基于窄帶物聯(lián)網(wǎng)的養(yǎng)殖塘水質(zhì)監(jiān)測系統(tǒng)研制

宦 娟，吳 帆，曹偉建，李 慧，劉星橋

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基于窄帶物聯(lián)網(wǎng)的養(yǎng)殖塘水質(zhì)監(jiān)測系統(tǒng)研制

宦 娟1,2，吳 帆1，曹偉建1，李 慧1，劉星橋2

（1. 常州大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院，常州 213164； 2. 江蘇大學(xué)電氣信息工程學(xué)院，鎮(zhèn)江 212013）

為了促進(jìn)水產(chǎn)養(yǎng)殖信息化的發(fā)展，更加準(zhǔn)確、便捷地對水產(chǎn)養(yǎng)殖塘進(jìn)行監(jiān)測，該文研發(fā)了一種基于窄帶物聯(lián)網(wǎng)（narrow band Internet of Things，NB-IoT）技術(shù)的養(yǎng)殖塘水質(zhì)監(jiān)測系統(tǒng)，實現(xiàn)了對多傳感器節(jié)點信息（溫度、pH值、溶解氧等環(huán)境參數(shù)）的遠(yuǎn)程采集和數(shù)據(jù)存儲功能，以及對養(yǎng)殖塘的智能控制和集中管理。系統(tǒng)利用STM32L151C8單片機和傳感器終端實時采集溫度、pH值、溶解氧等水質(zhì)信息，通過NB-IoT技術(shù)實現(xiàn)數(shù)據(jù)匯總和遠(yuǎn)距離傳輸至IoT電信云平臺，Keil工具實現(xiàn)NB無線通信模組數(shù)據(jù)格式的設(shè)計以及數(shù)據(jù)的發(fā)送，Java用于開發(fā)訪問云平臺、控制底層設(shè)備和本地數(shù)據(jù)處理的后臺監(jiān)測應(yīng)用，其既能夠發(fā)送HTTP請求對云平臺數(shù)據(jù)進(jìn)行監(jiān)測，也可以向底層控制模塊下發(fā)命令，控制增氧機等設(shè)備的啟動和關(guān)閉。試驗結(jié)果表明：該系統(tǒng)可實時獲取溫度、pH值、溶解氧等水質(zhì)參數(shù)信息，溫度控制精度保持在±0.12 ℃，平均相對誤差為0.15%，溶解氧控制精度保持在±0.55 mg/L以內(nèi)，平均相對誤差為2.48%，pH值控制精度保持在±0.09，平均相對誤差為0.21%。系統(tǒng)整體運行穩(wěn)定，數(shù)據(jù)傳輸實時、準(zhǔn)確，能夠滿足實際生產(chǎn)需要，為進(jìn)一步水質(zhì)調(diào)節(jié)和水產(chǎn)養(yǎng)殖生產(chǎn)管理提供了有力的數(shù)據(jù)和技術(shù)支持。

水產(chǎn)養(yǎng)殖；水質(zhì)；監(jiān)測；物聯(lián)網(wǎng)；NB-IoT

0 引 言

近年來，中國水產(chǎn)養(yǎng)殖業(yè)快速發(fā)展，水產(chǎn)養(yǎng)殖產(chǎn)量已占到世界養(yǎng)殖總產(chǎn)量的70%以上[ -2]。養(yǎng)殖水體的水質(zhì)環(huán)境是水生動物賴以生存的根本，影響水質(zhì)的溫度、pH值、溶解氧等水體因子更是水產(chǎn)養(yǎng)殖的關(guān)鍵因素[3-4]。所以水質(zhì)的實時監(jiān)測對水產(chǎn)養(yǎng)殖高效高產(chǎn)、健康安全具有重要的現(xiàn)實意義。

研究人員紛紛開展了針對水產(chǎn)養(yǎng)殖環(huán)境監(jiān)測的相關(guān)研究。Wang等[5]設(shè)計了海洋遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)。Nam等[6]結(jié)合ZigBee和碼分多址（code division multiple access，CDMA）技術(shù)，在水產(chǎn)養(yǎng)殖場部署無線傳感網(wǎng)[7]（WSN，wireless sensor networks），監(jiān)測近海游魚物種的環(huán)境信息。Chen等[8]結(jié)合ZigBee和WiFi，建立漁場環(huán)境 WSN自動監(jiān)測系統(tǒng)。Parra等[9]結(jié)合WSN和GPRS，遠(yuǎn)程監(jiān)控魚類養(yǎng)殖基地的水質(zhì)參數(shù)和飼料消耗等。以上水產(chǎn)養(yǎng)殖監(jiān)測系統(tǒng)各具特點，但隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)發(fā)展，近年來涌現(xiàn)了面向設(shè)備接入的低功耗廣域網(wǎng)。典型如窄帶物聯(lián)網(wǎng)（narrow band Internet of Things，NB-IoT），其單跳距離可達(dá)上千米，在節(jié)點通信范圍、節(jié)點部署個數(shù)、環(huán)境適用性上更適于園區(qū)、養(yǎng)殖塘等地。為了有效解決當(dāng)前水產(chǎn)養(yǎng)殖地域網(wǎng)絡(luò)覆蓋不足、終端功耗過高、無法滿足海量終端要求、綜合成本高等問題，本文選取NB-IoT技術(shù)應(yīng)用于養(yǎng)殖塘監(jiān)測，它是建立于蜂窩網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)之上。直接接入蜂窩網(wǎng)絡(luò)可以很大程度上簡化網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，減少部署和維護(hù)的難度，同時做到了低成本、低功耗、廣覆蓋、大連接，非常適合水產(chǎn)養(yǎng)殖業(yè)這一類低頻、小數(shù)據(jù)包、通信時延不敏感的物聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)。通過NB-IoT與傳感器的連接，將低成本、低功耗的移動終端分布各養(yǎng)殖基地，為水產(chǎn)養(yǎng)殖生產(chǎn)和物聯(lián)網(wǎng)研究提供保障。

綜合該技術(shù)在應(yīng)用到水產(chǎn)養(yǎng)殖業(yè)的優(yōu)勢以及當(dāng)前發(fā)展的趨勢，本文設(shè)計實現(xiàn)了基于NB-IoT技術(shù)的養(yǎng)殖塘水質(zhì)監(jiān)測系統(tǒng)，應(yīng)用STM32L151C8芯片與傳感器技術(shù)，采集水產(chǎn)環(huán)境信息，通過NB模組實現(xiàn)無網(wǎng)關(guān)化數(shù)據(jù)上報。云平臺接收到數(shù)據(jù)或下發(fā)的命令后即時保存，隨時準(zhǔn)備解析發(fā)送協(xié)議包。一方面，該系統(tǒng)可以實時監(jiān)測水產(chǎn)養(yǎng)殖環(huán)境，并將相關(guān)數(shù)據(jù)通過IoT平臺發(fā)送至PC機和遠(yuǎn)程客戶端。另一方面，可以通過下發(fā)命令控制底層模塊的工作，協(xié)調(diào)各傳感器節(jié)點并配置有可信模塊，周期性檢測各節(jié)點可信性，從而保證傳感節(jié)點的完整和安全。研究結(jié)果為進(jìn)一步水質(zhì)調(diào)節(jié)和水產(chǎn)養(yǎng)殖生產(chǎn)管理提供參考。

1 系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)

本文設(shè)計的養(yǎng)殖塘水質(zhì)監(jiān)測系統(tǒng)具備數(shù)據(jù)采集、遠(yuǎn)程傳輸、存儲管理、遠(yuǎn)程監(jiān)測和智能控制等功能，實現(xiàn)了對水產(chǎn)養(yǎng)殖環(huán)境水質(zhì)參數(shù)的分布式監(jiān)控和集中管理[10-18]。該系統(tǒng)由感知層，傳輸層，平臺層和應(yīng)用層等四層結(jié)構(gòu)組成。系統(tǒng)架構(gòu)圖如圖1所示。

圖1 養(yǎng)殖塘水質(zhì)監(jiān)測系統(tǒng)架構(gòu)圖

第一層為感知層，不同養(yǎng)殖塘分別部署，主要包括電源模塊、傳感器模塊（溫度傳感器、pH復(fù)合電極、溶解氧傳感器等），單片機（microcontroller unit，MCU）和NB模組。負(fù)責(zé)養(yǎng)殖塘數(shù)據(jù)采集和增氧機開閉控制，溫度傳感器、pH復(fù)合電極、溶解氧傳感器分別采集溫度、pH值、溶解氧數(shù)據(jù)，通過NB通信模塊將物理實體連接到傳輸層。第二層為傳輸層，主要包含核心網(wǎng)和通信基站，感知層采集到養(yǎng)殖塘數(shù)據(jù)之后將通過傳輸層的核心網(wǎng)絡(luò)發(fā)送到附近的通信基站，為NB-IoT終端建立用戶面承載，傳遞上下行業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)[19]。第三層為平臺層，負(fù)責(zé)匯聚接入網(wǎng)得到的IoT相關(guān)數(shù)據(jù)，并根據(jù)不同感知數(shù)據(jù)類型轉(zhuǎn)發(fā)給監(jiān)測應(yīng)用系統(tǒng)進(jìn)行具體處理，同時向系統(tǒng)開放接口方便獲取數(shù)據(jù)。第四層為應(yīng)用層，在平臺基礎(chǔ)上，將養(yǎng)殖塘監(jiān)測系統(tǒng)部署于IoT電信云平臺，既能調(diào)用查詢接口對平臺數(shù)據(jù)進(jìn)行監(jiān)測，完成數(shù)據(jù)的預(yù)處理、存儲；也可以向底層控制模塊下發(fā)命令，控制增氧機等設(shè)備的開閉。

各層次分工明確，主要實現(xiàn)兩大功能：由感知層到應(yīng)用層的數(shù)據(jù)上報實現(xiàn)了對數(shù)據(jù)的遠(yuǎn)程監(jiān)測，應(yīng)用層到感知層的命令下發(fā)實現(xiàn)了對設(shè)備的智能控制。系統(tǒng)流程圖如圖2所示。

1.1 數(shù)據(jù)上報

溫度等傳感器設(shè)備采集養(yǎng)殖塘相關(guān)數(shù)據(jù)，并按數(shù)據(jù)幀格式進(jìn)行編碼，通過MCU串口，以AT命令的形式，發(fā)送已編碼數(shù)據(jù)到NB-IoT模組。NB-IoT芯片接收到AT命令后，將payload自動封裝為CoAP協(xié)議的消息，并發(fā)送給事先配置的IoT電信云平臺；平臺收到數(shù)據(jù)后，自動解析CoAP協(xié)議包，根據(jù)設(shè)備Profile文件，找到匹配的編解碼插件，對payload進(jìn)行解析，解析為與設(shè)備Profile中描述的service匹配的json數(shù)據(jù)，并存于平臺之上；養(yǎng)殖監(jiān)測系統(tǒng)通過查詢接口獲取平臺上的數(shù)據(jù)，對數(shù)據(jù)變化進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)測，平臺每個監(jiān)測周期都會通過POST消息，發(fā)送數(shù)據(jù)到指定的服務(wù)器。

圖2 感知層對接云平臺流程圖

1.2 命令下發(fā)

監(jiān)測系統(tǒng)可以下發(fā)控制增氧機開閉的命令到平臺，如平臺判斷設(shè)備在線，則立即下發(fā)命令；若平臺判斷設(shè)備離線，則命令緩存于平臺的數(shù)據(jù)庫中。NB設(shè)備在某時刻上報數(shù)據(jù)，平臺收到數(shù)據(jù)后，將檢索對應(yīng)設(shè)備在數(shù)據(jù)庫中是否存在有效未下發(fā)的命令，如有，則下發(fā)該命令。下發(fā)的命令通過編解碼插件進(jìn)行編碼（json到16進(jìn)制碼流）發(fā)送到設(shè)備端。設(shè)備收到命令，執(zhí)行增氧機控制命令，返回結(jié)果。

2 系統(tǒng)設(shè)計

2.1 感知層設(shè)計

感知層的設(shè)計主要分為5個部分：主控板設(shè)計、通信模塊電路設(shè)計、數(shù)據(jù)幀格式設(shè)計、電源模塊設(shè)計以及嵌入式開發(fā)。其中NB-IoT主控板和通信模塊電路設(shè)計為感知層設(shè)計的核心。主控板負(fù)責(zé)養(yǎng)殖塘數(shù)據(jù)的采集，通信模塊負(fù)責(zé)與NB-IoT 基站的數(shù)據(jù)交互。

2.1.1 主控板設(shè)計

主控板設(shè)計框圖如圖3所示。使用溫度傳感器DHT12、pH復(fù)合電極E-201-C、數(shù)字型溶解氧傳感器DOS-600分別獲取養(yǎng)殖塘內(nèi)的溫度、pH值以及溶解氧。單片機處理器（MCU）是整個主控板的核心，負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)采集、處理、分析以及與通信模塊通信連接，選用STM32L151C8為主控芯片，其內(nèi)核為基于超低功耗的ARM Cortex-M4 CPU，能夠最大程度減少功率損耗。并具有定時器、DMA、UART、RST、ADC、GPIO等模塊，能夠滿足NB-IoT硬件設(shè)計功能需求[20-25]。芯片主要用于完成溫度、溶解氧、pH值信號的采集和處理，并將處理好的數(shù)據(jù)存儲到內(nèi)部的存儲模塊，MCU通過BC95-B5模塊發(fā)送到指定對象，使用內(nèi)部定時器控制，每隔30 min發(fā)送一次。系統(tǒng)工作參數(shù)的設(shè)定可通過AT指令來完成。如AT+NMSTATUS判斷當(dāng)前模塊與平臺之間的連接關(guān)系，AT+NMGS發(fā)送根據(jù)通訊幀協(xié)議設(shè)計的二進(jìn)制編碼可以獲取相應(yīng)的養(yǎng)殖塘監(jiān)測數(shù)據(jù)等。

圖3 主控板設(shè)計框圖

MCU發(fā)送數(shù)據(jù)給NB-IoT后，NB-IoT創(chuàng)建和基站之間的傳輸信道，上行發(fā)送。也能夠監(jiān)聽命令，當(dāng)收到來自基站的命令請求信號時，可以及時對命令作出響應(yīng)。

采集終端包括傳感器模塊、單片機處理器、NB-IoT通信模塊。系統(tǒng)使用內(nèi)部定時器定時對溫度、溶解氧、pH值信號進(jìn)行采集，并將處理好的數(shù)據(jù)遵循數(shù)據(jù)幀設(shè)計格式進(jìn)行編碼，然后存儲到內(nèi)部存儲器中。溶解氧傳感器和pH復(fù)合電極（pH傳感器）采集到模擬信號需要經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換成單片機可以處理的數(shù)字信號，通過串口以AT+NMGS命令的形式發(fā)送至NB-IoT模組。模組接收到AT命令后，將payload自動封裝為CoAP協(xié)議的消息，經(jīng)由基站發(fā)送給IoT電信云平臺。系統(tǒng)采用電池供電，供電電壓為3.3 V。

2.1.2 通信模塊電路設(shè)計

NB模組負(fù)責(zé)對養(yǎng)殖塘水質(zhì)數(shù)據(jù)進(jìn)行接收和轉(zhuǎn)發(fā)。對MCU進(jìn)行編程實現(xiàn)對NB-IoT芯片的控制，將監(jiān)測到的數(shù)據(jù)編碼后通過該模塊發(fā)送出去，判斷SIM卡信息讀取是否完全，匹配相對應(yīng)狀態(tài)。

本設(shè)計采用移遠(yuǎn)BC95-B5無線通信模塊上報水質(zhì)監(jiān)測數(shù)據(jù)和接收增氧機控制命令。BC95-B5是一款基于NB-IoT技術(shù)的無線通信模塊，采用NB-IoT無線通信協(xié)議（3GPP Rel.13）與網(wǎng)絡(luò)運營商的設(shè)備建立連接，主要工作在850 MHz的授權(quán)頻段。尺寸小可節(jié)約布板面積，最低深度休眠電流可達(dá)5A，節(jié)省功耗。物聯(lián)網(wǎng)SIM卡是由中國電信提供的4G NB-IoT卡，卡上存儲了用戶信息、加密密鑰以及用時信息等內(nèi)容，滿足了智能硬件和智能農(nóng)業(yè)對設(shè)備聯(lián)網(wǎng)的管理需求。

通信模塊電路原理圖如圖4所示，通信模塊BC95作為射頻模組，與專用NB-IoT物聯(lián)網(wǎng)卡進(jìn)行數(shù)據(jù)交互，最后經(jīng)由射頻天線將養(yǎng)殖塘水質(zhì)數(shù)據(jù)直接發(fā)送到NB-IoT基站。為確保有更好的電源供電性能，在靠近BC95的電源輸入端并聯(lián)有1個低ESR的100F鉭電容，和0.1F、100 pF、22 pF的濾波電容；在射頻天線的電路設(shè)計中，對于PCB走線使用專業(yè)阻抗模擬計算工具對射頻信號線進(jìn)行50 Ω的阻抗控制，并且預(yù)留有p型匹配電路，能 夠更加方便地調(diào)節(jié)射頻性能，確保了射頻信號良好以及可靠。

結(jié)合上述各類傳感器和BC95射頻芯片，共同構(gòu)成終端傳感器節(jié)點。終端節(jié)點實物如圖5所示。

2.1.3 數(shù)據(jù)幀格式設(shè)計

為提高正確性，方便軟硬件模塊對數(shù)據(jù)解析處理，采用幀結(jié)構(gòu)來降低數(shù)據(jù)包在傳輸過程中出錯的概率。根據(jù)應(yīng)用架構(gòu)可知，在通信中采用IP地址+IMSI號的方法分辨設(shè)備終端，設(shè)備終端存在唯一的IP地址和IMSI號，傳輸?shù)臄?shù)據(jù)包中加入這兩個因子，來保證數(shù)據(jù)包的發(fā)送和及時響應(yīng)。幀格式內(nèi)容共包括4部分，分別是：幀頭、幀長度、控制字和數(shù)據(jù)。

幀頭部分占2 Byte，作為每一幀數(shù)據(jù)的起始字符，本文約定固定的幀頭內(nèi)容為0x7E 0x7E；幀長度部分占2 Byte，表示該幀的數(shù)據(jù)長度，只包含控制字部分和數(shù)據(jù)部分長度；控制字部分占1 Byte，共分為4部分，分別是操作類型，數(shù)據(jù)類型，數(shù)據(jù)項和預(yù)留位；數(shù)據(jù)部分占用字節(jié)數(shù)不固定，依據(jù)數(shù)據(jù)傳輸時實際長度而定，該部分存儲真正發(fā)送的數(shù)據(jù)內(nèi)容。

其中，控制字部分占用1 Byte，共包含8 Bit，其中Bit7和Bit6數(shù)據(jù)類型值為00則表示上報數(shù)據(jù)，01表示命令下發(fā)；Bit5和Bit4所傳輸?shù)氖桥c溫度模塊相關(guān)的數(shù)據(jù)或命令數(shù)據(jù)；Bit3和Bit2所傳輸?shù)氖桥cpH值模塊相關(guān)的數(shù)據(jù)或命令；Bit1和Bit0所傳輸?shù)氖桥c溶解氧模塊相關(guān)的數(shù)據(jù)或命令。當(dāng)操作類型為00時，表示上傳相應(yīng)的溫度測量值、pH測量值和溶解氧測量值，其余值均為保留；當(dāng)操作類型為01時，數(shù)據(jù)項值00表示開啟測量，01 表示關(guān)閉測量，10表示獲取測量值，其余值均為保留；當(dāng)操作類型為命令響應(yīng)時，數(shù)據(jù)項值均做保留處理。

2.1.4 電源模塊設(shè)計

電源模塊負(fù)責(zé)整個主控板的用電供應(yīng)，MCU的供電電壓為3.3 V，NB模組的供電電壓為3.8 V。所以需要將輸入的5 V電壓穩(wěn)定至3.3和3.8 V。

圖4 通信模塊原理圖

圖5 終端硬件實物圖

其中，5 V穩(wěn)定至3.3 V，采用的是AMS1117-3.3降壓型穩(wěn)定器，AMS1117是線型穩(wěn)定器，輸出的最大電流為0.8 A，5 V穩(wěn)壓至3.8 V，采用的是MIC29302WU降壓型穩(wěn)壓器。MIC29302WU是線型穩(wěn)壓器，輸出的最大電流為3 A[26-29]。

2.1.5 嵌入式開發(fā)

感知層設(shè)計的最終目的就是為了完成數(shù)據(jù)的上報，數(shù)據(jù)上報是物聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)中最基礎(chǔ)的一項。

本文采用了Keil集成開發(fā)環(huán)境對STM32單片機進(jìn)行編程，并通過SEGGER J-Link仿真器和單片機相連接。編譯之后下載并仿真，將程序燒寫至MCU上，完成開發(fā)。具體實現(xiàn)的功能有獲取數(shù)據(jù)、信號轉(zhuǎn)換、發(fā)送數(shù)據(jù)和接收命令等方面，部分代碼如下所示：

1）uint8_t DHT12_Read_Data(uint8_t *temp)//獲取溫度值

2）uint8_t PH_Read_Data(uint8_t *pH) //獲取pH值

3）PH_value = -0.005816* PH_Read_Data +19.2654; //pH值A(chǔ)DC轉(zhuǎn)換

4）uint8_t DO_Read_Data(uint8_t *do) //獲取溶解氧值

5）DO_value = (unsigned int)((float)DO_Read_Data/ 228/100); //溶解氧值A(chǔ)DC轉(zhuǎn)換

6）Void BC95_SendCOAPdata(uint8_t *len,uint8_t *data)//發(fā)送CoAP數(shù)據(jù)

7）Void BC95_RECCOAPData(void) //接收平臺層下發(fā)的命令

2.2 傳輸層設(shè)計

養(yǎng)殖塘監(jiān)測數(shù)據(jù)被NB模組發(fā)送后經(jīng)由傳輸層的核心網(wǎng)絡(luò)發(fā)送到附近的通信基站。傳輸層包含核心網(wǎng)和通信基站，核心網(wǎng)主要承擔(dān)與非接入層交互的功能，將溫度等監(jiān)測到的水質(zhì)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)到IoT平臺進(jìn)行處理。

通信基站由運營商搭建，NB-IoT無線接入網(wǎng)由一個或多個基站（eNB）組成，負(fù)責(zé)無線資源的管理，包括無線承載控制、無線接入控制、連接移動性控制，以及上下行資源動態(tài)分配調(diào)度和用戶數(shù)據(jù)流的加密、IP報頭壓縮等功能。

圖6所示NB-IoT無線投入網(wǎng)由多個基站（eNB）組成，eNB基站通過Uu接口（空中接口）與NB-IoT終端（UE）通信，是UE用戶面和控制面的協(xié)議終止點。eNB基站通過接口連接到NB模組，接口上傳輸?shù)氖丘B(yǎng)殖塘監(jiān)測數(shù)據(jù)。2個eNB基站之間的接口，可以使UE在進(jìn)入空閑狀態(tài)后快速啟動恢復(fù)進(jìn)程。

圖6 NB-IoT網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋱D

2.3 平臺層設(shè)計

IoT平臺綁定NB模組后存儲溫度、pH值、溶解氧等傳感器設(shè)備發(fā)送的數(shù)據(jù)，可以創(chuàng)建部署養(yǎng)殖監(jiān)測系統(tǒng)應(yīng)用，編寫Profile文件和編解碼插件，實現(xiàn)對NB-IoT設(shè)備的統(tǒng)一管理。同時向部署的監(jiān)測應(yīng)用系統(tǒng)開放接口以便讓其對平臺數(shù)據(jù)進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)測。

若平臺接收到的是上報的數(shù)據(jù)，依據(jù)編解碼插件解碼成匹配的json數(shù)據(jù)并存儲，以便養(yǎng)殖監(jiān)測系統(tǒng)遠(yuǎn)程監(jiān)測；若平臺接收到的是養(yǎng)殖監(jiān)測系統(tǒng)下發(fā)的命令，則通過編解碼插件編碼成16進(jìn)制碼流發(fā)送到設(shè)備端，實現(xiàn)對設(shè)備的智能控制。平臺層設(shè)計流程圖如圖7所示。

圖7 IoT平臺設(shè)計流程圖

本文運用IoT平臺提供的SP Portal前臺界面，實現(xiàn)了養(yǎng)殖塘監(jiān)測的基本應(yīng)用管理、設(shè)備管理、數(shù)據(jù)查看和命令查看等功能。登錄SP Portal（賬戶名、密碼會隨著平臺資源一同下發(fā)）創(chuàng)建一個“應(yīng)用”。“應(yīng)用”即為監(jiān)測系統(tǒng)在平臺的一個映射。應(yīng)用創(chuàng)建完成后，平臺會返回appid和secret。這2個值用于養(yǎng)殖監(jiān)測系統(tǒng)和NB設(shè)備的唯一綁定。

2.3.1 Profile設(shè)計

為了確保不同養(yǎng)殖塘監(jiān)測到的數(shù)據(jù)唯一性，并能準(zhǔn)確將溫度等數(shù)據(jù)保存至云平臺。需要建立不同感知節(jié)點與云平臺的映射關(guān)系。所以本文設(shè)計了映射文件Profile。

文件內(nèi)容主要包括2部分，一部分是設(shè)備屬性信息（Device Capability），如manufacturerId（廠商ID）、manufacturerName（廠商名字）、deviceType（設(shè)備類型）、model（設(shè)備型號）、protocolType（協(xié)議類型）等，確保綁定NB模組的一一對應(yīng)；另一部分是設(shè)備服務(wù)信息（Service），這一部分定義了養(yǎng)殖塘的數(shù)據(jù)字段，包括溫度（temp）、pH值（pH）、溶解氧（do）等需要設(shè)備上報的上行數(shù)據(jù)和服務(wù)器下發(fā)給設(shè)備的下行數(shù)據(jù)。部分業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)json代碼如下：

"propertyName":,//溫度

"dataType":,"required": true,"min":,"max":, "step": 1.0, "maxLength": 0, "method":,"unit":, "enumList":,

"propertyName":,//pH值

"dataType":,"required": true,"min":,"max":, "step": 1.0,"maxLength": 0,"method":,"unit":, "enumList":,

"propertyName":,//溶解氧

"dataType":,"required": true,"min":,"max":, "step": 1.0,"maxLength": 0,"method":,"unit":, "enumList":

以溫度代碼為例，propertyName為temp表示接入設(shè)備為溫度傳感器，dataType為int表示數(shù)據(jù)類型為整型，required為true表示為必填項，min和max規(guī)定了屬性的范圍是0～100，step表示步長等于1.0，method代表該屬性的訪問模式，RE說明可讀取，更改后可上報保存等。

只有上傳了設(shè)備Profile文件，才能正確的綁定設(shè)備，接收數(shù)據(jù)和發(fā)送命令。

2.3.2 編解碼插件設(shè)計

養(yǎng)殖塘監(jiān)測到的數(shù)據(jù)經(jīng)由NB模組通過傳輸層上報至平臺之后，需要對數(shù)據(jù)進(jìn)行解碼。同樣的，平臺接收到系統(tǒng)下發(fā)的控制增氧機的命令后也需要對命令進(jìn)行編碼。所以在平臺上設(shè)計了一個編解碼插件用來實現(xiàn)對數(shù)據(jù)的編碼和對命令的解碼。

由于設(shè)備對省電要求通常較高，所以應(yīng)用層數(shù)據(jù)一般采用十六進(jìn)制格式。應(yīng)用層數(shù)據(jù)在IoT平臺做協(xié)議解析時，會轉(zhuǎn)換成統(tǒng)一的json格式，以方便養(yǎng)殖塘監(jiān)測系統(tǒng)的使用。要實現(xiàn)十六進(jìn)制消息與json格式消息的轉(zhuǎn)換功能，IoT平臺需要使用設(shè)備廠商提供編解碼插件。一個NB模組對應(yīng)一個編解碼插件。

編解碼插件要實現(xiàn)解碼與編碼，主要針對encode和decode 2個接口的具體實現(xiàn)進(jìn)行代碼開發(fā)，它承擔(dān)了4個任務(wù)：對上報的數(shù)據(jù)進(jìn)行解碼；對上報的命令響應(yīng)進(jìn)行解碼；對下發(fā)的命令進(jìn)行編碼；對下發(fā)的數(shù)據(jù)響應(yīng)進(jìn)行編碼。

實質(zhì)上是一個實現(xiàn)IProtocolAdapter接口的jar包，需要完成4個接口函數(shù)的修改。

1）String getManufacturerId() //返回設(shè)備廠商ID字符串

2）String getModel () //返回設(shè)備型號字符串

3）ObjectNode decode (final byte[] binaryData) throws Exception //將設(shè)備上報的溫度、pH值、溶解氧等二進(jìn)制數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為json格式數(shù)據(jù)

4）byte[] encode (final ObjectNode input) throws Exception //將應(yīng)用層下發(fā)的命令轉(zhuǎn)換為設(shè)備可識別的二進(jìn)制數(shù)據(jù)

接口1和接口2是為了獲取設(shè)備的相關(guān)信息，方便核對編解碼的目標(biāo)，接口3將設(shè)備上報的溫度、pH值、溶解氧等數(shù)據(jù)進(jìn)行解碼，接口4將控制增氧機的命令進(jìn)行編碼。

編解碼插件部署完畢后通過NB模組的IMSI號對設(shè)備進(jìn)行注冊綁定，云平臺每30 min監(jiān)測一次。平臺接收到監(jiān)測系統(tǒng)下發(fā)的控制命令，命令I(lǐng)D為平臺隨機生成的操作命令的唯一標(biāo)識符，seviceId為對應(yīng)的設(shè)備名稱，每12 h發(fā)送一次控制命令。

2.4 應(yīng)用層設(shè)計

應(yīng)用層即本地服務(wù)器端養(yǎng)殖塘監(jiān)測應(yīng)用系統(tǒng)，主要實現(xiàn)兩大功能：一是可以通過事先訂閱數(shù)據(jù)變化消息，或者通過數(shù)據(jù)查詢接口，獲取到水產(chǎn)養(yǎng)殖NB監(jiān)控設(shè)備發(fā)送到IoT平臺的水產(chǎn)環(huán)境數(shù)據(jù)；二是通過IoT平臺下發(fā)命令控制底層模塊的工作，監(jiān)測系統(tǒng)下發(fā)命令到感知層NB設(shè)備，而設(shè)備也將做出一些對應(yīng)的響應(yīng)。控制增氧機控制單元的開啟和關(guān)閉。

應(yīng)用server通過HTTP協(xié)議和平臺通訊，通過調(diào)用平臺的開放API來控制設(shè)備，平臺把設(shè)備上報的數(shù)據(jù)推送給應(yīng)用服務(wù)器。平臺支持對設(shè)備數(shù)據(jù)進(jìn)行協(xié)議解析，轉(zhuǎn)換成標(biāo)準(zhǔn)的json格式數(shù)據(jù)。

1）String appId = Constant.APPID; //設(shè)置應(yīng)用ID

2）String secret = Constant.SECRET; //設(shè)置應(yīng)用密碼

3）String urLogin = Constant.APP_AUTH; //設(shè)置鑒權(quán)序列號

4）QueryDeviceHistoryData data = new QueryDeviceHistoryData(); //獲取云平臺數(shù)據(jù)

5）PostAsynCommand command = new PostAsynCommand(); //向設(shè)備端下發(fā)命令

養(yǎng)殖塘水質(zhì)監(jiān)測系統(tǒng)通過數(shù)據(jù)查詢接口QueryDeviceHistoryData.java獲取IoT平臺上的數(shù)據(jù)進(jìn)行養(yǎng)殖塘的遠(yuǎn)程監(jiān)測，獲取到數(shù)據(jù)后保存到數(shù)據(jù)庫中，設(shè)計前端頁面進(jìn)行顯示；同時也可以提前調(diào)用命令下發(fā)接口PostAsynCommand.java，對增氧機設(shè)備進(jìn)行遠(yuǎn)程控制，單擊前端頁面開閉按鈕，則可以向云平臺下發(fā)控制增氧機命令，命令緩存時間可在云平臺進(jìn)行設(shè)置。本地設(shè)備接收到命令后控制增氧機開關(guān)，執(zhí)行后返回結(jié)果。

3 系統(tǒng)試驗結(jié)果

本文設(shè)計的系統(tǒng)所需的軟硬件設(shè)備型號及環(huán)境如表1所示，單片機選用了STM32L151C8芯片，NB-IoT模塊選用移遠(yuǎn)BC95-B5無線通信模塊，傳感器主要負(fù)責(zé)溫度、pH值、溶解氧等環(huán)境參數(shù)的實時采集[30-33]，采用CoAP 協(xié)議，將采集到的數(shù)據(jù)通過NB-IoT模塊發(fā)送，同時接收來自服務(wù)器的控制命令；溫度傳感器采用廣州奧松電子有限公司生產(chǎn)的DHT12型溫度傳感器，測量范圍為-20～60 ℃，精度為±0.5 ℃。溶解氧傳感器采用北京博海志遠(yuǎn)科技有限公司研發(fā)的DOS-600型傳感器，測量范圍為0～20.00 mg/L，精度為±0.1 mg/L。pH值電極采用上海儀電科學(xué)儀器股份有限公司研發(fā)的雷磁系列E-201-C型 pH 復(fù)合電極，測量范圍為0～14，精度為±0.05。嵌入式程序燒錄使用Keil工具，應(yīng)用層監(jiān)測系統(tǒng)的設(shè)計開發(fā)則選用Java開發(fā)環(huán)境。

表1 軟硬件設(shè)備

利用本系統(tǒng)在江蘇省常州市漁業(yè)養(yǎng)殖基地進(jìn)行試驗。該基地采用塘內(nèi)養(yǎng)殖模式，占地面積0.1 km2。不同水生物被放置的養(yǎng)殖塘深度不同，水產(chǎn)環(huán)境極具代表性。實時獲取溫度、pH值和溶解氧水質(zhì)信息，為了驗證系統(tǒng)運行時對水產(chǎn)養(yǎng)殖環(huán)境各因素的及時監(jiān)測和精準(zhǔn)調(diào)控，選取不同天氣（陰、晴、雨），不同時間（0:00、12:00、20:00）、不同養(yǎng)殖塘（1號養(yǎng)殖塘、4號養(yǎng)殖塘、6號養(yǎng)殖塘）進(jìn)行數(shù)據(jù)監(jiān)測，以購買的美國哈希公司生產(chǎn)的MS5-Hydrolab便攜式多參數(shù)水質(zhì)監(jiān)測儀所測得的參數(shù)為標(biāo)準(zhǔn)值，該傳感器測量的精度較高，溶解氧測量精度達(dá)±1%，溫度達(dá)±0.2℃，pH值精度為±0.2。分別將傳感器節(jié)點采集到的數(shù)據(jù)、云平臺接收到的數(shù)據(jù)以及監(jiān)測系統(tǒng)顯示的數(shù)據(jù)與標(biāo)準(zhǔn)值進(jìn)行比較。數(shù)據(jù)如表2，表3，表4所示，1號養(yǎng)殖塘實際部署見圖8。

注：圈內(nèi)所示即為監(jiān)測節(jié)點，內(nèi)置各傳感器和單片機等硬件模塊。

Fig.8. No.1 aquaculture pond node deployment diagram

表2 1號養(yǎng)殖塘實測值和標(biāo)準(zhǔn)值的比較

表3 4號養(yǎng)殖塘實測值和標(biāo)準(zhǔn)值的比較

設(shè)置傳感器節(jié)點上傳周期為30 min，根據(jù)云平臺獲取到的數(shù)據(jù)對節(jié)點丟包率進(jìn)行統(tǒng)計，發(fā)送數(shù)據(jù)包大小為40 Bit，統(tǒng)計日期為2018年9月1日17:00至9月30日11:00。其中1號養(yǎng)殖塘數(shù)據(jù)量為1 426幀，9月15日丟失4幀，丟包率為0.28%；4號養(yǎng)殖塘數(shù)據(jù)量為1 468幀，9月7號丟失2幀，丟包率為0.13%；6號養(yǎng)殖塘數(shù)據(jù)量為1 520幀，9月14日丟失2幀，9月15日丟失4幀，9月21日丟失7幀，丟包率為0.85%。實際部署中，節(jié)點與網(wǎng)關(guān)通信距離約3 km，平均丟包率為0.42%，具有非常良好的通信可靠性。

綜合表2，表3，表4 可得到，云平臺可準(zhǔn)確及時顯示各個養(yǎng)殖塘的監(jiān)測數(shù)據(jù)，通過本系統(tǒng)可以實時獲取溫度、pH值、溶解氧等水質(zhì)參數(shù)信息，其中，溫度控制精度保持在±0.12 ℃，1號養(yǎng)殖塘相對誤差為0.22%，4號相對誤差為0.12%，6號相對誤差為0.12%，平均相對誤差為0.15%；溶解氧控制精度保持在±0.55 mg/L以內(nèi)，1號養(yǎng)殖塘相對誤差為1.75%，4號相對誤差為3.17%，6號相對誤差為2.51%，平均相對誤差為2.48%；pH值控制精度保持在±0.09，1號養(yǎng)殖塘相對誤差為0.14%，4號相對誤差為0.15%，6號相對誤差為0.33%，平均相對誤差為0.21%，符合系統(tǒng)控制要求。所測得各參數(shù)數(shù)據(jù)與標(biāo)準(zhǔn)值相比較，相對誤差很小，遠(yuǎn)程控制增氧機反應(yīng)時間在 100 ms 以內(nèi)，達(dá)到系統(tǒng)設(shè)計要求。系統(tǒng)在現(xiàn)場實時監(jiān)測下運行穩(wěn)定，實現(xiàn)了對溫度、pH值、溶解氧等水產(chǎn)養(yǎng)殖環(huán)境因素的準(zhǔn)確監(jiān)測控制和無線傳感器的網(wǎng)絡(luò)通信功能，滿足水產(chǎn)養(yǎng)殖要求。

表4 6號養(yǎng)殖塘實測值和標(biāo)準(zhǔn)值的比較

4 結(jié) 論

為了對養(yǎng)殖塘水質(zhì)進(jìn)行監(jiān)測，本文設(shè)計了基于NB-IoT網(wǎng)絡(luò)的養(yǎng)殖塘水質(zhì)監(jiān)測系統(tǒng)，具體設(shè)計和實現(xiàn)了終端傳感器節(jié)點、后臺控制模塊、監(jiān)測系統(tǒng)等軟硬件，實現(xiàn)了對養(yǎng)殖塘的遠(yuǎn)程監(jiān)測和增氧機等設(shè)備的智能控制。并在江蘇省常州市漁業(yè)養(yǎng)殖基地中實地監(jiān)測。主要結(jié)論如下：

1）監(jiān)測系統(tǒng)采用NB-IoT技術(shù)部署網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，利用傳感節(jié)點獲取溫度、pH值、溶解氧等水質(zhì)環(huán)境參數(shù)，完成數(shù)據(jù)的采集編碼，并通過NB模組經(jīng)由核心網(wǎng)上報至云平臺，應(yīng)用層監(jiān)控系統(tǒng)實時調(diào)用查詢接口，實現(xiàn)了養(yǎng)殖塘的在線遠(yuǎn)程監(jiān)測。借助IoT電信云平臺對水質(zhì)參數(shù)數(shù)據(jù)實時存儲，并設(shè)置了描述設(shè)備功能的Profile文件和分析處理協(xié)議包的編解碼插件，最后完成了對NB模組設(shè)備的綁定，確保了不同養(yǎng)殖塘數(shù)據(jù)的唯一性和準(zhǔn)確性。

2）監(jiān)測系統(tǒng)能夠隨時下發(fā)控制增氧機的命令至云平臺，由平臺編解碼插件對命令編碼后發(fā)送至硬件終端并執(zhí)行相應(yīng)操作。結(jié)果表明遠(yuǎn)程控制設(shè)備反應(yīng)時間在100 ms以內(nèi)，實現(xiàn)了對增氧機的智能控制。

3）實地部署系統(tǒng)并驗證監(jiān)測精度，溫度控制精度保持在±0.12 ℃，平均相對誤差為0.15 %。溶解氧控制精度保持在±0.55 mg/L以內(nèi)，平均相對誤差為2.48 %。pH值控制精度保持在±0.09，平均相對誤差為0.21 %。符合系統(tǒng)控制要求。

以上結(jié)論證明了NB-IoT技術(shù)的穩(wěn)定可靠，數(shù)據(jù)獲取便捷，命令響應(yīng)及時，可為該技術(shù)在農(nóng)業(yè)監(jiān)控等更廣領(lǐng)域提供技術(shù)支持和參考。

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Development of water quality monitoring system of aquaculture ponds based on narrow band internet of things

Huan Juan1,2, Wu Fan1,Cao Weijian1, Li Hui1, Liu Xingqiao2

(1.213164,212013,)

The water quality environment of aquaculture water is the basis for the survival of aquatic animals. Water quality factors such as temperature, pH value and dissolved oxygen are the key factors affecting aquaculture water quality. Therefore, timely monitoring of water quality has important practical significance for high yield, health and safety of aquaculture. In order to promote the development of aquaculture informationization, it is necessary to monitor aquaculture ponds more accurately and conveniently. This paper designs a water quality monitoring system based on NB- IoT narrow-band Internet of Things technology. The single hop distance of this technology can reach thousands of meters. It is more suitable for parks, aquaculture ponds and other places in terms of communication range, deployment number and environmental applicability of nodes. The technology solves the problems of insufficient network coverage, high terminal power consumption, insufficient terminal equipment and high comprehensive cost in aquaculture area. The system specially designs terminal sensor nodes, background control module, monitoring application software and hardware. The functions of data storage and remote collection of multi-sensor node information such as temperature, pH value, dissolved oxygen and other sensor nodes were realized, as well as the intelligent control of aquaculture pond aerator. Temperature, pH value, dissolved oxygen and other water quality information were collected and coded by STM32L151C8 MCU and sensor terminal in real time. First, data was reported to cloud platform through NB module and core network. The application layer called the query interface in time to realize online remote monitoring of aquaculture ponds. Then, the system used the Internet of Things Telecom Cloud Platform, which was equipped with a Profile file that described the functions of the device and a codec plug-in that analyzed the protocol package, to stores the water quality parameter data in time. Finally, the binding of NB module devices was completed. The NB wireless communication module data format and data transmission were realized by Keil tool. Java was used to develop background monitoring applications for accessing cloud platforms, controlling underlying devices, and local data processing. Monitoring applications could not only send HTTP requests to monitor cloud platform data, but also send commands to terminal control module to control the start and shutdown of aerators. The experimental results showed that the system could acquire water quality information in time, such as temperature, pH value, dissolved oxygen and so on. The control accuracy of temperature, dissolved oxygen and pH value were kept in the±0.12 ℃,±0.55 mg/L, and less than 0.09, respectively. The average relative errors were 0.15%, 2.48% and 0.21%, respectively. Monitoring applications could also issue commands to cloud platforms to control aerators at any time. The codec plug-in of the platform encoded the command and send it to the hardware terminal. The response time of the remote control device was less than 100 ms, and the whole system was stable, which proved the reliability of NB- IoT technology. Data transmission is timely and accurate, which can meet the actual production needs and provide strong data and technical support for further water quality control and aquaculture production management.

aquaculture; water quality; monitoring; internet of things; NB-IoT (narrow-band internet of things)

2018-12-05

2019-03-07

國家自然科學(xué)基金（61803050）；溧陽市第一批重點研發(fā)計劃（現(xiàn)代農(nóng)業(yè)）項目（LB2016003）

宦 娟，副教授，2015年赴美國德克薩斯大學(xué)達(dá)拉斯分校研修，主要從事農(nóng)業(yè)信息化研究。Email：huanjuan@cczu.edu.cn

10.11975/j.issn.1002-6819.2019.08.030

TP391

A

1002-6819(2019)-08-0252-10

宦 娟，吳 帆，曹偉建，李 慧，劉星橋. 基于窄帶物聯(lián)網(wǎng)的養(yǎng)殖塘水質(zhì)監(jiān)測系統(tǒng)研制[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報，2019，35(8)：252－261. doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2019.08.030 http://www.tcsae.org

Huan Juan, Wu Fan, Cao Weijian, Li Hui, Liu Xingqiao. Development of water quality monitoring system of aquaculture ponds based on narrow band internet of things[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2019, 35(8): 252－261. (in Chinese with English abstract) doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2019.08.030 http://www.tcsae.org