摘要 摘要：基于海洋环境的大规模渔业养殖，已经成为我国沿海地区重要的经济支柱产业。 随着物联网技术的应用，渔业管理过程已经由粗放型转为精密型，并且完成数字化统计与可视化管
摘要：基于海洋环境的大规模渔业养殖，已经成为我国沿海地区重要的经济支柱产业。 随着物联网技术的应用，渔业管理过程已经由粗放型转为精密型，并且完成数字化统计与可视化管理。 结合当前先进的物联网技术与地理信息系统，对于传感系统采集的环境数据进行实时处理，并在三维电子地图中直观的显示和操作，实现对大规模水产养殖的网络化、集中化控制管理。 同时，提出了一种渔业管理系统路由协议，能够最大效率的提高系统网络管理能力。 实际应用表明，本系统实现了渔业管理的网络化与智能化，具有广阔的市场前景。
关键词：物联网，路由管理协议，地理信息系统
1 系统结构
系统结构自底向上依次包括监控单元、数据传输单元、数据通信网络、数据库及 Web 客户端等。 系统利用物联网技术的优势，采用适合渔业实践的各类传感器、控制设备对各种养殖参数进行精确的、实时的检测及控制。 系统利用传感器网络路由管理协议，进行各类监控单元的自适应组网，以及渔业管理子网络内部的数据互联。 在人工交互方面，系统利用 GIS 技术，可以将管理过程做到高度可视化。 系统实时显示各个渔业管理子网络的地理信息，以及网络内部监控单元的相关数据。 同时，系统利用 B/ S 网络结构， 允许管理人员登陆 Web 页面进行远程控制[2]。系统总体结构如图 1 所示。
2 系统设计
2.1 渔业管理子网络：渔业管理子网络作为独立工作的局域网， 通过一个数据传输单元按照星形拓展结构进行网络组织，通信方式采用 ZigBee 技术。 ZigBee 技术是稳定的点对点通信方式，有效传输距离为 2km，单个区域的覆盖面积理论为 12km2 ，因此，完 全 能 够 满 足传感器子网络的通信需求。渔业管理子网络主要包括以下几种功能的监控单元：GPS 定位单元，ZigBee 通信单元、传感器单元(包括：水温测量单元、氧浓度检测单元、pH 值测量单元、网箱监控单元等)。 数据传输单元负责渔业管理系统路由协议管理， 完成与上层数据库及 Web 客户端进行有效数据互联。 渔业管理子网络如图 2 所示：
2.2 渔业管理系统路由管理协议：在无线局域网络路由管理的应用中，普遍采用“多跳”的方式 进 行 数 据 的 传 输。 该方式将每个子网络分成 sensor 节点、 sink 节点、manager 节点三个层级，分别负责传感器数据采集、数据汇总与存储、指令数据与数据库的交互[3]。 但是，“多跳”方式也具有算法复杂、设备功能单一、通信效率较低等问题。 随着 ZigBee 技术的应用与发展，在智能渔业管理应用领域，可靠的无线通信距离已经完全能够满足需求， 所以本系统提出了一种新型路由管理协议[4-5]。 该协议基本特点如下所示： 1)核心是采用“多主”结构，提高总线利用效率。 2)短报文结构，每个报文不超过 8 字节。3)引入 TDMA 分时传输机制，避免数据包冲突。 4)报文包含源地址或目的地址，利用标示符来指示功能信息和优先级。 5)节点在严重错误情况下，具有自动释放总线的功能。系统通信结构如图 3 所示。在每个渔业管理子网络中， 设置唯一的数据传输单元(DTU)，负责组织网络，并完成与每个监控单元的数据交互。 网络中设备之间的通讯是基于连接的， 这样也为对任何一个设备的通讯进行监控提供了可能。 在传感器子网络中任何一个参与通讯的监控单元都必须和 DTU 之间建立一个独立的通讯连接。
3 GIS 系统设计
GIS 系统准确标识养殖环境的相关信息， 并能够方便对地图信息进行编辑。 地理范围实现 10 级分辨率，并且在各级分辨率地图上，都可以显示、修改监控单元信息[6]。
3.1 输入输出控制软件通过查询 数据库找到相应的终端设备的短地址和 MAC 地址，通过 Socket 编程向网口发送命令包，通过固定的 IP 地址和网管和 RAM 建立连接，网管接受到命令，发送给协调器，控制终端采集设备，采集设备把信息采集回来，上传到协调器，网管，最后在界面上显示。
3.2 水温测量通过传感器采集的温度数据和数据库中的养殖目标生长的最佳温度信息配备，确定此时的环境是不是最佳环境，如果是，则继续保持，如果不是，则启动相应的设备改善温度等。
4 实验结果
为了验证本系统的可靠性与实用性， 项目组多次在青岛市经济技术开发区海域的近海网箱养殖现场进行试验。 项目试验分三个区域，区域间隔 5km，其中每个监控区域内包含 10 口网箱。 监测传感器包括：Pt100 温度传感器、pH 传感器(上海科蓝电化学仪器科技有限公司 )、WQ401 溶 解 氧 传 感 器 ( 美 国 Global Water 公司)等。 从实时监控平台来看，系统运转正常，显示界面能够自由切换， 并且能够完成对于每一口网箱的独立监控工作。 网箱 pH 值 7.2～7.9，温度范围 8.4～11.6°C，与实际手工测量保持一致。 同时，系统能够完成对于人工活动的正常报警，表明系统在无人监控方面有可靠表现。
生产实践证明， 本系统已经能够完成对于传统的渔业管理的产业升级，是一套高效可靠的成熟管理系统。 系统在传感器网络管理与数据交互方面表现突出， 能够适用于不同的渔业生产环境。 同时，本系统的操作界面简洁，设置方式便捷，易于广大养殖户及渔业领域管理者使用，具有良好的市场前景。本系统实施中产生的软硬件环境和应用系统， 可作为实现现代信息技术与传统渔业管理的有机结合的产学研平台。 智能渔业是新兴的巨大市场，市场预计每年可达数亿元规模，本系统目前已经实现 800 万元的销售额。
参考文献
[1]杨星星，吴树敬，蔡厚才，等.抗风浪深水网箱养殖实用技术[M].北京：海洋出版社，2006：1-3
[2]彭晨.无线传感器网络中的节能策略[J].控制工程，2010，1(3)：372- 375
[3]M.KALANTARI,M.SHAYMAN.Design Optimization of Multi-Sink Sensor Networks by Analogy to Electrostatic Theory [R],Las Vegas: Proceedings of IEEE WCNC, 2006: 5-10
《基于物联网技术的智能渔业管理系统设计》来源：《工业控制计算机》，作者： 姜 凯， 高 凡。
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