活体运输是保持水产品鲜活和营养价值的有效方式,随着消费者对鲜活水产品需求的日益增加,水产品的活体运输技术越来越受到人们的关注[1]。目前,水产品活体运输主要有麻醉辅助运输、密闭运输以及开放式运输等方法[2-3]。麻醉辅助运输会造成水产品体内药物残留,危害健康;密闭运输无法实时监控水质环境,只能进行短距离运输;而开放式运输对水质环境监控技术要求较高[4-6]。国内尚缺乏功能齐全的水产品活体运输智能监控系统,人们只是根据以往经验进行运输过程的监控,存在着信息化程度低、水质环境监控方式粗放、监控因素单一、网络优化调度不强等缺点,从而成为限制水产品活体运输发展的主要因素[7]。
近年来,物联网技术[8-9]以先进的传感技术、信息传输技术和互联网技术在水产养殖、农业生态环境的自动监测等领域得到应用[10-11],实现了智能化管理和控制,为水产品活体运输提供了新的解决方案。水产品活体运输过程中,其生命活动受水质环境如水温、pH、溶解氧、氨氮等的影响较大[12],因此,本文提出一种基于物联网的水产品活体运输智能监控系统。采用服务器模式和无线传感器、无线通讯、智能化监控等技术相结合,可实时监控水质环境参数、跟踪车辆的运行状况,实现活体运输的智能化监控,使得水产品运输过程中水质环境最佳,保证其新鲜度和安全性,为水产品的溯源系统提供可靠的依据。
1 系统总体设计方案根据物联网中感知层、网络层和应用层的三层体系架构[13-15]设计的水产品活体运输智能监控系统由无线检测和控制层、监控中心层和远程管理层三部分组成,整体设计方案如图 1所示。在水产品活体运输过程中,无线检测和控制层包括水质参数检测传感器、水质控制装置、摄像头等,一方面应用ZigBee无线传输技术[16]对多项水质传感器节点实时采集的数据进行近距离传输,另一方面应用WiFi无线传输技术采集运输车箱内的视频信息。监控中心层是系统下位机与远程用户上位机终端间通讯的桥梁,负责数据分析和处理,有四个功能:(1) 根据水质传感器采集的数据,自动调节控制设备,保证运输过程中水质环境最佳;(2) 对运输过程中的装箱和卸货,实施安全监管;(3) 通过车辆定位模块实现实时记录追踪车辆的位置信息及运行路线;(4) 控制液晶屏实时显示,并将水质和视频数据通过GPRS (General Packet Radio Service)或WiFi无线网络传输到远程用户管理终端。远程管理层包含上位机监控系统及水产品活体运输信息数据库,实现对本系统的远程实时智能监控。
根据活体运输的水产品控制要求,本系统的硬件设计主要由水质环境监控子系统和视频监控子系统两大部分组成。
2.1 水质环境监控子系统水质环境监控子系统包括传感器检测节点、水质环境调节节点、无线通讯模块和监控中心四部分。各节点配备的ZigBee终端和监控中心中的ZigBee协调器,经过多跳路形式构成无线传感自组网络,监控中心内的ZigBee协调器将接收到的检测数据通过GPRS网络传输到远程终端,如图 2所示。
传感器节点主要由传感器模块以及数据处理模块两部分构成。传感器模块主要包括水温、pH以及溶解氧传感器以及相应的信号调理电路,可根据车箱内水箱的大小调节放置数量;数据处理模块实现数据模/数(A/D)转换和处理功能。考虑到水产品运输的特殊环境,水温检测采用防水式18B20温度传感器,将温度信号直接转换为数字信号输出,电路结构简单,抗干扰能力强。pH检测采用Arduino pH传感器,检测范围广,响应时间快,输出模拟电压信号。氧含量检测采用溶解氧浓度传感器,测量范围广,分辨率高,可根据输出电流的大小测量水中溶氧浓度。数据处理模块部分采用CC2530芯片作为主控芯片,处理传感器检测的数据,并应用ZigBee无线网络进行发送。CC2530芯片内部包含一个增强型的8051控制器,具备丰富的外设资源,开发方便,可节省硬件资源[17]。
水环境调节节点由参数调节和数据处理两个模块组成。参数调节模块包括调节温度、pH、溶氧量等参数的装置。根据控制器CC2530通过ZigBee模块接收的监控中心数据,由继电器电路控制各设备,如检测参数不符合设定范围,则使相应设备开通,从而使水质达标,在达标后断开设备并继续实时监控,实现智能化控制。
无线通讯模块采用网蜂科技ZigBee模块建立星型传感网络实现短距离数据传输,具有功耗低、成本低、传输数据可靠的优点,传输距离达1 km,可满足水产品活体运输的需要。
监控中心是实现系统下位机与远程上位机用户终端间通讯的桥梁。ZigBee协调器将接收到的检测数据分析处理后发送给主控芯片,并在液晶屏12864上显示。主控芯片采用TI公司的低功耗MSP430系列单片机,并通过串口与GPRS模块相连,应用GPRS网络将数据发送到远程用户终端[18],实现系统远程智能监控。
2.2 视频监控子系统视频监控子系统包括WiFi无线通讯模块、摄像头模块、红外人体感应器、监控中心和声光报警装置等,实现运输过程中水产品装箱和卸货的实时视频监控。摄像头模块的数量可根据运输集装箱的大小调节,分别安装在运输车箱的四周,每个模块均配有红外线防盗报警装置,用于安防报警。其结构图如图 3所示。
视频监控子系统是基于MSP430单片机为主控芯片的控制网络,其连接控制运输环境内的无线节点,从而实现对整个运输环境的全面实时监控。这些无线节点根据功能的不同可分为监控节点和继电器控制节点。监控节点包括红外人体感应器及WiFi网络摄像头;继电器节点包括报警装置和启动电脑及手机客户通知。根据水产品活体运输的特殊环境,系统选择防潮与防腐蚀的红外人体感应器,其监控角度为110°、监控范围为8 m,可适应各种规模的水产品运输,稳定可靠;WiFi网络摄像头采用TI公司产的CC3200WiFi模块和OV7620摄像头,其具有数据传输可靠,操作简单的特点。
3 系统软件设计本系统软件设计以实用性、可靠性、友好性、后期可扩展升级为基本原则,主要包括ZigBee无线网络设计、视频监控设计和远程用户终端设计。
3.1 ZigBee无线网络设计ZigBee无线网络设计是基于IAR开发环境,根据其无线通讯协议,采用模块化的编程方式来进行设计编程,实现无线网络建立。主要包括传感器节点控制程序设计、协调器节点控制程序设计两部分。传感器节点控制流程如图 4所示,当判断到成功加入网络后开始读取水质传感器采集的数据并根据设定时间间隔将数据发送至协调器。协调器节点控制流程如图 5所示,其接收发来的检测数据,并经过分析处理后,根据分析结果发送相应控制命令到相应水质环境调节节点的ZigBee接收端,从而实现相应设备的自动调节工作。
视频监控设计主要是针对名贵水产品,并结合红外人体感应器监测是否有外来人员入侵车箱,实现实时安防监控,同时结合GPS定位模块实时记录车辆位置信息。当检测到有外来人员入侵等异常情况时,系统产生报警信号通知相关人员察看运输环境情况,并可联动摄像头视频监控系统,在电脑端弹出相应位置的现场视频图像,并启动录像功能,用于后续分析取证;同时通过触发信号可联动运输车箱现场声光设备和报警装置,以短信方式通知系统设置的手机号码,使相关人员做出防范措施。系统运行流程图如图 6所示。
远程用户终端采用LabVIEW设计上位机远程监控界面,可通过串口实现数据的传输。远程用户终端利用无线串口软件实现与监控中心的GPRS模块通信,并通过LabVIEW中的串口控件读取无线串口软件中获得的数据。应用LabVIEW设计的客户端界面具有友好直观,方便用户操作使用的优点[19]。
远程用户监控界面如图 7所示,包括用户管理、水质环境监控界面、视频监控界面和数据管理等部分。系统主要实现的功能有以下几种。
(1) 用户管理界面:为了保证客户端访问安全,客户端需要通过登录名和登录密码进行登录验证,当通过验证后,才允许对客户端进行访问。同时管理员可增加或删除用户信息。
(2) 水质环境监控界面:实时显示当前水质环境参数信息,通过自动和手动两种方式调节控制设备运行。每个按钮前对应的指示灯代表目前该设备的工作状态。
(3) 视频监控界面:实时显示出当前运输车箱内的视频图像,并可调出某一时段监控视频用于后续取证分析。
(4) 数据管理界面:设置水质环境警戒参数,并可调出30 d内某一时刻的水质环境参数,生成数据报表用于后续分析。该软件除了储存、发布监测数据外,还建立了水产品运输数据库,内容包括多种水产品的运输条件和方法,当运输环境参数超标时可给出预警并提出指导性建议。图 8为温度数据报表曲线。
为了测试系统传感器检测准确性、数据传输及时性、设备控制可靠性以及整个系统运行稳定性,本系统在小型罗非鱼活体运输车辆内进行了监控实验,运输集装箱大小20 m3,内部分别设有水温、pH、溶氧等传感器各一个,并配备摄像头视频监控系统。根据罗非鱼最佳运输条件,设定了水温警戒值为20 ℃、pH允许范围7.4~7.6、溶解氧警戒值7.0 mg/L,并在测试过程中加入了人为扰动,对系统进行实验,测试数据列表 1。
从表 1实验数据可以看出,系统每隔30 s时间进行数据采集,通过监控主机和远程用户终端,可以实时获取水温、pH、溶氧等环境参数,无线传输速率快,传输数据可靠,系统执行设备响应及时,且水温误差在1 ℃以内,溶氧量误差在±0.3 mg/L以内,pH误差在±0.2以内,远程用户终端软件运行正常,同时视频监控系统能够实时显示出运输车辆位置、视频图像等数据,满足了水产品运输监控需求。
5 结论本文根据目前水产品活体运输过程中信息化、智能化水平低的现状,将运输现场监控系统与远程监控终端结合起来,设计并实现了一种基于物联网的水产品活体运输智能化监控系统。通过对水质环境监控和视频监控两个子系统的合理设计,综合运用ZigBee,WiFi,GPRS等技术实现系统的无线通讯功能,并配备远程用户终端对运输环境的远距离实时监控,实现了活体运输的智能化,确保了水产品在运输过程中的鲜活度、安全性和可靠性。该系统经测试运行稳定可靠,智能化程度高,可进一步推广应用到多种水产品活体运输过程中,具有良好的实用价值。
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