專利名稱：一種基于IPv6的水產(chǎn)養(yǎng)殖智能節(jié)點(diǎn)的物聯(lián)系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于漁業(yè)水產(chǎn)養(yǎng)殖技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種基于IPv6的水產(chǎn)養(yǎng)殖智能節(jié)點(diǎn)的物聯(lián)系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
現(xiàn)有的涉及水產(chǎn)養(yǎng)殖的數(shù)字化系統(tǒng)是由水質(zhì)與環(huán)境信息采集網(wǎng)絡(luò)、中繼調(diào)控節(jié)點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)和數(shù)據(jù)處理平臺(tái)等組成。水質(zhì)與環(huán)境信息采集網(wǎng)絡(luò)，由傳感器、變送模塊、數(shù)據(jù)處理模塊、通信模塊等組成。傳感器通過對(duì)環(huán)境和水質(zhì)參數(shù)(pH、溶解氧、0RP、鹽度、光照、溫度等)探測(cè)后，數(shù)據(jù)經(jīng)變送處理，輸出到模擬(4-20mA)或數(shù)字(RS485)接口轉(zhuǎn)換，通過有線(RS485、CAN等)或無線(SigBee、Wi-Fi)網(wǎng)絡(luò)，輸送到局域網(wǎng)。中繼調(diào)控節(jié)點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)，利用配電中繼控制和現(xiàn)場(chǎng)網(wǎng)絡(luò)，對(duì)象設(shè)備進(jìn)行集中或分散控制。調(diào)控節(jié)點(diǎn)采用有線(RS485、CAN等)或無線(SigBee、Wi-Fi)通信構(gòu)成網(wǎng)絡(luò)。數(shù)據(jù)處理和網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)平臺(tái)，通過有線或無線方式、基于因特網(wǎng)的TCP/IP協(xié)議與無線匯聚節(jié)點(diǎn)通信，實(shí)時(shí)獲取無線網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)，提供值班人員實(shí)時(shí)水質(zhì)指標(biāo)。無線匯聚節(jié)點(diǎn)的多模式通信，集成ZigBee、CAN、以太網(wǎng)，GSM/GPRS等通信模塊，支持ZigBee、TCP/IP、PPP、現(xiàn)場(chǎng)總線等的并發(fā)并存。在現(xiàn)有系統(tǒng)中，有線或無線的RS485、CAN、SigBee、Wi-Fi等現(xiàn)場(chǎng)通信協(xié)議，構(gòu)成現(xiàn)場(chǎng)局域網(wǎng)，然后經(jīng)網(wǎng)關(guān)的匯聚和信號(hào)轉(zhuǎn)換后，連接到Internet (IPv4)。網(wǎng)關(guān)采用替代選擇，提供非IP協(xié)議網(wǎng)絡(luò)連接到IP網(wǎng)絡(luò)，網(wǎng)管要多協(xié)議轉(zhuǎn)換網(wǎng)關(guān)，將這些網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)，形成多部署模型。在協(xié)議轉(zhuǎn)換過程中，一些協(xié)議被IP加密，而其他協(xié)議則被翻譯。其中涉及的網(wǎng)關(guān)會(huì) 產(chǎn)生三個(gè)主要缺陷網(wǎng)關(guān)固有的復(fù)雜性，以及靈活性和可擴(kuò)展的缺失，以及IPv4地址空間的耗盡。I.固有的復(fù)雜性的產(chǎn)生原因是，多協(xié)議轉(zhuǎn)換是復(fù)雜語言轉(zhuǎn)換機(jī)制，兩種網(wǎng)絡(luò)協(xié)議間轉(zhuǎn)換語義有時(shí)不可能的。由于網(wǎng)關(guān)破壞了雙方的原有網(wǎng)絡(luò)模型不同的路由構(gòu)架，協(xié)議轉(zhuǎn)換受局限。此外，網(wǎng)關(guān)的管理和故障檢查困難。如3個(gè)網(wǎng)絡(luò)協(xié)議之間通信，要6種協(xié)議轉(zhuǎn)換，對(duì)系統(tǒng)的管理和故障解決造成很大困難。2.靈活性和擴(kuò)展性的缺失的問題是，由于未來的創(chuàng)新應(yīng)用，對(duì)于養(yǎng)殖數(shù)字化系統(tǒng)，可發(fā)展性和擴(kuò)展性對(duì)網(wǎng)絡(luò)是必需。協(xié)議轉(zhuǎn)換網(wǎng)關(guān)已成網(wǎng)絡(luò)擴(kuò)展的瓶頸。網(wǎng)關(guān)故障，經(jīng)常影響網(wǎng)絡(luò)總體的擴(kuò)展性和穩(wěn)定性。橫跨多通信技術(shù)的因特網(wǎng)構(gòu)架，在物聯(lián)網(wǎng)在節(jié)點(diǎn)和網(wǎng)絡(luò)方面，對(duì)節(jié)點(diǎn)資源限制小。IP構(gòu)架為現(xiàn)有的網(wǎng)絡(luò)、應(yīng)用和服務(wù)提供互通性，滿足前述要求。3.關(guān)于IPv4地址空間的耗盡問題,依據(jù)區(qū)域Internet注冊(cè)機(jī)構(gòu)的預(yù)測(cè)，IPv4的32位地址空間地址將在2012年分發(fā)完畢。目前，盡管采取了緩和策略推遲IPv4地址的耗盡，但I(xiàn)Pv4地址池枯竭卻是無法改變的。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種基于IPv6的水產(chǎn)養(yǎng)殖智能節(jié)點(diǎn)的物聯(lián)系統(tǒng)，以解決現(xiàn)有水產(chǎn)養(yǎng)殖數(shù)字化網(wǎng)絡(luò)存在的互聯(lián)困難。
本發(fā)明的技術(shù)方案是，一種基于IPv6的水產(chǎn)養(yǎng)殖智能節(jié)點(diǎn)的物聯(lián)系統(tǒng),該系統(tǒng)的聯(lián)網(wǎng)節(jié)點(diǎn)包括與微控制器相連的被置于養(yǎng)殖水體的溶解氧傳感器、酸堿度傳感器和水溫傳感器，與所述微控制相連的被置于養(yǎng)殖現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境的大氣壓力傳感器、風(fēng)向傳感器和太陽輻射傳感器，與所述微控制相連的用于控制水產(chǎn)養(yǎng)殖現(xiàn)場(chǎng)的增氧機(jī)、投餌機(jī)和水泵，所述微控制器采用精簡(jiǎn)的嵌入式TCP/IP協(xié)議棧uIP，支持IPv6通信，UlP協(xié)議棧對(duì)處理驅(qū)動(dòng)器送來的數(shù)據(jù)包，用輸入函數(shù)處理，并將數(shù)據(jù)傳遞給應(yīng)用程序，對(duì)應(yīng)用程序的數(shù)據(jù)發(fā)送響應(yīng)，由輸出處理對(duì)該響應(yīng)進(jìn)行處理發(fā)送，UlP協(xié)議棧通過網(wǎng)絡(luò)接口層，把數(shù)據(jù)包傳到IEEE802. 11無線傳輸設(shè)備的網(wǎng)絡(luò)層，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行Wi-Fi封包格式的轉(zhuǎn)換，通過無線網(wǎng)絡(luò)聯(lián)網(wǎng)，所述的微控制器通過對(duì)養(yǎng)殖水質(zhì)的溶解氧、酸堿度、水溫參數(shù)，以及氣象參數(shù)的分析和處理后，輸出養(yǎng)殖設(shè)備控制指令，同時(shí)對(duì)通信數(shù)據(jù)的TCP/IP數(shù)據(jù)包進(jìn)行處理，實(shí)現(xiàn)對(duì)聯(lián)網(wǎng)節(jié)點(diǎn)的遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)采集、遠(yuǎn)程控制、遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)及遠(yuǎn)程管理的數(shù)字化水產(chǎn)養(yǎng)殖?！け景l(fā)明的水產(chǎn)養(yǎng)殖智能節(jié)點(diǎn)采用IP架構(gòu)和協(xié)議，具有互通性、一個(gè)發(fā)展中的通用架構(gòu)、架構(gòu)的穩(wěn)定性和普遍性、可擴(kuò)展性和痕跡小等優(yōu)點(diǎn)。


圖I是本發(fā)明實(shí)施例中系統(tǒng)聯(lián)網(wǎng)節(jié)點(diǎn)組成原理示意圖。圖2是本發(fā)明實(shí)施例中聯(lián)網(wǎng)節(jié)點(diǎn)硬件實(shí)現(xiàn)原理示意圖。
具體實(shí)施例方式本發(fā)明系統(tǒng)的聯(lián)網(wǎng)節(jié)點(diǎn)包括的嵌入式MCU用于專門的水產(chǎn)養(yǎng)殖應(yīng)用程序，其功能是通過對(duì)溶解氧、酸堿度、水溫等養(yǎng)殖水質(zhì)，以及氣象參數(shù)的分析和處理后，輸出養(yǎng)殖設(shè)備的I/o控制指令以及對(duì)通信數(shù)據(jù)的TCP/IP處理。如圖I所示，系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集模塊通過單總線和I2C總線，采集水產(chǎn)養(yǎng)殖現(xiàn)場(chǎng)的溶解氧傳感器、酸堿度傳感器、水溫傳感器、大氣壓力傳感器、風(fēng)向傳感器、太陽輻射傳感器等數(shù)據(jù)，提供給MCU。由輸入/輸出(I/O)模塊連接繼電器，進(jìn)行智能化控制水產(chǎn)養(yǎng)殖現(xiàn)場(chǎng)的增氧機(jī)、投餌機(jī)、水泵等養(yǎng)殖設(shè)備。微控制器(MCU)的UlP處理uIP是嵌入式系統(tǒng)的IP協(xié)議棧，實(shí)現(xiàn)IP、TCP等網(wǎng)絡(luò)層和傳輸層協(xié)議，支持IPv6通信。uIP協(xié)議棧對(duì)處理驅(qū)動(dòng)器送來的數(shù)據(jù)包，用輸入函數(shù)處理，并將數(shù)據(jù)傳遞給應(yīng)用程序。對(duì)應(yīng)用程序的數(shù)據(jù)發(fā)送響應(yīng)，由輸出處理對(duì)該響應(yīng)進(jìn)行處理發(fā)送。uIP協(xié)議棧通過網(wǎng)絡(luò)接口層，把數(shù)據(jù)包傳到IEEE802. 11無線傳輸設(shè)備的網(wǎng)絡(luò)層，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行Wi-Fi封包格式的轉(zhuǎn)換，通過無線網(wǎng)絡(luò)聯(lián)網(wǎng)。通過精簡(jiǎn)的TCP/IP協(xié)議棧uIP，低成本網(wǎng)絡(luò)接入，在數(shù)字化水產(chǎn)養(yǎng)殖中，對(duì)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)采集、遠(yuǎn)程控制、遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)及遠(yuǎn)程管理。如圖2所示,聯(lián)網(wǎng)節(jié)點(diǎn)硬件包括I. I.通信設(shè)備通信設(shè)備為網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)提供通信能力，是帶有天線的無線收發(fā)器。系統(tǒng)通信設(shè)備選用TI的SimpleLink Wi-Fi CC3000模塊的高度集成的Wi-Fi模塊。CC3000是配套的無線解決方案，提供完整的平臺(tái)解決方案，嵌入式Wi-Fi和驅(qū)動(dòng)程序、堆棧、和客戶端的網(wǎng)絡(luò)軟件，簡(jiǎn)化網(wǎng)絡(luò)連接的過程。CC3000內(nèi)置WiFi獨(dú)立的解決方案易于實(shí)現(xiàn)Internet連接，函數(shù)例程，包含了接口程序，主機(jī)驅(qū)動(dòng)程序，TCP/IP協(xié)議。CC3000芯片采用偶極天線，適用工況溫度-40° —85° C范圍和穩(wěn)定的Wi-Fi互操作性，特別適用于自動(dòng)化、監(jiān)控、網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用等，是水產(chǎn)養(yǎng)殖數(shù)字化系統(tǒng)的低成本/低功耗嵌入式應(yīng)用無線通信的理想方案。I. 2.微控制器采用適用于物聯(lián)網(wǎng)節(jié)點(diǎn)的微控制器Texas MSP430，通過管腳與通信設(shè)備、傳感器和制動(dòng)器數(shù)據(jù)接口、電源等連接。軟件通過微控制器提供的機(jī)制與外設(shè)以串口或串行總線的形式通信。運(yùn)行軟件，使設(shè)備實(shí)現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)功能。MSP430單片機(jī)是16位超低功耗、有精簡(jiǎn)指令集的混合信號(hào)處理器，片內(nèi)資源豐富。具有較多的I/o端口 ； 10/12位硬件A/D轉(zhuǎn)換器滿足數(shù)據(jù)采集應(yīng)用；I2C串行總線接口實(shí)現(xiàn)存儲(chǔ)器串行擴(kuò)展；有匯編語言和C語言方便高效的開發(fā)環(huán)境。嵌入式系統(tǒng)中，TCP/IP協(xié)議為數(shù)據(jù)采集和數(shù)據(jù)傳輸。UlP TCP/IP棧是免費(fèi)源代 碼的小型TCP/IP協(xié)議棧，專為8位和16位MCU編寫。MSP430單片機(jī)硬件平臺(tái)上移植嵌入uIP,完成uIP協(xié)議棧的解釋和執(zhí)行，實(shí)現(xiàn)終端設(shè)備到接入I nternet。Wi-Fi控制芯片CC3000實(shí)現(xiàn)遵循I EEE802. 11協(xié)議接入無線Wi-Fi網(wǎng)絡(luò)，最后通過接口實(shí)現(xiàn)終端設(shè)備接入Internet 網(wǎng)。在水產(chǎn)養(yǎng)殖數(shù)字化系統(tǒng)中，該方案成本低、運(yùn)行穩(wěn)定可靠、傳輸速度快、開發(fā)周期短，對(duì)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的遠(yuǎn)程訪問控制，特別適合現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)采集、傳輸?shù)冗h(yuǎn)程監(jiān)控。I. 3.傳感器和制動(dòng)器數(shù)據(jù)接口 接口主要功能是獲取傳感器數(shù)據(jù)或輸出制動(dòng)器數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)節(jié)點(diǎn)與物理世界的交互。傳感器用來感知外部養(yǎng)殖水質(zhì)和氣象環(huán)境數(shù)據(jù)，通過TMS320F數(shù)據(jù)采集模塊，輸入微控制器MSP430，經(jīng)處理后通過PCA9535的I/O 口，輸出信號(hào)控制增氧機(jī)、投餌機(jī)、水泵等養(yǎng)殖設(shè)備，以改變養(yǎng)殖環(huán)境。I. 4.電源與各個(gè)部件相連，為電路供電。電源可從物聯(lián)網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點(diǎn)設(shè)備的電源上獲取，也可是電池、小型的太陽能。聯(lián)網(wǎng)節(jié)點(diǎn)采用的操作系統(tǒng)包括2. I. Contiki 操作系統(tǒng)控制器選用的Contiki操作系統(tǒng)，是為支持網(wǎng)絡(luò)功能的嵌入式系統(tǒng)而開發(fā)的開源操作系統(tǒng)，UlP TCP/IP協(xié)議棧支持IP通信的物聯(lián)網(wǎng)節(jié)點(diǎn)的操作系統(tǒng)，支持uIPv4和uIPv6協(xié)議。可與基于IP的應(yīng)用或網(wǎng)絡(luò)服務(wù)，包括基于因特網(wǎng)的服務(wù)進(jìn)行直接通信。Contiki系統(tǒng)加入的uIPv6，是最小的IPv6協(xié)議棧，占存儲(chǔ)空間很小，適用資源受限的物聯(lián)節(jié)點(diǎn)之間的通信環(huán)境。系統(tǒng)也有通信抽象及低功耗的無線網(wǎng)絡(luò)機(jī)制。Contiki操作系統(tǒng)是根據(jù)智能物件的特定需求以及硬件限制裁剪的。系統(tǒng)應(yīng)用C語言書寫程序，有很好的移植性，并支持很多處理器和硬件。2. 2.軟件節(jié)點(diǎn)的功能由微控制器所決定，程序由編碼語言C寫入ROM中。節(jié)點(diǎn)開啟時(shí)，微控制器運(yùn)行軟件。軟件對(duì)內(nèi)存的使用小，不能使用太多的動(dòng)態(tài)內(nèi)存。內(nèi)存通常幾千字節(jié)，操作系統(tǒng)用途專一，復(fù)雜度小。軟件實(shí)現(xiàn)節(jié)點(diǎn)的通信協(xié)議，分層設(shè)計(jì)協(xié)議棧。
本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)有I.互通性。在IP架構(gòu)內(nèi)，網(wǎng)絡(luò)跨越以太網(wǎng)或Wi-Fi等各種底層媒介，具備IP功能的設(shè)備可以互通。網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的微控制器Contiki操作系統(tǒng)為底層IP通信硬件提供設(shè)備驅(qū)動(dòng)，系統(tǒng)集成各易。2.通用架構(gòu)。IP架構(gòu)提供端到端通信，應(yīng)用層協(xié)議獨(dú)立于網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，網(wǎng)絡(luò)端點(diǎn)不包含應(yīng)用級(jí)信息，網(wǎng)絡(luò)在端點(diǎn)之間傳輸數(shù)據(jù)。 3.架構(gòu)的穩(wěn)定性和普遍性。網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)使用壽命10年，穩(wěn)定性重要。投資基礎(chǔ)技術(shù)要穩(wěn)定，保證在壽命周期中能使用。除IPv6有更多地址外，IPv4和IPv6并沒有主要的架構(gòu)區(qū)別。因特網(wǎng)IP整體架構(gòu)穩(wěn)定，有大量用戶和網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施，隨時(shí)可用。4.可擴(kuò)展性。IP在因特網(wǎng)使用，通過全球部署，跨越其協(xié)議的不同實(shí)現(xiàn)而實(shí)現(xiàn)運(yùn)行。多數(shù)內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)不接入因特網(wǎng)，跨越數(shù)以千計(jì)的獨(dú)立計(jì)算機(jī)或服務(wù)器運(yùn)行。5.痕跡小。IP協(xié)議族的輕量級(jí)實(shí)現(xiàn)，UlP協(xié)議棧廣泛用在嵌入式節(jié)點(diǎn)上。UlP支持IPv6協(xié)議，是專用于網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的IPv6協(xié)議棧。
權(quán)利要求
1.一種基于IPv6的水產(chǎn)養(yǎng)殖智能節(jié)點(diǎn)的物聯(lián)系統(tǒng)，其特征在于，該系統(tǒng)的聯(lián)網(wǎng)節(jié)點(diǎn)包括與微控制器相連的被置于養(yǎng)殖水體的溶解氧傳感器、酸堿度傳感器和水溫傳感器，與所述微控制相連的被置于養(yǎng)殖現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境的大氣壓力傳感器、風(fēng)向傳感器和太陽福射傳感器，與所述微控制相連的 用于控制水產(chǎn)養(yǎng)殖現(xiàn)場(chǎng)的增氧機(jī)、投餌機(jī)和水泵， 所述微控制器采用精簡(jiǎn)的嵌入式TCP/IP協(xié)議棧uIP，支持IPv6通信， UlP協(xié)議棧對(duì)處理驅(qū)動(dòng)器送來的數(shù)據(jù)包，用輸入函數(shù)處理，并將數(shù)據(jù)傳遞給應(yīng)用程序，對(duì)應(yīng)用程序的數(shù)據(jù)發(fā)送響應(yīng)，由輸出處理對(duì)該響應(yīng)進(jìn)行處理發(fā)送， UlP協(xié)議棧通過網(wǎng)絡(luò)接口層，把數(shù)據(jù)包傳到IEEE802. 11無線傳輸設(shè)備的網(wǎng)絡(luò)層，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行Wi-Fi封包格式的轉(zhuǎn)換，通過無線網(wǎng)絡(luò)聯(lián)網(wǎng)， 所述的微控制器通過對(duì)養(yǎng)殖水質(zhì)的溶解氧、酸堿度、水溫參數(shù)，以及氣象參數(shù)的分析和處理后，輸出養(yǎng)殖設(shè)備控制指令，同時(shí)對(duì)通信數(shù)據(jù)的TCP/IP數(shù)據(jù)包進(jìn)行處理，實(shí)現(xiàn)對(duì)聯(lián)網(wǎng)節(jié)點(diǎn)的遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)采集、遠(yuǎn)程控制、遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)及遠(yuǎn)程管理的數(shù)字化水產(chǎn)養(yǎng)殖。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種基于IPv6的水產(chǎn)養(yǎng)殖智能節(jié)點(diǎn)的物聯(lián)系統(tǒng)，該系統(tǒng)的聯(lián)網(wǎng)節(jié)點(diǎn)包括與微控制器相連的被置于養(yǎng)殖水體的溶解氧傳感器、酸堿度傳感器和水溫傳感器，與所述微控制相連的被置于養(yǎng)殖現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境的大氣壓力傳感器、風(fēng)向傳感器和太陽輻射傳感器，與所述微控制相連的用于控制水產(chǎn)養(yǎng)殖現(xiàn)場(chǎng)的增氧機(jī)、投餌機(jī)和水泵，所述微控制器采用精簡(jiǎn)的嵌入式TCP/IP協(xié)議棧uIP，支持IPv6通信，所述的微控制器通過對(duì)養(yǎng)殖水質(zhì)的溶解氧、酸堿度、水溫參數(shù)，以及氣象參數(shù)的分析和處理后，輸出養(yǎng)殖設(shè)備控制指令，同時(shí)對(duì)通信數(shù)據(jù)的TCP/IP數(shù)據(jù)包進(jìn)行處理，實(shí)現(xiàn)對(duì)聯(lián)網(wǎng)節(jié)點(diǎn)的遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)采集、遠(yuǎn)程控制、遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)及遠(yuǎn)程管理的數(shù)字化水產(chǎn)養(yǎng)殖。
文檔編號(hào)G05B19/418GK102945031SQ20121043711
公開日2013年2月27日 申請(qǐng)日期2012年11月5日 優(yōu)先權(quán)日2012年11月5日
發(fā)明者苗雷, 湯濤林, 劉世晶, 唐榮, 陳軍, 王鵬祥 申請(qǐng)人:中國水產(chǎn)科學(xué)研究院漁業(yè)機(jī)械儀器研究所