漁業(yè)養(yǎng)殖生態(tài)數(shù)據(jù)采集遠程傳輸系統(tǒng)研究

趙樹平 周繼偉

摘要 針對海洋漁業(yè)養(yǎng)殖過程中存在的數(shù)據(jù)采集對象單一和傳輸距離短等問題，提出一種海洋漁業(yè)養(yǎng)殖生態(tài)數(shù)據(jù)采集遠程傳輸系統(tǒng)的設(shè)計方案。該系統(tǒng)以水質(zhì)多參數(shù)傳感器、水下CCD攝像機為數(shù)據(jù)的采集單元，采用ZigBee、無線網(wǎng)橋、GPRS/4G和Internet網(wǎng)絡(luò)等現(xiàn)代通信傳輸技術(shù)進行養(yǎng)殖生態(tài)數(shù)據(jù)的遠距離接力傳輸，實現(xiàn)對海洋漁業(yè)養(yǎng)殖過程的遠程實時監(jiān)測。

關(guān)鍵詞 水質(zhì)傳感器;數(shù)據(jù)采集;遠程傳輸;無線網(wǎng)橋

中圖分類號 S951文獻標識碼 A

文章編號 0517-6611（2019）11-0247-02

doi：10.3969/j.issn.0517-6611.2019.11.071

開放科學(xué)（資源服務(wù)）標識碼（OSID）：

Key words Aiming at the problems of single data collection and short transmission distance in the process of marine fish culture， a design scheme for remote transmission system of marine fishery ecological data collection is proposed. The system uses water quality multiparameter sensor and underwater CCD camera as the data acquisition unit， and adopts modern communication transmission technology such as ZigBee， wireless bridge， GPRS/4G and Internet network to carry out longdistance relay transmission of aquaculture ecological data to realize marine fishery remote realtime monitoring of data in the culture process.

Key words Water quality sensor;Data acquisition;Remote transmission;Wireless bridge

基金項目 遼寧省科學(xué)技術(shù)計劃項目（2010216008）;遼寧省海洋漁業(yè)廳科研項目（201512）。

作者簡介 趙樹平（1960—），男，遼寧大連人，副教授，碩士，從事海洋3S技術(shù)及其應(yīng)用方面研究。

收稿日期 2019-01-16

海洋漁業(yè)養(yǎng)殖需求不斷提高，養(yǎng)殖生態(tài)數(shù)據(jù)的監(jiān)測和研究呈現(xiàn)出多樣化趨向，對海洋環(huán)境的水質(zhì)進行采集監(jiān)測以便更好地服務(wù)于海洋養(yǎng)殖生產(chǎn)。筆者主要研究水質(zhì)多參數(shù)傳感器等漁業(yè)養(yǎng)殖生態(tài)傳感器和無線通信傳輸技術(shù)在遠岸海洋漁場中的應(yīng)用，以期實現(xiàn)對養(yǎng)殖生態(tài)數(shù)據(jù)的采集和遠程傳輸[1-2]。

1 系統(tǒng)組成

系統(tǒng)由數(shù)據(jù)采集單元、數(shù)據(jù)傳輸單元和監(jiān)控中心三部分組成，如圖1所示[3-6]。采用漁業(yè)養(yǎng)殖生態(tài)傳感器、ZigBee、無線網(wǎng)橋、GPRS和Internet等技術(shù)實現(xiàn)了以下功能。

（1）數(shù)據(jù)采集單元由水質(zhì)多參數(shù)傳感器和水下CCD攝像機等漁業(yè)養(yǎng)殖生態(tài)傳感器組成，采集漁業(yè)養(yǎng)殖生態(tài)數(shù)據(jù)傳感器包括：溶解氧、pH、氨氮、水溫、鹽度、濁度等。微處理器A（ARM1）：對數(shù)據(jù)進行存儲、轉(zhuǎn)換，然后把數(shù)據(jù)發(fā)送到ZigBee B協(xié)調(diào)器上。

（2）數(shù)據(jù)傳輸模塊包括ZigBee、無線網(wǎng)橋、GPRS/4G和Internet等現(xiàn)代通信技術(shù)[7]，其中，ZigBee B是把傳感器當(dāng)節(jié)點來組成多個自組網(wǎng)，形成多個監(jiān)測點，進行大量的數(shù)據(jù)采集;建立短距離的無線網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議，不僅接收來自傳感器的數(shù)據(jù)，還要把數(shù)據(jù)傳送傳輸?shù)轿⑻幚砥鱀（ARM2）上進行轉(zhuǎn)換;ARM2對ZigBee C上的數(shù)據(jù)進行存儲、轉(zhuǎn)換（作為網(wǎng)關(guān)），把數(shù)據(jù)傳輸?shù)綗o線網(wǎng)橋E上;無線網(wǎng)橋E進行遠距離的海上傳輸（沒有公網(wǎng)覆蓋），把ARM2接收的數(shù)據(jù)，利用無線網(wǎng)橋E天線轉(zhuǎn)換成信號，以電磁波的形式通過海上無線網(wǎng)橋基站F接力傳輸?shù)搅硪粋€天線網(wǎng)橋G上，然后再通過微處理器H（ARM3）對無線網(wǎng)橋上G接收的數(shù)據(jù)進行存儲、轉(zhuǎn)換（作為網(wǎng)關(guān)），把轉(zhuǎn)換成GPRS格式數(shù)據(jù)傳輸?shù)紾PRS上，GPRS L把經(jīng)過ARM3轉(zhuǎn)換的信號發(fā)送到Internet上;Internet把數(shù)據(jù)傳送到鏈接互聯(lián)網(wǎng)的監(jiān)控中心。

ARM1把采集后的數(shù)據(jù)傳輸?shù)綗o線網(wǎng)橋發(fā)射端，由無線網(wǎng)橋向ARM2傳輸，在接收到無線網(wǎng)橋發(fā)來的數(shù)據(jù)之后，通過ARM3處理，把數(shù)據(jù)利用GPRS的特性傳輸?shù)絀nternet上[8-10]。

（3）監(jiān)控中心分為移動端和監(jiān)控中心端，因為數(shù)據(jù)傳輸?shù)搅薎nternet上，無論是監(jiān)控中心還是移動終端都可以隨時隨地得到數(shù)據(jù)，對數(shù)據(jù)進行實時檢測等，也可以隨時查閱和下載等[11]。

2 軟件流程圖設(shè)計

數(shù)據(jù)采集過程，首先要把網(wǎng)關(guān)激活，先將協(xié)調(diào)器進行初始化，然后建立ZigBee網(wǎng)絡(luò)，把節(jié)點加入網(wǎng)絡(luò)，對節(jié)點分配網(wǎng)絡(luò)地址，才能把采集到的數(shù)據(jù)發(fā)送到ARM1[12]。利用多個ZigBee模塊組建無線通信網(wǎng)絡(luò)，把其中一個模塊作為網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器使用，剩下的其他模塊作為采集的終端節(jié)點。采集點具體流程如圖2所示。

終端節(jié)點先進行初始化，然后加入網(wǎng)絡(luò)，先以低功耗的模式運行，當(dāng)有采集指令的時候，就對數(shù)據(jù)進行采集，最后把采集到的數(shù)據(jù)發(fā)送到自組網(wǎng)。終端節(jié)點進行初始化，當(dāng)收集層領(lǐng)受到應(yīng)用層的指令后，起頭運行并申請加入收集。起首由收集層向MAC層發(fā)送履行信道掃描。首先要選定網(wǎng)絡(luò)，從應(yīng)用層向網(wǎng)絡(luò)層發(fā)送選擇指令，從網(wǎng)絡(luò)層選擇一個網(wǎng)絡(luò)進行連接，連接成功后，網(wǎng)絡(luò)層將收到來自于MAC層的指令，其中包含由協(xié)調(diào)器為該節(jié)點分配的網(wǎng)絡(luò)地址，節(jié)點插手收集后將周期性地收集傳感器數(shù)據(jù)，為節(jié)流節(jié)點能耗，每次收集完成后節(jié)點會把數(shù)據(jù)發(fā)送出去。在新的采集指令沒有到達之前，整個節(jié)點會進入休眠，低能耗模式運行。若是收到新的收集指令，節(jié)點就會起頭新的一輪收集。

ARM2在ZigBee里充當(dāng)網(wǎng)關(guān)的流程圖，在系統(tǒng)供電后，初始化串口通信，設(shè)置波特率，然后進行信號測試，確認信道通暢，然后設(shè)置數(shù)據(jù)模式，查詢無線網(wǎng)橋的狀態(tài)，配置APN，打開TCP/IP，確認連接成功后進行數(shù)據(jù)傳輸[13]。負責(zé)把ZigBee上的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成能在無線網(wǎng)橋上傳輸?shù)臄?shù)據(jù)，然后，網(wǎng)關(guān)ARM3設(shè)備開始接收由無線網(wǎng)橋設(shè)備發(fā)送來的采集網(wǎng)絡(luò)的傳感器數(shù)據(jù)。對ARM3進行供電，經(jīng)過一系列的轉(zhuǎn)換，把數(shù)據(jù)變成信號，往GPRS上傳輸，流程圖如圖3所示，在系統(tǒng)供電后，初始化串口通信，設(shè)置波特率，然后進行信號測試，確認信道通暢，然后設(shè)置數(shù)據(jù)模式，查詢GPRS的狀態(tài)，配置APN，打開TCP/IP，確認連接成功后進行數(shù)據(jù)傳輸。信號傳送到GPRS上，然后通過移動公網(wǎng)把數(shù)據(jù)傳發(fā)送到與Internet聯(lián)網(wǎng)的監(jiān)控中心[14-15]。

3 結(jié)語

該研究提出海洋漁業(yè)養(yǎng)殖生態(tài)數(shù)據(jù)采集遠程傳輸系統(tǒng)設(shè)計方案，采用了水質(zhì)多參數(shù)傳感器、水下CCD攝像機等海洋漁業(yè)養(yǎng)殖生態(tài)數(shù)據(jù)采集技術(shù);采用了ZigBee來實現(xiàn)其自組網(wǎng)的功能，在浮標的作用下，不用架設(shè)有線，能對多個位置和深度進行測量;采用了無線網(wǎng)橋技術(shù)，突破了在沒有移動公網(wǎng)的情況下，仍能進行數(shù)據(jù)通信和傳輸，不用擔(dān)心距離短的問題，也節(jié)省了很多通信成本;采用了成熟的GPRS無線通信技術(shù)，無論是數(shù)據(jù)少量或者大量傳輸，都可以提供高效、可靠和安全的在線數(shù)據(jù)傳輸業(yè)務(wù)，更好地完成海洋漁業(yè)養(yǎng)殖生態(tài)數(shù)據(jù)的遠距離接力傳輸，完成對海洋漁業(yè)養(yǎng)殖過程中的遠程實時監(jiān)控。

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