基于无线传感器网络的河蟹病原体监测系统

盖之华　施连敏　陈志峰

摘要：为了有效预防河蟹养殖过程中的病原体危害，指导蟹农进行河蟹疾病的预防与控制，设计并实现了基于无线传感器网络的河蟹病原体监测系统，主要包括建立病原体实时数据库、设计系统的软件架构和传感器模块、提供数据优化模块。结果表明，本系统在河蟹养殖领域具有极大的应用前景。

关键词：河蟹病原体；监测系统；无线传感器网络

中图分类号： TP274；S126文献标志码： A文章编号：1002-1302（2015）11-0510-03

收稿日期：2014-12-29

基金项目：江苏省苏州市应用基础研究计划（编号：SYN201305）；江苏省高校科研成果产业化推进工程项目（编号：JHB2012-79）。

作者简介：盖之华（1979—），男，江苏淮安人，工程师，主要从事智能信息处理研究。E-mail：slmxiaodai@163.com。

通信作者：施连敏，工程师，主要从事智能信息处理研究。E-mail：18915418296@163.com。河蟹是我国最重要的淡水蟹类，由于其适应性较强，养殖范围广，近年来养殖规模迅速增加，给养殖户带来了良好的经济效益。但由于河蟹栖息在水底，生病后往往不易发觉。通常情况下，河蟹的疾病是由相关病原体的入侵造成的[1]。但是，由于绝大多数蟹农缺乏足够的信息资料来准确地监测预警与控制产生河蟹疾病的病原体，从而导致无法对河蟹疾病进行有效的预防和治理，病急乱投医、乱投药的情况时有发生，造成了极大的经济损失，同时也制约了河蟹产业的发展。因此，防治蟹病应从控制病原体着手，建立起有效的河蟹病原体监测与控制系统体系。当前，随着生物传感器[2-3]、地理信息系统（geographic information system，GIS）、移动互联网、云计算等新一代信息技术的快速发展，将信息化技术应用到河蟹病原体监测预警与控制中，指导蟹农进行疾病的预防与控制，改变蟹农看病难、用药乱的现状，提升河蟹生态化养殖品质，已成为河蟹养殖业健康发展的必然趋势。

1河蟹病原体监测系统体系结构

1.1传感器网络的软件结构

无线传感器网络（wireless sensor networks，WSN）是由部署在监测区域内的大量廉价微型传感器节点组成，通过无线通信方式形成的一个多跳的自组织的网络系统，其目的是协作地感知、采集和处理网络覆盖区域中感知对象的信息，并转发给观察者处理[4-5]。本系统的传感器网络采用LEACH[6]协议，该网络主要由节点、簇头以及基站组成。节点是感知水质参数的主要节点，位于传感网的末端，负责采集病原体、水温、pH值等数据，并将采集到的数据通过无线传输模块发送出去；簇头是数据采集的关键节点，在预先设定的时刻按顺序收集簇内节点的数据，并转发给基站；基站收到各簇头的数据，再通过GPRS模块将数据包通过Internet传送到服务器。传感器网络的结构如图1所示。

1.2河蟹病原体监测系统软件架构

从病原体预警的实时性及长期性考虑，将河蟹病原体监测系统架构分为4层，分别为应用层、中间层、数据层、基础层。应用层由河蟹病原体预警功能模块和WEBGIS发布功能模块组成，研究者和决策者可以通过浏览器或病原体预警功能模块主界面向数据层发送指令包并通过不同接口实现响应指令；中间层由通信接口、GIS接口及数据接口组成，用来处理用户传入的指令并通过数据层实现数据分析；数据层由病原体数据库和病原体预测模型组成，用来储存数据，接受基础层的指令请求。河蟹病原体监测系统软件架构如图2所示。

2病原体实时数据库设计

数据库的设计以日常病原体监测数据为主，科学研究和特殊情况监测数据为辅；系统数据库共设置5个基本表，它们是实时数据接收表、病原体类型表、水质中病原体浓度阈值表、历史数据表以及监测点水文特征表。实时数据接收表是数据库关系图中最主要的、所占空间最多的一个表，其储存的是能实时采集的病原体参数，因此表项设置主要有溶氧量、水温、pH值、病原体类型、病原体个数，并且预留几个可扩展项。

3系统分析、设计与实现

3.1系统分析

预警系统主要目的是收集河蟹病原体数据、分析病原体数据、建立预警模型。本系统依据河蟹养殖的实际情况，总结了河蟹养殖预警需求，概括如下：（1）数据采集。数据采集主要通过无线传感器收集河蟹病原体数据、养殖区域水质数据等。该模块须要完成网络建立、系统维护、数据采集及数据传输等功能。（2）数据分析。无线传感器网络将采集到的数据传输到服务器，服务器须要将接收到的数据进行分析、加工，然后将处理后的数据存储到数据库。（3）系统预警。数据库中数据须进行再加工，并通过分析后建立直观的数据报表，同时对符合的数据进行预警。

3.2系统设计

河蟹病原体监测系统主要包括病原体数据采集、病原体数据分析、系统预警等。该系统总体设计结构如图3所示。

如图3所示，须预先在河蟹养殖区域部署传感器监测节点和无线路由节点，通过路由节点将采集的数据传输到河蟹监测站点，最终通过监测站点和服务器通信，将采集和处理过的信息传输给中心服务器，中心服务器将采集的数据进一步加工、分析，并将结果反馈给监控设备。根据河蟹病原体预警结构可设计出如图4所示的系统流程图。

如图4所示，系统分为数据采集、数据分析和系统预警3个部分。其中，数据采集主要包括传感器节点和路由器节点的初始化、传感器网络建立、数据采集、数据汇聚；数据分析主要包括对采集到的病原体数据并进行数据处理、数据分析、数据存储等；系统预警包括将采集和分析的数据嵌入到GIS系统、生成分析报表、预警信息发布等。

由于传感器节点在数据采集过程中非常关键，所以本系统在实施时考虑到成本和维护问题，采用如图5所示的传感器模块结构。

根据河蟹养殖和传感器工作的特点，同时为了节约成本和延长传感器电池使用时间，本系统采用低功耗处理模块和无线发射模块，同时采用锂电池供电，达到延长传感器工作时间，减少电池更换成本的目的。为了延长电源使用时间该传

感器模块处理器采用TI公司的单片机MSP430F149，该芯片突出特点是低电压、低功耗；同时无线通信模块采用低电压、低功耗的nRF905模块，该模块主要特色是有空闲模式和关闭模式。

数据处理主要包括采集点位置数据和采集河蟹病原体数据的分析和处理。为了简化操作流程本系统在数据处理过程中先将采集的数据通过监测站点进行初步加工，然后将加工过的数据传输给服务器进行再次加工和存储，数据优化流程如图6所示。

本系统在实现预警模块时，为了更直观及时地实现预警功能，采用了信息通知和监控中心图形显示同步进行。主要实现方式是系统在出现警报时，系统会将消息发送至移动客户端（也可短信、邮件等），同时也会将报警消息直接显示在GIS系统中。

3.3预警服务

预警服务在本系统中是直接向管理者展示河蟹病原体采

集数据的服务。该服务针对河蟹病原体数据进行分析，得出河蟹养殖过程中的病原体是否超过阈值，如果超过阈值，系统则预警，否则实时显示数据。为了更直观地提供预警服务，本系统在实现时将河蟹养殖病原体信息直接嵌入到GIS系统中，这样管理人员在监控河蟹养殖数据时可直观地观测到河蟹养殖数据。本系统中的预警服务流程如下：（1）采集点位置预处理。将采集点位置预先保存在GIS数据库中，同时将采集点进行编号，形成一一对应的表格，这样减少采集点定位成本，同时也减少采集点定位不准确的问题。（2）采集数据反馈。采集点须要将采集点编号和采集的数据一起传给服务器，服务器根据采集点编号将采集的数据进行处理，根据采集点编号查找到GIS数据，然后直接显示在GIS系统中。（3）阈值设置。本系统的阈值可设定固定值，也可根据一定的统计规律计算出1个有效的阈值，这样将采集的数据直接和阈值数据进行比对，如果在阈值之内，GIS系统中的数据正常显示，否则显示报警提示。

4应用试验

试验选取面积为0.033 hm2的池塘，将5个硝化细菌传感器均匀地分布在塘底。监测2 h后统计结果（表1）。从表1可以看出，通过传感器实时监测池塘底的环境和病原体数量，后期通过统计规律计算出1个有效的阈值实现实时预警。

5结论

系统利用传感器技术与无线通信技术实现了河蟹病原体数据和养殖区域水质参数的实时采集与传输，采集数据汇聚到监测服务器，经过处理后存入数据库中并同时在终端设备预警。本系统构建成本低，具有较强的可扩展性，在河蟹养殖实时监测领域具有良好的应用前景。

参考文献：

[1]邢华. 河蟹养殖常见疾病的预防及治疗[J]. 中国水产，2003（6）：85-86.

[2]马莉萍，毛斌，刘斌，等. 生物传感器的应用现状与发展趋势[J]. 传感器与微系统，2009（4）：1-4.

[3]曾文南，亓金萍，汪凌云，等. 共轭聚合物传感器用于病原体检测的研究进展[J]. 有机化学，2009，29（11）：1858-1866.

[4]Akyldiz I F，Su W，Sankarasubramanian Y，et al. A survey on sensor networks[J]. IEEE Communications Magazine，2002，40（8）：102-114.

[5]Culler D，Srivastava D M. Overview of sensor network[J]. IEEE Computer Magazine，2004，37（8）：47-49.

[6]Heinzelman W B，Chandrakasan A P，Balakrishnan H. An application-specific protocol architecture for wireless microsensor networks[J].IEEE Transactions on Wireless Communications，2002，1（4）：660-670.