楊春雷，成波

(1. 南京機(jī)電職業(yè)技術(shù)學(xué)院 電子工程系，江蘇 南京 211135；2. 海云創(chuàng)數(shù)字科技(南京)有限公司，江蘇 南京 211135)

0 引言

一直以來(lái)，我國(guó)的水產(chǎn)養(yǎng)殖產(chǎn)量高，占據(jù)了全世界的70%左右。但是，我國(guó)水產(chǎn)養(yǎng)殖產(chǎn)業(yè)主要是采用粗放式經(jīng)營(yíng)管理方式為主，個(gè)體散戶養(yǎng)殖的比例占養(yǎng)殖產(chǎn)業(yè)85%以上，導(dǎo)致了養(yǎng)殖經(jīng)營(yíng)的成本和養(yǎng)殖風(fēng)險(xiǎn)比較高。隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展，我國(guó)的農(nóng)業(yè)結(jié)構(gòu)在不斷調(diào)整和轉(zhuǎn)型過(guò)程中，水產(chǎn)養(yǎng)殖業(yè)也開(kāi)始從以往粗放型的方式向精準(zhǔn)化和集約化的養(yǎng)殖方式轉(zhuǎn)變。在這樣的環(huán)境下，怎樣借助于先進(jìn)的科學(xué)技術(shù)來(lái)提升水產(chǎn)養(yǎng)殖信息化建設(shè)水平，成為水產(chǎn)養(yǎng)殖業(yè)高速發(fā)展的重要保障和未來(lái)發(fā)展的趨勢(shì)?，F(xiàn)代物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)正推動(dòng)著這一產(chǎn)業(yè)高速發(fā)展和轉(zhuǎn)型。物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)開(kāi)始應(yīng)用于農(nóng)業(yè)種植、養(yǎng)殖、農(nóng)產(chǎn)品加工等不同的方面，提高農(nóng)業(yè)發(fā)展的自動(dòng)化水平，促進(jìn)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和水產(chǎn)養(yǎng)殖的高效率、高質(zhì)量、高水平的健康發(fā)展。

1 現(xiàn)代物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)介紹

1.1 物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)概念

物聯(lián)網(wǎng)即物和物相聯(lián)系的互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)。物聯(lián)網(wǎng)是建立在新的信息技術(shù)基礎(chǔ)上，連接物體和互聯(lián)網(wǎng)，通過(guò)進(jìn)行信息交換和信息通信來(lái)實(shí)現(xiàn)智能化服務(wù)的一種網(wǎng)絡(luò)技術(shù)。物聯(lián)網(wǎng)通過(guò)傳感器、光學(xué)識(shí)別、全球定位系統(tǒng)、射頻識(shí)別和激光掃描器等新的信息技術(shù)，進(jìn)行信息的收集、分析、匯總，實(shí)現(xiàn)交換和傳遞，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)物體的智能感知、識(shí)別和監(jiān)管[1]。

1.2 物聯(lián)網(wǎng)信息化系統(tǒng)技術(shù)特征

物聯(lián)網(wǎng)的特征主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：第一，具有全面感知性特點(diǎn)，借助于互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)可以獲取更加全面的知識(shí)和信息；第二，具有可靠的傳遞性特點(diǎn)，借助于互聯(lián)網(wǎng)和電信網(wǎng)絡(luò)的有效結(jié)合把相關(guān)的物體信息傳輸出去；第三，具有智慧處理的特點(diǎn)，利用云計(jì)算、大數(shù)據(jù)技術(shù)等各種智能計(jì)算技術(shù)對(duì)海量的數(shù)據(jù)信息進(jìn)行分析和處理，完善信息化發(fā)展。

2 水產(chǎn)養(yǎng)殖信息化建設(shè)中物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

水產(chǎn)養(yǎng)殖是農(nóng)業(yè)養(yǎng)殖業(yè)中尤其需要精細(xì)化運(yùn)作的細(xì)分行業(yè)。不同養(yǎng)殖階段的水體環(huán)境、食物投喂等都會(huì)對(duì)養(yǎng)殖結(jié)果造成影響。水產(chǎn)養(yǎng)殖業(yè)中個(gè)體養(yǎng)殖戶占據(jù)了85%以上，這些養(yǎng)殖戶的經(jīng)濟(jì)實(shí)力、文化程度相對(duì)有限。

在設(shè)計(jì)水產(chǎn)養(yǎng)殖物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)時(shí)，首先考慮的是建設(shè)成本不能過(guò)高，便于推廣；其次是安裝、維護(hù)方便，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，易于維護(hù)；還要實(shí)現(xiàn)操作端簡(jiǎn)約，易于上手操作。結(jié)合水產(chǎn)養(yǎng)殖本身的特性，對(duì)于水產(chǎn)養(yǎng)殖的信息化系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：

1)在物聯(lián)網(wǎng)傳輸協(xié)議選擇方面，需要著重考慮經(jīng)濟(jì)性，尤其需要考慮大面積水域和較長(zhǎng)距離多個(gè)設(shè)備的通信；

2)在控制設(shè)備選型方面，需要考慮設(shè)備在復(fù)雜環(huán)境下的耐用性以及便于替換；

3)在軟件設(shè)計(jì)方面，著重云服務(wù)，大數(shù)據(jù)分析以及移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)程序的開(kāi)發(fā)；

4)在存在多個(gè)設(shè)備的控制方面，算法中需要涉及設(shè)備的綜合使用率；

5)整體設(shè)計(jì)中，考慮整個(gè)系統(tǒng)的節(jié)能。

水產(chǎn)養(yǎng)殖信息化系統(tǒng)主要由傳感器、物聯(lián)網(wǎng)通信設(shè)備、控制單元、執(zhí)行設(shè)備、數(shù)據(jù)服務(wù)平臺(tái)共同組成，其運(yùn)行原理如圖1所示。

圖1 運(yùn)行原理框圖

傳感器用于獲取水產(chǎn)養(yǎng)殖各種數(shù)據(jù)，通過(guò)物聯(lián)網(wǎng)通信協(xié)議設(shè)備最終上傳至數(shù)據(jù)服務(wù)平臺(tái)，數(shù)據(jù)服務(wù)平臺(tái)根據(jù)設(shè)計(jì)的模式發(fā)送指令至控制單元，最終對(duì)執(zhí)行設(shè)備進(jìn)行控制。

在增氧器功能設(shè)計(jì)時(shí)，需要和溶解氧傳感器配合使用，在水氧濃度比較低的時(shí)候，控制設(shè)備會(huì)開(kāi)啟增氧器，提高水氧的濃度；在水泵節(jié)點(diǎn)中，和水位傳感器結(jié)合使用，在水位比較低的時(shí)候，控制設(shè)備就可以控制水泵進(jìn)行工作，從而提高水域的水位；也可以應(yīng)用在餌料的投放環(huán)節(jié)中，減少人工喂食的勞動(dòng)量，減少人工成本，提高喂食的效率，且提高喂養(yǎng)的精細(xì)化和高效化[2]。

2.1 傳感器設(shè)計(jì)

傳感器主要包括有線傳感器和無(wú)線傳感器。在水產(chǎn)養(yǎng)殖中，基于養(yǎng)殖面積、養(yǎng)殖環(huán)境和設(shè)備的數(shù)量，有線傳感器和無(wú)線傳感器都有使用的場(chǎng)景?，F(xiàn)階段有線傳感器一般以RS485作為通信方式居多，無(wú)線傳感器則以長(zhǎng)距離低功耗特點(diǎn)的LoRa和NB-iot為主流的通信方式。

水產(chǎn)養(yǎng)殖傳感器主要用于水質(zhì)數(shù)據(jù)采集，運(yùn)用最廣泛的為水體溶解氧、水體PH值、水體溫度傳感器。所采集到數(shù)據(jù)通過(guò)通信協(xié)議設(shè)備最終傳輸?shù)綌?shù)據(jù)服務(wù)器。

傳感器節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)應(yīng)用：以水產(chǎn)養(yǎng)殖信息化系統(tǒng)中應(yīng)用的無(wú)線水體溶解氧傳感器為例，它由傳感器、轉(zhuǎn)接板、LoRa通信芯片組成，如圖2所示。傳感器主要用于對(duì)周圍的環(huán)境情況進(jìn)行數(shù)據(jù)采集；LoRa通信芯片接收相關(guān)的數(shù)據(jù)，并把這些數(shù)據(jù)傳輸?shù)絃oRa基站中，LoRa基站再通過(guò)其他的通信方式傳輸?shù)綌?shù)據(jù)服務(wù)平臺(tái) ；轉(zhuǎn)接板的作用是鏈接芯片和傳感器，形成數(shù)據(jù)傳輸?shù)臉蛄?，為整體系統(tǒng)提供電源。

圖2 傳感器節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)圖

2.2 物聯(lián)網(wǎng)通信設(shè)備設(shè)計(jì)

以LoRa(圖3)傳感器節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)圖為例。

圖3 通信設(shè)備構(gòu)成圖

通信設(shè)備包括了LoRa終端芯片(或終端)和LoRa基站。在整個(gè)水產(chǎn)養(yǎng)殖信息化系統(tǒng)中，通過(guò)把標(biāo)準(zhǔn)串口和LoRa終端進(jìn)行有效的銜接，LoRa終端再將數(shù)據(jù)傳輸?shù)絃oRa基站，最終傳輸?shù)綌?shù)據(jù)服務(wù)平臺(tái)進(jìn)行收集和處理后，作為用戶使用的參考。LoRa基站也可以發(fā)送數(shù)據(jù)到LoRa終端，控制設(shè)備根據(jù)該指令，對(duì)執(zhí)行設(shè)備進(jìn)行控制。

2.3 控制單元設(shè)計(jì)

水產(chǎn)養(yǎng)殖信息化系統(tǒng)的控制單元，需要實(shí)時(shí)檢測(cè)執(zhí)行單元的運(yùn)行參數(shù)，以減少因執(zhí)行單元故障或不能啟動(dòng)而產(chǎn)生的損失；還需要與數(shù)據(jù)服務(wù)平臺(tái)實(shí)時(shí)通信，以接受控制指令和反饋執(zhí)行單元數(shù)據(jù)。

如圖4所示，串聯(lián)中間繼電器KA1是對(duì)停止手動(dòng)按鈕進(jìn)行的功能補(bǔ)充，KA1對(duì)應(yīng)觸點(diǎn)必須使用常閉觸點(diǎn)。

圖4 電氣控制原理圖

當(dāng)CAN智能控制模塊通道B接通時(shí)，節(jié)點(diǎn)02和節(jié)點(diǎn)03之間的線路閉合，設(shè)備供電閉合；當(dāng)CAN智能控制模塊通道A接通時(shí)，KA1線圈得電，使常閉觸點(diǎn)斷開(kāi)，設(shè)備供電斷開(kāi)。

2.4 軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

水產(chǎn)養(yǎng)殖信息化軟件系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)需要進(jìn)行自動(dòng)控制程序的編寫(xiě)、LoRa傳輸協(xié)議配置、傳感器驅(qū)動(dòng)程序的編寫(xiě)、云服務(wù)器配置、數(shù)據(jù)庫(kù)、移動(dòng)端程序等，如圖5所示。

圖5 軟件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)流程圖

數(shù)據(jù)分析是整個(gè)系統(tǒng)比較重要的部分。傳統(tǒng)水產(chǎn)養(yǎng)殖業(yè)準(zhǔn)入門(mén)檻較高，是一個(gè)注重養(yǎng)殖戶經(jīng)驗(yàn)的行業(yè)，在接入了足夠多的樣本之后，經(jīng)過(guò)數(shù)據(jù)分析，基于地理位置和氣候，可以反饋給養(yǎng)殖戶相對(duì)適合的標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)殖數(shù)據(jù)，降低新養(yǎng)殖戶的失誤率，以此降低養(yǎng)殖門(mén)檻。

2.5 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

1)數(shù)據(jù)采集模塊硬件設(shè)計(jì)：該模塊主要是對(duì)水質(zhì)參數(shù)進(jìn)行采集，比如，對(duì)水的溫度、溶解氧和pH值等情況進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。首先，所有傳感器采集的各種信號(hào)都要通過(guò)調(diào)理電路來(lái)轉(zhuǎn)化為穩(wěn)定的模擬性信號(hào)，再通過(guò)模數(shù)轉(zhuǎn)化后形成數(shù)字信號(hào)，由LoRa和串口進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸；最后，利用無(wú)線通信技術(shù)把收集到的各種信息傳輸?shù)椒?wù)器中。數(shù)據(jù)采集模塊的關(guān)鍵是傳感器，也是整個(gè)模塊中的基礎(chǔ)。因?yàn)閭鞲衅鏖L(zhǎng)時(shí)間在水中，會(huì)受到水中雜質(zhì)的影響，造成數(shù)據(jù)采集的不準(zhǔn)確，同時(shí)也會(huì)對(duì)傳感器產(chǎn)生很大的損害性。所以，必須對(duì)傳感器安裝保護(hù)裝置[3]。

2)協(xié)調(diào)器模塊硬件設(shè)計(jì)：該硬件設(shè)計(jì)是整個(gè)系統(tǒng)中的中樞神經(jīng)，其主要的作用是接收前端數(shù)據(jù)并上傳到服務(wù)器中，同時(shí)還要把服務(wù)器下達(dá)的控制命令傳輸?shù)絇LC器件中。LoRa模塊和RS485串口和服務(wù)器進(jìn)行連接，通過(guò)Modbus協(xié)議來(lái)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。

2.6 水產(chǎn)養(yǎng)殖物聯(lián)網(wǎng)信息化系統(tǒng)建設(shè)的優(yōu)勢(shì)

1)水產(chǎn)養(yǎng)殖信息化物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)是一套開(kāi)放的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，采用的通信協(xié)議如Modbus RTU、Modbus TCP、CANOPEN都是開(kāi)放的，都可在因特網(wǎng)上找到協(xié)議的范本，并且主控制器采用符合IEC61131-3國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)的軟件編程，支持6種編程語(yǔ)言。這樣使得開(kāi)發(fā)方可以方便地進(jìn)行維修、擴(kuò)充及集成，且具有經(jīng)濟(jì)效益[4]。

2)系統(tǒng)具有很高的靈活性、兼容性和擴(kuò)展性。

3)系統(tǒng)可靠性高，已廣泛應(yīng)用于工業(yè)領(lǐng)域等對(duì)穩(wěn)定性要求較高的場(chǎng)所。另外，模擬量模塊信號(hào)高分辨率，更適用于當(dāng)前的自動(dòng)控制系統(tǒng)中所需節(jié)能系統(tǒng)。與此同時(shí)，該系統(tǒng)控制器性能強(qiáng)勁，在監(jiān)測(cè)點(diǎn)數(shù)較多時(shí)，仍能保證有較高的通信速率優(yōu)勢(shì)。

4)控制器設(shè)計(jì)風(fēng)格統(tǒng)一，控制器模塊大小統(tǒng)一，積木式架構(gòu)，設(shè)計(jì)靈活、擴(kuò)充彈性。

3 物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在水產(chǎn)養(yǎng)殖信息化建設(shè)中的應(yīng)用策略

1)提高物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)信息化水平

在進(jìn)行水產(chǎn)養(yǎng)殖信息化建設(shè)的過(guò)程中，要根據(jù)水產(chǎn)養(yǎng)殖的模式、規(guī)模、品種來(lái)對(duì)物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用的環(huán)境進(jìn)行劃分，并在基礎(chǔ)環(huán)境允許的情況下進(jìn)行信息化建設(shè)的投入，創(chuàng)建更符合物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)應(yīng)用的環(huán)境，從而提高物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)信息化建設(shè)水平[5]。

2)完善核心技術(shù)的創(chuàng)新發(fā)展

要以世界先進(jìn)的傳感器研發(fā)技術(shù)為目標(biāo)，組建技術(shù)攻關(guān)團(tuán)隊(duì)，對(duì)關(guān)鍵和核心技術(shù)進(jìn)行研究。與此同時(shí)還要對(duì)各種技術(shù)、應(yīng)用、示范、緩解、集成等方面的優(yōu)勢(shì)和作用進(jìn)行整理，重點(diǎn)對(duì)傳感器核心技術(shù)進(jìn)行研發(fā)。此外，還要制定開(kāi)放性、規(guī)范化、可拓展、符合水產(chǎn)養(yǎng)殖應(yīng)用的物聯(lián)網(wǎng)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，規(guī)范物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在水產(chǎn)養(yǎng)殖領(lǐng)域中的應(yīng)用。

3)建設(shè)水產(chǎn)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)示范項(xiàng)目

南京市高淳區(qū)已成為現(xiàn)代高效水產(chǎn)養(yǎng)殖規(guī)?；l(fā)展的集聚區(qū)，政校企可以合作建設(shè)水產(chǎn)養(yǎng)殖物聯(lián)網(wǎng)示范項(xiàng)目，并對(duì)水產(chǎn)養(yǎng)殖物聯(lián)網(wǎng)自主產(chǎn)權(quán)技術(shù)產(chǎn)品進(jìn)行研發(fā)，以此為示范基地，創(chuàng)建完善物聯(lián)網(wǎng)在水產(chǎn)養(yǎng)殖應(yīng)用模式，形成可持續(xù)發(fā)展的水產(chǎn)養(yǎng)殖物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展機(jī)制，通過(guò)以點(diǎn)帶面方式，推動(dòng)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在水產(chǎn)養(yǎng)殖領(lǐng)域中的發(fā)展。

4 結(jié)語(yǔ)

在各種先進(jìn)技術(shù)高速發(fā)展的影響下，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)也得到了快速發(fā)展，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)已被廣泛地應(yīng)用在不同的行業(yè)和領(lǐng)域中。對(duì)于水產(chǎn)養(yǎng)殖發(fā)展來(lái)說(shuō)，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的應(yīng)用，可以讓水產(chǎn)養(yǎng)殖實(shí)現(xiàn)信息化發(fā)展，為水產(chǎn)養(yǎng)殖的轉(zhuǎn)型發(fā)展提供可靠的技術(shù)保障，為水產(chǎn)養(yǎng)殖的高效、高質(zhì)量、高水平和健康可持續(xù)發(fā)展提供基礎(chǔ)支撐。