CN108663492A - 分布式水产养殖监控装置及其工作方法 - Google Patents

分布式水产养殖监控装置及其工作方法 Download PDF

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杜存功
郝利辉
杨长兵
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Abstract

本发明提供了一种分布式水产养殖监控装置及其工作方法，所述分布式水产养殖监控装置包括：至少二个水质监测模块，所述水质监测模块包括：浮力部件，所述浮力部件为所述监控装置提供浮力：ZigBee分布式组网模组、NB‑IOT通信模组，所述ZigBee分布式组网模组、NB‑IOT通信模组连接微控制器，并设置在所述浮力部件上；微控制器，所述微控制器设置在所述浮力部件上；传感器组，所述传感器组检测养殖地水体参数，并传送到微控制器；供电单元，所述供电单元为所述微控制器、传感器组、所述ZigBee分布式组网模组和NB‑IOT通信模组供电。本发明具有低功耗、低成本等优点。

Description

分布式水产养殖监控装置及其工作方法
技术领域
本发明涉及水质监测，特别涉及分布式水产养殖监控装置及其工作方法。
背景技术
近年来，随着水产养殖规模化、集约化程度的不断提高，养殖种类的增多和养殖密度的增加，养殖水域水质环境日趋恶化，病害发生率越来越高，由此引发水产品质量安全问题也日益突出。水质监测技术在养殖生产过程中的需求日趋提高，随着技术的不断提升，从最初的人工采集水样再实验室中测量，逐步发展到在池塘中安装传感器进行水质的在线监测。现有的水质在线检测技术(PLC模式、ZigBee模式、GPRS模式、3G模式)在一定程度上解决了水质监测、控制的问题。但是PLC模式需要布置线路，维护成本较大。一般在线监测设备用于无人值守的情况下正常工作，且GPRS，3G、4G传输技术属于高耗能的无线通信，供电问题受到了很大的制约，使用太阳能和蓄电池也很难保证连阴雨天气时的正常运行。
于2016年6月冻结标准的NB-IOT技术以其架构优、覆盖广、功耗低、成本低的超多优势，成为全球运营商、科技企业积极布局的战略方向。NB-IOT比现有网络覆盖增益20Db，覆盖区域提升100倍；具备支撑海量连接的能力，一个扇区能够支持10万个连接，支持低延时敏感度、超低设备成本、低设备功耗和优化的网络架构；NB-IOT终端待机时间可长达10年，模块预期成本远低于现有传输模块。
当把NB-IOT技术应用于水产监控中时，主要的技术障碍在于：
1.NB-IOT的传输协议采用了UDP技术，该技术提供无连接的通信服务，因此会有丢包现象。
2.NB-IOT通信模组在PSM状态无法接收服务器下发的配置信息以及其它信息。
因此，目前尚未能将NB-IOT技术应用于水产监控中。
发明内容
为了解决上述现有技术方案中的不足，本发明提供了一种能够将NB-IOT技术应用于水产监控中的分布式水产养殖监控装置。
一种分布式水产养殖监控装置，所述分布式水产养殖监控装置包括：
至少二个水质监测模块，所述水质监测模块包括：
浮力部件，所述浮力部件为所述监控装置提供浮力：
ZigBee分布式组网模组、NB-IOT通信模组，所述ZigBee分布式组网模组、NB-IOT通信模组连接微控制器，并设置在所述浮力部件上；
微控制器，所述微控制器设置在所述浮力部件上；
传感器组，所述传感器组检测养殖地水体参数，并传送到微控制器；
供电单元，所述供电单元为所述微控制器、传感器组、所述ZigBee分布式组网模组和NB-IOT通信模组供电。
根据上述的分布式水产养殖监控装置，可选地，所述传感器组包括溶解氧传感器、PH传感器、电导率传感器、水温传感器。
根据上述的分布式水产养殖监控装置，优选地，所述水温传感器内置在所述溶解氧传感器、PH传感器或电导率传感器中。
根据上述的分布式水产养殖监控装置，可选地，所述供电单元包括：
可充电锂电池、太阳能电池板、充放电管理单元。
根据上述的分布式水产养殖监控装置，可选地，所述分布式水产养殖监控装置进一步包括：
清洗单元，所述清洗单元抽水并冲洗所述传感器组。
根据上述的分布式水产养殖监控装置，优选地，所述清洗单元的出水口呈喇叭状，并迎着所述传感器组。
本发明的目的还在于提供了根据上述分布式水产养殖监控装置的工作方法，该发明目的通过以下技术方案得以实现：
根据上述的分布式水产养殖监控装置的工作方法，所述工作方法为：
ZigBee分布式组网模组以终端模式启动，搜索ZigBee网络并入网，具体方式为：所述微控制器通过所述供电单元获取当前供电电压，根据当前供电电压执行以下操作：
若获取的当前电压不大于10.8V，所述微控制器周期性进入深度休眠模式，周期性唤醒进行搜索ZigBee网络并入网，所述监测模块成为水质监控终端；
所述水产监控终端进入深度休眠模式，周期性唤醒并启动所述传感器组进行对应水质参数采集；
若获取的当前电压大于10.8V，将所述ZigBee分布式组网模组配置成网关模式，所述ZigBee分布式组网模组配置成网关模式后组建ZigBee网络，所述监测模块为水质网关；
所述网关启动NB-IOT通信模组注网操作，注网成功后，所述网关周期启动所述传感器组进行对应水质参数采集；
至少二个监测模块组成ZigBee水质监控网络，采集到的水质数据通过网关的NB-IOT模组上传。
根据上述的工作方法，可选地，当获取电压不大于10.8V时，通过所述ZigBee分布式组网模组发送一次广播，通知各所述水质监控终端现有ZigBee网络将关闭，重新选择新的ZigBee网络进行入网。
根据上述的工作方法，可选地，所述水质监控终端接收到重新组网的广播通知后，退出当前ZigBee网络并通过供电单元获取当前电压值。
与现有技术相比，本发明具有的有益效果为：
针对NB-IOT技术应用于水产监控中时存在的主要技术障碍，本发明采用了UDP传输和自定义重传相结合的方法。所谓自定义重传，即作为网关的NB-IOT通信模组在Connect状态到IDLE状态的20秒内实现最多三次的重传。即NB-IOT通信模组把水质信息上传到服务器后，利用7秒时间监听服务器的响应。服务器收到水质信息后，立即发送带有“OK”的确认信息。作为网关的水质监测模块收到确认信息后即可判断发送成功。如果作为网关的水质监测模块在7秒内未收到反馈信息，即启动第二次UDP传输。当3次UDP传输还未收到反馈信息，即丢弃该报信息。
另，为了便于服务器后台对分布式水产养殖监控装置的管理，作为网关的水质监测模块的NB-IOT通信模组需要周期性的从PSM状态激活为COMMECT状态。鉴于NB-IOT通信模组在无数据交互的200秒内进入PSM状态，且分布式水产养殖监控装置默认采集水质信息的周期为20分钟。通过微控制器周期性激活的方式降低服务器下发配置信息以及其它信息的等待时间。具体方式为：作为网关的水质监测模块在NB-IOT通信模组处于PSM状态的时间内，每7分钟通过NB-IOT通信模组向服务器发送一次查询信息，询问服务器是否有对应分布式水产养殖监控装置的配置信息以及其它信息。
通过上述技术手段，使得NB-IOT技术能够应用于水产监控中，从而取得低功耗、低成本等技术优势。
附图说明
参照附图，本发明的公开内容将变得更易理解。本领域技术人员容易理解的是：这些附图仅仅用于举例说明本发明的技术方案，而并非意在对本发明的保护范围构成限制。图中：
图1是根据本发明实施例的分布式水产养殖监控装置的结构简图；
图2是根据本发明实施例的水质监测模块的结构简图。
具体实施方式
图1-2和以下说明描述了本发明的可选实施方式以教导本领域技术人员如何实施和再现本发明。为了教导本发明技术方案，已简化或省略了一些常规方面。本领域技术人员应该理解源自这些实施方式的变型或替换将在本发明的范围内。本领域技术人员应该理解下述特征能够以各种方式组合以形成本发明的多个变型。由此，本发明并不局限于下述可选实施方式，而仅由权利要求和它们的等同物限定。
实施例1：
图1示意性地给出了本发明实施例的分布式水产养殖监控装置的结构简图，如图1所示，所述分布式水产养殖监控装置包括：
至少二个水质监测模块，如图2所示，所述水质监测模块包括：
浮力部件5，如浮筒，所述浮力部件为所述水质监测模块提供浮力：
ZigBee分布式组网模组、NB-IOT通信模组，所述ZigBee分布式组网模组、NB-IOT通信模组连接微控制器，并设置在所述浮力部件上；所述ZigBee分布式组网模组自组织成为一个低功耗通信网络，每个模组拥有全球唯一序列号；所述NB-IOT通信模组是基于蜂窝的窄带物联网LTE通信模组，所述NB-IOT通信模组包括一张NB-IOT专属卡；所述NB-IOT通信模组都配有唯一IMEI，并与NB-IOT专属卡绑定，预先在运营商登记备案在册；有2个天线，一个为NB-IOT天线3，一个为ZigBee天线4；
微控制器，所述微控制器设置在所述浮力部件上；
传感器组7，所述传感器组检测养殖地水体参数，并传送到微控制器；所述传感器组包括溶解氧传感器、PH传感器、电导率传感器、水温传感器；
供电单元1，如利用太阳能供电，所述供电单元为所述微控制器、传感器组、所述ZigBee分布式组网模组和NB-IOT通信模组供电；
清洗单元8，所述清洗单元抽水并冲洗所述传感器组。
多个水质监测模块组成一个分布式ZigBee网络，分布式ZigBee网络、NB-IOT基站和服务器形成一个物联网***，可通过电脑或手机APP应用查询分布式水产监控装置的信息，也即水质监测模块的信息。
本实施例中，分布式水产养殖监控装置采用周期性工作方式，每20分钟(可通过服务器后台配置)采集一次数据。休眠时，所述微控制器、ZigBee分布式组网模组处于低功耗状态，NB-IOT通信模组处于PSM状态，所述溶解氧传感器、所述水温传感器、所述PH传感器、所述电导率传感器、所述清洗单元处于断电状态。休眠结束后，微控制器通过自身RTC唤醒，同时依次对传感器通电获取水质参数后再次断电。获取的水质参数通过ZigBee分布式组网模组发送到网关，网关通过NB-IOT通信模组发送出去。微控制器每隔6小时(可通过服务器后台配置)启动清洗单元对传感器组进行10分钟清洗，避免水藻等附着物覆盖水质传感器探头。
实施例2：
根据本发明实施例1的分布式水产养殖监控装置及其工作方法的应用例。
在该应用例中，水质监测模块安装后直接放置于水中；浮力部件采用圆形浮筒；供电单元包括12V、84000mAH可充电锂电池，12V、30W太阳能电池板，充放电管理单元；太阳能电池板设置在圆形浮筒上部；圆形浮筒中间设置监控箱2，监控箱包含微控制器、ZigBee分布式组网模组、NB-IOT通信模组、可充电锂电池、充放电管理单元，监控箱顶部外置了ZigBee分布式组网模组的2.4GHz天线3和NB-IOT通信模组的通信天线4；圆形浮筒下面为不锈钢固定支架6；不锈钢固定支架用于安装传感器组7(包含溶解氧传感器、水温传感器、PH传感器、电导率传感器)和清洗单元8。清洗单元(微型潜水泵)上部为喇叭形出水口，迎着传感器组，方便有效的对传感器组进行清洗，清洗单元侧部为带有软管的进水口9，可针对要求吸取水塘不同深度的水；设置过滤器，使得喷出出水口的水不含浮游微生物等，避免传感器组的探头附着微生物。

Claims (9)

1.一种分布式水产养殖监控装置，其特征在于：所述分布式水产养殖监控装置包括：
至少二个水质监测模块，所述水质监测模块包括：
浮力部件，所述浮力部件为所述监控装置提供浮力：
ZigBee分布式组网模组、NB-IOT通信模组，所述ZigBee分布式组网模组、NB-IOT通信模组连接微控制器，并设置在所述浮力部件上；
微控制器，所述微控制器设置在所述浮力部件上；
传感器组，所述传感器组检测养殖地水体参数，并传送到微控制器；
供电单元，所述供电单元为所述微控制器、传感器组、所述ZigBee分布式组网模组和NB-IOT通信模组供电。
2.根据权利要求1所述的分布式水产养殖监控装置，其特征在于：所述传感器组包括溶解氧传感器、PH传感器、电导率传感器、水温传感器。
3.根据权利要求2所述的分布式水产养殖监控装置，其特征在于：所述水温传感器内置在所述溶解氧传感器、PH传感器或电导率传感器中。
4.根据权利要求1所述的分布式水产养殖监控装置，其特征在于：所述供电单元包括：
可充电锂电池、太阳能电池板、充放电管理单元。
5.根据权利要求1所述的分布式水产养殖监控装置，其特征在于：所述分布式水产养殖监控装置进一步包括：
清洗单元，所述清洗单元抽水并冲洗所述传感器组。
6.根据权利要求5所述的分布式水产养殖监控装置，其特征在于：所述清洗单元的出水口呈喇叭状，并迎着所述传感器组。
7.根据权利要求1-6任一所述的分布式水产养殖监控装置的工作方法，所述工作方法为：
ZigBee分布式组网模组以终端模式启动，搜索ZigBee网络并入网，具体方式为：所述微控制器通过所述供电单元获取当前供电电压，根据当前供电电压执行以下操作：
若获取的当前电压不大于10.8V，所述微控制器周期性进入深度休眠模式，周期性唤醒进行搜索ZigBee网络并入网，所述监测模块成为水质监控终端；
所述水产监控终端进入深度休眠模式，周期性唤醒并启动所述传感器组进行对应水质参数采集；
若获取的当前电压大于10.8V，将所述ZigBee分布式组网模组配置成网关模式，所述ZigBee分布式组网模组配置成网关模式后组建ZigBee网络，所述监测模块为水质网关；
所述网关启动NB-IOT通信模组注网操作，注网成功后，所述网关周期启动所述传感器组进行对应水质参数采集；
至少二个监测模块组成ZigBee水质监控网络，采集到的水质数据通过网关的NB-IOT模组上传。
8.根据权利要求7所述的工作方法，其特征在于：当获取电压不大于10.8V时，通过所述ZigBee分布式组网模组发送一次广播，通知各所述水质监控终端现有ZigBee网络将关闭，重新选择新的ZigBee网络进行入网。
9.根据权利要求8所述的工作方法，其特征在于：所述水质监控终端接收到重新组网的广播通知后，退出当前ZigBee网络并通过供电单元获取当前电压值。
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