智能化水產(chǎn)養(yǎng)殖設(shè)計(jì)

王佳媛+張磊+姜萌萌

摘要：隨著社會(huì)發(fā)展，經(jīng)濟(jì)發(fā)展越來越重要的情勢(shì)下，對(duì)傳統(tǒng)水產(chǎn)養(yǎng)殖業(yè)工作方式升級(jí)，符合經(jīng)濟(jì)發(fā)展潮流，同時(shí)也令傳統(tǒng)工業(yè)換發(fā)新機(jī)。結(jié)合發(fā)展越來越強(qiáng)勢(shì)的物聯(lián)網(wǎng)設(shè)計(jì)開發(fā)智能化水產(chǎn)養(yǎng)殖，基于創(chuàng)客們最喜愛的樹莓派這款快捷方便的卡片式電腦，利用此智能化水產(chǎn)養(yǎng)殖的設(shè)計(jì)藍(lán)圖，解放水產(chǎn)養(yǎng)殖行業(yè)的勞動(dòng)力是完全可實(shí)現(xiàn)的，也是水產(chǎn)養(yǎng)殖行業(yè)迫切需求的。

關(guān)鍵詞：水產(chǎn)養(yǎng)殖；水質(zhì)監(jiān)控；物聯(lián)網(wǎng)；樹莓派

1智能化水產(chǎn)養(yǎng)殖設(shè)計(jì)基石

1.1物聯(lián)網(wǎng)

物聯(lián)網(wǎng)（IOT，The Internet of Things）的定義是：通過射頻識(shí)別系統(tǒng)（RFID）、紅外感應(yīng)系統(tǒng)、全球定位系統(tǒng)（GPS）、激光掃描儀等信息傳感設(shè)備，按照約定的協(xié)議，賦予物體智能，并通過接口把需要連接的物品與國(guó)際互聯(lián)網(wǎng)連接起來，形成一個(gè)物品與物品相互連接的巨大的分布式網(wǎng)絡(luò)，從而實(shí)現(xiàn)智能化物品識(shí)別、物品定位、物品跟蹤、物品監(jiān)控和管理。它的本質(zhì)就是“物物相連的互聯(lián)網(wǎng)”。

運(yùn)用物聯(lián)網(wǎng)，就是采集環(huán)境數(shù)據(jù)、水質(zhì)數(shù)據(jù)和水產(chǎn)種群數(shù)據(jù)等，分析數(shù)據(jù)即感知層，通過互聯(lián)網(wǎng)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸即通信層，到達(dá)技術(shù)應(yīng)用層，進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。

1.1.1物聯(lián)網(wǎng)感知層

感知層即獲得水質(zhì)監(jiān)測(cè)結(jié)果，通過與水質(zhì)監(jiān)測(cè)儀以及根據(jù)水產(chǎn)養(yǎng)殖數(shù)據(jù)庫(kù)建立的水質(zhì)監(jiān)測(cè)模型獲取水體質(zhì)量的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，利用短距離傳輸技術(shù)和自組織組網(wǎng)技術(shù)，協(xié)同信息處理，將監(jiān)測(cè)到的信息轉(zhuǎn)化成能處理的數(shù)字信號(hào)。

1.1.2物聯(lián)網(wǎng)通信層

物聯(lián)網(wǎng)通信層即傳輸層，通過無線或者有線網(wǎng)絡(luò)模式將信息傳輸?shù)街醒霐?shù)據(jù)庫(kù)中，建立數(shù)據(jù)儲(chǔ)備系統(tǒng)。類似智能機(jī)器人能夠與人正常交流，是將人與人之間生活交流的談話以數(shù)據(jù)形式存儲(chǔ)于機(jī)器人存儲(chǔ)芯片中。在數(shù)據(jù)儲(chǔ)備過程中，通過異構(gòu)網(wǎng)融合、管理資源和存儲(chǔ)管理、遠(yuǎn)程管理安全技術(shù)，傳達(dá)到數(shù)據(jù)處理層面。

1.1.3物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)應(yīng)用層

通過服務(wù)器、計(jì)算機(jī)、存儲(chǔ)設(shè)備和云計(jì)算的方法，利用專業(yè)軟件及服務(wù)，將海量數(shù)據(jù)進(jìn)行分類、整理、挖掘分析，建立各種算法，優(yōu)化調(diào)度，應(yīng)用在水產(chǎn)養(yǎng)殖行業(yè)。具體則是將水質(zhì)監(jiān)測(cè)結(jié)果信息通過計(jì)算、云計(jì)算等方法進(jìn)行分類和挖掘分析，通過養(yǎng)殖監(jiān)管渠道較好管理水產(chǎn)行業(yè)。

1.2水產(chǎn)養(yǎng)殖

水產(chǎn)養(yǎng)殖的目的與農(nóng)業(yè)生產(chǎn)相似，希望能利用有限的資源生產(chǎn)穩(wěn)定高產(chǎn)的好產(chǎn)品，實(shí)現(xiàn)水產(chǎn)養(yǎng)殖的經(jīng)濟(jì)效益，其中要考慮的環(huán)境因素主要有水體溶氧量、PH值、溫度、鹽度等。

1.2.1水體溶氧量

水體溶氧量與水產(chǎn)養(yǎng)殖關(guān)系緊密。水產(chǎn)養(yǎng)殖不可避免的需要考慮養(yǎng)殖密度的問題，通過研究溶氧量與養(yǎng)殖密度的相互關(guān)系，確定水產(chǎn)養(yǎng)殖密度，有效提高水產(chǎn)養(yǎng)殖的經(jīng)濟(jì)效益。

不同的水生動(dòng)物對(duì)水體溶氧量的適應(yīng)機(jī)制不同，采取的水產(chǎn)養(yǎng)殖密度和科學(xué)管理方法也不同，并且對(duì)于不同的水生動(dòng)物的不同習(xí)性也會(huì)令養(yǎng)殖戶誤解。拿海參來講，海參活動(dòng)緩慢，喜風(fēng)浪沖擊小、水流緩慢的海區(qū)，個(gè)體養(yǎng)殖戶誤會(huì)不擔(dān)心水體溶氧量的問題，不注意向水體輸氧，從而未實(shí)現(xiàn)科學(xué)水產(chǎn)養(yǎng)殖，經(jīng)濟(jì)效益沒有達(dá)到最大化。

水質(zhì)富營(yíng)養(yǎng)化，微生物、浮藻類過度繁殖，造成水體發(fā)臭、發(fā)黑，水體溶氧量會(huì)降低，不僅對(duì)魚類，對(duì)其他水產(chǎn)養(yǎng)的生存影響也很大。

1.2.2 PH酸堿值

水體PH改變，水生動(dòng)物通過呼吸或直接接觸等防止使水生動(dòng)物體內(nèi)PH值發(fā)生變化，破壞體內(nèi)維持正常生活狀態(tài)的酸堿平衡，水體堿性超過正常值會(huì)腐蝕魚類鰓組織，使其呼吸障礙；酸性過強(qiáng)會(huì)使H：S濃度增高造成水體毒性增強(qiáng)不適宜水產(chǎn)養(yǎng)殖。養(yǎng)蝦水質(zhì)的重要因素之一水體PH值，蝦最適宜生長(zhǎng)的PH值是弱堿性，而在弱酸性條件下蝦類傳染性蝦病易發(fā)，即使水體溶氧量豐富，蝦類也會(huì)呼吸困難，生長(zhǎng)困難。

PH值決定因素是由水中二氧化碳和碳酸鹽的含量決定的，而二氧化碳的含量又與水中生物呼吸作用、細(xì)菌等的氧化作用和水生植物光合作用相互作用決定的。并且PH值在一天的不同時(shí)間也會(huì)不同，太陽(yáng)上升，植物光合作用加強(qiáng)，水中二氧化碳減少，PH值偏高，而夜晚呼吸作用加強(qiáng)，PH又會(huì)變小。

1.2.3溫度

水產(chǎn)養(yǎng)殖環(huán)境不同，有池塘，湖泊，海田等，而如果水體很深，溫度就會(huì)分層，表層水溫晝夜間有變化，底層溫度則因陽(yáng)光無法穿透長(zhǎng)時(shí)間保持低溫狀態(tài)，變化很小。但是底層溶氧量較少，需氧大的水產(chǎn)無法潛入底層躲避高溫，從而晝夜溫差對(duì)漁業(yè)生產(chǎn)有影響。同時(shí)日溫差大小也會(huì)影響水產(chǎn)養(yǎng)殖，中間沒有躍溫層，水體底層和上層能夠順利進(jìn)行物質(zhì)交換，就與新疆哈密瓜特別甜、產(chǎn)量高的道理相同。

1.2.4鹽度

水體鹽度與水生動(dòng)物生活息息相關(guān)，外界鹽度比細(xì)胞內(nèi)鹽度高，細(xì)胞失水；反之，細(xì)胞沖水，兩種情況都對(duì)水生生物生存不利。同樣，不同水生生物對(duì)水體鹽度的要求不同，淡水和海水生生物鹽度肯定不同，同時(shí)作為個(gè)體養(yǎng)殖與自然環(huán)境不同，必要時(shí)也需要在水體中投放相對(duì)應(yīng)的鹽類。

另一方面，鹽度過高對(duì)淡水魚類繁殖和魚卵的發(fā)育影響較大，魚卵受精后孵化率較低，會(huì)影響魚類產(chǎn)量，經(jīng)濟(jì)效益下降。

鹽類中亞硝酸鹽是氨經(jīng)過細(xì)菌作用發(fā)生氧化反應(yīng)生成的，亞硝酸鹽濃度過高會(huì)使魚類中毒，不僅水產(chǎn)產(chǎn)量下降，而且我們吃了這種魚對(duì)身體健康也不利。

1.3樹莓派

樹莓派（Raspberry Pi）樹莓派又被人們稱為“卡片式電腦”，雖然是電腦，但是核心只有信用卡大小，最初設(shè)計(jì)者是以讓學(xué)生更好地學(xué)習(xí)編程設(shè)計(jì)而來。目前樹莓派已經(jīng)上市3代。樹莓派主板基于ARM，利用生活中常見的SD卡，做內(nèi)存硬盤，可以利用USB口連接鍵盤鼠標(biāo)，可以網(wǎng)線連接網(wǎng)絡(luò)，也可以WLAN連接網(wǎng)絡(luò)，還支持藍(lán)牙連接，有HDMI高清視頻接口，可以連接顯示屏幕，樹莓派三代B擁有40個(gè)GPIO針腳，可運(yùn)行Linux等系統(tǒng)（2代B型及以上型號(hào)可運(yùn)行Windows10 IOT系統(tǒng)）。

將Raspberry Ri正常運(yùn)轉(zhuǎn)起來之后，進(jìn)入圖形化界面使用方式與電腦無異，其軟件編程優(yōu)勢(shì)在于可以用MIT開發(fā)的Scratch圖形化編程語(yǔ)言、Pvthon語(yǔ)言、C、Rubv、Java和Perl等各種語(yǔ)言為Raspberry Ri開發(fā)程序。Raspberry Pi與傳統(tǒng)單片機(jī)相比，在互聯(lián)網(wǎng)上優(yōu)勢(shì)較大，因?yàn)镽azpberry Pi不僅可以連接傳感器，還可以利用傳感器信息作出相應(yīng)反應(yīng)。

2智能化水產(chǎn)養(yǎng)殖設(shè)計(jì)

智能化水產(chǎn)養(yǎng)殖基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)思想，將智能傳感技術(shù)、智能處理技術(shù)及智能控制技術(shù)納入一個(gè)監(jiān)控養(yǎng)殖體系，實(shí)現(xiàn)水產(chǎn)養(yǎng)殖智能體系化，解放勞動(dòng)力，提升經(jīng)濟(jì)效益。其中，傳感層包括感知養(yǎng)殖塘的水體溶氧量、PH酸堿值、溫度、鹽度等參數(shù)；智能處理層包括接受傳達(dá)來的相關(guān)消息，根據(jù)科學(xué)養(yǎng)殖相關(guān)理論得出調(diào)控結(jié)論；智能控制層就是根據(jù)調(diào)控結(jié)論調(diào)節(jié)養(yǎng)殖塘水質(zhì)，使水產(chǎn)養(yǎng)殖在最適宜的環(huán)境下產(chǎn)生最大的經(jīng)濟(jì)效益。

2.1要解決的問題

2.1.1實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)養(yǎng)殖監(jiān)測(cè)

不同水生生物對(duì)水質(zhì)的要求不同，為尋求經(jīng)濟(jì)價(jià)值，則應(yīng)對(duì)不同的水生生物水質(zhì)采取不同的措施，為方便管理，將這些分散的養(yǎng)殖產(chǎn)品統(tǒng)一起來，通過監(jiān)管水產(chǎn)養(yǎng)殖密度、水產(chǎn)養(yǎng)殖魚藥和飼料、水產(chǎn)病害等方面，記錄水產(chǎn)養(yǎng)殖生產(chǎn)記錄、用藥記錄和銷售記錄，節(jié)約勞力，實(shí)現(xiàn)現(xiàn)代信息科學(xué)技術(shù)與傳統(tǒng)漁業(yè)結(jié)合的目的。

2.1.2實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)信息實(shí)時(shí)更新

如上所述，要求實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，才能令監(jiān)控系統(tǒng)發(fā)揮價(jià)值，若漁民是在養(yǎng)殖場(chǎng)地收集到了監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，那么與漁民親自“下水”檢測(cè)作用相似，在這個(gè)過程中沒有實(shí)質(zhì)的經(jīng)濟(jì)效益的提升。而實(shí)現(xiàn)了網(wǎng)絡(luò)信息實(shí)時(shí)更新，漁民可以實(shí)時(shí)掌握水產(chǎn)養(yǎng)殖動(dòng)態(tài)，有效提高經(jīng)濟(jì)效益。

2.1.3以較小的成本實(shí)現(xiàn)最大的價(jià)值

自主研發(fā)物智能化水產(chǎn)養(yǎng)殖，大大降低了引進(jìn)設(shè)備的成本，也可以保證系統(tǒng)的更新服務(wù)，在投入成本上為漁民減小壓力。

2.2實(shí)現(xiàn)目標(biāo)

基于對(duì)系統(tǒng)開發(fā)端的描述，用戶利用這套智能化水產(chǎn)養(yǎng)殖監(jiān)測(cè)產(chǎn)品通過網(wǎng)絡(luò)端隨時(shí)誰(shuí)地獲取自己的養(yǎng)殖池水質(zhì)情況和采取的措施，判斷養(yǎng)殖池水產(chǎn)品狀態(tài)是否良好是否需要人工介入等，從而實(shí)現(xiàn)水產(chǎn)養(yǎng)殖智能化、提高經(jīng)濟(jì)效益的目的。

3智能化水產(chǎn)養(yǎng)殖技術(shù)方向設(shè)計(jì)

如上描述的，智能化水產(chǎn)養(yǎng)殖包括傳感層、智能處理及智能控制層，最終將結(jié)果顯示到客戶端，具體設(shè)計(jì)如圖1所示。

3.1無線監(jiān)測(cè)與控制

具有特殊傳感作用的無線傳感器放置在各個(gè)魚塘中，利用Zig Bee無線傳感網(wǎng)絡(luò)與智能處理層及控制層相連。智能處理層通過GPRS接收傳感信息，經(jīng)過處理后，通過控制層傳達(dá)到特定魚塘的控制節(jié)點(diǎn)，利用控制節(jié)點(diǎn)作出相應(yīng)反應(yīng)。由于養(yǎng)殖池都具有大小相當(dāng)，相互獨(dú)立等特點(diǎn)，因此無線傳感網(wǎng)采用簇狀拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)（cluster tree）較為合適。

3.2互動(dòng)平臺(tái)設(shè)計(jì)

互動(dòng)平臺(tái)的主要功能是將智能化水產(chǎn)養(yǎng)殖信息呈現(xiàn)給用戶，并實(shí)現(xiàn)用戶與自家養(yǎng)殖池互動(dòng)。

互動(dòng)平臺(tái)進(jìn)入界面首先需要登錄，登錄分為管理員登錄和用戶登錄，信息處理完畢后需要退出登錄。這個(gè)管理系統(tǒng)總體分為兩個(gè)大部分，一個(gè)是管理員界面，另一個(gè)是用戶界面，如圖2所示。

管理員界面設(shè)計(jì)包括兩個(gè)方面：養(yǎng)殖池信息管理、用戶賬戶管理。其中養(yǎng)殖池和用戶賬戶涉及數(shù)據(jù)庫(kù)設(shè)計(jì)，如圖3所示。圖中養(yǎng)殖池管理表示當(dāng)用戶申請(qǐng)養(yǎng)殖池時(shí)，若滿足相關(guān)要求，則在養(yǎng)殖池管理中生成一條信息。養(yǎng)殖池信息只有管理員能增加、修改或刪除，用戶只有瀏覽的權(quán)限；用戶信息管理員有權(quán)修改用戶權(quán)限，也可以添加或刪除用戶，用戶僅有注冊(cè)和修改資料的權(quán)限。

用戶界面設(shè)計(jì)包括三個(gè)方面：己有養(yǎng)殖池信息瀏覽、系統(tǒng)現(xiàn)有養(yǎng)殖池信息、用戶資料修改。己有養(yǎng)殖池信息瀏覽提供的是養(yǎng)殖戶已經(jīng)申請(qǐng)到、并投入使用的養(yǎng)殖池的類型、規(guī)模和監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)并且系統(tǒng)提供的處理方式，便于用戶判斷是否需要人工介入；系統(tǒng)現(xiàn)有養(yǎng)殖池信息是管理員將此產(chǎn)品現(xiàn)階段開發(fā)的比較完善的智能化養(yǎng)殖池和最佳養(yǎng)殖池?cái)?shù)量信息發(fā)布到網(wǎng)絡(luò)上，以便用戶申請(qǐng)?zhí)砑雍线m養(yǎng)殖池；用戶資料修改包括密碼修改、賬號(hào)綁定等方面。