一．研發(fā)背景
在我國水產(chǎn)養(yǎng)殖業(yè)飛速發(fā)展及結構更新調(diào)整的當下，如何更高效率、更準確、更經(jīng)濟對養(yǎng)殖水質進行監(jiān)控，成了提高產(chǎn)量、降低成本、防止魚類病害以及提高經(jīng)濟效益的關鍵所在。
在傳統(tǒng)的養(yǎng)殖過程中，實現(xiàn)水質監(jiān)測往往是通過人工采集水樣進行實驗室分析，又或者是根據(jù)生產(chǎn)實踐經(jīng)驗判別以后再釆取相應的手段來調(diào)節(jié)水質，這兩種方式都存在著無法實現(xiàn)實時監(jiān)控、不能獲取水質動態(tài)數(shù)據(jù)的劣勢。
現(xiàn)如今隨著物聯(lián)網(wǎng)技術的發(fā)展和普及，以自動化、智能化和網(wǎng)絡化為核心內(nèi)容的工業(yè)化養(yǎng)殖成為必然趨勢。圣凱安的研發(fā)人員以物聯(lián)網(wǎng)技術為基礎，以漁業(yè)養(yǎng)殖水環(huán)境為應用對象，設計開發(fā)了一套漁業(yè)養(yǎng)殖水環(huán)境的智能監(jiān)控系統(tǒng)。該系統(tǒng)集數(shù)據(jù)采集、自動傳輸、數(shù)據(jù)處理、遠程手動控制和智能控制決策于一身，可以同時實現(xiàn)對主要水質指標：溫度、溶解氧和p H值等進行分布式、網(wǎng)絡化的管理，通過擴展，可監(jiān)測光照、氨氮、硫化物、亞硝酸鹽等眾多水質指標。（湖南圣凱安環(huán)?？萍稼w133..9975..32..997）
一．方案建設
1. 建設要求
（1） 保證監(jiān)測系統(tǒng)可以連續(xù)數(shù)天在陰雨天中不間斷運行。
（2） 設置參數(shù)預警模塊，如果采集到的數(shù)據(jù)超出了安全范圍，給出報警警示。
（3） 使用溫度傳感器、PH 值傳感器、溶解氧傳感器采集水溫度數(shù)據(jù)、PH值、溶解氧數(shù)據(jù)并將采集到的數(shù)據(jù)信息通過無線傳感模塊傳輸至監(jiān)控終端。
（4） 為水產(chǎn)生物提供一個良好生長環(huán)境。
（5） 需要保證數(shù)據(jù)采集與傳輸?shù)臏蚀_性。
（6） 遠程監(jiān)控信息獲取除了PC機以外，還可以通過手機獲取，使得用戶對水產(chǎn)養(yǎng)殖水質狀況信息的獲取不受時間和空間限制。
2. 建設目標
（1）及時準確地向用戶展示系統(tǒng)采集來的水質參數(shù)情況，為用戶后期的調(diào)控與管理提供參依據(jù)；
（2）在 Web頁面和安卓客戶端顯示水質數(shù)據(jù)并且設置參數(shù)范圍，在超出設置范圍后，發(fā)出警報；
（3）利用遠程云端為其他擴展接口的接入使用提供便利，并且云端數(shù)據(jù)庫的使用，對數(shù)據(jù)的安全性和存儲量都提供強有力保證；
（4）采集節(jié)點的從機之間相互獨立，每個從機都能獨立完成自己的監(jiān)控任務。
3. 方案優(yōu)勢（創(chuàng)新點）
本系統(tǒng)是一次物聯(lián)網(wǎng)技術在漁業(yè)養(yǎng)殖方面的有益探索，具有良好的推廣前景。它集感知、傳輸、存儲、展示和調(diào)節(jié)養(yǎng)殖環(huán)境內(nèi)的多種參數(shù)等功能于一體。系統(tǒng)在上市之前，已經(jīng)過長期的運行測試，運行狀態(tài)良好，未發(fā)現(xiàn)明顯異常狀況，可以滿足漁業(yè)養(yǎng)殖的基本要求。
4. 設計原理
5. 系統(tǒng)機構
該方案針對工業(yè)化養(yǎng)殖的水質及環(huán)境特點，將基于 RS485的分布式測控子系統(tǒng)和基于以太網(wǎng)的遠程監(jiān)控相結合，綜合運用了嵌入式Web技術、實時網(wǎng)絡通信技術、動態(tài)數(shù)據(jù)交互等技術，將SVG技術用于實時動態(tài)數(shù)據(jù)的圖形化顯示，實現(xiàn)了網(wǎng)絡化的水質環(huán)境實時自動監(jiān)控。
整個水質監(jiān)測系統(tǒng)分為感知層、網(wǎng)絡傳輸層和終端應用層三部分，具體工作流程如下圖所示：
感知層：這一部分主要由水質傳感器、漁友云（水質控制器）等硬件構成水質傳感器網(wǎng)絡的物理架構，對養(yǎng)殖池內(nèi)的水質環(huán)境參數(shù)進行采集和記錄。此外，針對水質傳感器容易污染損壞的問題，還為傳感器設置了自動清洗裝置（選配）。
網(wǎng)絡傳輸層：該部分的主要功能是將傳感器網(wǎng)絡和監(jiān)控中心連接起來，將采集來的水質環(huán)境參數(shù)通過RS485、RS232等結構傳輸至DTU模塊，然后利用GPRS網(wǎng)絡將數(shù)據(jù)上傳至服務器，用于后期的數(shù)據(jù)處理、存儲和分析使用。
終端應用層：用戶可以通過Web網(wǎng)頁登錄監(jiān)控平臺系統(tǒng)，查看漁業(yè)養(yǎng)殖水質系統(tǒng)的實時信息；同時為方便用戶使用，設計開發(fā)了安卓系統(tǒng)的移動軟件平臺，可以讓用戶隨時隨地的、多渠道的監(jiān)控水質環(huán)境參數(shù)。同時，用戶也可以在客戶端手動遠程控制執(zhí)行設備，根據(jù)預測控制算法的處理結果控制現(xiàn)場的調(diào)節(jié)設備
二．相關產(chǎn)品（漁友云養(yǎng)殖系統(tǒng)）
1. 系統(tǒng)簡介
漁友云智能水產(chǎn)養(yǎng)殖系統(tǒng)是一款引入新的物聯(lián)網(wǎng)技術、以及云計算技術、模糊運算技術、數(shù)據(jù)挖掘技術，全新開發(fā) 的新一代智慧農(nóng)業(yè)產(chǎn)品，專用于24小時手機實時監(jiān)控養(yǎng)殖水體多參數(shù)數(shù)據(jù)，自動控制聯(lián)動機械。手機可不限距離24小時全天候觀測塘口水質數(shù)據(jù)，具備自動告警功能，包括離線告警，數(shù)據(jù)異常告警，設備故障告警等功能，另附更多增值功能，如多 日曲線對比圖，養(yǎng)殖日志，視頻監(jiān)控功能等。
系統(tǒng)需求全部來自長期與各地水產(chǎn)養(yǎng)殖戶的蹲點溝通，因此極其貼近水產(chǎn)養(yǎng)殖行業(yè)的需求。用戶可以根據(jù)系統(tǒng)的檢測數(shù)據(jù)改善處理措施，實時調(diào)整養(yǎng)殖設備，如增氧機和投餌機等。以達到在增加產(chǎn)量和增加收入的同時，節(jié)約能源，降低功耗，管理自動化的綠色環(huán)?？茖W養(yǎng)殖目標。
2. 系統(tǒng)優(yōu)勢
● 實時監(jiān)測：24小時不間斷監(jiān)測水體溶解氧、溫度等水產(chǎn)關鍵參數(shù)
● 異常告警：水體參數(shù)異常、設備工作異常立即告警（主機聲光告警、軟件信息提示）。
● 機械聯(lián)動：支持3路機械聯(lián)動（增氧機、投餌機、水泵等），高配支持8路。支持現(xiàn)場控制、遠程控制、自動控制 三種工作模式。
● 遠程監(jiān)控：手機、電腦平臺軟件，用戶可隨時隨地查看水質情況，操控水產(chǎn)機械。
● 備用電源：帶10小時備用電源（可充放電），不用擔心夜里停電設備停止工作。
● 使用安全性：帶有一鍵急停功能，任何聯(lián)動機械出現(xiàn)異常，一鍵斷電，確保使用安全。主機箱嚴格按照用電規(guī)范一體化設計，可靠接地，布線規(guī)范，并帶防雷功能。
3. 系統(tǒng)組成
硬件包括：溶氧傳感器，PH傳感器，溫度傳感器，ORP傳感器，不銹鋼主機箱（帶7寸觸摸屏，10小時備用電源），3路交流接觸器等 ；
軟件包括：手機端，電腦端管理系統(tǒng)（支持客戶端方式、Web方式），服務器軟件平臺；
服務包括：安裝過程指導，日常維護咨詢，軟件使用咨詢，數(shù)據(jù)分析指導等 ；
其它：安裝支架（終身技術咨詢服務）。
4. 產(chǎn)品參數(shù)
供電電源
交流220V，50Hz
溶解氧測量范圍
0.1~20.0mg/L
電源電壓范圍
220V±10%
溶解氧測量誤差
±0.5mg/L
環(huán)境溫度
0-50℃
PH值測量范圍
0.1~14.0
相對濕度
≤85％
PH值測量誤差
±0.5℃
被測水溫
0-50℃
水溫測量范圍
0~50℃
探頭距離
標配20m探頭線
水溫測量誤差
±0.5℃
清洗周期
60-90天
ORP測量范圍
0~±1000mv
控制功率
支持8路機械，每路≤3kw
ORP測量誤差
±10mv
歷史數(shù)據(jù)
12個月數(shù)據(jù)云端存儲
主機尺寸
60×40×500px
備用電源供電時長
≥10小時
儀器重量
約30kg（標配）
5. 水質傳感器參數(shù)選型
參數(shù)
型號
測量范圍
精度
備注
溫度
——
0-60℃
±0.5℃
集成在其他傳感器中
PH
AMT-PH300
0.00-14.00
±0.02PH
玻璃電極法
ORP
AMT-ORP300
<p style="margin-top: 0px; margin-bottom: 12px; color: rgb(33, 33, 33); font-family: -apple-system, "PingFang SC", "Microsoft YaHei", "Droid Sans
0-400μg/l
±3%F.S
熒光法
藍綠藻AMT-LLZ300
100-300,000cells/mL
100cells/mL
熒光法
化學需氧量AMT-COD300
0-400mg/L
±5%F.S
紫外光譜法
鹽度AMT-YD300
0-70PSU
±1.5%F.S.
電磁式電極
污泥/懸浮物AMT-WN300
0.01-120000 mg/L
±5%
光學
三．
物聯(lián)網(wǎng)云平臺
1. 設計思路
• 云平臺設計
所有數(shù)據(jù)儲存在云端，云端服務器可支持私有云與公有云不同需求架設。
• 采用B/S模塊化架構設計系統(tǒng)整體采用B/S架構?？衫脀eb直接登錄，數(shù)據(jù)展現(xiàn)直觀，界面美觀，并且各相關人員通過Internet可以隨時查閱到權限范圍內(nèi)的數(shù)據(jù)。
• 以元數(shù)據(jù)管理為核心
系統(tǒng)中的元數(shù)據(jù)是指：統(tǒng)計信息體系、查詢分類/分組標準、統(tǒng)計數(shù)據(jù)等。
系統(tǒng)對上述元數(shù)據(jù)進行統(tǒng)一編碼、描述、分類分域管理。系統(tǒng)可以動態(tài)擴展和維護元數(shù)據(jù)，并以元數(shù)據(jù)為紐帶，保持不同歷史時期數(shù)據(jù)的內(nèi)在聯(lián)系，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的共享，為數(shù)據(jù)倉庫、數(shù)據(jù)挖掘技術、統(tǒng)計分析的應用和開展統(tǒng)計預測等后續(xù)應用奠定基礎。
• 支持不同用戶類型和不同角色系統(tǒng)的用戶對象：政府部門、學校學院、系統(tǒng)管理員等。
• 適應不同的調(diào)查組織模式系統(tǒng)*適應現(xiàn)行的分析模式。同時以元數(shù)據(jù)管理為核心，在系統(tǒng)的底層設計中充分考慮組織模式改革的長遠發(fā)展需要，使之流域環(huán)境保護的科學管理模式。
• 具有完善的多級管理機制系統(tǒng)從整體構架和運行機制上充分考慮不同的應用需求，建立良好的數(shù)據(jù)上傳和信息交互機制，從而實現(xiàn)數(shù)據(jù)多級管理的應用模式。
• 提供靈活的數(shù)據(jù)接口平臺提供靈活的數(shù)據(jù)接口，確保系統(tǒng)的可拓展性，支持多種軟件數(shù)據(jù)格式。
2.
軟件平臺總體架構感知層采集到的數(shù)據(jù)經(jīng)過應用層的處理之后，實時顯示到監(jiān)控平臺的界面上。用戶可以根據(jù)這些實時數(shù)據(jù)及平臺發(fā)出的報警信息及時發(fā)現(xiàn)水質的變化情況，并且通過客戶端遠程控制調(diào)節(jié)設備。
數(shù)據(jù)庫用來存儲參數(shù)數(shù)據(jù)、工作人員的個人信息以及傳感器的信息等。軟件部分的設計主要包括采集節(jié)點的軟件設計、數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)庫設計和控制算法研究四部分。具體流程如下圖所示：
3.
功能模塊將信息處理層按照監(jiān)控系統(tǒng)功能的要求分為用戶模塊、數(shù)據(jù)模塊、控制器模塊以及數(shù)據(jù)庫模塊。具體如下圖所示：
● 數(shù)據(jù)庫模塊負責數(shù)據(jù)的存儲和調(diào)用的基本操作，為其他的功能模塊提供數(shù)據(jù)支持業(yè)務。
● 用戶模塊負責用戶權限管理、用戶信息管理以及登陸管理，保證系統(tǒng)安全性。
●
數(shù)據(jù)模塊負責數(shù)據(jù)的管理，包括實時數(shù)據(jù)顯示、歷史數(shù)據(jù)查詢等。
● 控制器模塊負責相關設備開關的管理。
四．
應用前景根據(jù)印發(fā)的《水產(chǎn)養(yǎng)殖業(yè)增長方式轉變行動實施方案》以及相關規(guī)劃，工業(yè)化水產(chǎn)養(yǎng)殖是目前重點推廣和優(yōu)先發(fā)展的產(chǎn)業(yè)，相應的，其產(chǎn)業(yè)發(fā)展所必需的裝備必將得到快速發(fā)展。
而水產(chǎn)養(yǎng)殖由于受投入產(chǎn)出比的限制，對使用設備的體積、使用可靠性和經(jīng)濟性都有不同于其它行業(yè)的特殊要求，即要求體積小、能耗低、可靠性高、經(jīng)濟實用。因此適合于大規(guī)模、工業(yè)化養(yǎng)殖條件下的基于TCP/IP協(xié)議的漁友云水質自動監(jiān)控系統(tǒng)必將具有廣闊的
應用前景。
