2021-4-9 | 水产养殖论文
作者：刘红刚 陈艺 单位：广东省农业机械研究所
水产养殖综合环境在线监测系统需要关键节点的支持，需要具有信息融合的计算机系统监测水产养殖生长环境并且采集实时数据，然后进行判断和逻辑推理，最后作出决策。系统重点解决和使用的关键技术如下：1）多通道、多类型传感器集成与扩展研究，系统硬件采用成熟的单片机技术进行开发；2）系统采用Zigbee无线通信技术和太阳能供电，实现传感器无线网络的构建，解决Zigbee无线通信增益和抗干扰技术；3）设备野外防水、防雷、连续供电，考虑养殖环境的恶劣条件，做好防护措施，系统防振动和野外扩干扰性能，有效保证系统的稳定性，使设备更能适应渔业生产环境的需要。4）采集信息与鱼类生长专家数据融合分析，设定合理有效数据阈值。
系统的设计
系统的总体设计综合应用嵌入式软硬件开发技术、无线通信技术、多传感器多通道数据采集技术、太阳能供电技术、GIS技术以及信息融合技术开发集多种测量要素于一体的多功能的水产养殖综合环境在线监测系统。系统主要包括三大部份：一是前端传感器及信息采集器，用于构建无线传感器网络；二是信息集中器，用于收集、保存和显示（支持LED显示）前端传感器采集到的环境信息数据，并实现向中心服务器上报数据功能和设备开关功能（可用于控制增氧、投料等设备）；三是后台通信服务、信息管理与信息分布的应用平台。本项目研发集中实现4大类环境信息的采集：1）气象信息，包括室外温度、湿度、气压、风向风速、太阳光照/辐射、雨量等；2）鱼塘/鱼池水质信息，包括溶解氧、温度、电导率、pH值、氧化还原、盐度等；3）鱼塘/鱼池水体物理特征信息，包括水温、水位和流速（主要用于工厂养殖）等；4）地理空间定位信息，用于空间分布展示等功能。
系统的设计和流程本系统的研发分为硬件设计、嵌入式软件开发、信息采集服务平台开发以及设备安装机构设计四大部分。
硬件设计1）采集器硬件设计：采集器主要的功能是实现多路不同类型的传感器的集成和无线组网，系统选用支持多串口通信的为主要控制单元，选用支持11通道的TLC2543AD转换芯片作为信号输入的主要处理器件。采集器硬件构成如图3。2）集中器硬件设计。集中器的主要功能是通过Zigbee无线网络，向采集器发送数据采集指令，将采集器上传的数据进行分析、存储，并上报数据到后台服务器[1]。集中器还需具条多路断电器输出，可用于自动控制增氧、投料等设备。集中器硬件构成如图4所示。3）采集器设备选型，见表1。
嵌入式软件设计1）采集器软件设计，如图5。2）集中器软件设计，见图6。
服务软件平台设计1）软件组成与功能模块设计，见图7。通信服务程序采用Window系统Service程序开发技术进行开发，开发语言为C++，开发工具使用VC++.net或是EmbeddedVisualC++，EVC嵌入式开发支持多种类型CPU，系统提供针对不同类型CPU的编译程序；同时系统提供相应的模拟器[2]。WEB服务程序采用B/S(Brower/Server）结构，使用JAVA语言开发，系统的技术架构采用基于J2EE组件技术的多层应用体系结构，支持INTERNET，数据按照需求采取远程单位分散，逐级集中的管理模式；在基于J2EE组件技术的多层应用体系结构基础上强调应用组件化。采用在J2EE架构下开发，可以跨平台运行，通过XML技术提供可跨平台交换和移植的业务数据[3]。
设备安装机构设计为了将水产环境监测传感器等设备安装到鱼塘/鱼池中，放置方式和方法需进行科学的设计，要求传感器安装集成结构不能影响生产作业，可实现收展、可伸缩和可变深功能。本项目提出了多连杆式可变距和深度的设备安装方案设计，见图8。
系统的实现
系统主要功能实现系统的功能实现主要包括信息融合子系统、监测管理子系统和远端数据采集模块子系统。主要实现功能有：1）监测数据实时记录功能：系统连续如实地采集和记录、监测水的温度、水的pH值等环境参数情况，以数字、图表等多种方式进行实时显示和记录监测信息；2）信息融合功能：系统对各类传感器发送的信息进行冗余、噪声的处理及融合分析[4]；3）数据统计分析功能：实时显示或者历史显示各参数曲线变化，可以同时显示多个环境参数曲线，更方便比较分析；4）数据存储功能：所有的数据采集和记录到主机计算机上，数据可以按照使用人员的要求定时自动保存、备份、打印、归档等；5）显示和记录系统：系统可以进行24h记录，以便日后查询。可通过便利地浏览到相关数据记录；6）水产环境控制系统：通过组态技术，网络远程控启动相应的设备进行控制；7）远程联网功能：通过互联网接入，监控人员可以随地随时登陆到本系统中，了解所监控实时环境参数；8）用户分级管理：严格的密码授权，以保证只有授权的工作人员才可进行相应的管理和操作；
系统应用的效果广州市现代农业装备综合试验示范基地采园林、水产观光示范园区的总面积为2hm2（30亩），其中水产养殖面积0.66hm2（10亩）。本系统通过在此基地的试验运行，已经实现了通过传感器等感知设备，与互联网结合起来，实现水产养殖环境的数据采集、融合与处理，并通过操作终端，实现智能化识别和管理，实现动态采集环境信息并及时地汇集到控制中心，方便农技人员进行分析决策，有效的控制水产养殖环境参数，实现水产养殖环境的在线监测和实时处理工作，如图9。
结束语
当前我国水产养殖业从传统模式向集约型、精准型发展，提供信息化技术支持，研发水产养殖综合环境在线监测系统，管理人员可以实时了解精细的水产养殖环境数据，依据这些与鱼类生长息息相关的信息，实现精确增氧，精确投料等控制，调动鱼塘生产力，以最少的或最节省的投入达到同等收入或更高的收入，并改善环境，取得良好的社会效益和环境效益。系统在实际运行中获得很高评价，表明了系统能够较好适合水产养殖企业的实际工作需要，具有应用推广有良好的前景。