基于物联网的水产养殖环境智能监控系统的研究

1、基于物联网的水产养殖环境智能监控系统的研究盖之华 1，施连敏 1，王斐 1，郭翠珍 2（1.苏州经贸职业技术学院 数字化校园管理中心，江苏 苏州 215009；2.苏州市职业大学 计算机工程学院，江苏 苏州 215104）摘要：随着物联网、云计算、下一代通信网络等新一代信息技术的快速发展，并结合国家科技兴农的政策要求，设计了基于物联网的水产养殖环境智能监控系统，通过该系统可以实时感知水温、溶解氧、ph 值、氨氮等水产养殖环境的关键参数，并 根据生态化养殖的要求，进行最优化调整，从而提高水产养殖的智能化水平和水产品的生态品质。关键词：水产养殖；物联网；数据感知；智能监控中图分类号：TP393文献

2、标识码：A文章编号：1009-3044(2013)34-7826-03Research of Intelligent Monitoring System of Water Environmental Factors Based on the Internet of ThingsGAI Zhi-hua1, SHI Lian-min1, WANG Fei1,GUO Cui-zhen2(1.Digital Campus Management Center Suzhou Institute of Trade & Commence, Suzhou 215009, China; 2.School

3、of ComputerEngineering Suzhou Vocational University, Suzhou 215104, China)Abstract: With the rapid development of a new generation of information technology, such as the internet of things, cloud com puting, the next generation communication network, and so on. And the national policy on promoting a

4、griculture by applying scientific and technological advances, intelligent monitoring system of water environmental factors based on the Internet of Things is designed, various parameters of water environmental factors, such as water temperature, dissolved oxygen content, pH value, concentrations of

5、ammonia and nitrate, etc, can be real- timely collected, and be optimized to meet the requirements of ecological aquaculture. Therefore, the intelligent level of aquaculture and the ecological quality of aquatic products are improved.Key words: Aquiculture; The Internet of Things; Data sensing; Inte

6、lligent monitoring2012 年中央一号文件关于加快推进农业科技创新持续增强农产品供给保障能力的若干意见中重点强调了科技兴农，依靠科技创新驱动，引领支撑现代农业建设【1】。水产养殖是农业的重要组成部分，如何利用物联网、下一代通信网络、移动互联网等新 一代信息技术，提升水产养殖的智能化水平和效率，是当前一个非常重要的课题【2】。本文针对水产养殖环境对象具有的多变性、多样性、以及分散等特点，提出了一种基于物联网的水产养殖环境智能监控系统，该系统是面向工厂化水产养殖集约、高效、高产、生态的发展需求，基于智能感知、无线传感器网络、智能信息处理与控制等物联网 技术开发的，集养殖环境参数远

7、程感知、无线传输、实时存储、智能处理、信息发布、决策支持与自动控制等功能于一体的水产养殖 物联网服务平台。1 系统框架结构基于物联网的水产养殖环境智能监控系统主要通过各类传感器以及视频采集设备实时感知水产养殖现场的水温、溶解氧、pH 值、氨氮含量以及相关视频信息，并通过固网、移动网、专网等网络媒介将感知的现场数据信息实时传输到远程的监控中心，由监 控中心的上位机监控软件实现对数据的存储、显示、处理、分析等，同时对不达标的水产养殖现场，通过网络媒介将相关控制指令 传输到智能网关，由智能网关将控制指令下发到相应控制器，来启动相关设备（如增氧泵、换水系统设备等），从而改善水产养殖现 场的各项参数【3

8、】。整个系统的框架结构如图 1 所示。2 系统功能模块设计整个系统主要分为四个功能模块，即：数据感知与传输功能模块、设备控制与指令传输功能模块、数据服务功能模块和远程监 控功能模块【4】，如图 2 所示。收稿日期：2013-10-25基金项目：2011 年苏州市科技支撑计划_农业部分（SN201139）；2012 年苏州市应用基础研究计划（SYN201219）；2011 年度苏州市加快信息化建设专项资金项目作者简介：盖之华（1979-），男，工程师，主要研究方向为农业物联网；施连敏（1984-），男，工程师，主要研究方向为移动互联网应用； 王斐（1986-），女，助理工程师，主要研究方向为农业

9、物联网；郭翠珍（1979-），女，讲师，硕士，主要研究方向为信息处理。第 9 卷第 34 期 (2013 年 12 月)Computer Knowledge and Technology 电脑知识与技术监控系统（数据显示、数据存储、数据检索、实时曲线等）应用层网络层固网、移动网、专网等功能层实时感知、视频监控、智能网关、远程管理等各类传感器（温度、溶解氧、pH增氧泵、换水系统、感知层被控层值、氨氮等）、视频采集设备投药器等水产养殖现场图 1系统框架结构3、数据服务功能模块1、数据感知与传输功能模块4、远程监控功能模块水温传感器 ZigBee路由模块ZigBee路由模块溶解氧传感器接口服务器We

10、b服务器应用服务器介Web、Wap、SMS等远程监控中心管理系统ZigBee主节pH值传感器 ZigBee路由模块ZigBee路由模块氨氮传感器数据管理服务器 移动应用服务器Wifi节点视频采集设备智能移动终端被控设备物联网智能网关2、设备控制与指令传输功能模块图 2系统功能模块2.1 数据感知与传输功能模块设计该模块主要利用无线传感器节点实时感知水产养殖现场数据，并通过 ZigBee 无线通信技术将数据传输到 ZigBee 主节点，由ZigBee 主节点简单处理后经网络媒介传输到数据服务功能模块。 其中无线传感器节点的设计是整个功能模块的核心，在设计时主要考虑以下几个主要因素：（1）能够实时

11、感知养殖现场水的温度、溶解氧、pH 值、氨氮含量等数据，并降低开发难度；（2）充分利用 ZigBee 无线通信技术和农业用低成本传感器技术，实现对现 场数据的精确感知、实时传输；（3）低成本、低功耗，并降低安装和维护难度【5】。出于以上几个主要因素的考虑，无线传感器节点中的各类传感器全部采用农业用低成本数字信号传感器，从而在节点的设计中不用考虑 A/D 转换，降低了开发难度。同时在节点的设计中采用了 TI 的低功耗系列单片机 MSP430 作为主控芯片，并辅助 CC2530 作为 ZigBee 无线通信的收发芯片【6】。此外，根据水产养殖的实际情况，节点需要被安装在养殖水域的中心位置，因此提供

12、 固定电源的成本会大大增加，所以节点使用太阳能电池板、智能充电模块和蓄电池组成整个节点的供电系统【7】。整个节点的硬件 结构如图 3 所示。对于现场视频数据的感知则主要通过摄像头等视频设备采集后，经 Wifi 节点实时传输到数据服务功能模块。2.2 设备控制与指令传输功能模块设计远程监控功能模块将无线传感器节点感知的养殖环境实时数据处理后，对不符合生态化养殖环境参数要求的数据，自动下发 相应的指令，经网络媒介下发到设备控制与指令传输功能模块，由模块中的物联网智能网关对指令进行解析后，传输到现场被控 设备的控制电路，由控制电路来控制中间继电器的开关来启动或关闭被控设备，从而来改善养殖环境，使其达

13、到生态化养殖的标 准【8】。2.3 数据服务功能模块设计该模块主要实现对无线传感器节点实时感知的养殖现场环境数据进行处理后，供远程监控功能模块调用。模块由一系列具 有特定功能的服务器组成，如接口服务器主要负责侦听指定端口，判断并识别数据感知终端发出的 TCP/IP Socket 连接请求，如属本栏目责任编辑：唐一东人工智能及识别技术7827网络媒点Computer Knowledge and Technology 电脑知识与技术第 9 卷第 34 期 (2013 年 12 月)图 3 无线传感器节点硬件结构于合法数据则存入指定的数据库；数据管理服务器主要实现对存入指定数据库中的数据进行相应的处

14、理后，进行规范化管理；Web 服务器主要为远程监控中心管理系统提供 Web 服务；移动应用服务器主要智能移动终端的提供 WAP 服务；应用服务器主要为其 他各类系统提供数据接口、权限管理和其他应用服务。2.4 远程监控功能模块设计该模块主要是运行在 Web/Wap 服务器上的网络应用程序，采用 B/S 模式设计，用户通过远程监控系统客户端或智能移动终端 浏览器即可访问，实现对无线传感器节点实时感知的养殖现场环境数据的实时显示、历史查询、数据分析，以及控制指令下发、报 表管理和辅助的决策分析等功能。3 总结影响水产养殖环境的关键参数是水温、溶解氧、氨氮、ph 值等，但目前这些参数的获取主要以手工

15、化学测定为主，基于物联网 等新一代信息技术的水产养殖智能监控系统的应用，不但可以避免传统离线检测中存在的数据不全及耗时费力等弊端，还可以实 时了解各个关键数据的变化情况，以便为水产养殖人员提供准确、实时的数据，使人们对水产养殖过程的规律有更进一步的认识， 从而对养殖环境参数进行最优化控制，降低养殖成本，提高养殖效益，为科学水产养殖的可持续发展奠定基础。参考文献：1 贾德昌.中国农业进入科技创新驱动新时代专家学者阐释 2012 年中央一号文件J.中国工程咨询,2012(3):13-19. 2 施连敏,陈志峰,盖之华. 物联网在智慧农业中的应用J.农机化研究,2013(6):250-252.3 曾宝国,刘美芩.基于物联网的水产养殖水质实时监测系统J.计算机系统应用,2013, 22(6):53-56.4 李慧,刘星桥,李景,陆晓嵩,宦娟.基于物联网 Android 平台的水产养殖远程监控系统J.农业工程学报，2013, 29(13):175-181.5 史兵,赵德安,刘星桥,蒋建明,孙月平.基于无线传感网络的规模化水产养殖智能监控系统J.农业工程学报,2011,27(9):136-140. 6 单正娅.基于无线传感网的原生态