǎn)程服務(wù)器發(fā)送的控制命令;監(jiān)控中心由遠(yuǎn)程服務(wù)器、數(shù)據(jù)庫、監(jiān)控客戶端三部分組成,負(fù)責(zé)完成對系統(tǒng)終端數(shù)據(jù)的接收、存儲、顯示,同時(shí)實(shí)現(xiàn)對監(jiān)控終端的遠(yuǎn)程控制。

在每輛監(jiān)控船只上安裝監(jiān)測終端,通過監(jiān)測終端的衛(wèi)星接收機(jī)接收北斗衛(wèi)星信號;控制芯片從接收到的衛(wèi)星信號中解算出經(jīng)緯度、行駛方向、行駛速度等;根據(jù)監(jiān)測終端與監(jiān)控中心的通信協(xié)議將數(shù)據(jù)進(jìn)行封裝;封裝好的數(shù)據(jù)通過模塊被傳送到監(jiān)控中心,遠(yuǎn)程服務(wù)器對數(shù)據(jù)進(jìn)行接收、解析;解析后的定位信息被存儲到監(jiān)控中心的數(shù)據(jù)庫中;監(jiān)控客戶端通過對數(shù)據(jù)庫中數(shù)據(jù)的讀取、顯示,實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的定位功能,當(dāng)用戶向目標(biāo)船只下達(dá)控制命令時(shí),監(jiān)控客戶端向遠(yuǎn)程服務(wù)器發(fā)送數(shù)據(jù)庫操作請求;服務(wù)器獲取客戶端的請求后,將客戶端發(fā)送的命令信息保存到數(shù)據(jù)庫中,同時(shí)更新系統(tǒng)的控制命令標(biāo)志位;遠(yuǎn)程服務(wù)器定時(shí)對控制命令標(biāo)志位的值進(jìn)行檢查,當(dāng)發(fā)現(xiàn)標(biāo)志位發(fā)生改變后,將從數(shù)據(jù)庫中讀取更新的命令信息,并根據(jù)通信協(xié)議將命令信息進(jìn)行封裝后發(fā)送到監(jiān)控終端。

2 系統(tǒng)監(jiān)測點(diǎn)硬件設(shè)計(jì)

監(jiān)測點(diǎn)的設(shè)計(jì)是投餌管控系統(tǒng)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)之一,由數(shù)據(jù)采集模塊、數(shù)據(jù)處理模塊、無線通訊模塊和電源模塊和一些基礎(chǔ)電路組成,如圖2所示。其中,數(shù)據(jù)采集模塊主要由傳感器、A/D轉(zhuǎn)換器及輔助電路(放大、調(diào)理)等組成,它主要負(fù)責(zé)感知、獲取監(jiān)測區(qū)域內(nèi)的信息,并將其轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號。

圖2 監(jiān)測點(diǎn)硬件系統(tǒng)的組成

設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)采集模塊的首要工作就是選擇合適的傳感器,而在選擇傳感器前首先需確定要監(jiān)測的環(huán)境參數(shù),環(huán)境參數(shù)主要由蝦類的生長環(huán)境和生長發(fā)育因素決定,本文選擇較為重要的水溫、PH、溶解氧和鹽度作為監(jiān)測對象,同時(shí)本文還加入對空氣參數(shù)的監(jiān)測,如溫度,風(fēng)向、風(fēng)力等。

數(shù)據(jù)處理模塊主要負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)存儲、電池用量的監(jiān)測、系統(tǒng)任務(wù)的調(diào)度以及執(zhí)行通信協(xié)議等,主要由存儲器和中央處理器組成。

無線通訊模塊由3G和北斗短報(bào)文通訊塊組成,實(shí)現(xiàn)和上位機(jī)平臺的數(shù)據(jù)收發(fā)。3G網(wǎng)絡(luò)具有響應(yīng)時(shí)間短、傳輸速度快和信號在雨、霧等惡劣天氣下衰減等優(yōu)點(diǎn),同時(shí)3G網(wǎng)絡(luò)無需布線覆蓋范圍廣、靈活性強(qiáng),特別適用于大范圍水產(chǎn)養(yǎng)殖的自然環(huán)境中[5],所以本文選擇3G網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)無線通訊?！氨倍范虉?bào)文”是北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的一個(gè)獨(dú)特的功能,是指衛(wèi)星定位終端、北斗衛(wèi)星和北斗地面服務(wù)站之間可以直接進(jìn)行雙向信息傳輸通過衛(wèi)星信號,不依賴于通信網(wǎng)絡(luò)[6],本文選用上海北斗有限公司推出的MN-110模塊實(shí)現(xiàn)定位功能,MN-110模塊是可支持BD2 B1/GPS L1頻點(diǎn)的差分雙模導(dǎo)航定位模塊,內(nèi)置偽距差分算法,支持北斗地基增強(qiáng)服務(wù),支持原始觀測量輸出,為車載、船載和便攜式手持等導(dǎo)航定位終端產(chǎn)品提供了高靈敏度、低功耗、低成本的差分雙模解決方案,可支持休眠工作模式,支持模塊升級等功能。

該模塊主要由核心處理器、編碼器、DSP、調(diào)制解調(diào)器、用戶接口五部分組成,完成發(fā)送和接收兩部分的內(nèi)容。一方面,將需要發(fā)送的北斗一代報(bào)文信息通過串口接收后,編碼后發(fā)送給射頻信號;另一方面,將接收到的北斗短報(bào)文信息,通過數(shù)字信號處理器和調(diào)制解調(diào)器解碼成能識別的短報(bào)文數(shù)據(jù),再通過用戶接口傳輸于用戶終端設(shè)備。

電源模塊采用鉛酸蓄電池蓄電,太陽能電池板發(fā)電的方式來保證可靠供電。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

本文采用數(shù)據(jù)存儲、邏輯處理和數(shù)據(jù)顯示相分離的設(shè)計(jì)模式,將系統(tǒng)分為數(shù)據(jù)存儲層、數(shù)據(jù)訪問層、業(yè)務(wù)邏輯層和表示層四個(gè)層次[7],有利于系統(tǒng)的開發(fā)、維護(hù)、部署和擴(kuò)展,其軟件架構(gòu)設(shè)計(jì)如圖3所示。

在系統(tǒng)軟件架構(gòu)中,表示層主要通過Web瀏覽器將處理過的數(shù)據(jù)以圖標(biāo)的形式展現(xiàn)給用戶,同時(shí)用戶也可以通過上位機(jī)發(fā)布指令遠(yuǎn)程控制外設(shè),達(dá)到對水質(zhì)的調(diào)控作用以及實(shí)現(xiàn)自動投餌等功能;業(yè)務(wù)邏輯層通過對實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)和歷史數(shù)據(jù)等信息進(jìn)行綜合分析和處理,返回用戶請求或者執(zhí)行相應(yīng)控制,同時(shí)還可以實(shí)現(xiàn)水質(zhì)參數(shù)的實(shí)時(shí)顯示、查詢、水質(zhì)優(yōu)化等功能[8];數(shù)據(jù)訪問層采用ODBC等方式訪問水產(chǎn)養(yǎng)殖和氣象等數(shù)據(jù)庫,是業(yè)務(wù)邏輯層與數(shù)據(jù)存儲層的橋梁;數(shù)據(jù)存儲層主要用于存儲實(shí)時(shí)采集的水產(chǎn)養(yǎng)殖生態(tài)環(huán)境數(shù)據(jù)等,是整個(gè)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。領(lǐng)域?qū)＜铱赏ㄟ^系統(tǒng)維護(hù)界面,完成對知識庫的知識增加、刪除、修改等工作,實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)知識的獲取與更新。

為便于用戶觀察、使用,監(jiān)測系統(tǒng)上傳的數(shù)據(jù)需要通過終端界面顯示出來。終端監(jiān)控軟件的設(shè)計(jì)是對整個(gè)系統(tǒng)的工作結(jié)果的后處理,軟件的設(shè)計(jì)需兼顧易操作、界面友好、數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)顯示、數(shù)據(jù)查詢以及數(shù)據(jù)自動處理等功能。系統(tǒng)軟件總體功能模塊如圖4所示。

圖3 系統(tǒng)軟件架構(gòu)圖

圖4 系統(tǒng)功能結(jié)構(gòu)框圖

主要功能模塊描述如下:

1) 數(shù)據(jù)顯示: 用戶可直接觀察到當(dāng)前的水質(zhì)參數(shù);

2) 數(shù)據(jù)管理: 直接訪問數(shù)據(jù)庫查看歷史數(shù)據(jù),并有數(shù)據(jù)查詢功能;

3) 數(shù)據(jù)處理: 根據(jù)用戶需要用坐標(biāo)圖顯示一段時(shí)間內(nèi)水質(zhì)的變化情況,并計(jì)算出這段時(shí)間內(nèi)的最值和平均值;

4) 報(bào)警設(shè)置: 設(shè)定了水質(zhì)參數(shù)的上下限,當(dāng)監(jiān)測到的數(shù)據(jù)達(dá)到上下限時(shí)系統(tǒng)會及時(shí)警告用戶并存儲事件;

5) 用戶管理:修改用戶信息以及添加用戶;

6) 語言設(shè)置: 系統(tǒng)使用雙語言,用戶可按照需要在中文和英文間切換。

4 系統(tǒng)功能實(shí)現(xiàn)

4.1 系統(tǒng)功能要求

蝦塘智能投餌及管控系統(tǒng)上位機(jī)軟件平臺的主要目的是允許養(yǎng)殖戶通過管控平臺隨時(shí)隨地、實(shí)時(shí)可靠地獲取當(dāng)前的水質(zhì)狀態(tài)以及實(shí)現(xiàn)自動巡航的功能。該應(yīng)用通過實(shí)現(xiàn)水質(zhì)數(shù)據(jù)上傳、顯示和數(shù)據(jù)輸出,實(shí)現(xiàn)了巡航路線輸入功能。

遠(yuǎn)程服務(wù)器需要完成如下功能:

1) 數(shù)據(jù)存儲:將接收到的定位信息和控制命令存儲到數(shù)據(jù)庫中;

2) 數(shù)據(jù)庫管理:執(zhí)行對數(shù)據(jù)庫中數(shù)據(jù)的插入、刪除、查詢、更新等操作;

3) 數(shù)據(jù)處理:對接收到的定位信息進(jìn)行數(shù)據(jù)的解析和提取;

4) 數(shù)據(jù)通信:接收和發(fā)送系統(tǒng)終端和監(jiān)控中心之間的通信數(shù)據(jù)。

監(jiān)控客戶端的功能需求:

1) 地圖顯示:能夠在客戶端載入電子地圖,實(shí)現(xiàn)地圖縮放、漫游等基本功能;

2) 實(shí)時(shí)監(jiān)控:在電子地圖上實(shí)時(shí)顯示船只行駛狀態(tài),如位置、速度、方向等;能夠控制船只的行駛方向及速度等;

3) 數(shù)據(jù)管理:能夠有效對投餌信息、水質(zhì)信息等進(jìn)行管理;

4) 報(bào)警提醒:當(dāng)水質(zhì)出現(xiàn)超出上下限或者變化異常等危險(xiǎn)狀況時(shí),客戶端會在地圖上向監(jiān)控人員進(jìn)行報(bào)警提醒;

5) 遠(yuǎn)程控制:客戶端可以向監(jiān)控船只下達(dá)控制命令,完成對目標(biāo)船只的控制操作。

4.2 系統(tǒng)運(yùn)行與分析

蝦塘投餌管控平臺界面包括進(jìn)入系統(tǒng)和系統(tǒng)配置兩個(gè)功能,其中系統(tǒng)配置主要用作相關(guān)用戶查看系統(tǒng)相關(guān)配置以作學(xué)習(xí)研究,而點(diǎn)擊進(jìn)入系統(tǒng)后則是本系統(tǒng)的核心部分。其界面如圖5(a)所示,其中菜單欄第一項(xiàng)的功能是數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)查看,可查看投餌船的實(shí)時(shí)位置、實(shí)時(shí)上傳的水質(zhì)數(shù)據(jù)。菜單欄第二項(xiàng)為數(shù)據(jù)查詢統(tǒng)計(jì),可根據(jù)時(shí)間段查詢水質(zhì)數(shù)據(jù),并生成統(tǒng)計(jì)圖表如圖5(b)所示。

圖5 數(shù)據(jù)展示功能 (a) 實(shí)時(shí)查看界面; (b)查詢統(tǒng)計(jì)界面;(c)路徑規(guī)劃功能

菜單欄最后一項(xiàng)為系統(tǒng)的路徑規(guī)劃功能界面,用戶可在地圖控件上標(biāo)選路徑點(diǎn),發(fā)送給投餌船作為行進(jìn)路線,如圖6所示。

經(jīng)測試,系統(tǒng)運(yùn)行情況已滿足設(shè)計(jì)的功能要求并能穩(wěn)定運(yùn)行。

5 結(jié)束語

本文設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了基于北斗精確定位的移動投餌管控系統(tǒng),整個(gè)系統(tǒng)分為用戶終端,地面增強(qiáng)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)以及無線通信系統(tǒng)、系統(tǒng)后臺幾個(gè)部分。系統(tǒng)對數(shù)據(jù)的接收、發(fā)送、處理、管理、存儲和顯示等功能,整個(gè)系統(tǒng)能夠有效地進(jìn)行一定精度的定位。用戶可通過管控平臺隨時(shí)隨地、實(shí)時(shí)可靠地獲取當(dāng)前的水質(zhì)狀態(tài)以及實(shí)現(xiàn)自動巡航的功能,貼合養(yǎng)殖用戶的實(shí)際使用情況,實(shí)現(xiàn)科學(xué)管理。

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Design of Management and Control System of Feeding in Shrimp Farming Based on BDS

ZHANG Lizhen1，YANG Jiaqing1,SHAO Qi1,YANG Mengmeng1, HU Qingsong1,ZHANG Le2

(1.CollegeofEngineeringScience&Technology,ShanghaiOceanUniversity，Shanghai201306,China;2.ShanghaiBeidouSkyTechnologyCo.Ltd,Shanghai201306,China)

Real-time monitoring for long time has an important role on aquaculture water quality, shrimp farming is developed based on the BDS of mobile intelligent feeding system in this paper, According to the characteristics of shrimp farming,we select dissolved oxygen, PH, temperature, electrical conductivity for real-time online detection of water quality parameters. Through the data acquisition part of the water quality parameters of HaTang real-time information, then through the control parameters in the process of expert system of intelligent judgment bait casting, achieve precise and effective feeding.

Shrimp farming; water monitoring; BDS; expert system

10.13442/j.gnss.1008-9268.2017.02.019

2016-10-10

上海市科技創(chuàng)新行動計(jì)劃(編號:14111103900); 上海市蝦類產(chǎn)業(yè)技術(shù)體系建設(shè)(滬農(nóng)科產(chǎn)字(2014)第5號)

P228.4

A

1008-9268(2017)02-0083-05

張麗珍 (1967-),女,博士,教授,主要從事CAD/CAM、海洋裝備和漁業(yè)機(jī)械方面的教學(xué)和科研工作。

楊加慶 (1992-),女,碩士生,研究方向?yàn)槲r塘投餌管控平臺的設(shè)計(jì)。

邵祺 (1992-)，男,碩士生,研究方向?yàn)槿藱C(jī)方向。

楊朦朦 (1989-),男,碩士生,主要從事投餌裝備的研究設(shè)計(jì)。

胡慶松 (1979-),男,博士,教授,主要研究方向?yàn)楹Ｑ蠊こ萄b備、魚類結(jié)構(gòu)功能仿生。

聯(lián)系人： 楊加慶E-mail:956704910@qq.com