物联网技术在海水养殖中的研究与应用

引 言

2016 年 3 月17 日，《中华人民共和国国民经济和社会发展第十三个五年规划纲要》发布，其中多处提到物联网技术及智慧海洋。纲要第二十七章实施国家大数据战略中提出建设物联网应用基础设施和服务平台，推进物联网重大应用示范工程建设。在第四十一章拓展蓝色经济空间中提出推进智慧海洋工程建设。

如何构建科学的智慧海洋系统架构，使智慧海洋工程更好地为海水养殖服务。此方案从数据采集及控制节点、服务器、展示端三个部分设计和实现了一套完整的海水养殖智慧平台。

1 系统架构

如何能够快速将远端数据采集及监控，根据系统需求设计系统架构图，如图 1 所示。

在系统架构图中，虚线双向箭头表示无线双向通信，实 线双箭头表示有线双向通信。在系统整体架构中，通信方式 主要采用 Socket 通信，对于数据采集节点的识别主要采用设 备编号的方式进行区分。展示端采用定时更新数据及请求更新 模式，同时服务器端设计了预警实时提示功能，系统采用 C/S 模式开发完成。

2 数据采集及控制节点

根据实用及成本考虑，数据采集及控制节点采用STM32单片机，设计两路电压输入和两路电流输入，一路 RS 485及一 路 CAN 接口，一个继电器。节点中现接有 pH 传感器一个，输 出为电压模拟量 0 ～10 V；含氧量传感器一个，输出为电流模 拟量 4 ～20 mA ；温度传感器一个，采用 ds18b20，将其它没有 使用的输入接口作为后期其它数据采集扩展使用。此节点通信 模块采用 SIM900A，通讯模式采用 GPRS，满足近海海域信号 的全覆盖。节点与服务器连接时，首先发送固定编号，格式为 “1111+ID”，ID 编号从 STM32 芯片唯一 96 位设备 ID 号中读取， 1111 表示数据采集节点。当采集数据超出标准时，可以通过控 制继电器来采取相应控制措施，同时可发送短信到指定手机中 发布预警信息。根据实际需求，可使用休眠模式，定时采集相 关数据，大大降低数据采集及控制节点的能耗问题。

3 服务器

服务器作为数据汇集端，在设计和实现中主要负责数据 通信、数据存储和数据处理等，采用 C# 编程语言、Socket 通 信方式和 SQL Server 2008 数据库。服务器端对指定端口进行 监听，当监听到客户端建立连接时，将客户端 IP 地址及端口 号储存到特定集合中，以便后期对指定采集节点发送控制信息。 当服务器端建立连接后，通过判断客户端发送的第一条信息 的前四位以区分是采集控制节点还是展示节点。当接收信息前 四位为 1111 时，为采集控制节点，需将 ID 号与 IP 地址及端 口号进行绑定，存储在数据库中。当接收信息前四位为 2222 时， 连接用户为展示端，根据后面请求指令返回相应的数据信息， 包括身份验证、温度数据请求、pH 值数据请求和含氧量数据 请求等信息。服务器端将根据接收数据进行信号调理，使接 收到的采集节点的数据与实际值更加接近。同时具有数据预 警机制，根据各预警参数值进行分析判断，一旦超出既定范 围将立即采取相应措施并发送信息给展示端，起到环境监测 预警的作用。

4 展示端

展示端主要包括两部分，一部分为 PC 展示端，另一部分为移动展示端。PC 展示端主要采用C# 编程模式，而移动终端展示使用Android 编程模式。展示端仅仅是在展示设备和编程语言中有所不同，其通信协议完全相同，通信方式仍使用Socket 编程。首次与服务器端连接时需发送 2222 作为展示端身份验证，服务器有数据更新时将向展示端发送更新数据。展示端需实现的功能有温度、pH 值、含氧量、预警显示及数据采集控制节点的继电器控制。根据服务器端请求指令的不同来获取不同的数据，以便在展示端展示。当数据超标时， 预警信号由绿色变为红色，恢复正常后将自动切换回绿色。以PC 展示端为例，实际接收和显示的数据如图 2 所示。

图 2 PC 展示端数据

5 结 语

此平台提供了一套完整的智慧海洋系统解决方案，从终端采集、网络传输、服务端数据处理到展示端数据展示及预警均采用了相关成熟的技术，保证了平台的稳定性。将物联网相关技术应用于海水养殖中，优势明显，大大节省了人力成本并解决了在恶劣环境中养殖数据的实时采集和处理等问题。除应用于海水养殖，此平台还为海洋环境监测等方面提供了相关借鉴，其商业推广前景十分广阔。