劉艷飛，陳幗鸞

（中山職業(yè)技術(shù)學(xué)院信息工程學(xué)院，廣東 中山 528400）

我國(guó)水產(chǎn)養(yǎng)殖產(chǎn)量位居世界首位，占到全球總產(chǎn)量的73%。近20 年養(yǎng)殖產(chǎn)量增長(zhǎng)了2 倍，為我國(guó)國(guó)民提供了超過(guò)30%的優(yōu)質(zhì)動(dòng)物蛋白，對(duì)保障國(guó)民食物安全發(fā)揮了重大作用[1]，但是，傳統(tǒng)漁業(yè)養(yǎng)殖方式對(duì)水中各物質(zhì)含量的判斷主要來(lái)自經(jīng)驗(yàn)，即通過(guò)觀察陽(yáng)光、氣溫、氣壓以及魚有無(wú)浮頭等現(xiàn)象，判斷水質(zhì)是否利于魚的生存來(lái)調(diào)整魚塘環(huán)境[2]。水質(zhì)是漁業(yè)的基礎(chǔ)，利用現(xiàn)代信息技術(shù)實(shí)現(xiàn)對(duì)魚塘水質(zhì)參數(shù)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、分析評(píng)價(jià)、智能預(yù)警是智慧漁業(yè)的關(guān)鍵。

隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的廣泛應(yīng)用，以及WiFi、藍(lán)牙、Zigbee、2G/3G/4G 不斷發(fā)展，無(wú)線技術(shù)也在不斷發(fā)展，這些無(wú)線技術(shù)都有各自的優(yōu)點(diǎn)，但是一直以來(lái)都難以解決遠(yuǎn)距離和低功耗之間的矛盾問(wèn)題。低功耗廣域網(wǎng)（Low Power Wide Area Network,LPWAN）技術(shù)產(chǎn)生之后，一定程度上解決了本問(wèn)題，最大程度地實(shí)現(xiàn)更長(zhǎng)距離通信與更低功耗，同時(shí)還可節(jié)省額外的中繼器成本。LoRa 是LPWAN 通信技術(shù)中的一種，是美國(guó)Semtech 公司采用和推廣的一種基于擴(kuò)頻技術(shù)的超遠(yuǎn)距離無(wú)線傳輸方案。LoRa 網(wǎng)絡(luò)易于建設(shè)和部署，具有遠(yuǎn)距離、低功耗（電池壽命長(zhǎng)）、多節(jié)點(diǎn)、低成本的特性[3]，已成為當(dāng)前應(yīng)用最普遍的物聯(lián)網(wǎng)專用網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)，特別適合對(duì)大規(guī)模的魚塘群進(jìn)行無(wú)線網(wǎng)路部署。

因此，本文項(xiàng)目引入智能感知設(shè)備水質(zhì)檢測(cè)儀和水下高清攝像頭，通過(guò)LoRa 技術(shù)與網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行通訊，網(wǎng)關(guān)將數(shù)據(jù)通過(guò)Internet 網(wǎng)絡(luò)上傳到云平臺(tái)同時(shí)負(fù)責(zé)發(fā)送指令到感知設(shè)備，用戶通過(guò)移動(dòng)終端查看魚塘各類數(shù)據(jù)、接收預(yù)警信息和發(fā)送對(duì)智能設(shè)備的控制指令，實(shí)現(xiàn)水質(zhì)遠(yuǎn)程監(jiān)控，降低漁業(yè)養(yǎng)殖的風(fēng)險(xiǎn)，用現(xiàn)代信息技術(shù)保障我國(guó)漁業(yè)養(yǎng)殖的可持續(xù)發(fā)展。

1 系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)

整體系統(tǒng)架構(gòu)分為三個(gè)部分，分別是感知層、網(wǎng)絡(luò)層和應(yīng)用層，如圖1 所示。感知層主要包括水質(zhì)檢測(cè)儀和組成的數(shù)據(jù)采集節(jié)點(diǎn)，屬于系統(tǒng)的最底層，采集的數(shù)據(jù)通過(guò)LoRa 無(wú)線網(wǎng)絡(luò)發(fā)送到網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)。網(wǎng)絡(luò)層是連接感知節(jié)點(diǎn)與云平臺(tái)的紐帶，實(shí)現(xiàn)LoRa 網(wǎng)絡(luò)協(xié)議與幾種不同類型的基礎(chǔ)通信協(xié)議之間的轉(zhuǎn)換，匯集數(shù)據(jù)采集節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)并上報(bào)，同時(shí)負(fù)責(zé)向相應(yīng)節(jié)點(diǎn)下達(dá)云平臺(tái)發(fā)送的控制命令。應(yīng)用層采用云平臺(tái)，接收、處理、管理網(wǎng)絡(luò)層上報(bào)的數(shù)據(jù)和設(shè)備控制指令功能，同時(shí)提供交互界面供用戶查詢和管理各個(gè)節(jié)點(diǎn)的狀態(tài)[4]。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

2 數(shù)據(jù)修復(fù)處理

通過(guò)傳感器采集的數(shù)據(jù)往往不能直接使用，為了保證數(shù)據(jù)的正確性和完整性必須對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理，方案采用模糊聚類優(yōu)化補(bǔ)全模型來(lái)對(duì)水質(zhì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的缺失值進(jìn)行補(bǔ)全[5]。

1）建立待檢測(cè)數(shù)據(jù)集x 和隸屬矩陣。x={x1,x2,x3,...,xn}表示n 個(gè)樣本，c={c1,c2,...,ck}表示k 個(gè)類別，那么x 的隸屬矩陣U 為：（其中，）

2）初始化隸屬矩陣。按照工程經(jīng)驗(yàn)取值范圍，對(duì)于本項(xiàng)目取模糊系數(shù)m＝2，聚類數(shù)k＝3，迭代次數(shù)t＝200 能達(dá)到最好的聚類效果。

3）計(jì)算聚類的中心Ci：

5）重復(fù)上面的步驟，直到中心點(diǎn)Ci不再變化或者初始化隸屬度矩陣U 變化很小為止。

3 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

系統(tǒng)根據(jù)調(diào)研用戶的需求，設(shè)計(jì)了水質(zhì)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)展示、水質(zhì)監(jiān)測(cè)、鑒定、設(shè)置四個(gè)功能模塊用戶端根據(jù)智能手機(jī)的使用率和便攜性開發(fā)了移動(dòng)APP。

3.1 實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)

實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)部分主要展示各個(gè)魚塘的溶解氧、堿度、水溫、鹽度、PH 值、亞硝態(tài)氮、ORP 和浮游動(dòng)物等水質(zhì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，如圖2 所示。同時(shí)用戶可在線查看所有被監(jiān)測(cè)池塘水質(zhì)變化曲線，如圖3所示。

圖2 魚塘水質(zhì)實(shí)時(shí)數(shù)

圖3 魚塘實(shí)時(shí)水質(zhì)曲線

3.2 水質(zhì)監(jiān)測(cè)

用戶可設(shè)置各項(xiàng)水質(zhì)監(jiān)測(cè)指標(biāo)，查看處理各類水質(zhì)異常報(bào)警信息以及歷史水質(zhì)監(jiān)測(cè)歷史數(shù)據(jù)等。同時(shí)可以進(jìn)行用戶可實(shí)時(shí)校準(zhǔn)各個(gè)水質(zhì)監(jiān)測(cè)設(shè)備飽和氧基準(zhǔn)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)、堿度基準(zhǔn)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)、ORP 基準(zhǔn)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)等，如圖4 所示。

圖4 魚塘水質(zhì)監(jiān)測(cè)

3.3 鑒定

這個(gè)模塊啟動(dòng)水中的攝像頭，用戶可實(shí)時(shí)在線鑒定魚塘內(nèi)的各類浮游生物、藻類植物，從而確定魚塘生態(tài)，記錄可保存，便于隨時(shí)查看歷史記錄，如圖5 所示。

圖5 魚塘水質(zhì)鑒定

3.4 設(shè)置

設(shè)置模塊主要用來(lái)管理魚塘、控制設(shè)備、設(shè)備的使用手冊(cè)、設(shè)置水質(zhì)報(bào)警參數(shù)等,如圖6 所示。

圖6 魚塘設(shè)置、管理操作界面

4 結(jié)束語(yǔ)

本文設(shè)計(jì)的遠(yuǎn)程水質(zhì)監(jiān)控系統(tǒng)是面向漁業(yè)可持續(xù)發(fā)展的需求，基于智能傳感、無(wú)線傳感網(wǎng)、通信、數(shù)據(jù)處理與智能控制等物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)開發(fā)的，用戶可以通過(guò)手機(jī)APP 端遠(yuǎn)程查看魚塘水質(zhì)信息，同時(shí)也可通過(guò)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理，做出控制決策，遠(yuǎn)程控制增氧設(shè)備等。系統(tǒng)采集的水質(zhì)數(shù)據(jù)不僅可以指導(dǎo)當(dāng)前的漁業(yè)養(yǎng)殖，提高養(yǎng)殖產(chǎn)量和節(jié)約人力，更為未來(lái)的智能養(yǎng)殖提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，不僅具有經(jīng)濟(jì)效益更具備社會(huì)價(jià)值。