无线技术（DTU）在水产养殖及海洋监控的应用

随着我国社会主义经济的快速发展，水域的过度开发、工厂污水的过度排放、填湖造地、围海造田等等，导致原有的水草资源和水底环境遭到严重破坏，照成了原有的一些优良品种退化，直接危害到水产养殖业的生存与发展，直接导致养殖户的经济利益逐年下降。为那水产养殖无线智能监控系统是基于智能传感器、无线通信、智能处理等物联网技术开发的，是为了水产养殖高效、高产、安全、绿色环保的发展。水产养殖智能监控系统的主要功能是WBee自动组网、无线传输、水质环境参数采集、预警信息短信告警、远程与自动控制等功能于一体无线智能监控系统。

远程监控中心通过接收无线控制采集传输设备跟采集传感器汇聚的数据信息，水产养殖户可以通过智能手机、平板电脑、计算机等网络信息终端，连接到INTERNET上面，实时查看养殖场当前水质环境参数信息，根据前端设备采集的水质监测结果，并通过对采集到的数据进行分析处理，做出相应的控制决策，实现科学化、数字化水产养殖与管理，最终实现节能减耗、绿色环保、增产增收的最终目标。

1、WCTU技术

1.1 什么是WCTU

       WCTU（the wireless control collecttransmission unit )全称为无线控制采集传输单元，是专门用于将接口数据（RS232、RS485、RS422、TTL、A/D、I/O）转换为IP数据进行传输或者反向转换把IP数据转为接口数据进行传输的无线终端设备。WCTU是厦门为那通信科技有限公司自主研发的综合DTU、RTU及短信收发功能为一体的高性能工业级无线控制采集传输设备，是工控行业应用中集控制、采集、传输、短信为一体的必备通信产品。

       WCTU兼容多种网络制式：支持LTE、HSPA+、HSPA、TD-SCDMA、EVDO、EDGE、CDMA、GPRS多种网络制式；完美支持电信/移动/联通国内三大运营商2G/3G/4G网络；支持2G/3G/4G网络制式智能切换，保证设备工作在最好的网络制式下，使设备处于高效、稳定运行状态。

1.2 WCTU工作过程描述

WCTU是一款主动发起与数据中心建立连接通信，并保持通信链路长久连接的无线控制采集传输设备。由于WCTU登陆网络时，通过运营商网络认证拨号成功后获取到一个随机分配的IP地址。因此，这就要求数据中心具备固定的公网IP地址或域名。数据中心的公网IP地址或域名作为参数存储在WCTU内，以便WCTU一旦上电拨号成功，就可以主动连接到数据中心。然后前端采集设备就可以通过WCTU的串口跟数据中心进行数据交互，实现数据中心远程监控的功能。

       WCTU还提供了网络或短信的I/O报警和控制功能及其A/D采集功能。

       I/O报警功能：WCTU监测其引脚相接的电平变化。当I/O电平变化符合预设的状态时，WCTU会通过网络或短信向服务器或指定的手机号上发送报警信息，从而达到报警功能，及时联系相关人员处理，减少损失。

       I/O控制功能：用户可通过网络或指定的手机号码向WCTU发送控制命令，控制外部I/O引脚的电平变化。使与其引脚相接的下位机设备通过监视引脚的变化来做相应的动作，从而达到控制下位机的功能。

       A/D采集功能：WCTU同时自带A/D采集接口，能自定义采集周期，对前端传感器模拟量数据进行实时采集，并转换成数据量主动或被动的上传到远程服务器上。

1.3 WCTU的优势

WCTU通信方式适合于野外、移动、较难或无法布线的环境下使用。目前，还存在很多监测站与各采集点采用电话线传送数据或使用人工抄录方式，实时性差，费用也不便宜。然而WCTU完全的规避了这些缺点和不足，更加适合于野外、移动、较难或无法布线的环境下使用。

       WCTU无线传输数据有以下优势：

       1．WCTU用户可随意分布和移动自己的采集点，无须担心线路的维护或有线在移机时导致的通讯中断。建设新的采集点无需进行拉线，埋线等工作，较使用光纤或专线安装投资较少，设备安装方便。

       2．安装价格低廉、节约成本，与拉线埋线相比较WCTU其终端价格比安装有线的费用便宜很多。

       3．双向传输功能：WCTU通过无线方式与数据中心进行连接成功后，WCTU与数据中心就可以进行双向数据传输。

       4．数据传送可靠：WCTU适合频繁的突发型数据业务及其大量的数据转发业务，支持TCP/IP通信，通信质量稳定可靠。

       5．丰富的通信接口：支持RS232/RS485/RS422/TTL、支持六路IO报警控制功能、支持六路的A/D采集功能，为用户提供多样化通信接口。

       6．支持短信控制、配置功能，相关管理人员可以通过指定的手机号码实时的控制设备跟修改WCTU配置。

       7．支持网络控制、配置功能，管理人员可以通过监控中心实时的控制设备跟修改WCTU配置

       8．支持多种安全加密协议方式，WCTU支持AES、3DES、DES等加密方式，防止用户信息泄露，保护用户信息的安全。

       9．支持LED灯查看设备的运行情况，可以快速判断设备当前运行状态，方便管理人员快速处理。

       10．支持在线远程升级，不用在担心由于设备需要升级而跑到现场操作，浪费人力物力，减少企业开支。

       11．支持通信串口和调试串口分离模式，设备调试期间，不影响正常的数据传输。

       12．优化了485的通信功能，485同时收发串口数据不会出现数据乱码的现象。

       13．高性能多功能，WCTU是一款综合DTU/RTU及短信收发功能为一体的工业级无线控制采集传输设备。

2、WBee技术

2.1 什么是WBee

       WBee是厦门为那通信科技有限公司自主研发的一款物联网无线短距离数据采集、传输设备，WBee这一名称来源于蜜蜂（Bee）用八字舞与同伴传递花粉所在方位信息的交流方式。WBee是一款近距离、低复杂度、自组织、低功耗、小数据量、低成本，带采集和控制功能的无线自组网采集控制终端。WBee发射功率达到业界最高值27dbm，接收灵敏度达到≤-126dbm，收发实测直线距离可以达到4000米，解决了一些短距离传输设备传输距离不足的问题。

2.2 WBee的工作原理

       WBee是一种无线通讯技术，是由厦门为那通信科技有限公司自主研发的产品。WBee通信技术采用蜂窝式自组织网通信方式，点对点传输直线可视距离可达4KM（实测值）。了解无线通讯的人都知道，各种无线通讯技术，都是利用电磁波信号在自由空间中传播的特性进行信息交换的通信方式。WBee也不例外，它采用国际通用的315MHZ、433MHZ、868MHZ 、915MHZ 、2.4GHZ 、5.8GHZ 六种免申请频段来进行无线通讯。

       WBee通信到底是怎么回事呢?简单的举一个例子就可以说明这个问题。当一队特警人员在执行任务时，每人持有一个WBee网络模块终端，只要他们彼此间在网络模块的通信范围内，通过彼此自动寻找并组网，很快就可以形成一个互联互通的WBee网络。而且随着人员的移动，彼此间的位置还会发生变化。因而，WBee可以自动的通过重新搜索到其它各个设备的路由通道来更新网络结构，从而实现可靠、稳定的通信。

2.3 WBee的优势

       WBee的自组网络主要特点是低功耗、低成本、短距离、短延时、支持大量节点、支持中继、支持加密、速度快等特点。同时WBee是工作于免申请执照频段，且网络搭建便捷，因此WBee作为一款短距离无线通信设备，在短距离传输领域中具有非常强的可应用性。

2.3.1 网状优势

       1、具有强大的网络结构，WBee自组网络可以通过多级中继路由的方式进行更远距离传输，通信距离远远超过ZigBee、WIFI、蓝牙的传输距离。

       2、是一种特殊的点对点、点对多点的网络结构，其路由可自动建立和维护，具备自组织、自愈功能。

       3、网络结构还可以组成极为复杂的网络，可采用星状、片状和网状等多种网络结构，具有很大的路由深度和网络节点规模，一个协调节点最多可以管理达到65534个节点的大网。

       4、利用WBee自组网特性，设备的增加或者减少不影响整个WBee通信结构，具备通信稳定及其安装便捷的特性。

2.3.2 抗干扰性能强

  1、WBee 在低信噪比的环境下，具有很强的抗干扰性能；   

       2、WBee 技术在相同的环境中，抗干扰性能远远好于ZigBee、蓝牙和WIFI。   

       3、WBee的抗干扰性能在相同的环境中是蓝牙和WIFI的1000倍。

2.3.3 数据安全性

       WBee支持完善三级安全模式，包括无安全设定（广播）、使用访问控制（指定目的地址） 防止非法获取数据以及采用高级加密标准的加密方式，包括AES、3DES、DES等加密方式。WBee以多种加密方式，灵活的确保其数据传输的安全，防止数据在传输中被截取或篡改。

一、智能监控前景

       据调查，我国现在大部分水产养殖还是以传统的模式进行养殖，传统养殖模式的水产养殖管理是以多年养殖经验作为指导，都是按照养殖人的感觉器官对水质的一个初步判断，然后在根据个人主观养殖经验，对水质进行对应的处理，这也就是目前我国乃至世界大部分养殖户一种普遍的养殖方法。这样的做法很难做到准确可靠，渔业生产产量也难以得到保证。因此，迫切需要采用一种手段来提高水产养殖智能化监控，通过采用现有自动化技术，实现对水产养殖业的全自动控制及科学管理，有效提高水产养殖的产量，降低养殖户的养殖风险，实现水产养殖业的可持续发展，以及经济利益的最大化。

       由于水产养殖业环境具有偏僻分散的特点，加上运营商有线网络普及困难等客观原因。于是一种基于水质信息智能传感、无线移动通信、无线自组网络通信、自动化技术、传感器采集技术、信息发布和智能遥控技术的系统方案诞生了。本无线远程监控系统可以为水产养殖用户节省大量人工操作和电力消耗费用，防范鱼类突发疾病所造成的损失，减少鱼类死亡率，降低损失。通过无线方式长期的监测、调节和控制水质，可以增加养殖场的产量。随着水产养殖业的不断发展，竞争越来越激烈，养殖及人工成本越来越高，因此掌握好准确可靠的水质数据，科学养殖，提高产量与品质，势在必行。第1章    项目设计

本该系统由水质监测、溶氧增氧控制、投饵机系统、进出水排水系统、农用气象站、无线传输系统及远程监控中心等子系统组成。

       1、 水质监测站选择安装pH传感器、盐度传感器、溶氧传感器、水位传感器、浊度传感器等，在通过连接无线传输终端的A/D采集口进行数据传输，水质监测站主要功能是实现对养殖场水质环境参数的实时在线采集、处理与传输。

       2、增氧控制系统包括空气压缩机与曝气增氧管道，通过无线控制采集终端汇聚水质监测站采集的参数信息到远控中心，然后根据不同养殖水产品种对溶解氧量的需求，通过数据分析控制增氧设备动作，这个主要是为了保持水里的溶氧量。

       3、投饵机系统的组成主要有机械投喂机、定时器组成，用户根据定时器设置好投饵时间，投饵机自动投饵，然后配合无线采集终端使用，实时记录投饵次数跟投饵量，也可以通过远程控制中心修改定时器投饵时间跟次数。

       4、换水系统主要由抽水器、水位传感器、流量仪组成，然后在通过无线控制采集终端，根据水位传感器采集的水位情况反馈给采集中心，然后监控中心分析数据进行控制抽水器的开跟关，并把流量仪采集的水流量信息通过网络系统传输到中心，并进行记录。

       5、农用气象站由气象传感器、气象数据记录仪、电源系统、野外防护箱和不锈钢支架等部分构成。实时监测温度、湿度、风速、风向、雨量、气压、光合辐射、蒸发、土壤温度、土壤湿度等多种气象参数，然后在通过无线网络传输到数据中心，供给用户查看，然后用户在根据实际情况作出相应的控制。

       6、远程监控中心通过有线的连接到INTERNET网，现场无线控制采集设备（WCTU/WBee网关）通过GPRS/CDMA远程接入点连接到INTERNET网，并把WBee网络接收过来的数据信息传输到中心。用户可以通过手机、平板、计算机等信息终端远程查询水质信息，同时也可通过对数据进行分析处理，做出控制决策，远程控制前端设备。

图2-1

二、系统功能

2.1 前端数据采集功能

       前端数据采集系统是整套监控项目的前沿部分，是整个项目监控系统的的核心。系统将前端的鱼类生长环境参数等和食品消费的所有信息进行采集，并通过网络传输功能，并数据传输到监控中心。 前端采集部分系统包括水质监测系统、溶氧监测及增氧系统、投饵机系统、进出水排水系统、农用气象站。

2.2 网络传输功能

       网络传输系统，是整个项目数据的传输通道。 网络传输部分包含了两个传输系统一个是由多个WBee组成的通信系统，一个是由运营商提供的GPRS/CDMA通信系统，主要负责把前端数据采集设备获取到的环境数据通过WBee-GPRS/CDMA网络传输系统传输到远端服务器上去，并提供移动网络终端访问主服务器功能。在数据传输中模块设备进行了数据的安全加密，模块包含了AES、DES、3DES等加密方式，为用户在网络安全传输中增加了可靠性。

2.3 显示功能

       显示系统是把采集到的数据通过显示终端设备展示给用户查看，使养殖用户随时随地的了解养殖场实时信息。养殖用户可以通过各种上网终端比如个人电脑、手机、平板电脑等实时了解养殖场地信息。

2.4 智能控制功能

       无线控制终端汇聚的数据通过无线传输汇总到远程监控计算机，用户可在监控中心查询水质参数数据。智能监控系统通过分析现场前端采集设备发送过来的数据与系统设置的阀值进行相对比，参数超出系统软件设置的阀值后，控制中心就根据分析的数据自动发送对应的控制指令做出控制决策，通过无线传输向各个前端设备发送控制指令，到达自动打开关闭相应设备的功能。

2.5 报警功能

       短信报警系统是由前端WBee的IO电平检测功能跟远程监控中心报警服务器组成。报警功能主要负责的是监测现场设备的异常短路、设备电源故障、设备无故关机、设备硬件故障等报警。这种功能是利用前端的WBee设备实时监视与下位机设备相接的引脚的电平变化。当电平与预设的告警电平变化吻合时，WBee会向远程监控中心发送告警数据，同时监控中心的短信报警服务器会向维护人员手机上发送短信告警信息，让相关维护人员及时到现场抢修。远程监控中心收到告警数据时，会在界面上面显示并记录告警信息。