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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)設計的論文
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，對傳統(tǒng)漁業(yè)管理中的水溫測量、氧濃度檢測、pH 值測量以及網(wǎng)箱監(jiān)控等管理過程進行智能系統(tǒng)設計。
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、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，采用適合漁業(yè)實踐的各類傳感器、控制設備對各種養(yǎng)殖參數(shù)進行精確的、實時的檢測及控制。系統(tǒng)利用傳感器網(wǎng)絡路由管理協(xié)議，進行各類監(jiān)控單元的自適應組網(wǎng)，以及漁業(yè)管理子網(wǎng)絡內(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)實時顯示各個漁業(yè)管理子網(wǎng)絡的地理信息，以及網(wǎng)絡內(nèi)部監(jiān)控單元的相關數(shù)據(jù)。同時，系統(tǒng)利用B/ S 網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)， 允許管理人員登陸Web 頁面進行遠程控制。
2 系統(tǒng)設計
2.1 漁業(yè)管理子網(wǎng)絡：
漁業(yè)管理子網(wǎng)絡作為獨立工作的局域網(wǎng)， 通過一個數(shù)據(jù)傳輸單元按照星形拓展結(jié)構(gòu)進行網(wǎng)絡組織，通信方式采用ZigBee技術(shù)。ZigBee 技術(shù)是穩(wěn)定的點對點通信方式，有效傳輸距離為2km，單個區(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)絡的通信需求。
漁業(yè)管理子網(wǎng)絡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：水溫測量單元、氧濃度檢測單元、pH 值測量單元、網(wǎng)箱監(jiān)控單元等)。數(shù)據(jù)傳輸單元負責漁業(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)絡路由管理的應用中，普遍采用“多跳”的方式進行數(shù)據(jù)的傳輸。該方式將每個子網(wǎng)絡分成sensor 節(jié)點、sink 節(jié)點、manager 節(jié)點三個層級，分別負責傳感器數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)匯總與存儲、指令數(shù)據(jù)與數(shù)據(jù)庫的交互。但是，“多跳”方式也具有算法復雜、設備功能單一、通信效率較低等問題。隨著ZigBee 技術(shù)的應用與發(fā)展，在智能漁業(yè)管理應用領域，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)短報文結(jié)構(gòu)，每個報文不超過8 字節(jié)。
3)引入TDMA 分時傳輸機制，避免數(shù)據(jù)包沖突。
4)報文包含源地址或目的地址，利用標示符來指示功能信息和優(yōu)先級。
5)節(jié)點在嚴重錯誤情況下，具有自動釋放總線的功能。
在每個漁業(yè)管理子網(wǎng)絡中， 設置唯一的數(shù)據(jù)傳輸單元(DTU)，負責組織網(wǎng)絡，并完成與每個監(jiān)控單元的數(shù)據(jù)交互。網(wǎng)絡中設備之間的通訊是基于連接的， 這樣也為對任何一個設備的通訊進行監(jiān)控提供了可能。在傳感器子網(wǎng)絡中任何一個參與通訊的監(jiān)控單元都必須和DTU 之間建立一個獨立的通訊連接。本系統(tǒng)路由管理協(xié)議的報文結(jié)構(gòu)， 結(jié)合工業(yè)CAN 總線特點，進行了定制化改進，報文長度不超過8 字節(jié)，并對于其中前三個字節(jié)進行功能區(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)設計
GIS 系統(tǒng)準確標識養(yǎng)殖環(huán)境的相關信息， 并能夠方便對地圖信息進行編輯。地理范圍實現(xiàn)10 級分辨率，并且在各級分辨率地圖上，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)庫找到相應的終端設備的短地址和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，控制終端采集設備，采集設備把信息采集回來，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)殖目標生長的最佳溫度信息配備，確定此時的環(huán)境是不是最佳環(huán)境，如果是，則繼續(xù)保持，如果不是，則啟動相應的設備改善溫度等。
4 實驗結(jié)果
為了驗證本系統(tǒng)的可靠性與實用性， 項目組多次在青島市經(jīng)濟技術(shù)開發(fā)區(qū)海域的近海網(wǎng)箱養(yǎng)殖現(xiàn)場進行試驗。項目試驗分三個區(qū)域，區(qū)域間隔5km，其中每個監(jiān)控區(qū)域內(nèi)包含10 口網(wǎng)箱。監(jiān)測傳感器包括：Pt100 溫度傳感器、pH 傳感器(上�？扑{電化學儀器科技有限公司)、WQ401 溶解氧傳感器( 美國Global Water 公司)等。從實時監(jiān)控平臺來看，系統(tǒng)運轉(zhuǎn)正常，顯示界面能夠自由切換， 并且能夠完成對于每一口網(wǎng)箱的獨立監(jiān)控工作。網(wǎng)箱pH 值7.2～7.9，溫度范圍8.4～11.6°C，與實際手工測量保持一致。同時，系統(tǒng)能夠完成對于人工活動的正常報警，表明系統(tǒng)在無人監(jiān)控方面有可靠表現(xiàn)。
生產(chǎn)實踐證明， 本系統(tǒng)已經(jīng)能夠完成對于傳統(tǒng)的漁業(yè)管理的產(chǎn)業(yè)升級，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，本系統(tǒng)的操作界面簡潔，設置方式便捷，易于廣大養(yǎng)殖戶及漁業(yè)領域管理者使用，具有良好的市場前景。本系統(tǒng)實施中產(chǎn)生的軟硬件環(huán)境和應用系統(tǒng)， 可作為實現(xiàn)現(xiàn)代信息技術(shù)與傳統(tǒng)漁業(yè)管理的有機結(jié)合的產(chǎn)學研平臺。智能漁業(yè)是新興的巨大市場，市場預計每年可達數(shù)億元規(guī)模，本系統(tǒng)目前已經(jīng)實現(xiàn)800 萬元的銷售額。
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