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淺析基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的智能漁業(yè)管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)的論文
本系統(tǒng)基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，利用GIS(地理信息系統(tǒng))與數(shù)據(jù)庫技術(shù)優(yōu)勢(shì)，對(duì)傳統(tǒng)漁業(yè)管理中的水溫測(cè)量、氧濃度檢測(cè)、pH 值測(cè)量以及網(wǎng)箱監(jiān)控等管理過程進(jìn)行智能系統(tǒng)設(shè)計(jì)。
1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)
系統(tǒng)結(jié)構(gòu)自底向上依次包括監(jiān)控單元、數(shù)據(jù)傳輸單元、數(shù)據(jù)通信網(wǎng)絡(luò)、數(shù)據(jù)庫及Web 客戶端等。系統(tǒng)利用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的優(yōu)勢(shì)，采用適合漁業(yè)實(shí)踐的各類傳感器、控制設(shè)備對(duì)各種養(yǎng)殖參數(shù)進(jìn)行精確的、實(shí)時(shí)的檢測(cè)及控制。系統(tǒng)利用傳感器網(wǎng)絡(luò)路由管理協(xié)議，進(jìn)行各類監(jiān)控單元的自適應(yīng)組網(wǎng)，以及漁業(yè)管理子網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部的數(shù)據(jù)互聯(lián)。在人工交互方面，系統(tǒng)利用GIS 技術(shù)，可以將管理過程做到高度可視化。系統(tǒng)實(shí)時(shí)顯示各個(gè)漁業(yè)管理子網(wǎng)絡(luò)的地理信息，以及網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部監(jiān)控單元的相關(guān)數(shù)據(jù)。同時(shí)，系統(tǒng)利用B/ S 網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)， 允許管理人員登陸Web 頁面進(jìn)行遠(yuǎn)程控制。
2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)
2.1 漁業(yè)管理子網(wǎng)絡(luò)：
漁業(yè)管理子網(wǎng)絡(luò)作為獨(dú)立工作的局域網(wǎng)， 通過一個(gè)數(shù)據(jù)傳輸單元按照星形拓展結(jié)構(gòu)進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)組織，通信方式采用ZigBee技術(shù)。ZigBee 技術(shù)是穩(wěn)定的點(diǎn)對(duì)點(diǎn)通信方式，有效傳輸距離為2km，單個(gè)區(qū)域的覆蓋面積理論為12km2，因此，完全能夠滿足傳感器子網(wǎng)絡(luò)的通信需求。
漁業(yè)管理子網(wǎng)絡(luò)主要包括以下幾種功能的監(jiān)控單元：GPS定位單元，ZigBee 通信單元、傳感器單元(包括：水溫測(cè)量單元、氧濃度檢測(cè)單元、pH 值測(cè)量單元、網(wǎng)箱監(jiān)控單元等)。數(shù)據(jù)傳輸單元負(fù)責(zé)漁業(yè)管理系統(tǒng)路由協(xié)議管理， 完成與上層數(shù)據(jù)庫及Web 客戶端進(jìn)行有效數(shù)據(jù)互聯(lián)。
2.2 漁業(yè)管理系統(tǒng)路由管理協(xié)議：
在無線局域網(wǎng)絡(luò)路由管理的應(yīng)用中，普遍采用“多跳”的方式進(jìn)行數(shù)據(jù)的傳輸。該方式將每個(gè)子網(wǎng)絡(luò)分成sensor 節(jié)點(diǎn)、sink 節(jié)點(diǎn)、manager 節(jié)點(diǎn)三個(gè)層級(jí)，分別負(fù)責(zé)傳感器數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)匯總與存儲(chǔ)、指令數(shù)據(jù)與數(shù)據(jù)庫的交互。但是，“多跳”方式也具有算法復(fù)雜、設(shè)備功能單一、通信效率較低等問題。隨著ZigBee 技術(shù)的應(yīng)用與發(fā)展，在智能漁業(yè)管理應(yīng)用領(lǐng)域，可靠的無線通信距離已經(jīng)完全能夠滿足需求， 所以本系統(tǒng)提出了一種新型路由管理協(xié)議。該協(xié)議基本特點(diǎn)如下所示：
1)核心是采用“多主”結(jié)構(gòu)，提高總線利用效率。
2)短報(bào)文結(jié)構(gòu)，每個(gè)報(bào)文不超過8 字節(jié)。
3)引入TDMA 分時(shí)傳輸機(jī)制，避免數(shù)據(jù)包沖突。
4)報(bào)文包含源地址或目的地址，利用標(biāo)示符來指示功能信息和優(yōu)先級(jí)。
5)節(jié)點(diǎn)在嚴(yán)重錯(cuò)誤情況下，具有自動(dòng)釋放總線的功能。
在每個(gè)漁業(yè)管理子網(wǎng)絡(luò)中， 設(shè)置唯一的數(shù)據(jù)傳輸單元(DTU)，負(fù)責(zé)組織網(wǎng)絡(luò)，并完成與每個(gè)監(jiān)控單元的數(shù)據(jù)交互。網(wǎng)絡(luò)中設(shè)備之間的通訊是基于連接的， 這樣也為對(duì)任何一個(gè)設(shè)備的通訊進(jìn)行監(jiān)控提供了可能。在傳感器子網(wǎng)絡(luò)中任何一個(gè)參與通訊的監(jiān)控單元都必須和DTU 之間建立一個(gè)獨(dú)立的通訊連接。本系統(tǒng)路由管理協(xié)議的報(bào)文結(jié)構(gòu)， 結(jié)合工業(yè)CAN 總線特點(diǎn)，進(jìn)行了定制化改進(jìn)，報(bào)文長(zhǎng)度不超過8 字節(jié)，并對(duì)于其中前三個(gè)字節(jié)進(jìn)行功能區(qū)劃分， 保證智能漁業(yè)管理系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸?shù)母咝耘c可靠性。
3 GIS 系統(tǒng)設(shè)計(jì)
GIS 系統(tǒng)準(zhǔn)確標(biāo)識(shí)養(yǎng)殖環(huán)境的相關(guān)信息， 并能夠方便對(duì)地圖信息進(jìn)行編輯。地理范圍實(shí)現(xiàn)10 級(jí)分辨率，并且在各級(jí)分辨率地圖上，都可以顯示、修改監(jiān)控單元信息。
3.1 輸入輸出控制
軟件通過查詢數(shù)據(jù)庫找到相應(yīng)的終端設(shè)備的短地址和MAC 地址，通過Socket 編程向網(wǎng)口發(fā)送命令包，通過固定的IP地址和網(wǎng)管和RAM 建立連接，網(wǎng)管接受到命令，發(fā)送給協(xié)調(diào)器，控制終端采集設(shè)備，采集設(shè)備把信息采集回來，上傳到協(xié)調(diào)器，網(wǎng)管，最后在界面上顯示。
3.2 水溫測(cè)量
通過傳感器采集的溫度數(shù)據(jù)和數(shù)據(jù)庫中的養(yǎng)殖目標(biāo)生長(zhǎng)的最佳溫度信息配備，確定此時(shí)的環(huán)境是不是最佳環(huán)境，如果是，則繼續(xù)保持，如果不是，則啟動(dòng)相應(yīng)的設(shè)備改善溫度等。
4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果
為了驗(yàn)證本系統(tǒng)的可靠性與實(shí)用性， 項(xiàng)目組多次在青島市經(jīng)濟(jì)技術(shù)開發(fā)區(qū)海域的近海網(wǎng)箱養(yǎng)殖現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行試驗(yàn)。項(xiàng)目試驗(yàn)分三個(gè)區(qū)域，區(qū)域間隔5km，其中每個(gè)監(jiān)控區(qū)域內(nèi)包含10 口網(wǎng)箱。監(jiān)測(cè)傳感器包括：Pt100 溫度傳感器、pH 傳感器(上海科藍(lán)電化學(xué)儀器科技有限公司)、WQ401 溶解氧傳感器( 美國(guó)Global Water 公司)等。從實(shí)時(shí)監(jiān)控平臺(tái)來看，系統(tǒng)運(yùn)轉(zhuǎn)正常，顯示界面能夠自由切換， 并且能夠完成對(duì)于每一口網(wǎng)箱的獨(dú)立監(jiān)控工作。網(wǎng)箱pH 值7.2～7.9，溫度范圍8.4～11.6°C，與實(shí)際手工測(cè)量保持一致。同時(shí)，系統(tǒng)能夠完成對(duì)于人工活動(dòng)的正常報(bào)警，表明系統(tǒng)在無人監(jiān)控方面有可靠表現(xiàn)。
生產(chǎn)實(shí)踐證明， 本系統(tǒng)已經(jīng)能夠完成對(duì)于傳統(tǒng)的漁業(yè)管理的產(chǎn)業(yè)升級(jí)，是一套高效可靠的成熟管理系統(tǒng)。系統(tǒng)在傳感器網(wǎng)絡(luò)管理與數(shù)據(jù)交互方面表現(xiàn)突出， 能夠適用于不同的漁業(yè)生產(chǎn)環(huán)境。同時(shí)，本系統(tǒng)的操作界面簡(jiǎn)潔，設(shè)置方式便捷，易于廣大養(yǎng)殖戶及漁業(yè)領(lǐng)域管理者使用，具有良好的市場(chǎng)前景。本系統(tǒng)實(shí)施中產(chǎn)生的軟硬件環(huán)境和應(yīng)用系統(tǒng)， 可作為實(shí)現(xiàn)現(xiàn)代信息技術(shù)與傳統(tǒng)漁業(yè)管理的有機(jī)結(jié)合的產(chǎn)學(xué)研平臺(tái)。智能漁業(yè)是新興的巨大市場(chǎng)，市場(chǎng)預(yù)計(jì)每年可達(dá)數(shù)億元規(guī)模，本系統(tǒng)目前已經(jīng)實(shí)現(xiàn)800 萬元的銷售額。
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