基于物聯(lián)網(wǎng)的螃蟹養(yǎng)殖基地監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計及應(yīng)用

劉雨青，李佳佳，曹守啟，邢博聞

（上海海洋大學(xué)工程學(xué)院，上海 201306）

0 引 言

多年來，中國的水產(chǎn)行業(yè)由于生產(chǎn)周期長，效率低，勞動強(qiáng)度大等現(xiàn)狀嚴(yán)重制約了其健康發(fā)展。但是隨著中國水產(chǎn)品消費者的日益增長，以及對水產(chǎn)品要求的不斷提高，傳統(tǒng)的養(yǎng)殖方式越來越不能滿足大眾的需求。與此同時，物聯(lián)網(wǎng)這一技術(shù)的發(fā)展對傳統(tǒng)的水產(chǎn)養(yǎng)殖方式帶來了革命性的改變，根據(jù)調(diào)查結(jié)果顯示，使用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)養(yǎng)殖的水產(chǎn)品品質(zhì)大大優(yōu)于粗放式養(yǎng)殖的水產(chǎn)品，同時有效地節(jié)約了成本，使?jié)O民增產(chǎn)增收[1]。

對于河蟹養(yǎng)殖來說，不僅范圍廣，而且河蟹商品在市場上的占有量也在迅速加大，養(yǎng)殖戶遍及各地，已初步具有一定的產(chǎn)業(yè)形態(tài)[2]。但在河蟹的養(yǎng)殖和成長中，也表露出一些有待處理的問題，大多數(shù)的養(yǎng)殖戶普遍傾向于傳統(tǒng)的方法養(yǎng)殖河蟹，水質(zhì)環(huán)境的監(jiān)測普遍采用人工采樣、化學(xué)分析的方法，操作耗時，精確度不高、實時性不好，儀器儀表維護(hù)困難，以至于最后取得的經(jīng)濟(jì)效益并不理想[3]。

針對以上問題，學(xué)者們做了很多相關(guān)的研究，取得了一些成果。如李慧等設(shè)計了基于物聯(lián)網(wǎng)的安卓平臺水產(chǎn)養(yǎng)殖遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)，實現(xiàn)了對于水中傳感器數(shù)據(jù)的遠(yuǎn)程監(jiān)測，具有很高的性價比[4]；顏波等將 RFID（radio frequency identification）與無線傳感網(wǎng)技術(shù)相結(jié)合應(yīng)用到水產(chǎn)養(yǎng)殖領(lǐng)域，提出了基于RFID與無線傳感網(wǎng)絡(luò)的水產(chǎn)品智能化養(yǎng)殖監(jiān)控系統(tǒng)的架構(gòu)及應(yīng)用實施方案[5]；劉星橋等，通過物聯(lián)網(wǎng)和 GIS技術(shù)的融合，實現(xiàn)了水質(zhì)環(huán)境的遠(yuǎn)程無線測控和區(qū)域化水產(chǎn)養(yǎng)殖管理，大大推進(jìn)水產(chǎn)養(yǎng)殖智能化、自動化系統(tǒng)建設(shè)的發(fā)展，適應(yīng)水產(chǎn)養(yǎng)殖的需要[6]；鐘興等基于 ZigBee無線傳感網(wǎng)絡(luò)設(shè)計了水產(chǎn)養(yǎng)殖智能監(jiān)控系統(tǒng)，可實時養(yǎng)殖水環(huán)境參數(shù)監(jiān)測預(yù)警和自動調(diào)節(jié)，并針對增氧泵工作的滯后性和非線性的難題，設(shè)計了Mamdani控制器[7]。

以上各項研究均對水產(chǎn)養(yǎng)殖起到了積極促進(jìn)作用，但是所涉及的范圍與參數(shù)不完全，如對于養(yǎng)殖作物的影響因素不僅僅在于水中的環(huán)境，也包括水上和局部氣象環(huán)境；所應(yīng)用的技術(shù)相對老舊，如ZigBee雖然具有組網(wǎng)特性，但是其傳輸數(shù)據(jù)速度慢，并且通信距離較短。本文針對蟹種的養(yǎng)殖過程，基于物聯(lián)網(wǎng)的系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計了一套全方位的監(jiān)測與控制系統(tǒng)，以嵌入式與PLC相結(jié)合作為控制核心，采用WIFI組網(wǎng)方式將各個子系統(tǒng)連接，可實現(xiàn)對水質(zhì)、氣象、視頻數(shù)據(jù)的監(jiān)測；對增氧機(jī)與投料機(jī)設(shè)備的控制；以及用戶通過APP和網(wǎng)站的方式瀏覽數(shù)據(jù)和控制設(shè)備。本系統(tǒng)將所有的監(jiān)測數(shù)據(jù)保存至數(shù)據(jù)庫，為進(jìn)一步建立養(yǎng)殖專家知識庫和智能養(yǎng)殖系統(tǒng)示范提供科學(xué)依據(jù)。

1 系統(tǒng)方案設(shè)計

整個系統(tǒng)架構(gòu)由感知層、傳輸層和應(yīng)用層組成，即物聯(lián)網(wǎng)的標(biāo)準(zhǔn)體系架構(gòu)，如圖 1所示。各個層之間通過廣域的互聯(lián)網(wǎng)相互連接，形成從蟹塘養(yǎng)殖基地信息的采集、傳輸?shù)叫畔⒌奶幚?、計算再到用戶對信息的獲取、控制的一站式服務(wù)體系[8]。

1）感知層：由傳感器及外圍的傳感網(wǎng)組成，通過無線組網(wǎng)的方式將水質(zhì)監(jiān)測子系統(tǒng)、氣象站子系統(tǒng)、視頻監(jiān)測子系統(tǒng)、智能控制子系統(tǒng)連接于一體；

2）傳輸層：主要由接入網(wǎng)和傳輸網(wǎng)組成，目的是將感知層所獲得的數(shù)據(jù)進(jìn)行長距離傳輸。接入網(wǎng)由運營商的光纖接入，傳輸網(wǎng)由公網(wǎng)和專網(wǎng)組成。

3）應(yīng)用層：由遠(yuǎn)程服務(wù)中心，用戶以及中間鏈路部分組成。服務(wù)中心的主要功能為：監(jiān)測數(shù)據(jù)入口、WEB網(wǎng)站入口、手機(jī)APP數(shù)據(jù)入口、數(shù)據(jù)分析等，為下屬用戶提供移動端和PC端的服務(wù)。

圖1 基于物聯(lián)網(wǎng)的螃蟹養(yǎng)殖系統(tǒng)整體架構(gòu)Fig.1 System architecture of crab farming based on internet of things

2 各子系統(tǒng)設(shè)計

本系統(tǒng)內(nèi)各個子系統(tǒng)通過無線組網(wǎng)技術(shù)與養(yǎng)殖基地的AP基站相連，各子系統(tǒng)包括無線傳輸模塊、嵌入式控制器和下端傳感器。該系統(tǒng)以養(yǎng)殖基地 5個養(yǎng)殖塘作為試驗對象，整個養(yǎng)殖基地布放設(shè)備如表1所示。

2.1 水質(zhì)監(jiān)測子系統(tǒng)

本系統(tǒng)安裝有5套水質(zhì)傳感器系統(tǒng)，每套包括溫度、溶解氧、pH值3個傳感器，分別布置在養(yǎng)殖中心的5個養(yǎng)殖塘中，為實現(xiàn)全天候的水質(zhì)監(jiān)測提供數(shù)據(jù)支持。本系統(tǒng)的優(yōu)點在于：放棄使用以往ZigBee和Lora的傳輸方式，無需加入網(wǎng)關(guān)，采用WIFI組網(wǎng)，接入AP基站，使數(shù)據(jù)通過互聯(lián)網(wǎng)直達(dá)服務(wù)器，各套水質(zhì)監(jiān)測系統(tǒng)相對獨立，在此后的測試和維護(hù)方面更加方便。

2.1.1 硬件設(shè)計

本系統(tǒng)水質(zhì)監(jiān)測部分所采用的核心控制芯片為STC15F2K60S2，具有大容量2 048字節(jié)片內(nèi)RAM，增強(qiáng)型8 051內(nèi)核（STC Y5），速度比傳統(tǒng)8 051快7～12倍，雙串口/UART，2個完全獨立的高速異步串行通信端口[9-10]，整個系統(tǒng)電路原理圖如圖2所示。供電電源為12 V的電源適配器，經(jīng)過LM1117-5V穩(wěn)壓芯片產(chǎn)生5 V的電源給單片機(jī)及ESP8266 WIFI模塊供電，單片機(jī)通過串口U1與WIFI模塊通信，串口U2通過RS485模塊與傳感器通信[11-12]。

首先通過AT指令對ESP8266模塊進(jìn)行配置，設(shè)置波特率9 600 bps，8位數(shù)據(jù)位，1位停止位，無校驗，工作模式為station；其次將其連入養(yǎng)殖中心的AP基站，最后將透傳模式及建立的TCP/IP連接均保存在Flash user parameter區(qū)，保證系統(tǒng)下次上電自動建立TCP/IP連接并進(jìn)入數(shù)據(jù)透傳[13]。

表1 設(shè)備布放列表Table 1 Device layout list

圖2 水質(zhì)監(jiān)測系統(tǒng)電路原理圖Fig.2 Circuit diagram of water quality monitoring

傳感器采用煙臺凱米斯儀器有限公司的RDO-206溶解氧傳感器（含有溫度數(shù)據(jù)），精度為 0.001 mg/L；PHG-202PH傳感器（含有溫度數(shù)據(jù)），精度為0.01。這兩種傳感器均采用RS-485（Modbus/RTU）通訊協(xié)議，默認(rèn)波特率9 600 bps，1個起始位，8個數(shù)據(jù)位，無校驗，1個停止位。供電電壓為12 V，所有傳感器的A、B端與RS485modul的A、B端相接[14]。

2.1.2 軟件設(shè)計

水質(zhì)監(jiān)測子系統(tǒng)基于嵌入式的框架設(shè)計完成，通過KEIL軟件作為程序開發(fā)的集成編譯環(huán)境[15]，主要的程序流程如圖3所示。

1）定時器中斷：由于傳感器的采集周期為 1 min，芯片STC15FK60S2的定時器的最大值也達(dá)不到1 min，因此本系統(tǒng)中采用50 ms定時器中斷，并設(shè)置定時器標(biāo)志位[16]；

2）傳感器數(shù)據(jù)讀?。和ㄟ^串口2中斷將傳感器回傳的數(shù)據(jù)進(jìn)行解析[17]，如果服從協(xié)議，則將傳感器數(shù)據(jù)保存至相應(yīng)的變量中；

查詢pH傳感器數(shù)據(jù)的發(fā)送命令為：06 03 00 00 00 04 45 BE，第1個字節(jié)表示設(shè)備地址；第2個字節(jié)表示功能碼；第3和第4個字節(jié)表示讀取寄存器的起始地址；第5和第6個字節(jié)表示要讀取的寄存器數(shù)量；后2個字節(jié)表示CRC校驗碼。傳感器返回數(shù)據(jù)為：06 03 08 03 0A 00 02 01 01 00 01 8D 8A，第1個字節(jié)表示設(shè)備地址；第2個字節(jié)表示功能碼；第3個字節(jié)表示返回數(shù)據(jù)的字節(jié)數(shù)；第4和第5個字節(jié)表示pH值數(shù)據(jù)；第6和第7個字節(jié)表示pH值數(shù)據(jù)小數(shù)位個數(shù)；第8和第9個字節(jié)表示溫度數(shù)據(jù)；第10和第11個字節(jié)表示溫度數(shù)據(jù)小數(shù)位個數(shù)；后2個字節(jié)表示CRC校驗碼。數(shù)據(jù)解析為：03 0A為pH值讀數(shù)，轉(zhuǎn)換為十進(jìn)制為778，00 02表示pH值帶2位小數(shù)，因此pH值讀數(shù)為7.78；01 01為16進(jìn)制溫度讀數(shù)，轉(zhuǎn)換為十進(jìn)制為257，00 01表示溫度數(shù)值帶1位小數(shù)，因此溫度讀數(shù)為25.7 ℃。

圖3 水質(zhì)監(jiān)測系統(tǒng)程序流程圖Fig.3 Program flow chart of the water quality monitoring system

查詢?nèi)芙庋鮽鞲衅鲾?shù)據(jù)的發(fā)送命令為：01 03 26 00 00 04 4F 41，第1個字節(jié)表示設(shè)備地址；第2個字節(jié)表示功能碼；第3和第4個字節(jié)表示讀取寄存器的起始地址；第5和第6個字節(jié)表示要讀取的寄存器數(shù)量；后2個字節(jié)表示CRC校驗碼。傳感器返回數(shù)據(jù)為：01 03 08 00 00 8D 41 00 00 8D 41 12 65，第1個字節(jié)表示設(shè)備地址；第2個字節(jié)表示功能碼；第3個字節(jié)表示返回數(shù)據(jù)的字節(jié)數(shù)；第 4、5、6、7字節(jié)表示溫度數(shù)據(jù)；第 8、9、10、11字節(jié)表示溶解氧數(shù)據(jù)；后2個字節(jié)表示CRC校驗碼。數(shù)據(jù)解析為：溶解氧值為00 00 8D 41，由于為小端存儲模式，因此溶解氧值為41 8D 00 00。單精度浮點型在內(nèi)存以32位二進(jìn)制形式存在：第1位為符號位，第2-9位為階碼位，第10-32位為2進(jìn)制小數(shù)位值，根據(jù)轉(zhuǎn)換規(guī)則[18]41 8D 00 00轉(zhuǎn)為浮點數(shù)為 17.625，溶解氧值為 17.625mg/L。

3）傳感器數(shù)據(jù)發(fā)送：每進(jìn)入一次定時器中斷，定時器標(biāo)志位增加1，20次循環(huán)后，滿足1 min定時，對傳感器進(jìn)行數(shù)據(jù)讀取，并由串口 1通過 ESP8266模塊采取TCP/IP協(xié)議發(fā)送至已知的服務(wù)器端口，數(shù)據(jù)格式為json格式[19]：{"Cat":"Crab","Num":001,"O2":17.625,"Tem":17.625,"Ph":7.78}，Num為蟹塘編號，O2為溶解氧，Tem為溫度，Ph為pH值，當(dāng)服務(wù)端收到數(shù)據(jù)后，自動在數(shù)據(jù)末尾加入時間戳，調(diào)試與安裝圖如圖4所示。

2.2 氣象站子系統(tǒng)

氣象站子系統(tǒng)的主要功能為監(jiān)測養(yǎng)殖基地的局部氣象環(huán)境，采用建大仁科 RS-QXZ的氣象站傳感器硬件，由溫度、濕度、風(fēng)向、風(fēng)速、氣壓、雨量、光照傳感器組成，均采用RS485通訊方式，本系統(tǒng)核心控制芯片為STC15FK60S2，采集周期為 1 min，數(shù)據(jù)整合后，通過ESP8266模塊發(fā)送至服務(wù)器端口，其數(shù)據(jù)格式為：{"Cat":"Env","At":18.67,"Rh":37.80,"Al":16850,"Ap":103.0 7,"As":1.87,"Ax":1,"Ay":0.0}，當(dāng)服務(wù)端收到數(shù)據(jù)后，自動在數(shù)據(jù)末尾加入時間戳。數(shù)據(jù)解析如表2所示。

圖4 水質(zhì)監(jiān)測系統(tǒng)調(diào)試與安裝圖Fig.4 Debugging and installation diagram of water quality monitoring system

表2 氣象站數(shù)據(jù)解析表Table 2 Weather station data analysis table

2.3 視頻系統(tǒng)

由于養(yǎng)殖基地面積大，開放式養(yǎng)殖，場內(nèi)場外人員結(jié)構(gòu)復(fù)雜，依靠僅有的生產(chǎn)人員很難做到安全防范工作。采用型號為DS-2DC7520IW-A的?？低暻驒C(jī)，將其在場內(nèi)不同位置布設(shè)，實現(xiàn)全天24 h實時監(jiān)控，工作人員在控制室就能隨時監(jiān)控整個養(yǎng)殖場內(nèi)的情況，提高養(yǎng)殖場晝夜安全和防范資產(chǎn)被盜，方便管理。

除了安裝有安防攝像頭，系統(tǒng)配備水上和水下高清攝像頭，機(jī)芯選用?？礑S-2CC11A7P-A，可全方位觀測螃蟹活動情況、餌料剩余、水質(zhì)環(huán)境變化等信息，不僅可以實現(xiàn)水產(chǎn)養(yǎng)殖全程的可視化，還可及時調(diào)整養(yǎng)殖政策，且視頻數(shù)據(jù)可通過云儲存、傳輸，便于遠(yuǎn)程管理。

所有攝像頭的接口為標(biāo)準(zhǔn)的RJ45接口，通過網(wǎng)線接入網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)，再由交換機(jī)接入無線硬盤錄像機(jī)，無線錄像機(jī)接入AP基站，借助螢石云平臺，即可實現(xiàn)本地局域網(wǎng)訪問，又可實現(xiàn)遠(yuǎn)程訪問[20]，實際部署圖如圖5所示。

2.4 智能控制子系統(tǒng)

在養(yǎng)殖的過程中，增氧機(jī)與投料機(jī)是維持蟹種正常生長的必需設(shè)備，增氧機(jī)為葉輪式增氧機(jī)（YL-1.5），投料機(jī)為全自動噴射式投料機(jī)（STLD-600），本系統(tǒng)采用PLC對兩種設(shè)備進(jìn)行控制，同時PLC經(jīng)過RS485轉(zhuǎn)串口模塊與ESP8266（設(shè)置方式與水質(zhì)監(jiān)測系統(tǒng)相同）相連，達(dá)到遠(yuǎn)程控制的目的。

2.4.1 PLC系統(tǒng)設(shè)計

本系統(tǒng)選用西門子 S7 CPU224XP AC /DC/RLY型PLC，它集成了14路開關(guān)量輸入和10路繼電器輸出，配有2路模擬量輸入和1路模擬量輸出，具有2個RS485通信接口，支持 PPI，ModBus，MPI通信協(xié)議和自由方式通信[21-22]。

圖5 攝像頭和氣象站部署圖Fig.5 Deployment diagram of camera and weather station

系統(tǒng)使用PLC的PORT0通信口完成控制器與遠(yuǎn)程的通信，輸出端口Q0.0控制投料機(jī)。使用對應(yīng)的開關(guān)量輸入I0.0監(jiān)測投料機(jī)運行狀態(tài)；使用第二組繼電器Q0.4控制葉輪式增氧機(jī)，并使用對應(yīng)的開關(guān)量輸入I0.4，監(jiān)測增氧機(jī)運行狀態(tài)，系統(tǒng)投料機(jī)和增氧機(jī)的接線圖如圖 6所示。增氧機(jī)采用380 V三相交流電機(jī)，投料機(jī)采用220V交流電機(jī)。QS為電源斷路器開關(guān)，F(xiàn)R為熱繼電器保護(hù)裝置，F(xiàn)U為熔斷器，KM為交流接觸器，KM′為常開主觸點，KM*為常開輔助觸點，SB為閘刀開關(guān)。其工作原理為：閉合斷路器QS/QS1，通過SB1/SB2選擇手動控制還是智能控制方式，開關(guān)合下，表示手動控制，線圈KM1/KM2 通電，主觸點 KM1′/KM2′閉合，增氧機(jī)/投料機(jī)開始工作，同時狀態(tài)觸點KM1*/KM2*閉合；閉合斷路器QS/QS1，SB1/SB2不閉合，表示智能控制，當(dāng)收到遠(yuǎn)程開啟指令時，PLC輸出端Q0.4/Q0.0繼電器動作，線圈KM1/KM2通電，主觸點KM1′/KM2′閉合，增氧機(jī)投料機(jī)開始工作，同時狀態(tài)觸點 KM1*/KM2*閉合，通過查詢I0.0/I0.4的狀態(tài)得到增氧機(jī)和投料機(jī)的工作狀態(tài)。

圖6 增氧機(jī)、投料機(jī)與PLC接線圖Fig.6 Wiring diagram of aerator, feeder and PLC

2.4.2 增氧機(jī)與投料機(jī)遠(yuǎn)程控制

PLC經(jīng)過 RS485轉(zhuǎn)串口模塊與 ESP8266相連，ESP8266接入基地的AP基站，開啟了遠(yuǎn)程和下端連接鏈路。遠(yuǎn)程指令分為遠(yuǎn)程控制指令和遠(yuǎn)程查詢指令。遠(yuǎn)程控制指令包括6個字節(jié)，如：00 01 01 00 00 05，第1個字節(jié)表示設(shè)備類型，若為00，表示增氧機(jī)，若為01，表示投料機(jī)；第2個字節(jié)01表示此指令為遠(yuǎn)程控制指令；第3個字節(jié)表示設(shè)備編號；第4個字節(jié)表示所要控制設(shè)備的狀態(tài)，若為00，表示停止，若為01，表示開啟；第5個和第6個字節(jié)表示設(shè)備開啟時長，單位為min，若第4個字節(jié)為00，第5個和第6個字節(jié)失效。遠(yuǎn)程查詢指令包括6個字節(jié)，如：00 00 01 00 00 00，第1個字節(jié)表示設(shè)備類型，若為00，表示增氧機(jī)，若為01，表示投料機(jī)；第二個字節(jié)00表示此指令為遠(yuǎn)程查詢指令；后3個字節(jié)都為00，為擴(kuò)展字節(jié)，無實際意義。當(dāng)PLC收到遠(yuǎn)程查詢指令后，回復(fù)5個字節(jié)，如：00 01 00 00 05，第1個字節(jié)表示設(shè)備類型，若為00，表示增氧機(jī)，若為01表示投料機(jī)；第2個字節(jié)表示機(jī)器編號；第3個字節(jié)表示設(shè)備工作狀態(tài)，00為停止，01為開啟；后2個字節(jié)表示設(shè)備剩余工作時長。

如要控制1號增氧機(jī)工作60 min，2號投料機(jī)工作30 min，指令分別為00 01 01 01 00 3C和01 01 02 01 00 1E，同時PLC返回的數(shù)據(jù)分別為00 01 01 00 3C和01 02 01 00 1E，經(jīng)過10 min后，查詢其工作狀態(tài)的指令分別為：00 00 01 00 00 00和01 00 02 00 00 00，PLC返回的數(shù)據(jù)分別為00 01 01 00 32和01 02 01 00 14，表示增氧機(jī)還要繼續(xù)工作50 min，投料機(jī)要繼續(xù)工作20 min。

3 服務(wù)端系統(tǒng)框架

服務(wù)器是整個系統(tǒng)的核心組成部分，安裝為 Linux的發(fā)型版本CentOS系統(tǒng)[23]，整體架構(gòu)如圖7所示，后臺服務(wù)中心主要有：

1）監(jiān)測設(shè)備接入API程序：主要用于獲取和控制各種傳感器、視頻等監(jiān)控設(shè)備上傳的信息并存入 MYSQL數(shù)據(jù)庫中。開發(fā)工具為IntelliJ IDEA，開發(fā)語言為Java，采用Netty高并發(fā)框架，利用maven進(jìn)行構(gòu)建Jar包，部署在CentOS服務(wù)器上[24-25]；

2）后臺管理信息API程序：主要提供給PC端瀏覽器上訪問提供接口。開發(fā)工具為IntelliJ IDEA，使用Java語言開發(fā)，采用SpringMVC框架。使用Mybatis框架實現(xiàn)對數(shù)據(jù)庫表的操作[26]；

3）PC端訪問頁面主要使用html、css、js開發(fā)，開發(fā)工具為IntelliJ IDEA，主要提供給用戶對于基本信息的增、刪、改、查的維護(hù)[27]；

4）設(shè)計了基于Android系統(tǒng)的APP軟件，可以查看池塘溫度、溶解氧等參數(shù)，可以實時查看池塘實時監(jiān)控視頻，并可以遠(yuǎn)程控制智能設(shè)備。開發(fā)工具為 Android studio，開發(fā)語言為Java，構(gòu)建工具為Gradle；與服務(wù)端通過Http協(xié)議進(jìn)行通信，格式為Json[28]；

5）養(yǎng)殖基地的氣象數(shù)據(jù)，水質(zhì)數(shù)據(jù)和智能設(shè)備的工作狀態(tài)數(shù)據(jù)使用json格式協(xié)議與遠(yuǎn)程服務(wù)中心進(jìn)行通信，并在CentOS服務(wù)器上開啟TCP通信端口進(jìn)行監(jiān)聽[29]；

6）實時視頻播放通過集成螢石云Android SDK進(jìn)行二次開發(fā)[30-32]；

7）整個平臺的數(shù)據(jù)庫使用MYSQL數(shù)據(jù)庫。

圖7 服務(wù)器總體框架圖Fig.7 Server’s overall framework

4 試驗與結(jié)果分析

本系統(tǒng)于2016年12月29日正式應(yīng)用于上海海洋大學(xué)崇明蟹種養(yǎng)殖基地，截止到目前已經(jīng)正常工作超過 18個月。以下將分別對其通信穩(wěn)定性、數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性和Android客戶端進(jìn)行測試。

4.1 通信穩(wěn)定性測試

一次完整的通信是從下端傳感器數(shù)據(jù)讀取，經(jīng)過中間網(wǎng)絡(luò)傳輸，最終到達(dá)系統(tǒng)服務(wù)器的過程。水質(zhì)數(shù)據(jù)與氣象數(shù)據(jù)每隔1 min向服務(wù)端上報一次，選取從2017年3月1日到2017年10月15日共計230 d的數(shù)據(jù)作為樣本進(jìn)行測試。每個池塘應(yīng)向服務(wù)器上報水質(zhì)數(shù)據(jù)331 200條，氣象站應(yīng)上報331 200條。將服務(wù)器上MYSQL數(shù)據(jù)庫的日志進(jìn)行讀取，分析出如表3所示的結(jié)果。

表3 數(shù)據(jù)丟失率分布Table 3 Distribution of data loss rate

測試結(jié)果表明，本系統(tǒng)數(shù)據(jù)通信平均失敗率為1.8%，成功率在98%以上，穩(wěn)定性良好。

4.2 數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性測試

采用哈希公司進(jìn)口的工業(yè)級別標(biāo)準(zhǔn)在線溶氧儀和pH測試儀作為比較對象，于2017年8月13日進(jìn)行測試，在一天24 h內(nèi)，每隔1 min采集13號池塘的溶解氧、溫度和pH值，共1 440條數(shù)據(jù)；同時讀取本系統(tǒng)對應(yīng)池塘的水質(zhì)數(shù)據(jù)，由于有數(shù)據(jù)丟失，數(shù)據(jù)庫中含有1 386條數(shù)據(jù)。為使試驗結(jié)果具有準(zhǔn)確性，根據(jù)實際養(yǎng)殖經(jīng)驗，將測試儀的傳感器和本系統(tǒng)傳感器放在池塘中的同一位置（池塘中心水下40 cm）介于有草區(qū)和無草區(qū)之間[33]。以時間為橫坐標(biāo)，水質(zhì)數(shù)據(jù)為縱坐標(biāo)，將每兩個小時內(nèi)數(shù)據(jù)的平均值作為一個數(shù)據(jù)點，并將所得數(shù)據(jù)點進(jìn)行擬合，繪制出如圖8所示的對比圖。

圖8 溶解氧、水溫、pH值數(shù)據(jù)對比Fig.8 Comparison of dissolved oxygen, water temperature and pH value data

通過對以上試驗結(jié)果進(jìn)行分析，與標(biāo)準(zhǔn)水質(zhì)測量儀的測試結(jié)果進(jìn)行對比，本系統(tǒng)溶解氧平均相對測量誤差為±0.016 mg/L，溫度為±0.031 ℃，pH值為±0.023，數(shù)據(jù)正確率較高。

4.3 移動端APP應(yīng)用測試

本系統(tǒng)開發(fā)了安卓手機(jī)端APP應(yīng)用，主要功能包括：實時視頻查看、養(yǎng)殖塘水質(zhì)監(jiān)測、養(yǎng)殖設(shè)備控制和基地氣象查詢4個功能，下面分別對其功能進(jìn)行測試。

1）實時視頻查看：在主界面輸入正確的用戶名和密碼后，將進(jìn)入視頻的小圖預(yù)覽模式，如圖9a所示，可以查看養(yǎng)殖基地的布防攝像頭視頻，養(yǎng)殖塘視頻和水下視頻，點擊其中任一小圖，將進(jìn)入實時視頻模式，支持截圖和錄像以及回放功能；

圖9 移動端APP測試界面圖9 Mobile terminal APP test interface

2）養(yǎng)殖塘水質(zhì)環(huán)境監(jiān)測：顯示各個養(yǎng)殖塘的最新更新的溫度和時間信息，如圖9b所示。對于任一養(yǎng)殖塘，通過池塘的溶解氧、pH值和溫度詳細(xì)曲線圖，可實時顯示一天內(nèi)各參數(shù)的變化趨勢，查看具體數(shù)據(jù)信息，并可設(shè)置各參數(shù)的最高最低報警值，同時界面下方顯示出這一池塘位置、面積、養(yǎng)殖對象、生長周期、投喂飼料和增氧機(jī)工作狀態(tài)信息；

3）養(yǎng)殖設(shè)備控制：可通過此前功能界面（見圖9c）改變增氧機(jī)的工作狀態(tài)，也可根據(jù)溶氧傳感器檢測數(shù)據(jù)進(jìn)行自動控制；

4）基地氣象監(jiān)測：可顯示基地氣象站的局部氣象信息和崇明島的大范圍氣象信息，如圖9d所示。

5 結(jié) 論

本文設(shè)計了一套基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的螃蟹養(yǎng)殖監(jiān)測系統(tǒng)。該系統(tǒng)根據(jù)服務(wù)層，應(yīng)用層和執(zhí)行層三層體系結(jié)構(gòu)，分別設(shè)計了水質(zhì)監(jiān)測系統(tǒng)，氣象站系統(tǒng)，視頻監(jiān)控系統(tǒng)以及智能控制系統(tǒng)。整套系統(tǒng)的底層采用嵌入式單片機(jī)與PLC相結(jié)合的方式，通過ESP8266無線模塊進(jìn)行組網(wǎng)，并設(shè)計開發(fā)了手機(jī) APP，使系統(tǒng)具備遠(yuǎn)程監(jiān)控功能。整個系統(tǒng)通信成功率為 98%以上，溶解氧平均相對測量誤差為±0.016 mg/L，溫度為±0.031 ℃，pH值為±0.023。

該系統(tǒng)在上海海洋大學(xué)崇明蟹種養(yǎng)殖基地進(jìn)行測試，整個系統(tǒng)運行穩(wěn)定、智能化程度高，可以節(jié)約人力、減少浪費，既實用又經(jīng)濟(jì)。作為現(xiàn)代化水產(chǎn)養(yǎng)殖的示范，該系統(tǒng)可為養(yǎng)殖戶的生產(chǎn)經(jīng)營提供科學(xué)指導(dǎo)，推動水產(chǎn)養(yǎng)殖的品牌建設(shè)，在工廠化水產(chǎn)養(yǎng)殖、育苗和網(wǎng)箱養(yǎng)殖等領(lǐng)域的進(jìn)一步推廣和應(yīng)用中，為建設(shè)全產(chǎn)業(yè)鏈大數(shù)據(jù)平臺提供數(shù)據(jù)支撐和服務(wù)。

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