基于Savant中间件的滩涂养殖环境监测系统研究

吴中华，黄小丽

(南通科技职业学院，江苏 南通　226007)

基于Savant中间件的滩涂养殖环境监测系统研究

吴中华，黄小丽

(南通科技职业学院，江苏 南通226007)

摘要：为减少滩涂环境变化对滩涂养殖户们的经济损失，提出一种基于Savant中间件的滩涂养殖环境监测系统。该系统运用无线传感器技术、嵌入式计算机技术、3G无线通信技术等，对滩涂养殖的环境进行动态监测，以便管理人员实时掌握滩涂环境信息，对采集数据进行实时处理。

关键词：滩涂养殖；Savant 中间件；环境监测

作者简介：吴中华，硕士，讲师，CCF会员，南通科技职业学院。研究方向：网络安全、农业信息化。

黄小丽，硕士，讲师，南通科技职业学院。研究方向：农业信息与自动化控制。

基金项目：江苏省南通市科技创新计划项目 “基于物联网技术的滩涂养殖环境监控关键技术研究” (编号：BK2011054)。

文章编号：1672-6758(2015)11-0055-3

中图分类号：TP393

文献标识码：标识码：A

Abstract：An environment monitoring system based on Savant middleware is designed and implemented to reduce the economic losses of the intertidal mudflat culture．This system combines wireless sensor networks technology, embedded computation，with 3G wireless communications technology，etc，to realize the functions of the environment dynamic on-line monitoring and data real-time processing．The managers can collect the environment of intertidal mudflat culture quickly through the monitoring data and take timely relief measures．

随着滩涂养殖规模的扩大和养殖种类的增加，滩涂养殖环境正日益变得越来越复杂，致使滩涂养殖发生老化现象，养殖能力也严重下降，[1]因此对滩涂环境的监测也变得越来越重要。由于滩涂养殖区域集中在沿海的近岸水域，环境因子具有多样性、多变性，区域较为分散，无法实时掌握滩涂养殖区域的生态信息。此外环境污染对滩涂养殖的影响越来越明显，滩涂养殖必须投入大量的人工对生态信息进行频繁监测，随着资金的投入不断加大，提高了滩涂养殖的成本，阻碍了滩涂养殖业的发展。为了解决上述存在的问题，提出了一种基于Savant中间件的滩涂养殖环境监测系统，该系统是一个集参数测量、数据转换、无线传输、超限报警等功能于一体的系统。该系统利用Savant中间件、[2]RFID、软件、3G无线通讯等技术，通过对滩涂养殖环境的实时监测实现了滩涂养殖环境参数数据的自动采集与预警功能。

1Savant中间件

Savant是物联网系统获取信息、处理信息和传送信息的核心部分，被称为中间件，或称神经网络软件，主要用来处理从传感器和电子标签上发出的传感器数据或者标签流。[3]作为连接读写器和企业应用程序的纽带，Savant是代表企业应用程序提供一系列计算功能的软件，擅长处理海量数据的咨询，在将数据送往企业应用程序之前，对数据进行过滤、统计，压缩。为了方便管理与传输数据，防止企业与网络的超载，减少网络流量，Savant只向上层转发它感兴趣的某些事件或事件摘要，完成资料校对、阅读器协调、资料传送与存储等工作，并有防止错误识读、漏读和重读数据的功能。Savant具备树型布局，这类布局可以简化处理流程，提升体系运行的效力。Savant的所有应用实例中，必须实现由Auto-ID标准委员会定义的三个标准程序模块：事件管理系统(EMS)、实时内存数据结构(RIED)、任务管理系统(TMS)。[4]

2系统的结构与功能

基于Savant中间件的环境监测系统采用三层结构模式，即感知层、网络层和应用层，系统主要由WSID节点、WSID簇节点、汇聚节点、Savant中间件、RFID标签等构成。其中感知层包括传感和智能感知采集单元，传感单元主要负责获取滩涂的水温、溶氧、PH、盐度、光照度、流速等环境数据；RFID阅读器获取节点设备载体(浮漂)的物理识别信息，即RFID标签数据，包含浮漂ID号、投放日期、投放区域、管理人员等，形成一个信息网络终端。在网络层，汇聚节点接收的数据通过无线传感器系统传输到Savant中间件，Savant中间件通过Reader接口接收远程命令，再传输给处理模块，提供数据过滤与处理、数据路由与集成等功能处理，处理后的数据通过3G网络上传到数据库服务器。应用层主要由数据库服务器、通讯服务器、Web服务器组成。数据库服务器完成设备运行数据存储以及其它管理信息存贮等功能；通信服务器完成与网关节点进行3G通信，实现数据的传输以及实现信息共享；Web服务器用于应用系统的发布、信息管理等功能。系统的整体结构如图1所示。

图1　系统的整体结构

3WSID节点的硬件设计

WSID节点是通过在RFID阅读器中嵌入ZigBee无线收发模块来实现的，[5]其硬件结构由RFID射频收发模块、ZigBee无线收发模块、微控制器、传感器模块、电源模块构成。由于网络通讯能量消耗较大，选用德州仪器研发的CC2650为通信器件来设计WSID节点。CC2650是一款面向远程控制应用的无线MCU，具有极低的MCU电流以及低功耗模式可确保其正常的使用周期，同时含有一个32位ARM Cortex-M3处理器，具有丰富的外设功能集，适用于在系统处于休眠模式时连接外部传感器、自主采集模拟和数字数据。[6]因此WSID节点的硬件设计中将CC2650作为微控制器、ZigBee无线收发模块的核心芯片。微控制器的工作是对各模块进行协调管理，负责对获取的数据进行处理，并通过RS232串口与SPI接口分别控制RFID射频收发模块和ZigBee无线收发模块。ZigBee无线收发模块由RF收发器和RF天线组成。RFID射频收发模块选用的是德州仪器的13.56MHz多协议射频收发器芯片S6700,该芯片支持多种通信协议，具有多个通信接口，满足ISO/IEC 14443A标准的同时又集成了编码、调制、反碰撞和安全认证等RFID控制方式和协议，可以保证RFID阅读操作的稳定性。传感器模块是应用温度、湿度、溶解氧等传感器监测滩涂环境，然后经由A/D转换将数据送给CC2650进行处理。电源模块采用锂电池供电和太阳能充电双电源方式。系统采用额定电压3.7V的3节锂电池串联，增强了电池续航供电能力，同时根据光照度情况和电池能量状态对锂电池进行充电，通过电源的安全、快速切换，实现了WSID节点的正常工作。WSID节点结构示意图如图2。

图2　WSID节点结构示意图

4系统的软件设计

系统的软件设计包括WSID节点的软件、汇聚节点的软件、上位机系统的设计三个部分。

4.1WSID节点的软件设计。

WSID节点软件在TinyOS[7-8]操作系统上用nesC语言编写，包括WSID节点、WSID簇节点的软件设计，由于每一个节点在特定的情形下都有可能配成簇节点，所以每个节点都必须烧写拥有簇节点与普通节点相对应的程序，节点之间通过路由协议进行配置。WSID簇节点能够完成WSID节点的工作，并通过WSID簇节点内RFID射频收发模块获取簇节点覆盖范围内的浮漂的物理识别信息，然后将自身采集的数据发送给簇节点本身，随后将获取的数据进行数据融合，通过无线传感器系统发送给Savant中间件。WSID节点的工作流程图见图3。

图3　WSID节点的工作流程图

4.2汇聚节点的软件设计。

汇聚节点作为监测系统中不可或缺的一类节点也被称为协调器节点，主要负责网络的创建和管理。WSID簇节点采集的环境信息和RFID数据最终将发送到汇聚节点。系统上电后，运行Z-stack协议栈。首先将所有中断关闭，然后进行一系列初始化工作，最后打开所有中断。汇聚节点收到WSID簇节点发送来的数据，包括温度、湿度参数和标签信息。在通过RS-422串行接口发送给Savant中间件之前需要对数据进行解析，然后发送。

4.3上位机系统的实现。

上位机系统的开发采用UML技术进行可视化建模，以Visual Studio 2008、SQL Server 2005 Express作为开发平台,使用.Net平台的WinForm技术开发，编程语言为C#语言。系统的开发采用三层架构的架构方式，系统分为表示层、业务层、数据存储层，实现的系统模块包含登陆模块、管理模块、数据管理模块、传输管理模块、查询统计模块、数据库管理模块。管理人员通过上位机软件可以实时掌握滩涂环境参数，当环境参数超过设定的阈值范围时，自动启动预警功能，管理人员可以及时采取相应措施。

4.4数据的过滤处理。

由于采集的RFID数据与WSN数据有两种不同结构，所以对数据流的处理Savant中间件通过XML进行协议的解析与转化及融合后数据处理，融合后的数据有大量的冗余，要最小化冗余得到准确数据就必须依靠Savant中间件的数据过滤功能。本文对平滑过滤器进行改进，根据选择最优的过滤阈值给出对应的过滤算法。改进的平滑过滤器通过改变时间阈值t和计数阈值n来观察过滤效果，本文选用的WSID节点50个，多阅读器方式的读取周期为10ms。平滑过滤器的测试数据如表1。根据表1的数据结果可以看出，时间阈值为20，计算阈值为2时系统的效率最好，WSID节点漏读率最低。

表1　平滑过滤器的测试数据

5系统的实验测试

本文选取环境参数中两个典型参数溶解氧、温度为实验监测对象, 通过比较尺度值和实际值对系统进行精度检测。与尺度值相比，WSID节点、汇聚节点、主机数据的相对误差都小于1.5%，精度能控制在技术指标范围内。同时，数据通信过程虽然采用了无线方式，但从表2可以看出通信错误接近于零，这表明网络通信非常稳定，实现了对环境参数的准确检测和无线传感器网络通信功能的同时, 还节约能源并降低养殖成本。溶解氧、温度参数数据被列举在表2中。

表2　尺度值和标准值的比较

6结束语

本文将Savant中间件、无线传感器等技术应用在滩涂养殖环境监测系统中，在不受地域、时域的限制下提高了滩涂养殖环境监测系统的性能，实现了滩涂养殖环境参数的自动采集、无线传输和实时处理，对滩涂养殖业的发展具有一定的实际意义。该滩涂养殖环境监测系统结构简单，精度高，数据通信稳定，具有广泛的应用前景。

参考文献

[1]刘斌，等.滩涂养殖对海洋生态系统的影响[J].创新，2010(1):58-60.

[2]李锦涛,郭俊波,罗海勇,等. 射频(RFID)技术及其应用[J].信息技术快报,2004,11(2):l-10.

[3]中国物品编码中心.Savant技术说明书[EB/OL].http://www.rfidworld.com.cn/bbs/.

[4]EPC Global.The EPC global architecture framework [EB/OL]. http://www.epcglobalinc.org.

[5]ZHANG Lei,WANG Zhi.Integration of RFID into wireless sensor networks:architectures,opportunities and challenging problems [C]//The Fifth International Conference on Grid and Cooperative Computing Workshops.Changsha: IEEE,2006:463-469.

[6]德州仪器.CC2650 SimpleLink多标准无线MCU.[EB/OL].http://www.ti.com.cn/product/cn/cc2650.

[7]Raghunathan V,Schurgers C,Park S,Srivastava M B.Energy-aware wireless microsensor networks[J].IEEE Signal Processing Magazine,2002(19)2:40-50.

[8]KRISHNAMACHARI B,ESTRIN D,WICKER S.Modeling DataCentric Routing in Wireless Sensor Networks[A].2002 IEEE INFOCOM Proceedings[C].New York,NY,USA:IEEE Communications Society,2002.42-49.

An Environment Monitoring System for Intertidal Mudflat Culture Based on Savant Middleware

Wu Zhonghua，Huang Xiaoli

(Nantong Science and Technology College，Nantong, Jiangsu 226007，China)

Key words：intertidal mudflat culture；Savant middleware；environment monitoring

Class No.:TP393Document Mark：A

(责任编辑：郑英玲)