基于物联网的水产养殖环境监测系统

韩凯 宋海明

摘  要：为满足水产养殖过程中对水环境实时准确远程监测的的需求，本文设计了一套基于物联网技术的水产养殖环境监测系统。通过分析系统的功能需求，设计了以STM32为核心的现场采集单元和搭载Linux系统的Raspberry Pi远程监测中心，能够便捷的、实时的、远程的、多终端的监测水产养殖环境信息，推进水产养殖业信息化发展。

关键词：水产养殖;物联网;STM32;环境监测;Linux系统

引言

近些年，农业信息化越来越受到国家的重视，其中农业部专门针对水产养殖业提出了“信息化全面支撑现代水产养殖业转型升级”的指导意见。

据统计数据显示，自2009年起国内水产人工养殖比例逐年增加，至2019年我国养捕比达到78：22。水产养殖的关键就是对PH、浊度、溶解氧、电导率、水温、水流、光照、投饲、吸污、消毒等进行监测控制。目前在我国，养殖业多为粗放式经营，多采用现场人工监测的方法，需要投入大量的时间、物力、人力。

本文旨在开发一套结合物联网技术和传感技术的水产养殖环境监控系统，能够便捷的、实时的、远程的监控水产养殖环境信息。

1 系统整体设计

系统整体功能是要对上述水环境信息进行实时采集与监测，监测的频度和范围都要符合相关标准，各个监测点信息数据能在远程监测中心进行显示、存储、处理。

在完成上述功能的同时，也要考虑系统的性能需具备现场采集单元能耗低、系统成本低、数据精确性高、操作简单易上手等特点。

如图1所示，系统主要分为现场采集单元和远程监测中心。现场采集单元实现各传感器数据的采集，并以无线通信的方式将数据传输到远程监测中心。远程监测中心将传输来的数据进行存储和处理，实时了解各项环境参数。

2 硬件设计

现场采集单元采用蓄电池加太阳能板的持续供电方案，选用大容量的12V，8AH铅蓄电池弥补阴雨天太阳板供电不足，用STM32F103VET6微处理器，具有低成本、高性能、低功耗、丰富的外设等优点，满足系统开发的需要。

按Modbus协议采集各从站传感器数据，使用微处理器USART接口外接MAX485/MAX232低功耗收发器，实现硬件通信。使用微处理器的USART接口实现与GPRS模块无线通信的数据交互。从站传感器选用基于RS-485的Modbus RTU传输协议的电化学传感器，实现对PH、浊度、溶解氧、电导率等参数的测量。

为了降低系统成本，本文选用Raspberry Pi作为远程监测中心的工作台终端，基于Linux系统进行了相应的软件开发。

3 软件设计

系统设计采用Modbus协议的单播模式，以RTU传输进行设计。主站程序设计采用周期轮询模式，以定时器和串口模块配合使用，实现Modbus主站对从站传感器的轮询。

采集单元设备注册到服务器后，在一个定时周期内，将采集到的实时数据进行应用层协议封装后生成上报数据帧，其设计是基于字节流的TCP协议数据格式，通过串口发送到GPRS模块将数据打包上传。现场采集单元将数据帧以串口中断模式发送给GPRS模块，若发送过程中接收中断触发，不予处理，直到数据帧发送完成后处理接收中断，这样可以避免数据被分包发送到服务器，出现接收處理错误。

在TCP服务器中，实现C/S架构中的业务逻辑层和数据访问层，负责采集单元的连接处理以及之间的双向通信功能;需要将长久保存的数据实时写入数据库进行查询与修改;TCP服务器还要与用户界面（UI）进行数据交互，实现数据信息的可视化管理。

在Linux系统中创建数据库存储发来的数据。

[mysql]> CREATE TABLE Area_Binding（AreaId TINYINT PRIMARY KEY，AreaName CHAR（10），DeviceId INT，DeviceStatus BIT，Breed CHAR（15），SensorCount TINYINT，SensorStaId TINYINT）;

在Raspberry Pi中安装Qt运行环境开发支持多线程的TCP服务器。

$ sudo apt-get install gcc g++ qt5-default qtcreator

搭建服务器的主要操作如下：

定义Server类，公有继承QTcpServer类;

定义serverThread类，公有继承QThread类;

定义MySocket类，公有继承QTcpSocket类;

数据库调用使用Qt封装的数据库相关类实现。

UI实现的系统架构图如图5（b）所示，其元素由QML实现，包括文本、图片、按钮、菜单、表格等元素;QML Application负责动态加载QML文件，与业务逻辑（Biz）层交互;Biz层负责业务逻辑和复杂的运算，并协调上层和下层的调用和转换;开放式图形库OpenGL用于渲染2D、3D矢量图形的跨语言、跨平台的应用程序编程接口（API）;DirectFB是一个提供轻量级硬件图形加速、输入设备处理的抽象的图形库;System（DB，Kernel）提供与系统底层相关的支持。

4 结论

本文为满足水产养殖过程中对于环境自动监测的需求，在综合考虑功能和性能的基础上，结合物联网技术和传感技术从硬件设计和软件实现两方面方面开发了一套水环境监测系统，以达到降低工作人员的劳动强度，提高水产品产量的目标。

参考文献

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