CN106603629A - 基于物联网和gis的水产养殖和畜禽养殖多参数测控系统及其方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于物联网和GIS的水产养殖和畜禽养殖多参数测控系统及其方法，下位机包括采集模块、供电模块、通信模块、控制模块；所述上位机服务器包括引擎模块、功能模块、GIS模块、数据库模块；所述采集模块、供电模块、控制模块均和通信模块相连，通信模块通过无线传输和功能模块相连，功能模块分别和引擎模块、GIS模块、数据库模块相连；该系统的功能模块包括了显示环境因子信息，使得农民通过移动客户端可以远程查看养殖现场环境状况，实现智能化养殖。整个系统管理者可以查看区域内养殖地编号、所有者信息、联系方式、所养种类、养殖面积和环境状况。

Description

基于物联网和GIS的水产养殖和畜禽养殖多参数测控系统及 其方法

技术领域

本发明属于地理信息系统技术和无线传感网络技术，设计一种基于物联网和GIS的多参数测控系统平台，涉及水产养殖和畜禽养殖领域。

背景技术

中国是一个水产养殖和畜禽养殖的大国，我国用了7％的土地养活了世界20％的人口。2015年我国的第一产业占GDP的9％。但是目前我国水产养殖和畜禽养殖在多参数环境监控方面依旧停留在传统的依靠人工经验的水平上，成本高、效率低，已经无法满足当前养殖业发展需求。建立多参数物联网测控平台，对多种环境因子进行长期的实时监测和对养殖硬件设备的有效控制，是实现工业化、智能化、精细化养殖监管水平的一个重要措施。

物联网在养殖领域应用越来越广，它是现代养殖精细化、智能化、自动化的重要技术支撑。目前，主要的无线通信方式有GPRS、ZigBee、WiFi、RFID等。通过这些通信技术测量能够较为准确测出环境参数情况，但是GPRS成本较高、ZigBee抗干扰性差、RFID传输距离近，难以满足低成本、高效率等特点。本发明采用WiFi通信技术，其优势主要有无线电波的覆盖范围广、传输速度快、可靠性高等特点。

地理信息系统(Geographic Information System，GIS)是新兴的现代边缘科学。涉及信息科学、计算机科学、空间科学等多个研究领域。近年来GIS在农业方面的应用也越发普及，如农业资源管理和动态监测、作物估产、土壤适宜性分析、精准农业以及在农业其他方面的应用越来越广泛，说明地理信息系统在农业上的重要性。

目前，已有一些涉及养殖测控系统的专利，例如，公开号为205301975U的发明专利“一种基于物联网技术的深水网箱养殖监控系统”，该发明通过WiFi网络传送采集设备采集到的养殖环境因子，对比环境因子变化，使得主机能够控制投饵机发送投饵量控制指令。该方法仅应用于小面积网箱操作，不适合区域化养殖环境。

发明内容

为了解决区域化养殖管理困难，本发明提出一种基于物联网和GIS的水产养殖和畜禽养殖多参数测控系统平台设计。通过该系统，可以对区域化养殖进行远程监测，分区域控制现场管理设备的启停。为农民提供一种操作简单、开放式、可持续升级的养殖测控系统平台。

首次使用该物联网系统平台。通过传感器测量养殖场地的多个点的环境参数和对应点的地理信息，使用WiFi模块将测量数据上传至服务器，服务器根据测得数据与设定值的比较控制养殖场地附近事先布置好的控制模块产生相应的动作，来达到精细化养殖的目的；同时系统也可以将数据通过服务器发送给移动设备的安卓客户端，使得用户可以进行手动控制。为实现上述目的，本发明的技术方案如下：

一种基于物联网和GIS的水产养殖和畜禽养殖多参数测控系统，包括上位机服务器和下位机，所述上位机服务器用于用户管理、定位显示、报警、数据分析、数据存储；所述下位机用于数据采集和现场设备管理；

所述下位机包括采集模块、供电模块、通信模块、控制模块；所述上位机服务器包括引擎模块、功能模块、GIS模块、数据库模块；所述采集模块、供电模块、控制模块均和通信模块相连，通信模块通过无线传输和功能模块相连，功能模块分别和引擎模块、GIS模块、数据库模块相连；所述采集模块包括各种环境因子采集传感器和GPS采集模块；所述供电模块包括太阳能供电和市电供电；采集模块和通信模块用太阳能供电方式，控制模块用市电供电方式；所述太阳能供电方式包括40w的太阳能板和蓄电池；所述通信模块包括WiFi模块，并且要实现WiFi网状组网；所述控制模块包括PLC200模块，还包括与所述系统平台交互的手机客户端；所述控制设备是根据需要提供的现场环境管理设备；所述引擎模块将数据库模块中的数据信息传递至功能模块和通信模块；所述功能模块包括地图数据管理和统计分析，所述地图数据管理包括地图显示、图层控制和地图操作，所述统计分析包括历史数据统计图表、数据显示和设备动作记录；所述功能模块还包括显示数据库中的数据信息；所述GIS模块为数据采集模块提供地图信息；所述数据库模块包括GIS数据引擎和ADO.NET数据引擎，所述GIS数据包括空间数据库和属性数据库，所述空间数据库包括各个采集点的空间信息，所述属性数据库包括养殖地编号、所有者信息、联系方式、所养种类、养殖面积和环境状况；所述ADO.NET数据包括水质数据和状态数据，所述状态数据包括现场管理设备的开关状态。

进一步，所述环境因子采集传感器包括PH传感器、温度传感器、溶解氧传感器、氨氮传感器、浊度传感器。

进一步，所述环境因子采集传感器和GPS采集模块通信接口皆为RS485。

进一步，所述现场设备包括增氧机和投饵机。

进一步，所述GIS数据引擎采用SuperMap SDX+数据引擎。

本发明的方法的技术方案为：一种基于物联网和GIS的水产养殖和畜禽养殖多参数测控方法，包括以下步骤：

步骤1，首先搭建下位机硬件设备，分布式安放数据采集传感器，GPS定位模块，通信模块和供电模块，定点放置现场管理设备；数据采集传感器，GPS定位模块和现场管理设备通过RS485接口与通信模块相连；

步骤2，通信模块采用WiFi网状组网，通过多个无线跳来进行组网，在低成本的条件下，扩充无线信号的覆盖范围，以增加采集节点个数，实现多点采集，多点测量；

步骤3，运行上位机服务器，实现将采集到的数据通过WiFi网络将数据无线传输至上位机服务器；

步骤4，上位机服务器将采集到的传感器数据进行处理，并反馈给与PLC200模块相连的WiFi模块，决定是否开启现场管理设备；

步骤5，手机客户端通过socket与上位机服务器相连，实现数据显示和远程控制现场设备；

步骤6，功能模块包括地图数据管理和统计分析，地图数据管理实现卫星地图与专题图的显示和调用；对境界线图层，道路设施图层，文字注记图层和点号图层进行选择控制，实现地图的放大、缩小、漫游、选择操作；此外，还显示地图基础空间数据包括经纬度，比例尺，在地图上能够查看任意节点水质数据和现场设备状态；

步骤7，所述统计分析将采集到的历史数据生成统计图表以便对近期水质数据进行定量分析，从而做出正确的决策；同时，上位机服务器端显示采集到的数据信息和记录现场管理设备动作状态；

步骤8，数据库模块将采集到传感器数据和地理信息进行存储，对数据进行集中控制和管理，并且实现数据共享。

进一步，所述步骤4具体执行以下步骤：

步骤4.1，上位机服务器在正常运行状态下，运行PLC200模块；

步骤4.2，初始化寄存器；

步骤4.3，判断常闭触点SM0.0是否为1，程序是否正常启动；如正常启动进行步骤4，若启动失败则返回步骤2重新运行；

步骤4.4，初始化运行程序；

步骤4.5，设定调用子程序时间间隔每100ms调用一次；

步骤4.6，将传感器采集到的数据传输给PLC200模块；

步骤4.7，判定环境参数的值，如在正常范围内则返回步骤3，如不在正常范围内，判断值是大了还是小了，如值大于上限则自动关闭现场设备，小于下限则打开现场设备，从而达到调节环境因子的作用。

本发明的技术效果如下：

本发明设计的一种基于物联网和GIS的水产养殖和畜禽养殖多参数测控系统平台设计，具体包括采集模块、供电模块、通信模块、控制模块、引擎模块、功能模块、GIS模块、数据库模块。本发明所述系统平台简单易操作，能够推广到基层的农户使用。该系统的功能模块包括了显示环境因子信息，使得农民通过移动客户端可以远程查看养殖现场环境状况，实现智能化养殖。整个系统管理者可以查看区域内养殖地编号、所有者信息、联系方式、所养种类、养殖面积和环境状况。

附图说明

图1是本发明测控系统平台的结构示意图。

图2是本发明系统总体设计图。

图3是本发明系统逻辑结构。

图4是本发明增氧机控制框图

图5是本发明中心服务器运行平台工作状态图。

图6是本发明本地服务器运行平台工作状态图。

图7是本发明andriod客户端界面。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整的描述。

如图1和图2所示，一种基于物联网和GIS的水产养殖和畜禽养殖多参数测控系统，包括上位机服务器和下位机，所述上位机服务器用于用户管理、定位显示、报警、数据分析、数据存储；所述下位机用于数据采集和现场设备管理；

所述下位机包括采集模块、供电模块、通信模块、控制模块；所述上位机服务器包括引擎模块、功能模块、GIS模块、数据库模块；所述采集模块、供电模块、控制模块均和通信模块相连，通信模块通过无线传输和功能模块相连，功能模块分别和引擎模块、GIS模块、数据库模块相连；

所述采集模块包括各种环境因子采集传感器和GPS采集模块；

所述供电模块包括太阳能供电和市电供电；采集模块和通信模块用太阳能供电方式，控制模块用市电供电方式；所述太阳能供电方式包括40w的太阳能板和蓄电池；

所述通信模块包括WiFi模块，并且要实现WiFi网状组网；

所述控制模块包括PLC200模块，还包括与所述系统平台交互的手机客户端；所述控制设备是根据需要提供的现场环境管理设备；

所述引擎模块将数据库模块中的数据信息传递至功能模块和通信模块；

所述功能模块包括地图数据管理和统计分析，所述地图数据管理包括地图显示、图层控制和地图操作，所述统计分析包括历史数据统计图表、数据显示和设备动作记录；所述功能模块还包括显示数据库中的数据信息；

所述GIS模块为数据采集模块提供地图信息；

所述数据库模块包括GIS数据引擎和ADO.NET数据引擎，所述GIS数据包括空间数据库和属性数据库，所述空间数据库包括各个采集点的空间信息，所述属性数据库包括养殖地编号、所有者信息、联系方式、所养种类、养殖面积和环境状况；所述ADO.NET数据包括水质数据和状态数据，所述状态数据包括现场管理设备的开关状态。

所述环境因子采集传感器包括PH传感器、温度传感器、溶解氧传感器、氨氮传感器、浊度传感器。所述环境因子采集传感器和GPS采集模块通信接口皆为RS485。所述现场设备主要包括增氧机和投饵机。所述GIS数据引擎采用SuperMap SDX+数据引擎。

步骤1，所述供电模块给采集模块，通信模块和控制模块供电。首先搭建下位机硬件设备，分布式安放数据采集传感器，GPS定位模块，通信模块和供电模块，定点放置现场管理设备。数据采集传感器，GPS定位模块和现场管理设备通过RS485接口与通信模块相连。

步骤2，所述通信模块采用WiFi网状组网，通过多个无线跳来进行组网，在低成本的条件下，扩充无线信号的覆盖范围，以增加采集节点个数。实现多点采集，多点测量。

步骤3，运行服务器，实现将采集到的数据通过WiFi网络将数据无线传输至上位机服务器。

步骤4，上位机服务器将采集到的传感器数据进行处理，并反馈给与PLC200模块相连的WiFi模块，决定是否开启现场管理设备。

步骤5，所述手机客户端通过socket与上位机服务器相连，实现数据显示和远程控制现场设备。

步骤6，所述功能模块包括地图数据管理和统计分析，所述地图数据管理可实现卫星地图与专题图的显示和调用；对各个图层如境界线图层，道路设施图层，文字注记图层和点号图层等进行选择控制；实现地图的放大、缩小、漫游、选择等操作。此外，可以显示地图基础空间数据如经纬度，比例尺等。在地图上可查看任意节点水质数据和现场设备状态。

步骤7，所述统计分析实现将采集到的历史数据生成统计图表以便对近期水质数据进行定量分析，从而做出正确的决策；同时，上位机服务器端显示采集到的数据信息和记录现场管理设备动作状态。

步骤8，所述数据库模块，将采集到传感器数据和地理信息进行存储，对数据进行集中控制和管理，并且实现数据共享。

所述功能模块还包括显示数据库中的数据信息。所述GIS模块为数据采集模块提供地图信息。

图3是本发明系统逻辑结构。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。按照逻辑结构划分为三个层次：人机交互层(GIS模块)、业务逻辑层和基础数据层。数据库模块由超图地理信息数据库和水质、设备动作记录数据库组成；功能模块相当于业务逻辑层，其主要功能是进行地图操作和数据业务逻辑处理，实现系统的具体功能；人机交互层采用Winform方式，提供用户与系统之间的接口。所述功能模块划分为地图数据管理和统计分析2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、显示设备状态等功能；专题图制作模块利用SuperMap iObject组件，生成统计图、标签图、等级图等专题地图。

上述步骤4的具体控制流程如图4所示，图4是本发明现场设备控制框图，利用本发明的测控系统调节环境因子的值：

步骤1，上位机服务器在正常运行状态下，运行PLC。

步骤2，初始化寄存器。

步骤3，判断常闭触点SM0.0是否为1，程序是否正常启动。如正常启动进行步骤4，若启动失败则返回步骤2重新运行。

步骤4，初始化运行程序。

步骤5，设定调用子程序时间间隔每100ms调用一次。

步骤6，将传感器采集到的数据传输给PLC。

步骤7，判定环境参数的值，如在正常范围内则返回步骤3，如不在正常范围内，判断值是大了还是小了，如值大于上限则自动关闭现场设备，小于下限则打开现场设备。从而达到调节环境因子的作用。

如图5和如图6是本发明应用于水产养殖方面的服务器运行平台工作状态图。如图5是中心服务器的运行效果图，在界面地图上查找所要查询的鱼塘信息，可以看到鱼塘编号、鱼塘所有者信息、联系方式、所养鱼类、鱼塘面积和水质状况等信息；如果是猪场，可以查询的猪场信息，可以看到猪场编号、猪场所有者信息、联系方式、所养猪类、猪场面积和猪场环境状况等信息；如图6是本地服务器运行效果图，可以看出鱼塘地理位置信息和鱼塘水质数据，鱼塘地理位置信息包括鱼塘的经纬度信息和地图比例尺。其中水质数据包括溶解氧、pH、氨氮、温度、浊度等数据，所述状态数据包括投饵机的开关状态和增氧机的开关状态；如果是猪场，其中猪场环境数据包括氨气浓度、温湿度、硫化氢浓度等数据，猪场状态数据包括通风机的开关状态和加温装置的控制状态。

如图7所示，为本发明客户端的一个手机客户端实施例的操作界面，客户端作为远程遥控器控制增氧机和投饵机设备。通过手机客户端，用户可以随时随地与服务器交互，进而监测水质和环境信息情况。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示意性实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，本领域的普通技术人员可以理解：在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由权利要求及其等同物限定。

Claims (7)

1.一种基于物联网和GIS的水产养殖和畜禽养殖多参数测控系统，其特征在于，包括上位机服务器和下位机，所述上位机服务器用于用户管理、定位显示、报警、数据分析、数据存储；所述下位机用于数据采集和现场设备管理；

所述下位机包括采集模块、供电模块、通信模块、控制模块；所述上位机服务器包括引擎模块、功能模块、GIS模块、数据库模块；所述采集模块、供电模块、控制模块均和通信模块相连，通信模块通过无线传输和功能模块相连，功能模块分别和引擎模块、GIS模块、数据库模块相连；所述采集模块包括各种环境因子采集传感器和GPS采集模块；所述供电模块包括太阳能供电和市电供电；采集模块和通信模块用太阳能供电方式，控制模块用市电供电方式；所述太阳能供电方式包括40w的太阳能板和蓄电池；所述通信模块包括WiFi模块，并且要实现WiFi网状组网；所述控制模块包括PLC200模块，还包括与所述系统平台交互的手机客户端；所述控制设备是根据需要提供的现场环境管理设备；所述引擎模块将数据库模块中的数据信息传递至功能模块和通信模块；所述功能模块包括地图数据管理和统计分析，所述地图数据管理包括地图显示、图层控制和地图操作，所述统计分析包括历史数据统计图表、数据显示和设备动作记录；所述功能模块还包括显示数据库中的数据信息；所述GIS模块为数据采集模块提供地图信息；所述数据库模块包括GIS数据引擎和ADO.NET数据引擎，所述GIS数据包括空间数据库和属性数据库，所述空间数据库包括各个采集点的空间信息，所述属性数据库包括养殖地编号、所有者信息、联系方式、所养种类、养殖面积和环境状况；所述ADO.NET数据包括水质数据和状态数据，所述状态数据包括现场管理设备的开关状态。

2.根据权利要求1所述的一种基于物联网和GIS的水产养殖和畜禽养殖多参数测控系统，其特征在于，所述环境因子采集传感器包括PH传感器、温度传感器、溶解氧传感器、氨氮传感器、浊度传感器。

3.根据权利要求1所述的一种基于物联网和GIS的水产养殖和畜禽养殖多参数测控系统，其特征在于，所述环境因子采集传感器和GPS采集模块通信接口皆为RS485。

4.根据权利要求1所述的一种基于物联网和GIS的水产养殖和畜禽养殖多参数测控系统，其特征在于，所述现场设备包括增氧机和投饵机。

5.根据权利要求1所述的一种基于物联网和GIS的水产养殖和畜禽养殖多参数测控系统，其特征在于，所述GIS数据引擎采用SuperMap SDX+数据引擎。

6.一种基于物联网和GIS的水产养殖和畜禽养殖多参数测控方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1，首先搭建下位机硬件设备，分布式安放数据采集传感器，GPS定位模块，通信模块和供电模块，定点放置现场管理设备；数据采集传感器，GPS定位模块和现场管理设备通过RS485接口与通信模块相连；

步骤2，通信模块采用WiFi网状组网，通过多个无线跳来进行组网，在低成本的条件下，扩充无线信号的覆盖范围，以增加采集节点个数，实现多点采集，多点测量；

步骤3，运行上位机服务器，实现将采集到的数据通过WiFi网络将数据无线传输至上位机服务器；

步骤4，上位机服务器将采集到的传感器数据进行处理，并反馈给与PLC200模块相连的WiFi模块，决定是否开启现场管理设备；

步骤5，手机客户端通过socket与上位机服务器相连，实现数据显示和远程控制现场设备；

步骤6，功能模块包括地图数据管理和统计分析，地图数据管理实现卫星地图与专题图的显示和调用；对境界线图层，道路设施图层，文字注记图层和点号图层进行选择控制，实现地图的放大、缩小、漫游、选择操作；此外，还显示地图基础空间数据包括经纬度，比例尺，在地图上能够查看任意节点水质数据和现场设备状态；

步骤7，所述统计分析将采集到的历史数据生成统计图表以便对近期水质数据进行定量分析，从而做出正确的决策；同时，上位机服务器端显示采集到的数据信息和记录现场管理设备动作状态；

步骤8，数据库模块将采集到传感器数据和地理信息进行存储，对数据进行集中控制和管理，并且实现数据共享。

7.根据权利要求6所述的基于物联网和GIS的水产养殖和畜禽养殖多参数测控方法，其特征在于，所述步骤4具体执行以下步骤：

步骤4.1，上位机服务器在正常运行状态下，运行PLC200模块；

步骤4.2，初始化寄存器；

步骤4.3，判断常闭触点SM0.0是否为1，程序是否正常启动；如正常启动进行步骤4，若启动失败则返回步骤2重新运行；

步骤4.4，初始化运行程序；

步骤4.5，设定调用子程序时间间隔每100ms调用一次；

步骤4.6，将传感器采集到的数据传输给PLC200模块；

步骤4.7，判定环境参数的值，如在正常范围内则返回步骤3，如不在正常范围内，判断值是大了还是小了，如值大于上限则自动关闭现场设备，小于下限则打开现场设备，从而达到调节环境因子的作用。