劉傳領(lǐng)，陳 明，池 濤

(上海海洋大學 信息學院/農(nóng)業(yè)農(nóng)村部漁業(yè)信息重點實驗室，上海 201306)

大面積水產(chǎn)養(yǎng)殖發(fā)展迅速，信息化、數(shù)字化、智慧化監(jiān)測技術(shù)手段的研發(fā)與應用對實現(xiàn)優(yōu)質(zhì)、高效、安全、環(huán)保的養(yǎng)殖目標尤為重要[1-2]。在針對溶解氧、酸堿度、溫度、鹽度、氨氮等水體環(huán)境關(guān)鍵因子構(gòu)建基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的水體環(huán)境在線實時監(jiān)測系統(tǒng)的研究方面，黃建清等[3]在水產(chǎn)養(yǎng)殖水質(zhì)監(jiān)測系統(tǒng)開發(fā)中通過nRF905射頻芯片實現(xiàn)水質(zhì)數(shù)據(jù)的傳輸，使中短程無線數(shù)據(jù)傳輸創(chuàng)新性在水產(chǎn)養(yǎng)殖中得到實際應用；李鑫星等[4]針對ZigBee多跳通信的特點提出了一種基于JN5139的ZigBee無線模塊，實現(xiàn)對溶解氧、pH、電導率和溫度的監(jiān)測。多跳通信的遠距離數(shù)據(jù)傳輸會增大數(shù)據(jù)的丟失概率。金光等[5]對ZigBee與LoRaWAN的網(wǎng)絡拓撲復雜度、能耗、部署3部分進行了對比分析，在拓撲結(jié)構(gòu)方面ZigBee為多跳路由將數(shù)據(jù)傳輸?shù)絽R聚節(jié)點建立簇樹形的無線傳感網(wǎng)，LoRaWAN網(wǎng)絡節(jié)點單跳即可覆蓋終端節(jié)點從而建立星型低功耗廣域網(wǎng)，得出LoRa在大范圍覆蓋通信場景優(yōu)于ZigBee。林永君等[6]發(fā)展了水產(chǎn)養(yǎng)殖數(shù)據(jù)監(jiān)測領(lǐng)域的無線通信方式，將基于商業(yè)化的GPRS無線通信媒介應用到了監(jiān)測領(lǐng)域，借助互聯(lián)網(wǎng)對現(xiàn)場設備信息進行遠程監(jiān)控；但GPRS通信依賴于電信運營商，若監(jiān)測目的地離運營商基站較遠，GPRS信號差或無信號的情況下實際通信質(zhì)量較低，導致通信丟包率高甚至無法完成正常通訊需求[7]。

針對大面積水產(chǎn)養(yǎng)殖中水質(zhì)監(jiān)測所面臨的節(jié)點分布廣且分散，偏遠郊野地帶商用通信信號較差的問題，本文結(jié)合LoRa無線通信距離遠的特點，設計了一款實現(xiàn)低功耗遠距離無線傳輸?shù)亩嗨|(zhì)因素監(jiān)測系統(tǒng)，并開發(fā)了在線監(jiān)測平臺，在覆蓋較大規(guī)模目標監(jiān)測水域面積的前提下實現(xiàn)對目標監(jiān)測水體溫度、溶解氧、pH、氨氮和鹽度5種關(guān)鍵環(huán)境理化因素的在線監(jiān)測。文中對系統(tǒng)采集終端的誤差進行了比對及對系統(tǒng)整體水質(zhì)因素采集進行了整體測試，以期為水質(zhì)環(huán)境監(jiān)測的相關(guān)研究提供新的參考。

1 設備總體架構(gòu)設計

水質(zhì)監(jiān)測設備主要包括數(shù)據(jù)采集模塊、通信接口電路、控制核心、LoRa無線發(fā)送模塊、遠程LoRa無線接收模塊和上位機端可視化平臺等。在水質(zhì)數(shù)據(jù)采集端，分別使用溶解氧/溫度傳感器、酸堿度傳感器、氨氮傳感器、鹽度傳感器實現(xiàn)對水質(zhì)多重因素的采集。各節(jié)點采集的數(shù)據(jù)通過RS485總線經(jīng)由通信接口電路傳送至控制核心進行下一步處理。由于水體環(huán)境比較復雜，通信線路面臨多種形式的干擾源，以通信接口電路的形式實現(xiàn)電路保護。數(shù)據(jù)傳輸單元(Data transfer unit，DTU)把采集到的數(shù)據(jù)通過LoRa無線數(shù)據(jù)通信方式向外發(fā)送，遠程接收模塊實現(xiàn)對采集數(shù)據(jù)的接收，至此完成一個水質(zhì)數(shù)據(jù)采集發(fā)送與遠程接收端的收發(fā)周期。系統(tǒng)整體框架圖見圖1。

圖1 監(jiān)測系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖Fig. 1 Structure diagram of monitoring system

2 系統(tǒng)設計

2.1 主控單元

系統(tǒng)水質(zhì)數(shù)據(jù)采集終端的控制核心采用TI公司具有16位總線的MSP430F149型微控制器[8-10]。該芯片包括60 kb閃存、256字節(jié)FLASH、2 kb RAM，以及基本時鐘模塊、看門狗定時器、帶3個捕獲/比較寄存器和PWM輸出的16位定時器、帶7個捕獲/比較寄存器和PWM輸出的16位定時器、2個具有中斷功能的8位并行端口、4個8位并行端口、模擬比較器、12位A/D轉(zhuǎn)換器、2個串行通信接口等模塊?；咀钚】刂齐娐芬妶D2。

2.2 數(shù)據(jù)采集終端

通過查閱文獻[11-13]，本系統(tǒng)的水質(zhì)數(shù)據(jù)采集采用了對水質(zhì)溫度、溶解氧、pH、鹽度、氨氮5個關(guān)鍵因子進行監(jiān)測的4個傳感器，各傳感器型號、量程及精度如表1所示。

以上4種傳感器通過RS485總線傳輸采集的數(shù)據(jù)信號，以連接到采集設備控制核心進行數(shù)據(jù)的無線傳輸。圖3為探測器實物圖。

圖2 監(jiān)測系統(tǒng)控制核心電路Fig. 2 Control core circuit of monitoring system

表1 數(shù)據(jù)采集傳感器及相關(guān)參數(shù)Table 1 Data acquisition sensors and related parameters

圖3 各探測傳感器實物圖Fig. 3 Physical map of each detecting sensor

2.3 采集設備無線通信設計

具有代表性的無線通信方式主要包括長距離無線廣域網(wǎng)代表技術(shù) GPRS、NB-IOT[14]、LoRa[15]，短距離無線局域網(wǎng)代表技術(shù)WiFi、Zigbee[16]。表2對各技術(shù)從通信頻段、傳輸距離、傳輸速度方面進行了綜合對比。本系統(tǒng)采用LoRa無線通信方式進行采集端與匯聚節(jié)點間的數(shù)據(jù)傳輸。

2.3.1 網(wǎng)關(guān)節(jié)點 LoRa匯聚網(wǎng)關(guān)端采用SX1301數(shù)字基帶芯片[17]，該芯片具備對應8個頻點的8個通道，每個通道支持SF7到SF12 六種速率，LoRa Std可以對49個LoRa信號解碼，網(wǎng)關(guān)容量大，理論上可支持多達10 000個終端接入。結(jié)合Mediatek(聯(lián)發(fā)科)的MT7688AN芯片進行數(shù)據(jù)處理構(gòu)成匯聚網(wǎng)關(guān)。通過采取LoRaWAN協(xié)議標準實現(xiàn)網(wǎng)絡協(xié)議轉(zhuǎn)換。本系統(tǒng)網(wǎng)關(guān)節(jié)點保留了GPRS通信方式作為備選，網(wǎng)關(guān)節(jié)點實物圖見圖4。

2.3.2 組網(wǎng)方式及數(shù)據(jù)格式 文中采用主機輪詢方式組網(wǎng)，從機編號為 1、2、3、4、5、6、7、8、9，分別對應9個養(yǎng)殖水塘，主機根據(jù)從機地址不同分別訪問各從機節(jié)點。各從機在接收到主機數(shù)據(jù)傳輸命令后，對應從機將數(shù)據(jù)打包開始數(shù)據(jù)傳送。單一節(jié)點的數(shù)據(jù)接收完成后，主機以同樣的輪詢方式獲取其他從機的待傳輸數(shù)據(jù)。

數(shù)據(jù)傳輸過程中，采用MODBUS RTU通信協(xié)議。報文傳輸格式如下。開始：T1-T2-T3-T4，4位起始符；地址：8 bits，表示設備地址，即主站要訪問的從站地址，范圍為 0～247；功能：8 bits，表示功能代碼占位，主要區(qū)分為“讀”、“寫”功能，即具體讀取從站哪塊區(qū)域的數(shù)據(jù)以及具體將數(shù)據(jù)寫到從站的哪塊區(qū)域，不同從站的數(shù)據(jù)區(qū)對應有不同的功能碼；數(shù)據(jù)：N*8 bits，對所發(fā)送數(shù)據(jù)進行整8位的分配空間；校驗：16 bits，2個字節(jié)的差錯校驗，即CRC校驗低位8 bits，CRC校驗高位8 bits；終止：T1-T2-T3-T4，4位結(jié)束符。

表2 無線通信技術(shù)對比分析Table 2 Comparative analysis of wireless communication technology

圖4 網(wǎng)關(guān)節(jié)點實物圖Fig. 4 Gateway node physical map

2.3.3 數(shù)據(jù)發(fā)送與遠程接收 監(jiān)測終端數(shù)據(jù)的采集與發(fā)送。系統(tǒng)通過各傳感器設備采集水質(zhì)數(shù)據(jù)后，按照數(shù)據(jù)幀的格式傳輸?shù)絃oRa發(fā)送模塊，LoRa模塊發(fā)送前一直處于待機狀態(tài)，在初始化Tx模塊后，將FifoPtrAddr設置為FifoTxPtrBase，并把PayloadLength寫入FIFO(RegFifo)。然后方可將待發(fā)送數(shù)據(jù)(Payload)寫入FIFO，通過發(fā)送Tx模式請求切換到發(fā)送狀態(tài)將數(shù)據(jù)通過LoRa調(diào)制成信號幀發(fā)送出去，等到發(fā)送完成后，會產(chǎn)生TxDone中斷，同時再次切換為待機狀態(tài)，完成一個發(fā)送流程[18]。發(fā)送流程如圖5a所示。

圖5 數(shù)據(jù)收發(fā)流程Fig. 5 Data sending and receiving processes

遠程無線接收端的數(shù)據(jù)接收。該監(jiān)測系統(tǒng)采取連續(xù)接收模式，LoRa調(diào)制解調(diào)器首先會持續(xù)地掃描信道搜索前導碼，如果檢測到，LoRa會在收到數(shù)據(jù)之前對該前導碼進行檢測及跟蹤，然后繼續(xù)等待檢測下一前導碼。如果前導碼長度超過RegPreambleMsb和RegPreambleLsb設定的預計值(按照符號周期測量)，則前導碼會被丟棄，并重新開始搜索前導碼，但這種場景不會產(chǎn)生中斷標志。與單一Rx模式相反，在連續(xù)Rx模式下，當產(chǎn)生RxTimeout中斷時，設備不會進入待機模式，這時用戶必須在設備繼續(xù)等待有效前導碼的同時直接清除中斷信號。接下來開始數(shù)據(jù)包接收，在睡眠或待機模式下，選擇RxCOUNT模式；在收到有效報頭Header后，緊接著會產(chǎn)生RxDone中斷。芯片一直處于RxCOUNT模式，等待下一個LoRa數(shù)據(jù)包；檢查PayloadCrcError標志，以驗證數(shù)據(jù)包的完整性。如果數(shù)據(jù)包被正確接受，則可以讀取FIFO；之后不斷判斷是否有新的數(shù)據(jù)包待接收。接收流程圖如圖5b所示。

2.4 服務器端設計

為滿足系統(tǒng)遠程監(jiān)測需求，參考文獻[19-21]開發(fā)了服務器端的監(jiān)測平臺。依據(jù)權(quán)限不同，平臺提供2個進入系統(tǒng)的端口，用戶登錄時可以選擇以普通用戶或管理員身份登錄。管理員可以進入系統(tǒng)用戶管理頁面，功能包括已注冊成員的增刪改查等。普通用戶直接進入數(shù)據(jù)可視化平臺，實現(xiàn)對水體環(huán)境關(guān)鍵因素的實時監(jiān)察。服務器端采用Linux系統(tǒng)搭建，通過JetBrains下的IntelliJ IDEA開發(fā)工具創(chuàng)建，編程語言為Java。該線上平臺采用SpringMVC框架，數(shù)據(jù)庫連接通過HiBernate對象關(guān)系映射框架連接操作，通過Tomcat部署在Linux系統(tǒng)上。數(shù)據(jù)展示界面通過調(diào)用開源可視化庫Echarts實現(xiàn)，其中包括對中國氣象平臺應用程序接口(Application programming interface，API)的調(diào)用，實現(xiàn)平臺的天氣預報功能。圖6為服務器云平臺的架構(gòu)。

3 現(xiàn)場部署與系統(tǒng)試驗

作為大面積水產(chǎn)養(yǎng)殖水質(zhì)環(huán)境因素監(jiān)測設備這一應用實例，為了進一步驗證系統(tǒng)整體的實際應用效果，水質(zhì)參數(shù)在線監(jiān)測系統(tǒng)于2019年5月開始在楊進浜水產(chǎn)養(yǎng)殖基地部署進行水質(zhì)環(huán)境因素監(jiān)測，截至2020年6月已經(jīng)正常完成了13個月有余的時間。圖7為設備實際部署的位置情況。

3.1 系統(tǒng)整體運行測試

圖6 服務器云平臺的架構(gòu)Fig. 6 Architecture of server cloud platform

圖7 采集節(jié)點設備部署Fig. 7 Collection node equipment deployment

本文給出了2019年10月4日13:00—16:00對1號水塘水體水文數(shù)據(jù)的實際采集情況與誤差分析。數(shù)據(jù)采集周期為10 min，監(jiān)測時段內(nèi)系統(tǒng)運行狀態(tài)正常。圖8為單一采集終端實物及電路封裝圖。

圖8 單一采集終端實物圖及電路封裝Fig. 8 Physical map of single acquisition end and circuit package

為分析本系統(tǒng)采集數(shù)據(jù)的精度，采用HANNA公司研發(fā)的HI98319型電導EC法鹽度測定儀、HI9146型飽和溶解氧測定儀、HI98121型手持酸度pH－氧化還原ORP－溫度測定儀分別測出水體的鹽度、溶解氧、pH、溫度4個要素，與本系統(tǒng)設備實際所測數(shù)據(jù)進行誤差分析。如圖9所示，在所測時段內(nèi)，水質(zhì)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)實際所測水體溶解氧含量的絕對誤差為0.12 mg/L，鹽度的絕對誤差為0.001%，pH的絕對誤差為0.017，溫度的絕對誤差為0.05 ℃。

3.2 系統(tǒng)線上平臺的測試

根據(jù)實際需求，本系統(tǒng)的監(jiān)測平臺如圖10所示，主要功能包括但不限于：

1)對匯聚網(wǎng)關(guān)節(jié)點接收到的數(shù)據(jù)包進行數(shù)據(jù)合法性檢驗，應答空中入網(wǎng)請求，提取有效傳感器數(shù)據(jù)信息傳輸?shù)浇K端監(jiān)測模塊，進行數(shù)據(jù)繪圖處理。

2)網(wǎng)絡氣象服務。實時校驗系統(tǒng)與傳輸節(jié)點間時間，并提供滿足基地所處區(qū)域最近7天天氣的監(jiān)測端服務需求。

圖9 部分監(jiān)測時段內(nèi)各要素數(shù)據(jù)Fig. 9 Element data during partial monitoring period

3)終端監(jiān)測功能。對數(shù)據(jù)獲取模塊經(jīng)過校驗后的有效信息進行進一步處理并對當前水體溶解氧濃度、氨氮濃度、溫度、pH、鹽度5種環(huán)境因素進行實時顯示。

另外，為測試采集設備用電情況，試驗采用5 200 mA電池為設備供電，于10月4日16:06放置在水域，開始數(shù)據(jù)采集測試，設備于10月5日20:37左右電量耗盡而停止工作，持續(xù)工作約28.5 h。

4 結(jié)論

本文針對水產(chǎn)養(yǎng)殖的環(huán)境因素動態(tài)變化，尤其是多種水體環(huán)境監(jiān)測因素綜合影響的特點，采用動態(tài)自檢測技術(shù)方案，設計了一種基于MSP430F149微控制器的可同時采集水體溶解氧、鹽度、pH、氨氮和溫度5種參數(shù)數(shù)據(jù)的設備。設備通過LoRa無線通信技術(shù)與上位機端數(shù)據(jù)可視化平臺相結(jié)合的設計，增強了遠距離水質(zhì)監(jiān)測技術(shù)的可靠性，解決了動態(tài)實時測量中監(jiān)測數(shù)據(jù)長距離傳輸問題及數(shù)據(jù)同步上位機端平臺展示問題。

系統(tǒng)在楊進浜水產(chǎn)養(yǎng)殖基地應用中取得了良好的效果。系統(tǒng)實際所測水體溶解氧含量絕對誤差為0.12 mg/L，鹽度的絕對誤差為0.001%，pH的絕對誤差為0.017，溫度的絕對誤差為0.05 ℃，可以達到實際水質(zhì)監(jiān)測應用中的需求。單一采集設備功耗測試中，5 200 mA電池可持續(xù)為終端設備供電28.5 h。

考慮到大面積養(yǎng)殖漁業(yè)環(huán)境監(jiān)測的實際需求，為實現(xiàn)監(jiān)測端長時間持續(xù)地工作，下一步將在現(xiàn)有研究的基礎(chǔ)上為系統(tǒng)搭載太陽能供電系統(tǒng)，以避免頻繁更換供電電源；另外需要在水產(chǎn)養(yǎng)殖中智能控制及通信距離與質(zhì)量上進行更深層次的研究。

致謝：特此感謝上海海洋大學農(nóng)業(yè)農(nóng)村部漁業(yè)信息重點實驗室提供的實驗平臺以及課題組指導老師們的幫助！