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基于物联网和GIS的水产养殖测控系统平台设计

更新时间：2019-12-24 10:23:34 大小：2M 上传用户：xiaohei1810 查看TA发布的资源 标签：物联网 GIS 水产养殖测控系统 WiFi 下载积分：1分评价赚积分（如何评价?）打赏收藏评论(0) 举报

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针对水产养殖水质多参数监测的需求和现有水质环境监测系统存在的问题，设计了一种基于物联网和地理信息系统（ GIS）的水产养殖测控系统。通过整体性能的研究分析，设计了测控系统平台的3层体系架构（传感控制层、传输层和应用层），提出了自顶向下、逐步求精以及模块化、结构化的设计方法；根据采集数据传输的可靠性、稳定性等要求，提出WiFi网状组网的配置方法，设计了系统硬件的供电模块；研究了本地服务器、中心服务器和控制模块软件系统；通过网络丢包率测试和水质溶氧量分析，验证了系统数据传输的可靠性，并在溶氧超出范围后自动控制增氧机，有效地调节池塘溶氧量。相比于传统的水产养殖远程监控系统，该系统通过物联网和 GIS 技术的融合，实现了水质环境的远程无线测控和区域化水产养殖管理，因此能够大大推进水产养殖智能化、自动化系统建设的发展，适应水产养殖的需要。

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第４３卷第６期

２０１６年１２月

Ｖｏｌư ４３ꢀ Ｎｏư ６

Ｄｅｃư ２０１６

渔业现代化

ＦＩＳＨＥＲＹＭＯＤＥＲＮＩＺＡＴＩＯＮ

ＤＯＩ：１０．３９６９／ｊ．ｉｓｓｎ．１００７⁃９５８０．２０１６．０６．００４

基于物联网和ＧＩＳ的水产养殖测控系统平台设计

刘星桥，骆ꢀ 波，朱成云

（江苏大学电气信息工程学院，江苏镇江２１２０１３）

摘要：针对水产养殖水质多参数监测的需求和现有水质环境监测系统存在的问题，设计了一种基于物联网和

地理信息系统（ＧＩＳ）的水产养殖测控系统。通过整体性能的研究分析，设计了测控系统平台的３层体系架

构（传感控制层、传输层和应用层），提出了自顶向下、逐步求精以及模块化、结构化的设计方法；根据采集数

据传输的可靠性、稳定性等要求，提出ＷｉＦｉ网状组网的配置方法，设计了系统硬件的供电模块；研究了本地

服务器、中心服务器和控制模块软件系统；通过网络丢包率测试和水质溶氧量分析，验证了系统数据传输的

可靠性，并在溶氧超出范围后自动控制增氧机，有效地调节池塘溶氧量。相比于传统的水产养殖远程监控系

统，该系统通过物联网和ＧＩＳ技术的融合，实现了水质环境的远程无线测控和区域化水产养殖管理，因此能

够大大推进水产养殖智能化、自动化系统建设的发展，适应水产养殖的需要。

关键词：物联网；ＧＩＳ；ＷｉＦｉ；服务器；Ａｎｄｒｏｉｄ客户端

－

中图分类号：Ｓ９５９ ꢀ ꢀ ꢀ 文献标志码：Ａꢀ ꢀ ꢀ 文章编号：１００７９５８０（２０１６）０６０１６０５

－

ꢀ ꢀ 中国的水产养殖业近年来发展迅猛，产量已

占到世界总产量的７０％^［１］，但多数水产养殖环境

监控仍停留在传统的依靠人工经验的水平上，成

本高、效率低，已经无法满足当前水产养殖业的发

展需求。建立水产养殖物联网监控平台，对水体

温度、ｐＨ、溶氧、氨氮和浊度等参数进行长期的实

时监测，是提高现代水产养殖监管水平的一个重

求^{［１２１３］}，在现有技术基础上提出了一种基于ＷｉＦｉ

和ＧＩＳ的测量与信息管理系统设计方案。通过

ＷｉＦｉ和ＧＰＳ定位模块将采集的水质信息以及采

集点的地理位置信息传送至上位机，结合上位机

ＧＩＳ软件，设计成综合管理平台。

１ꢀ 物联网平台总体设计

－

要措施^{［２３］}。国内外一些研究机构已经将无线传

１．１ꢀ 总体设计方案

感器网络应用到水产养殖领域，如：利用ＺｉｇＢｅｅ

技术开发无线水产养殖监控循环系统^［４］；结合传

感器、无线网络和ＧＰＲＳ通信等技术，实现现代化

水产养殖的监控方案^［５］；基于Ａｎｄｒｏｉｄ平台的水

质远程监控系统，实现了随时随地查看水质状况

的功能^［６］。地理信息系统（ＧｅｏｇｒａｐｈｉｃＩｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ

本系统将ＷｉＦｉ技术和ＧＩＳ技术相结合，实现

对区域内多个鱼塘水质的远程测控和管理（图１）。

系统体系结构分为传感控制层、传输层和应用层。

传感控制层包括各种水质参数与ＧＰＳ采集传感器

和设备控制部分；传输层实现ＷｉＦｉ模块网状组网，

将采集数据通过ＷｉＦｉ模块上传至本地服务器处

理；应用层则由本地服务器、中心服务器和Ａｎｄｒｏｉｄ

客户端组成。本地服务器负责鱼塘水质测控管理，

记录测量数据并在服务器端实时显示，同时将数据

库中的数据复制、分发给中心服务器和Ａｎｄｒｏｉｄ客

户端；中心服务器作为区域化管理平台，实现地图

数据管理和统计分析功能；Ａｎｄｒｏｉｄ客户端通过互

联网连接本地服务器，用于实时监视水质参数变化

－

Ｓｙｓｔｅｍ，ＧＩＳ）^{［７１０］}在农业物联网方面的应用，目前

主要集中在大田种植方面，在水产养殖领域的应

用还比较少。

通过ＧＰＲＳ和ＺｉｇＢｅｅ通信技术测量，能够较

为准确地测出水质情况，但ＧＰＲＳ成本较高，

ＺｉｇＢｅｅ传输距离近，难以满足低成本、高效率的要

求

^［１１］。为了满足水质参数信息的远程测控要

－

收搞日期：２０１６０９０８ꢀ 修订日期：２０１６１１２０

基金项目：２０１６省农业科技自主创新资金项目（ＣＸ（１６）１００６）；国家自然科学基金项目（３１１７２２４３）；江苏高校优势学科建设工程项目

－

（ＰＡＰＤ，ＮＯ．６２０１１）；江苏省农业科技支撑项目（ＢＥ２０１３４０２）

－

作者简介：刘星桥（１９６０—），男，教授，博士生导师，研究方向：农业设施智能控制系统。Ｅｍａｉｌ：ｘｑｌｉｕ＠ｕｊｓ．ｅｄｕ．ｃｎ

万方数据

第６期

刘星桥，等：基于物联网和ＧＩＳ的水产养殖测控系统平台设计

１７

－

及远程控制增氧机调节水质状况。

设计力图实现ＷｉＦｉ网络网状组网^{［１６１７］}。使用某

－

公司的ＷｉＦｉ串口服务器模块ＵＳＲＷｉＦｉ２３２６３０

－

和ＵＳＲＷｉＦｉ２３２６０４，其通讯距离约４００ｍ。

－

图３为ＷｉＦｉ组网示意图。本地服务器通过ＴＰ

－

ＬＩＮＫ路由器与互联网相连，多个ＵＳＲＷｉＦｉ２３２

＋

６３０作为二级路由设置为ＡＰＳＴＡ（无线访问接

＋

－

入点客户端）模式，同时若干ＵＳＲＷｉＦｉ２３２６０４

设置为ＳＴＡ（客户端）模式。为确保数据传输的

完整性，各采集节点相距５０ｍ，最大测量范围可

达３．１４ｈｍ^２，可以满足水产养殖智能化要求。

图１ꢀ 系统总体设计图

Ｆｉｇ．１ꢀ Ｄｅｓｉｇｎｌａｙｏｕｔｏｆｓｙｓｔｅｍ

１．２ꢀ 系统逻辑结构设计

系统设计主要采用了自顶向下、逐步求精以

及模块化、结构化设计方法（图２）。

图３ꢀ ＷｉＦｉ组网示意图

Ｆｉｇ．３ꢀ ＳｃｈｅｍａｔｉｃｄｉａｇｒａｍｏｆＷｉＦｉｎｅｔｗｏｒｋ

２．２ꢀ 节点供电模块设计

考虑到户外鱼塘接线比较困难和持续阴雨天

的情况，本设计采取双供电模式。采集节点采用

太阳能供电方式，在浮筒上安装４０Ｗ太阳能光

板和蓄电池给传感器和ＷｉＦｉ模块供电，从而实现

２４ｈ不间断工作。控制节点采用２２０Ｖ市电供电

方式，可以实时控制增氧机开关及投饵机的定时

开关。传输模块一直处于工作状态，耗电量多，所

以设置每５ｍｉｎ发送一组数据。

图２ꢀ 系统逻辑结构

Ｆｉｇ．２ꢀ Ｓｙｓｔｅｍｌｏｇｉｃｓｔｒｕｃｔｕｒｅ

按照逻辑结构可划分为三个层次：基础数据

层、业务逻辑层和人机交互层。基础数据层实现

数据资源的存储管理，由地图数据库和鱼塘基础

数据库组成；业务逻辑层按功能划分为地图数据

管理和统计分析两个模块，地图数据管理模块主

要实现地图显示、图层控制、地图操作等功能，统

计分析模块主要实现统计图表、数据显示、设备状

态等功能；人机交互层采用Ｗｉｎｆｏｒｍ方式，提供用

户与系统之间的接口。专题图制作模块利用

３ꢀ 系统软件设计与实现

系统的软件设计由本地服务器程序、中心服

务器程序和控制节点程序组成。本地服务器是整

个物联网平台的数据处理中心，它既要接收ＷｉＦｉ

模块上传的数据以达到实时测控的效果，又要及

时将数据库中的数据复制、分发给中心服务器和

Ａｎｄｒｏｉｄ客户端；中心服务器程序作为区域化水产

养殖管理平台，可以远程查看地图上各鱼塘的空

间属性信息；控制节点对鱼塘的溶氧进行分析，以

判断是否开启增氧机设备。

－

ＳｕｐｅｒＭａｐｉＯｂｊｅｃｔ组件^{［１４１５］}，生成统计图、标签

图、等级图等专题地图。

２ꢀ 系统硬件设计

３．１ꢀ 本地服务器端软件设计

２．１ꢀ ＷｉＦｉ模块组网设计

本地服务器以ＶｉｓｕａｌＳｔｕｄｉｏ２０１０为开发平

台，使用Ｃ＃．ＮＥＴ语言编写。该系统包括了用户

为提高无线网络的通信距离和覆盖面积，本

万方数据

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