一．研發(fā)背景
水產(chǎn)養(yǎng)殖漁業(yè)，如何在線實時監(jiān)測水質(zhì)？
水體溫度
不同魚類對水溫的要求不同。為了給魚創(chuàng)造宜的溫度環(huán)境，就要隨時掌握池水的溫度變化。
水體PH
養(yǎng)殖水的酸堿度(PH 值)既影響魚類的生長，又影響到水中的營養(yǎng)素，因此人們常用石灰來調(diào)節(jié)魚池水的酸堿度。對于鰱、鳙、草、鯉、團頭魴等溫水魚類，喜偏堿性水，其適宜 PH 值為 7.5～8.5。
水體溶解氧
一般魚類適宜的溶氧值為 3 毫克/升以上，當(dāng)水中溶氧值小于 3 毫克/升時，魚停止攝食和生長；溶氧值小于 2 毫克/升時，魚就會浮頭；在 0.6～0.8 毫克/升時開始死亡。
水體氨氮
氨氮是指水中以游離氨( NH)和銨離子(NH4+)總稱。氨氮是水體的營養(yǎng)元素，
其來源主要由含氮有機物的分解及水生生物和殘餌、糞便、生物殘骸腐爛分解產(chǎn)生的，氨氮過高可導(dǎo)致水體富營養(yǎng)化，也會使魚蝦等水產(chǎn)動物中毒，使其體表粘液增多，出血，食欲減退，抑制其生長，嚴重時會導(dǎo)致其死亡。養(yǎng)殖水體的氨氮含量不得超過 0.2mg/L。
水體鹽度
鹽度：同水溫一樣，不同品種對鹽度要求也不一樣。淡水養(yǎng)殖品種就不說了，海水養(yǎng)殖品種有廣鹽性和狹鹽性的區(qū)分，廣鹽性的品種在不同鹽度下都可以生存， 比如鱘魚，花鱸，南美白對蝦，虹鱒。而狹鹽性品種只在一定鹽度范圍內(nèi)才可以生存，比如海參等，而且水體的鹽度不易短時間內(nèi)變化太快。
監(jiān)測技術(shù)難度
養(yǎng)殖過程中為了預(yù)測水質(zhì)變化趨勢，及時調(diào)整水質(zhì)，每天要多次測定溫度、pH 值，溶解氧、氨氮等水質(zhì)指標(biāo)。國內(nèi)用于水產(chǎn)養(yǎng)殖的水質(zhì)檢測儀器一般都是離線式的實驗室檢測方式，需要取樣，檢測結(jié)果反饋周期長，更不能根據(jù)結(jié)果自動進行水質(zhì)調(diào)節(jié)，一方面，結(jié)果反饋周期長，難以保證水產(chǎn)養(yǎng)殖的安全，另一方面，養(yǎng)殖人員要掌握充足的養(yǎng)殖知識，熟悉大量的對照數(shù)據(jù)，才能制定出合適的調(diào)節(jié)控制水質(zhì)的方案，這就需要養(yǎng)殖人員具有較高的素質(zhì)，而且要進行經(jīng)常性的干預(yù)。
解決方案
統(tǒng)的水質(zhì)監(jiān)測方式由于測試周期長、數(shù)據(jù)反饋速度慢等原因，已經(jīng)不能適應(yīng)飛速發(fā)展的水產(chǎn)養(yǎng)殖業(yè)需求。采用IOT物聯(lián)網(wǎng)平臺，通過硬件24小時實時采集數(shù)據(jù)上報云端，在云端進行記錄、預(yù)警報表等功能。將每個環(huán)節(jié)數(shù)字化，快速預(yù)警將異常推送至管理人員手機上，可通過平臺報警、短信通知等功能及時反饋信息。
技術(shù)目的
實現(xiàn)對水產(chǎn)養(yǎng)殖中水質(zhì)參數(shù)的在線監(jiān)測，可以準(zhǔn)確掌握可靠的養(yǎng)殖數(shù)據(jù)，科學(xué)養(yǎng)殖，用戶節(jié)省大量人工操作，減少魚類疾病所造成的損失，降低死亡率。通過長期連續(xù)的監(jiān)測、調(diào)節(jié)和控制水質(zhì)，可以顯著增加養(yǎng)殖產(chǎn)量，提高產(chǎn)量與品質(zhì)，實現(xiàn)養(yǎng)殖宏觀化、科學(xué)化、便利化、信息化、規(guī)范化。
“智慧海洋”的主要內(nèi)容包括：建設(shè)近海海洋信息基礎(chǔ)平臺、海洋綜合管理信息系統(tǒng)和“智慧海洋”原型系統(tǒng)；逐步完成 “智慧海洋”空間數(shù)據(jù)基礎(chǔ)設(shè)施的構(gòu)建，基本滿足全國中比例尺(局部區(qū)域大比例尺)海洋空間數(shù)據(jù)的獲取、交換、配準(zhǔn)、集成、維護與更新要求；重點突破“智慧海洋”建設(shè)所急需的支撐技術(shù)；完成“智慧海洋”原型系統(tǒng)的開發(fā)，實現(xiàn)試運行，并開展應(yīng)用示范研究，開發(fā)出一批可視化程度高的新型海洋信息應(yīng)用產(chǎn)品
一．方案建設(shè)
1. 建設(shè)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(shè)置參數(shù)預(yù)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?zhǔn)確性。
（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(zhì)狀況信息的獲取不受時間和空間限制。
2. 建設(shè)目標(biāo)
（1）及時準(zhǔn)確地向用戶展示系統(tǒng)采集來的水質(zhì)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(zhì)數(shù)據(jù)并且設(shè)置參數(shù)范圍，在超出設(shè)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(wù)。
3. 方案優(yōu)勢（創(chuàng)新點）
本系統(tǒng)是一次物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)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(shè)計原理
5. 系統(tǒng)機構(gòu)
該方案針對工業(yè)化養(yǎng)殖的水質(zhì)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(jié)合，綜合運用了嵌入式Web技術(shù)、實時網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)、動態(tài)數(shù)據(jù)交互等技術(shù)，將SVG技術(shù)用于實時動態(tài)數(shù)據(jù)的圖形化顯示，實現(xiàn)了網(wǎng)絡(luò)化的水質(zhì)環(huán)境實時自動監(jiān)控。
整個水質(zhì)監(jiān)測系統(tǒng)分為感知層、網(wǎng)絡(luò)傳輸層和終端應(yīng)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(zhì)傳感器、漁友云（水質(zhì)控制器）等硬件構(gòu)成水質(zhì)傳感器網(wǎng)絡(luò)的物理架構(gòu)，對養(yǎng)殖池內(nèi)的水質(zhì)環(huán)境參數(shù)進行采集和記錄。此外，針對水質(zhì)傳感器容易污染損壞的問題，還為傳感器設(shè)置了自動清洗裝置（選配）。
網(wǎng)絡(luò)傳輸層：該部分的主要功能是將傳感器網(wǎng)絡(luò)和監(jiān)控中心連接起來，將采集來的水質(zhì)環(huán)境參數(shù)通過RS485、RS232等結(jié)構(gòu)傳輸至DTU模塊，然后利用GPRS網(wǎng)絡(luò)將數(shù)據(jù)上傳至服務(wù)器，用于后期的數(shù)據(jù)處理、存儲和分析使用。
終端應(yīng)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(zhì)系統(tǒng)的實時信息；同時為方便用戶使用，設(shè)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(zhì)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(shè)備，根據(jù)預(yù)測控制算法的處理結(jié)果控制現(xiàn)場的調(diào)節(jié)設(shè)備
二．相關(guān)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(shù)、以及云計算技術(shù)、模糊運算技術(shù)、數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)，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(zhì)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(shè)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(shè)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(xué)養(yǎng)殖目標(biāo)。
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(guān)鍵參數(shù)
● 異常告警：水體參數(shù)異常、設(shè)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(zhì)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(dān)心夜里停電設(shè)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(shè)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(wù)器軟件平臺；
服務(wù)包括：安裝過程指導(dǎo)，日常維護咨詢，軟件使用咨詢，數(shù)據(jù)分析指導(dǎo)等 ；
其它：安裝支架（終身技術(shù)咨詢服務(wù)）。
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(biāo)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(biāo)配）
5. 水質(zhì)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(xué)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(xué)
三．
物聯(lián)網(wǎng)云平臺
1. 設(shè)計思路
• 云平臺設(shè)計
所有數(shù)據(jù)儲存在云端，云端服務(wù)器可支持私有云與公有云不同需求架設(shè)。
• 采用B/S模塊化架構(gòu)設(shè)計
系統(tǒng)整體采用B/S架構(gòu)?？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(guān)人員通過Internet可以隨時查閱到權(quán)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(biāo)準(zhǔn)、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(shù)、統(tǒng)計分析的應(yīng)用和開展統(tǒng)計預(yù)測等后續(xù)應(yīng)用奠定基礎(chǔ)。
• 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(xué)校學(xué)院、系統(tǒng)管理員等。
• 適應(yīng)不同的調(diào)查組織模式
系統(tǒng)*適應(yīng)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(shè)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(xué)管理模式。
• 具有完善的多級管理機制
系統(tǒng)從整體構(gòu)架和運行機制上充分考慮不同的應(yīng)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(yīng)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(gòu)感知層采集到的數(shù)據(jù)經(jīng)過應(yīng)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(zhì)的變化情況，并且通過客戶端遠程控制調(diào)節(jié)設(shè)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(shè)計主要包括采集節(jié)點的軟件設(shè)計、數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)庫設(shè)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(zé)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(wù)。
● 用戶模塊負責(zé)用戶權(quán)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(zé)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(zé)相關(guān)設(shè)備開關(guān)的管理。
四．
應(yīng)用前景根據(jù)印發(fā)的《水產(chǎn)養(yǎng)殖業(yè)增長方式轉(zhuǎn)變行動實施方案》以及相關(guān)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(yīng)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(shè)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(zhì)自動監(jiān)控系統(tǒng)必將具有廣闊的
應(yīng)用前景。
