徐曉姍

（青島職業(yè)技術(shù)學(xué)院 山東 266555）

0 引言

我國是占據(jù)世界水產(chǎn)養(yǎng)殖總產(chǎn)量75%的水產(chǎn)養(yǎng)殖大國。水產(chǎn)養(yǎng)殖在中國歷史悠久，對于改善民生方面發(fā)揮了不可或缺的作用。但是傳統(tǒng)的養(yǎng)殖模式已經(jīng)漸漸露出了弊端，主要表現(xiàn)在基礎(chǔ)設(shè)施陳舊簡陋；水域環(huán)境不斷惡化；經(jīng)濟(jì)效益低下；水域生態(tài)失衡等等。而且隨著人們消費(fèi)水平和環(huán)保意識的增強(qiáng)，群眾的飲食習(xí)慣和結(jié)構(gòu)已發(fā)生了很大變化，綠色水產(chǎn)品越來越受到消費(fèi)者的青睞，傳統(tǒng)養(yǎng)殖所生產(chǎn)的水產(chǎn)品已經(jīng)逐漸難以滿足市場需求。然而，現(xiàn)在國內(nèi)的水產(chǎn)養(yǎng)殖業(yè)多以傳統(tǒng)的養(yǎng)殖模式為主導(dǎo)，傳統(tǒng)的水產(chǎn)養(yǎng)殖業(yè)常以犧牲環(huán)境資源和高消耗等粗放式飼養(yǎng)方式為主要特征，養(yǎng)殖模式多以養(yǎng)殖經(jīng)驗(yàn)為指導(dǎo)，只憑養(yǎng)殖人員感官、目測，歷史經(jīng)驗(yàn)等主觀因素為決定條件，資源利用缺乏科學(xué)性和合理性，管理過程缺乏準(zhǔn)確性和可靠性，很難保證良好水域環(huán)境的持續(xù)利用，水產(chǎn)的產(chǎn)量和質(zhì)量都難以保障。所以，如何利用先進(jìn)科技技術(shù)，實(shí)現(xiàn)水產(chǎn)養(yǎng)殖的現(xiàn)代化自動(dòng)管理，提升水產(chǎn)養(yǎng)殖業(yè)的生產(chǎn)力和效率，是當(dāng)前水產(chǎn)養(yǎng)殖的重要研究方向。

目前，物聯(lián)網(wǎng)的應(yīng)用在各個(gè)領(lǐng)域都起著重要的作用?；谖锫?lián)網(wǎng)技術(shù)的智能農(nóng)業(yè)已經(jīng)達(dá)到了一定的應(yīng)用范圍，其技術(shù)也日漸成熟。水產(chǎn)養(yǎng)殖業(yè)作為農(nóng)業(yè)的重要內(nèi)容之一，同樣可以利用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)實(shí)現(xiàn)其智能化管理。所謂智能化水產(chǎn)養(yǎng)殖，是指將工程技術(shù)、機(jī)械設(shè)備、監(jiān)控儀表、管理軟件和無線傳感等現(xiàn)代技術(shù)手段用于水產(chǎn)養(yǎng)殖生產(chǎn)，實(shí)現(xiàn)高密度、高產(chǎn)值、高效益的標(biāo)準(zhǔn)化養(yǎng)殖模式。與傳統(tǒng)粗放型養(yǎng)殖模式相比，智能化水產(chǎn)養(yǎng)殖具有機(jī)械自動(dòng)化程度高、環(huán)保節(jié)能、生產(chǎn)效率高等明顯的優(yōu)勢?；谖锫?lián)網(wǎng)技術(shù)的智能系統(tǒng)具有可感知環(huán)境感知參數(shù)的各類傳感器終端、包含覆蓋面廣泛的移動(dòng)通信節(jié)點(diǎn)，以及基于泛在技術(shù)的計(jì)算模式，可以真正實(shí)現(xiàn)智能水產(chǎn)養(yǎng)殖的機(jī)械化、自動(dòng)化、智能化和節(jié)能化。

1 系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)解析

本論文所提出的基于物聯(lián)網(wǎng)和 3G技術(shù)的智能水產(chǎn)養(yǎng)殖環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)是利用多種物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，包括智能傳感技術(shù)、WSN技術(shù)、Zigbee技術(shù)、3G/4G通信技術(shù)、GPS、數(shù)據(jù)庫與云計(jì)算技術(shù)等等，面向水產(chǎn)養(yǎng)殖集約、高產(chǎn)、高效、生態(tài)、安全的發(fā)展需求，基于智能傳感、無線通信網(wǎng)、自動(dòng)處理與智能控制等物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)開發(fā)的，對水產(chǎn)品生長有重要影響的水質(zhì)參數(shù)進(jìn)行監(jiān)測并提供反饋控制的智能水產(chǎn)養(yǎng)殖環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)。

1.1 智能傳感技術(shù)

本系統(tǒng)的傳感層部分將設(shè)計(jì)選取常用型、性價(jià)比高的溶解氧傳感器、pH值傳感器、鹽度傳感器、濁度傳感器、氨氮傳感器集成作為傳感節(jié)點(diǎn)，由于水質(zhì)傳感器多為電化學(xué)質(zhì)傳感器，其在水下作業(yè)，易受溫度、水質(zhì)、壓力、流速等因素影響，所以需要考慮傳感器的靜態(tài)參數(shù)和動(dòng)態(tài)參數(shù)的變化規(guī)律，選擇性價(jià)比最高、性能最穩(wěn)定、功耗最小的傳感器進(jìn)行設(shè)計(jì)，保證設(shè)計(jì)的傳感節(jié)點(diǎn)達(dá)到壽命長、功耗小，靈敏度和重復(fù)性不易受環(huán)境影響等特點(diǎn)。設(shè)計(jì)的傳感節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)，需要便于多個(gè)參數(shù)傳感器集成、替換，節(jié)點(diǎn)本身便于安裝、移動(dòng)和維護(hù)。

1.2 Zigbee技術(shù)

本系統(tǒng)的通信層部分設(shè)計(jì)運(yùn)用Zigbee技術(shù)使傳感節(jié)點(diǎn)實(shí)現(xiàn)無線自動(dòng)組網(wǎng)，由智能網(wǎng)關(guān)收集Zigbee自組網(wǎng)中節(jié)點(diǎn)上傳的數(shù)據(jù)，網(wǎng)關(guān)到本地監(jiān)控終端并采用透傳協(xié)議直接傳送。采用頻段在 2.4GHz的無線傳感網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)短距離通訊，現(xiàn)場無線覆蓋范圍3公里。本地監(jiān)測終端到遠(yuǎn)程監(jiān)測終端之間采用3G通信技術(shù)進(jìn)行連接，實(shí)現(xiàn)在GSM、CDMA、TD-WCDMA等制式下的低成本通信，實(shí)現(xiàn)手機(jī)信號覆蓋區(qū)域的無間隙遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)傳輸。

1.3 數(shù)據(jù)庫與云計(jì)算技術(shù)

本系統(tǒng)的應(yīng)用層部分采用數(shù)據(jù)庫與云計(jì)算技術(shù)。本地監(jiān)測終端采用B/S結(jié)構(gòu)，建立web頁面，通過瀏覽器對網(wǎng)關(guān)透傳上來的采集數(shù)據(jù)所架構(gòu)的主題數(shù)據(jù)庫進(jìn)行交互操作，主要實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)顯示、歷史查詢、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、統(tǒng)計(jì)分析等功能，系統(tǒng)設(shè)計(jì)含有對應(yīng)報(bào)警機(jī)制，通過監(jiān)控平臺(tái)做出控制決策，以及啟動(dòng)相關(guān)設(shè)備對水域環(huán)境進(jìn)行調(diào)節(jié)。監(jiān)測數(shù)據(jù)通過3G技術(shù)和GPS定位技術(shù)，同步反映到到遠(yuǎn)程監(jiān)控終端，實(shí)現(xiàn)監(jiān)測數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)推送。

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案

本論文所提出的基于物聯(lián)網(wǎng)和 3G技術(shù)的智能水產(chǎn)養(yǎng)殖環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)具體設(shè)計(jì)方案如下：

圖1 系統(tǒng)實(shí)施方案設(shè)計(jì)框圖

如圖1所示該系統(tǒng)的實(shí)施方案為：

（1）通過傳感層的智能傳感節(jié)點(diǎn)，對監(jiān)測水質(zhì)的溶解氧、pH值、鹽度、濁度、氨氮等參量進(jìn)行監(jiān)測。

（2）利用 Zigbee技術(shù)使傳感節(jié)點(diǎn)實(shí)現(xiàn)無線自動(dòng)組網(wǎng)，由智能網(wǎng)關(guān)收集Zigbee自組網(wǎng)中節(jié)點(diǎn)上傳的數(shù)據(jù)，通過透傳協(xié)議直接傳送本地監(jiān)控終端。利用 3G技術(shù)將數(shù)據(jù)從本地監(jiān)測終端傳到遠(yuǎn)程監(jiān)測終端。

（3）本地監(jiān)測終端通過 web頁面，與數(shù)據(jù)庫進(jìn)行交互操作，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)顯示、歷史查詢、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、統(tǒng)計(jì)分析等功能，并且監(jiān)控平臺(tái)做出控制決策，以及啟動(dòng)相關(guān)設(shè)備對水域環(huán)境進(jìn)行調(diào)節(jié)。

3 創(chuàng)新點(diǎn)

本論文所提出的基于物聯(lián)網(wǎng)和 3G技術(shù)的智能水產(chǎn)養(yǎng)殖環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)較其他系統(tǒng)，有以下創(chuàng)新點(diǎn)與優(yōu)勢。

（1）傳感節(jié)點(diǎn)集成多種類傳感器于一體，同時(shí)監(jiān)測水域的溶解氧、pH值、鹽度、濁度、氨氮等，選取智能水質(zhì)傳感器，具有自識別、自校正、自補(bǔ)償功能，有良好的互換性，便于設(shè)備更新維護(hù)，且性價(jià)比高。

（2）傳感節(jié)點(diǎn)采用 Zigbee技術(shù)實(shí)現(xiàn)無線組網(wǎng)連接，其具有組網(wǎng)靈活、超低功耗的特點(diǎn)，支持快速布置，即插即用、自動(dòng)組網(wǎng)、自動(dòng)維護(hù)，不受線纜約束。無線單跳通信在 100m左右，使用頻段為免使用申請的2.4GHz和900MHz。

（3）傳感節(jié)點(diǎn)輸出數(shù)據(jù)匯聚到網(wǎng)關(guān)，通過透傳協(xié)議匯聚到本地監(jiān)測終端。可以實(shí)現(xiàn)24小時(shí)不間斷實(shí)時(shí)監(jiān)測，數(shù)據(jù)更新速度快，實(shí)時(shí)性高。

（4）本地監(jiān)測終端可實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)傳送和智能控制功能。不但可以實(shí)時(shí)顯示即時(shí)數(shù)據(jù)，還可以隨時(shí)從數(shù)據(jù)庫調(diào)用歷史數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，并且通過遠(yuǎn)程控制啟動(dòng)相關(guān)設(shè)備改善水質(zhì)，是實(shí)時(shí)顯示、智能處理和智能控制于一體的監(jiān)測終端。

（5）該系統(tǒng)采用3G技術(shù)提供手機(jī)遠(yuǎn)程監(jiān)測功能，在任一有手機(jī)信號的地方都可實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控。

（6）該系統(tǒng)具有自動(dòng)報(bào)警功能，當(dāng)水質(zhì)惡化時(shí)，向本地監(jiān)測終端發(fā)出報(bào)警數(shù)據(jù)包，本地監(jiān)測終端自動(dòng)啟動(dòng)設(shè)備進(jìn)行維護(hù)，并且采用OTA技術(shù)像手機(jī)推送相關(guān)報(bào)警消息。

（7）系統(tǒng)中的傳感節(jié)點(diǎn)和無線路由設(shè)備均用鋰電池供電，具有低電壓、低功耗的特點(diǎn)，免除布線，降低了設(shè)備成本，方便現(xiàn)場安裝，適用于野外長期監(jiān)控。

（8）該系統(tǒng)可以具體地區(qū)海域水質(zhì)狀況為研究對象，系統(tǒng)規(guī)模伸縮性高、既可用于家庭小規(guī)模養(yǎng)殖，又可用于大范圍養(yǎng)殖，旨在于生態(tài)修復(fù)、健康養(yǎng)殖、改善水產(chǎn)養(yǎng)殖環(huán)境，提高水產(chǎn)品的產(chǎn)量和質(zhì)量，具有顯著的經(jīng)濟(jì)社會(huì)效益，適合大面積推廣。

4 小結(jié)

綜上所述，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)領(lǐng)域中的智能傳感技術(shù)、WSN技術(shù)、Zigbee技術(shù)、云計(jì)算技術(shù)等，已經(jīng)為實(shí)現(xiàn)水產(chǎn)養(yǎng)殖業(yè)的智能化、自動(dòng)化、機(jī)械化、遠(yuǎn)程控制化奠定了良好的基礎(chǔ)。物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)應(yīng)用于水產(chǎn)養(yǎng)殖能有效解決人手不足、飼養(yǎng)控制模糊等突出問題，有效提高了水產(chǎn)品的存活率和質(zhì)量。開發(fā)一種基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的智能水產(chǎn)養(yǎng)殖環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)成了該產(chǎn)業(yè)迫在眉睫的切實(shí)需要，也是今后水產(chǎn)養(yǎng)殖業(yè)發(fā)展的必然趨勢。

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