基于物联网的水产养殖监控系统

作者 魏武 梁中华 胡冬清 岭南师范学院(湛江 524048)

　　魏武，男，广东湛江人，讲师，硕士研究生，主要研究方向为嵌入式开发及物联网技术。

摘要：由于水产养殖水域环境现状需要得到控制和改善，实时远程监控系统尤为必要。本系统应用嵌入式技术、4G通信模块、服务器后台处理和物联网技术进行对水中溶解氧含量和温度的实时监控。本系统的关键技术是通过终端实现数据的采集、传输、存储和发布，并实现实时远程网页监控、手机远程控制设备启停等功能。该监控系统可以广泛应用于水产养殖业，还可拓展更多传感器应用于现代农业生产。

0 引言

　　部分沿海或养殖业发达地区对水质环境要求较高，水域环境遭到不同程度污染，因此水质环境需要得到改善和控制，方能保持养殖业可持续发展，特别是在水产资源十分丰富和养殖规模庞大地区，在传统养殖业发展同时，面临着相关水产环境的破坏和矛盾等问题，溶解氧、温度等因素影响水产养殖环境，因此养殖业亟须引进实时监控系统以更好地针对水质环境进行信息反馈。

　　市面上出现的产品例如溶氧仪测量器、养殖水质检测系统等，其主要问题是投入设备的生产成本较高，且人工控制缺乏灵活性和明显低效率。由于大部分处于传统的监测方式和手动控制设备的阶段，并且未能进行实时数据的监测和远程控制水产养殖设备，参考现有基于物联网的水产养殖监控系统对水质环境控制实现在线监测^[1]，本系统着力于设计通过4G网络传输、在线网页显示数据，实现网页对水质环境实时发布、存储、传输，随时随地通过手机对设备做出控制。

1 系统整体设计

　　本系统由数据采集终端主控制器、传感器模块、通信模块、设备控制模块和远程监控中心(包括服务器和手机客户端)组成。基于嵌入式Tiny6410主控制器，通过传感器采集数据并由通信模块把数据传输到远程监控中心，远程监控中心可以对数据进行实时发布、存储及处理，手机客户端根据需要可以对设备进行远程控制，系统整体结构设计如图1所示。

2 硬件系统设计

　　2.1 数据采集和传输模块设计

　　数据采集和传输模块结构如图2所示，其包括Tiny6410主控制器、溶解氧传感器和4G通信模块。溶解氧传感器通RS232串口连接Tiny6410主控制器的串口COM2，其任务是向微处理器发送温度和溶解氧数据，ZSD3410 4G DTU经RS232串口连接Tiny6410主控制器的串口COM3，其任务是传输微处理器的数据和发送控制指令给微处理器。

　　Tiny6410是一款以ARM11芯片为处理器的主控制器，集成了128 M/256 M DDR RAM，采用5 V供电，实现CPU必需的各种核心电压转换，包括了三个标准DB9五线串口，还可以通过2.0 mm间距的排针，引出丰富的接口资源。

　　溶解氧传感器^[2]支持RS485/RS232和MODBUS协议，可以采集温度和溶解氧，输出十六进制数字量，传感器能实现自动温度补偿。其数据参数温度范围为0-50 ℃，温度精度为±0.5 ℃，溶解氧精度为±5%。

　　设备控制模块模拟增氧泵驱动装置，配置Tiny6410的GPIO驱动，接收Tiny6410的GPIO的信号或指令，以驱动设备。

　　ZSD3410 4G DTU支持SIM卡，采用RS485/RS232串行接口，串口波特率为300-115200 bps，可配置，8位数据位。

3 软件设计

　　软件设计包括数据采集终端主控制器软件、服务器后台搭建和监控中心软件三部分。

　　3.1 数据采集终端主控制器软件设计

　　数据采集终端主控制器是系统核心部件，主要任务有：①根据MODBUS协议，通过串口获取由溶解氧传感器采集的原始数据并对数据进行有效处理;②采用POST模式通过ZSD3410 4G DTU通信模块将溶解氧数据发送到服务器。

　　3.2 服务器后台搭建

　　①服务器是采用tomcat + spring + spring MVC + Mybatis搭建的，这套方案的原理：以Java写后台服务，选用spring+springMVC+Mybatis框架。

　　②SpringMVC分离了控制器、模型对象、分派器以及处理程序对象的角色，这种分离让它们更容易进行定制。设备通过POST请求将数据上传到服务器，服务器将数据存储到数据库并利用Websocket实时加载到相应网页^[3]。

　　3.3 监控中心软件设计

　　监控中心包括手机客户端、服务器端和远程设备客户端。手机客户端基于Qt编程，搭建Android环境进行开发，利用C编写TCP服务器多线程程序^[4]，Qt编程远程控制界面，手机客户端通过移动无线网络连接服务器，服务器创建线程转发指令到远程设备客户端，实现手机客户端与远程设备客户端之间的通信^[5]。远程控制流程图如图3所示，手机控制界面如图4所示。

4 系统测试

　　图5为整体监控系统实物图，包括Tiny6410主控制器、溶解氧传感器、设备控制模块(模拟增氧泵)、通信模块、监控界面和手机远程控制。图6为测试网页显示实时数据，显示具体时间、溶解氧浓度和水温。

　　系统测试分析：

　　①数据通信稳定，实时数据可以在线网页显示，安卓远程控制可以启动模拟增氧泵装置，不存在阻塞情况。实时数据显示，测试环境为标准大气压下，试验以自来水作为水产环境，某时刻获得环境因子溶解氧和温度分别为7.61037 g/ml和24.613888 ℃，经过长时间的采集和数据处理，数据表明其与标准数据误差在0.5%左右，数据的准确度合理，一旦溶解氧低于正常参数设置水平，可通过远程控制启动模拟增氧泵装置，使溶解氧含量恢复正常值。

　　②系统测试时，4G通信模块有出现掉线情况，经配置拨号脚本实现4G模块重连，重连稳定，重连的成功率为95%以上。

5 结语

　　本设计应用嵌入式技术、传感器技术、4G通信技术及Qt安卓客户端开发技术等,实现溶解氧、温度等水产指标的实时监控，并且通过远程控制设备启停，可以大大提高水产养殖经济效益和减轻污染。

　　参考文献：

　　[1]颜波,石平.基于物联网的水产养殖智能化监控系统[J].农业机械学报,2014,45(01):259-265.

　　[2]杨帅,孙亚伟,杨幸幸,王乐.荧光法测定海水溶解氧的可靠性分析[J].海洋技术学报,2015,34(06):60-64.

　　[3]盛平,丁波.基于WebSocket协议的智能温室测控系统设计与实现[J].软件导刊,2016,15(08):65-68.

　　[4] 宋敬彬等编.Linux网络编程(第2版)[M].清华大学出版社,2014.

　　[5] 陆文周.Qt5开发及实例[M]. 电子工业出版社 , 2014.

　　[6] 金伟正.嵌入式Linux系统开发及应用教程[M]. 清华大学出版社，2017.

　　[7] 孙卫琴.Tomcat与Java Web开发技术详解(第2版)[M].北京：电子工业出版社，2009.

　　本文来源于《电子产品世界》2018年第12期第79页，欢迎您写论文时引用，并注明出处。