欒培賢，王常安，閆學春，紀鋒

（中國水產(chǎn)科學研究院黑龍江水產(chǎn)研究所，黑龍江 哈爾濱 150070）

隨著生活水平的提高，人們對動物性蛋白物質的需求逐漸呈現(xiàn)多樣性，對水產(chǎn)品的需求量也逐漸增加，而水產(chǎn)養(yǎng)殖作為水產(chǎn)品生產(chǎn)的主要方式之一得到廣泛認同[1,2]。鯉是世界主要養(yǎng)殖魚類之一，培育出了多種適合不同養(yǎng)殖環(huán)境的優(yōu)質鯉品種（如興國紅鯉Cyprinus carpio singguonensis、福瑞鯉Cyprinus carpio、松浦鯉Cyprinus carpio Songpu和松浦鏡鯉 Cyprinus carpio Songpu red mirror等）[3,4]，其中松浦鏡鯉具有體型寬高、體表基本無鱗、生長速度快、越冬成活率和養(yǎng)殖效益高等優(yōu)點[5]，占有較大的市場份額，是我國北方地區(qū)重要的淡水魚養(yǎng)殖品種。

我國淡水池塘養(yǎng)殖的管理模式多數(shù)仍憑傳統(tǒng)經(jīng)驗決定養(yǎng)殖生產(chǎn)策略。影響水產(chǎn)養(yǎng)殖生產(chǎn)效果的因素很多，僅憑傳統(tǒng)經(jīng)驗難以復制和推廣先進的養(yǎng)殖模式，更難做到精準養(yǎng)殖。目前，物聯(lián)網(wǎng)技術發(fā)展迅速，已廣泛應用于畜禽生產(chǎn)中[6-10]，水產(chǎn)養(yǎng)殖和物聯(lián)網(wǎng)技術的融合發(fā)展將成為我國漁業(yè)轉型升級的關鍵。

目前，鏡鯉池塘養(yǎng)殖環(huán)境監(jiān)測和控制多采用人工觀察、手動調節(jié)，占用較多的人力資源；在時間維度上往往具有一定的滯后性。隨著養(yǎng)殖規(guī)模的擴大，僅憑池塘管理人員的經(jīng)驗進行管理，難以兼顧所有池塘，勢必增大養(yǎng)殖生產(chǎn)的安全風險。為此，本研究采用物聯(lián)網(wǎng)、視頻傳輸技術和WEB互聯(lián)網(wǎng)技術監(jiān)測了鏡鯉池塘水質、池塘周邊氣象變化和池塘設施工作狀況等池塘環(huán)境信息，突破了養(yǎng)殖管理的時空限制，對于保障池塘生產(chǎn)安全和推動漁業(yè)結構調整具有重要價值和現(xiàn)實意義。

1 系統(tǒng)總體方案

1.1 系統(tǒng)目標

為解決鏡鯉池塘養(yǎng)殖中池塘環(huán)境信息監(jiān)控水平低、管理滯后性等問題，本文采用多參數(shù)信息感知、無線和以太網(wǎng)聯(lián)合傳輸網(wǎng)絡、遠程控制中心為一體的物聯(lián)網(wǎng)技術，精確采集池塘水質、池塘周圍氣象環(huán)境和池塘有關設備工作狀態(tài)信息，并對其進行可視化精準監(jiān)測管理，以專家系統(tǒng)和智能決策為開發(fā)策略，構建基于物聯(lián)網(wǎng)的鏡鯉池塘養(yǎng)殖智能監(jiān)測系統(tǒng)，實現(xiàn)對鏡鯉養(yǎng)殖池塘環(huán)境全方位感知，信息實時安全可靠傳輸，確保鏡鯉池塘養(yǎng)殖過程安全可控。

1.2 系統(tǒng)拓撲結構

鏡鯉養(yǎng)殖池塘管理智能監(jiān)控系統(tǒng)的拓撲結構主要由三層結構組成（圖1）：池塘養(yǎng)殖環(huán)境感知層、數(shù)據(jù)傳控層和服務器應用層。

系統(tǒng)感知層可獲取鏡鯉養(yǎng)殖池塘環(huán)境信息，包括池塘水體水質信息（水中溶解氧含量、水溫、pH等）、池塘周邊氣象信息（氣溫、氣壓、濕度、風速、風向、降雨量和光輻射等）和池塘圖像信息（漁機工況、池塘狀況等）。

系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳控層用無線和有線傳輸并行的方式傳控數(shù)據(jù)信息，無線終端節(jié)點為嵌入式三網(wǎng)融合通道（GPRS、3G網(wǎng)和4G網(wǎng)），有線終端節(jié)點為以太網(wǎng)通道（視頻監(jiān)測模塊數(shù)據(jù)傳輸）。無線終端節(jié)點與水質傳感器、氣象傳感器連接，并通過嵌入式數(shù)據(jù)傳輸模塊將采集的數(shù)據(jù)傳送給遠程服務器。無線終端節(jié)點還能夠接收服務器應用層傳送來的控制指令，通過無線終端節(jié)點內的嵌入式控制器控制自動投餌機和增氧機的工作。

圖1 鏡鯉池塘養(yǎng)殖環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)拓撲結構Fig.1 Topological structure diagram of environmental monitoring system for mirror carp pond culture

系統(tǒng)的服務器應用層將采集到的終端數(shù)據(jù)存入相應的數(shù)據(jù)庫，池塘管理用戶可以通過便攜設備應用程序瀏覽網(wǎng)頁或者通過短信等多種模式獲取終端感知信息。服務器應用層依據(jù)專家知識庫中的專家經(jīng)驗知識，利用數(shù)學邏輯和模糊推理等分析方法進行推理評價，為用戶提供分析、預警預報和輔助決策信息等。

2 方法與實現(xiàn)

2.1 池塘監(jiān)控站點的設計

為了實現(xiàn)池塘環(huán)境的遠程實時監(jiān)控，池塘監(jiān)控站點需要具備感知數(shù)據(jù)的采集、視頻圖像的采集存儲、自動控制和網(wǎng)絡發(fā)布等功能。池塘監(jiān)控站點主要分為四個部分：設備組件、供電組件、無線終端節(jié)點和服務器節(jié)點。

池塘監(jiān)控站點的設備組件是物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡的終端，包括多種水質傳感器、氣象工作站、視頻監(jiān)控系統(tǒng)、多種漁機設備和控制器。設備組件為物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡的終端，自身無法與物聯(lián)網(wǎng)相連，需要借助無線終端節(jié)點的中繼組網(wǎng)功能，通過無線數(shù)據(jù)網(wǎng)絡與服務器協(xié)調節(jié)點互通，最終才能實現(xiàn)與互聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)流的交換，其星狀網(wǎng)絡結構如圖2所示。

圖2 無線終端節(jié)點與設備的星狀網(wǎng)絡Fig.2 Star network of wireless terminal nodes and devices

無線終端節(jié)點功能是將設備組件與服務器節(jié)點聯(lián)通起來，實現(xiàn)感知數(shù)據(jù)采集、漁機自動化控制和運行狀態(tài)監(jiān)測。無線終端節(jié)點搜索并加入服務器協(xié)調節(jié)點的無線網(wǎng)絡中，接收來自服務器協(xié)調節(jié)點的數(shù)據(jù)流，執(zhí)行數(shù)據(jù)流中讀取傳感器感知值、控制設備的命令。無線終端節(jié)點控制設備繼電器，實現(xiàn)控制設備啟、停的工作狀態(tài)，工作流程如圖3所示。

圖3 無線終端節(jié)點工作流程Fig.3 Workflow diagram of wireless terminal node

池塘監(jiān)控站點的供電主要分為兩部分：一是弱電設備供電，如傳感器、無線終端節(jié)點、漁機控制模塊，二是強電設備供電，如增氧機和自動投餌機工作用電等。漁機等強電設備主要通過養(yǎng)殖場已有的市電供電。弱電設備用電的電壓低（多為12V或24V）、需要長時間連續(xù)供電、電流擾動小和用電量低。綜合考慮弱電設備用電和養(yǎng)殖場供電能力，本系統(tǒng)采用太陽能蓄電池為弱電設備供電。

池塘視頻監(jiān)控模塊包含攝像組件和視頻服務器兩部分。搭建池塘攝像組件時需要綜合考慮池塘面積、攝像頭支撐物高度和攝像頭參數(shù)等信息，以滿足拍攝覆蓋度（覆蓋池塘的面積、漁機工作狀態(tài)等）和分辨率等需求。一般情況下每個池塘選用1～2個廣角高清攝像頭，攝像頭支撐物高3～4m。視頻服務器采用ffMpeg和ffServer技術搭建，ffMpeg將影像源文件編譯轉換成流媒體文件。為了滿足存儲和傳輸?shù)囊螅O(jiān)控服務器將攝像頭采集的視頻信息進行數(shù)據(jù)壓縮[11,12]，再由ffServer按客戶端請求，把經(jīng)壓縮池塘影像發(fā)送到客戶端顯示器上。

2.2 物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡系統(tǒng)設計

本研究的環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)由池塘監(jiān)控站點、遠程監(jiān)控服務器和遠程用戶組成的一個交互物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡，如圖1所示。池塘監(jiān)控站點與遠程監(jiān)控服務器通過公用蜂窩數(shù)據(jù)、無線局域網(wǎng)+互聯(lián)網(wǎng)實現(xiàn)相互連接。養(yǎng)殖場架設蜂窩數(shù)據(jù)和無線局域網(wǎng)+互聯(lián)網(wǎng)的網(wǎng)絡接入點，可有效降低池塘監(jiān)測站點聯(lián)網(wǎng)的成本，提高接入點搭建的簡易性和靈活性。

無線終端節(jié)點數(shù)據(jù)傳輸模式為公用蜂窩網(wǎng)絡，這種無線傳輸終端通過高性能通信處理器和無線模塊，功耗低、安裝方便和兼容性高，實現(xiàn)數(shù)據(jù)流遠距離安全傳輸。本系統(tǒng)采用全網(wǎng)和全頻段（4G、3G、2.5G）通訊模塊，進一步提高了無線終端節(jié)點數(shù)據(jù)傳輸?shù)募嫒菪訹13]。

監(jiān)控視頻終端節(jié)點數(shù)據(jù)傳輸模式為無線局域網(wǎng)+互聯(lián)網(wǎng)，無線網(wǎng)絡接入點（AP）和無線網(wǎng)卡將終端節(jié)點進行橋連和接入，使無線局域網(wǎng)與養(yǎng)殖場的互聯(lián)網(wǎng)聯(lián)通。養(yǎng)殖場池塘附近一般比較空曠，很少有減弱信號的遮擋物，信號干擾較少，無線局域網(wǎng)信號好。本系統(tǒng)無線局域網(wǎng)模式為IEEE 802.11標準,使用5.8GHz頻段時可提供最高54Mbps的傳輸速率[14]。

2.3 系統(tǒng)應用層功能設計

系統(tǒng)應用層采用三層B/S（瀏覽器/服務器）模式的邏輯架構：數(shù)據(jù)信息層、業(yè)務處理層和功能表示層（圖4）。數(shù)據(jù)信息層的主要功能是采集存儲感知數(shù)據(jù)、池塘影像數(shù)據(jù)和專家知識數(shù)據(jù)。該層的數(shù)據(jù)信息在業(yè)務處理層處理、加工和分析之后，產(chǎn)生一定的業(yè)務功能，最后通過功能表示層與終端用戶交互，完成用戶對養(yǎng)殖池塘管理所需的操作。功能表示層可以獲得業(yè)務處理層全部的業(yè)務功能，以多種形式（文字、圖表和視頻等）進行交互，如查詢表、分析圖、報表、預警預報、視頻圖像。

圖4 系統(tǒng)應用層結構Fig.4 Application layer architecture in the environmental monitoring system for m irror carp pond culture

系統(tǒng)應用層主要包括六個模塊:池塘養(yǎng)殖環(huán)境信息發(fā)布模塊、視頻監(jiān)控模塊、遠程控制管理模塊、統(tǒng)計分析模塊、報表管理模塊和監(jiān)控預警模塊（圖5）。

（1）池塘養(yǎng)殖環(huán)境信息發(fā)布模塊

圖5 系統(tǒng)應用層功能Fig.5 Application layer functions in the environmental monitoring system for m irror carp pond culture

水質傳感器和氣象傳感器在線采集池塘溶解氧、水溫、pH、氣溫、氣壓、光照強度、濕度和降水量等鏡鯉池塘養(yǎng)殖環(huán)境參數(shù)。系統(tǒng)將最新獲取的池塘環(huán)境信息實時在線發(fā)布，保存到感知信息數(shù)據(jù)庫中。系統(tǒng)用戶可在該模塊的池塘環(huán)境分鐘數(shù)據(jù)和小時數(shù)據(jù)中，追溯或下載池塘環(huán)境的歷史記錄，以滿足系統(tǒng)用戶的需求。

（2）視頻監(jiān)控模塊

該模塊的主要功能是為用戶提供遠程查看池塘增氧機增氧、自動投餌機工作、池塘水位、無線終端節(jié)點等工作狀態(tài)的接口。查看視頻監(jiān)控有兩種方式：池塘實時視頻監(jiān)控和近期歷史視頻監(jiān)控。①池塘實時視頻監(jiān)控是指：用戶可以通過視頻監(jiān)控服務器在線發(fā)布的池塘圖像，實時查看池塘整體狀況；②近期歷史視頻監(jiān)控是為用戶提供查詢歷史視頻記錄的接口，用戶通過視頻監(jiān)控服務器能觀看15d以內每個監(jiān)控點的視頻資料。

（3）遠程控制模塊

該模塊主要遠程控制漁機設備（增氧機、自動投餌機）的啟停，以及設定漁機設備、傳感器設備工作參數(shù)等。具有控制權限的用戶可以根據(jù)每個池塘的具體情況，控制增氧機等設備的啟停。日?？刂茀?shù)包括自動投餌機投喂時間和時長、根據(jù)溶解氧水平啟停增氧機的參數(shù)、水質傳感器采集間隔等參數(shù)。

（4）統(tǒng)計分析模塊

用戶可以在統(tǒng)計分析模塊中分析環(huán)境參數(shù)的多維度數(shù)據(jù)，本系統(tǒng)已提前內置了部分分析功能，包括同一池塘不同時間段水質參數(shù)比較分析、多池塘同一水質參數(shù)比較、水質參數(shù)與氣象參數(shù)關聯(lián)分析等。平臺還為用戶提供開放的數(shù)據(jù)分析接口，實現(xiàn)用戶自定義統(tǒng)計分析。

（5）報表模塊

該模塊為用戶提供水質、氣象和設備工作狀態(tài)等報表，還能繪制日、周、月等不同的時間單位的報表，方便養(yǎng)殖管理人員使用。

（6）監(jiān)控預警模塊

監(jiān)控預警模塊通過時間序列模型、神經(jīng)網(wǎng)絡、決策支持等數(shù)學模型，結合池塘養(yǎng)殖專家知識庫，設定池塘水質、漁機工作狀態(tài)等預警預報參數(shù)，并通過郵件、短信和WEB等多種方式發(fā)送到池塘管理人員，是降低養(yǎng)殖風險的關鍵模塊。

3 系統(tǒng)實現(xiàn)與應用測試

為驗證鏡鯉養(yǎng)殖池塘環(huán)境在線監(jiān)測系統(tǒng)的使用效果，筆者在黑龍江水產(chǎn)研究所呼蘭實驗站的兩個相鄰池塘進行了實際應用試驗。試驗池長35m、寬25m、平均水深2m，水泥護坡，每個池塘有一臺自動投餌機和一臺1.8kW的增氧機。2018年5月初,放養(yǎng)了平均體質量為0.176kg的1齡松浦鏡鯉魚種，密度為53.33尾/ha，套養(yǎng)花鰱Aristichthys nobilis70尾、白鰱Hypophthalmichthys molitrix 30尾。氣象站和攝像頭置于兩池塘中間4m高立桿上，七參數(shù)氣象站置于立桿頂端，2個攝像頭置于立桿3.5m高處。溶解氧水溫傳感器和pH傳感器固定在定制的浮體上，水質傳感器置于水下1.2m深處，浮體通過繩索置于池塘中央。

系統(tǒng)開發(fā)構架為3層B/S結構，語言為ASP.NET、數(shù)據(jù)庫為SQL server，用戶可以通過網(wǎng)頁瀏覽器訪問鏡鯉池塘養(yǎng)殖環(huán)境在線監(jiān)測系統(tǒng)，實現(xiàn)了對鏡鯉養(yǎng)殖池塘環(huán)境（水質、氣象等）信息的在線監(jiān)測、池塘視頻監(jiān)控、生產(chǎn)管理遠程控制、監(jiān)測數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析、水質監(jiān)測預警，基于瀏覽器的養(yǎng)殖環(huán)境在線監(jiān)測系統(tǒng)的登錄和系統(tǒng)主頁（圖6、圖7）。登錄系統(tǒng)后，可直接讀取實時在線監(jiān)測信息，如池塘附近的氣象信息、池塘水質和預警信息等（圖7）。

圖6 系統(tǒng)登錄界面Fig.6 The login interface in the system

圖7 系統(tǒng)主頁Fig.7 The homepage in the system

在線監(jiān)測模塊是本系統(tǒng)感知池塘養(yǎng)殖環(huán)境信息的核心功能模塊，按照設定時間間隔持續(xù)采集、感知數(shù)據(jù)，保存在遠程數(shù)據(jù)庫中。統(tǒng)計分析和報表管理分析模塊都是對分鐘數(shù)據(jù)進行分析、處理和匯總，可以查詢每個時間點采集的感知信息，通過設定監(jiān)測點、時間范圍等信息即可查看和下載（圖8）。

圖8 池塘環(huán)境分鐘數(shù)據(jù)界面Fig.8 The interface of pond environment data in am inute interval

視頻監(jiān)測模塊可以了解池塘整體情況，如池塘水位高低、增氧機是否工作、投餌機投餌情況、浮體所處位置等情況。如圖9中的監(jiān)測視頻，可以發(fā)現(xiàn)攝像頭覆蓋的絕大部分池塘水面，還能清晰查看增氧機工作狀態(tài)。

圖9 池塘實時監(jiān)測視頻顯示界面Fig.9 Real-time monitoring video display interface in a pond

在遠程控制和監(jiān)測預警模塊內，用戶可對漁機設備工作方式配置、傳感器工作異常配置和水質預警配置等進行操作；用戶可以通過設定好池塘溶解氧、水溫等預警規(guī)則和限值，當感知數(shù)據(jù)結果在限值范圍外時，系統(tǒng)會在主頁內自動預警和異常信息提示，以便及時對異常情況作出反應。系統(tǒng)為預警預報模型和算法提供接口，方便將最新研究成果應用到本系統(tǒng)中。

4 小結與展望

本文介紹了基于物聯(lián)網(wǎng)技術的鏡鯉養(yǎng)殖池塘環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)的設計方案和系統(tǒng)研發(fā)的主要流程，在兩個池塘進行了4個月試運行。使用效果表明，本系統(tǒng)設計方案較好地實現(xiàn)了鏡鯉池塘養(yǎng)殖環(huán)境信息監(jiān)測、視頻監(jiān)測和統(tǒng)計分析的需要，系統(tǒng)性能較為穩(wěn)定，信息采集和遠程控制達到使用要求，提升了鏡鯉養(yǎng)殖池塘管理和安全水平。為了進一步加強鏡鯉養(yǎng)殖信息化管理水平，本系統(tǒng)可以從三個方面進行功能拓展，一是對鏡鯉苗種信息化管理，加強對苗種種質數(shù)字化檔案建設，以便進行合理選配生產(chǎn)，確保苗種品質優(yōu)良，生產(chǎn)出高品質的商品魚；二是對鏡鯉養(yǎng)殖生產(chǎn)過程信息化管理，確保養(yǎng)殖過程的各個環(huán)節(jié)信息可查，提高生產(chǎn)效率、降低養(yǎng)殖成本；三是深度挖掘積累的池塘環(huán)境監(jiān)測大數(shù)據(jù)，通過機器學習、大數(shù)據(jù)挖掘和預警預報等技術指導池塘養(yǎng)殖生產(chǎn)。