智慧生態(tài)水產(chǎn)養(yǎng)殖系統(tǒng)①

李海濤 ,王新安 ,豐 艷 ,蘭長(zhǎng)杰

1(青島科技大學(xué) 信息科學(xué)與技術(shù)學(xué)院,青島 266061)2(青島勵(lì)圖高科信息技術(shù)有限公司,青島 266000)

智慧生態(tài)水產(chǎn)養(yǎng)殖系統(tǒng)①

李海濤1,王新安1,豐 艷1,蘭長(zhǎng)杰2

1(青島科技大學(xué) 信息科學(xué)與技術(shù)學(xué)院,青島 266061)2(青島勵(lì)圖高科信息技術(shù)有限公司,青島 266000)

針對(duì)工廠化海參養(yǎng)殖信息化低的現(xiàn)狀,設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了具有養(yǎng)殖環(huán)境水質(zhì)監(jiān)測(cè)、養(yǎng)殖環(huán)境水質(zhì)分析評(píng)價(jià)、水下視頻觀測(cè)、養(yǎng)殖知識(shí)普及等功能的系統(tǒng).該系統(tǒng)經(jīng)測(cè)試,水質(zhì)檢測(cè)準(zhǔn)確,水下視頻觀測(cè)實(shí)時(shí)清晰,可以滿足海參養(yǎng)殖的實(shí)際需要.系統(tǒng)的推廣可以幫助養(yǎng)殖企業(yè)進(jìn)行養(yǎng)殖決策,提高養(yǎng)殖的智能化水平.利用工業(yè)化和智能化在水產(chǎn)養(yǎng)殖業(yè)領(lǐng)域的縱向擴(kuò)散和深度融合,來(lái)探索現(xiàn)代化養(yǎng)殖模式,提升智能技術(shù)在漁業(yè)經(jīng)濟(jì)發(fā)展中的貢獻(xiàn)率.

智慧生態(tài); 水產(chǎn)養(yǎng)殖; 現(xiàn)代技術(shù)

我國(guó)的水產(chǎn)養(yǎng)殖正處在產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型階段,從靠天靠經(jīng)驗(yàn)、粗放經(jīng)營(yíng)的傳統(tǒng)養(yǎng)殖模式,向智能化的新型養(yǎng)殖模式轉(zhuǎn)變[1].前者的管理過程缺乏準(zhǔn)確性和可靠性,給龐大的水產(chǎn)養(yǎng)殖業(yè)帶來(lái)極大的養(yǎng)殖風(fēng)險(xiǎn).智慧化的養(yǎng)殖模式將會(huì)利用現(xiàn)代先進(jìn)的技術(shù)手段來(lái)規(guī)避這些弊端,準(zhǔn)確可靠、科學(xué)合理的管理水產(chǎn)品的養(yǎng)殖過程,保證水產(chǎn)品的產(chǎn)量和質(zhì)量.

針對(duì)工廠化海參養(yǎng)殖智能化落后,水質(zhì)檢測(cè)費(fèi)時(shí)費(fèi)力等現(xiàn)狀,集成工程技術(shù)、機(jī)械設(shè)備、監(jiān)控儀表、無(wú)線傳感、管理軟件和大數(shù)據(jù)、云計(jì)算、人工智能等現(xiàn)代技術(shù)構(gòu)建基于多傳感器、信息技術(shù)的智慧生態(tài)水產(chǎn)養(yǎng)殖系統(tǒng).實(shí)現(xiàn)對(duì)海參養(yǎng)殖環(huán)境的水質(zhì)質(zhì)量監(jiān)測(cè)、水質(zhì)質(zhì)量的分析與評(píng)價(jià)、水下視頻觀測(cè)等.為智慧水產(chǎn)養(yǎng)殖提供數(shù)據(jù)支撐,為漁業(yè)生產(chǎn),實(shí)現(xiàn)高密度、高產(chǎn)值、高效益的標(biāo)準(zhǔn)化養(yǎng)殖模式提供決策依據(jù).

1 系統(tǒng)概述

智慧生態(tài)水產(chǎn)養(yǎng)殖云系統(tǒng)主要由數(shù)據(jù)采集模塊、數(shù)據(jù)處理模塊、軟件終端部分組成.一是通過在水下部署水質(zhì)監(jiān)測(cè)多功能傳感器,構(gòu)建水下水質(zhì)監(jiān)測(cè)智能傳感器網(wǎng)絡(luò),實(shí)時(shí)采集水質(zhì)參數(shù)要素,將監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)傳給數(shù)據(jù)處理模塊,經(jīng)過數(shù)據(jù)的處理和計(jì)算,并由WIFI網(wǎng)絡(luò)傳送到終端系統(tǒng),終端系統(tǒng)以圖形化樣式對(duì)監(jiān)測(cè)結(jié)果進(jìn)行顯示; 二是通過在水下關(guān)鍵位置,安裝水下攝像頭,采集實(shí)時(shí)的水下視頻畫面,通過數(shù)據(jù)處理模塊,將視頻流存儲(chǔ)在數(shù)據(jù)庫(kù)中,并在終端實(shí)時(shí)播放,并可以查看歷史精彩視頻.為水產(chǎn)養(yǎng)殖從業(yè)人員提供參考.軟件終端實(shí)現(xiàn)對(duì)水質(zhì)、水下動(dòng)態(tài)情況的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè).系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖如圖1.

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

1.1 數(shù)據(jù)采集模塊

數(shù)據(jù)采集模塊主要包括兩部分:一是采集水質(zhì)要素的多參傳感器、以及采集芯片所需要的電源轉(zhuǎn)換電路、傳感器采集電路、時(shí)鐘復(fù)位、智能傳感器網(wǎng)絡(luò)[2]等,實(shí)現(xiàn)水質(zhì)參數(shù)的實(shí)時(shí)、精確采集.實(shí)時(shí)采集的數(shù)據(jù)匯集到數(shù)據(jù)采集點(diǎn),經(jīng)過簡(jiǎn)單的數(shù)據(jù)處理,傳給數(shù)據(jù)處理模塊進(jìn)行數(shù)據(jù)處理和計(jì)算,保存到數(shù)據(jù)庫(kù)中,并在終端軟件進(jìn)行顯示; 二是水下攝像頭及其傳輸網(wǎng)絡(luò),實(shí)現(xiàn)對(duì)水下情況的實(shí)時(shí)錄像,并將采集的視頻流保存在云端,并通過終端實(shí)現(xiàn)視頻的實(shí)時(shí)播放及歷史精彩視頻播放.

1.2 數(shù)據(jù)處理模塊

數(shù)據(jù)處理模塊主要負(fù)責(zé)對(duì)采集到的水質(zhì)數(shù)據(jù)的質(zhì)量控制、水下視頻數(shù)據(jù)處理、采集數(shù)據(jù)入庫(kù).對(duì)數(shù)據(jù)采集模塊傳上來(lái)的數(shù)據(jù)進(jìn)行異常分析和數(shù)據(jù)解析,去除異常數(shù)據(jù),保證保存到數(shù)據(jù)庫(kù)中的數(shù)據(jù)是正常的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù); 水下視頻[3]數(shù)據(jù)包括視頻流、攝像頭狀態(tài)信息,需要進(jìn)行數(shù)據(jù)的解析,并保存在數(shù)據(jù)庫(kù)中.

1.3 終端顯示

終端顯示包括Web終端及移動(dòng)終端兩部分.Web終端實(shí)現(xiàn)對(duì)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的監(jiān)測(cè)及控制、歷史監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的評(píng)價(jià)與分析、實(shí)時(shí)視頻播放、監(jiān)測(cè)管理、廠區(qū)管理等;移動(dòng)終端主要實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)水質(zhì)數(shù)據(jù)的查詢、歷史水質(zhì)數(shù)據(jù)的查詢、實(shí)時(shí)視頻播放、歷史視頻播放、養(yǎng)殖技術(shù)、養(yǎng)殖動(dòng)態(tài)的展示等功能.實(shí)現(xiàn)對(duì)養(yǎng)殖水環(huán)境的遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和控制.

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

2.1 軟件系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

系統(tǒng)采用當(dāng)前先進(jìn)的軟件工程思想、方法與工具,開發(fā)功能實(shí)用、界面友好、操作方便、技術(shù)先進(jìn)、易于擴(kuò)展的智慧生態(tài)水產(chǎn)養(yǎng)殖系統(tǒng).Web端選擇Windows操作系統(tǒng)作為運(yùn)行平臺(tái),選擇VS2012作為系統(tǒng)開發(fā)工具,Oracle 為系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫(kù),C#作為系統(tǒng)開發(fā)語(yǔ)言; 移動(dòng)端選擇市場(chǎng)份額最高的Android操作系統(tǒng)作為運(yùn)行平臺(tái),開發(fā)工具選擇 AndroidStudio2.0,Java 開發(fā)語(yǔ)言.對(duì)軟件的每個(gè)功能進(jìn)行設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn).軟件系統(tǒng)主要實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、數(shù)據(jù)顯示、監(jiān)測(cè)管理、視頻播放等功能.軟件的功能結(jié)構(gòu)圖如圖2,圖3.

圖2 Web 端功能架構(gòu)圖

圖3 移動(dòng)端功能架構(gòu)圖

2.2 Web端功能詳細(xì)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

2.2.1 實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)顯示

實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)顯示,以養(yǎng)殖池為單位,Web端界面左上角顯示該養(yǎng)殖池的基本信息; 右側(cè)顯示實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)并以柱狀圖顯示,監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)包括溶解氧、溫度、PH值、ORP、電導(dǎo)率、濁度、氨氮、葉綠素等; 左下角顯示檢測(cè)要素的標(biāo)準(zhǔn)值; 界面下方顯示水質(zhì)監(jiān)測(cè)要素的歷史數(shù)據(jù)曲線,并可以切換要素,查看要素的歷史數(shù)據(jù)曲線; 界面最右側(cè)可以切換養(yǎng)殖池,查看實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)等養(yǎng)殖池信息.養(yǎng)殖從業(yè)人員實(shí)時(shí)的查詢最新的水質(zhì)情況.實(shí)現(xiàn)界面如圖4.

圖4 Web 端實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)

2.2.2 水質(zhì)數(shù)據(jù)查詢及曲線分析

根據(jù)水質(zhì)要素及時(shí)間段,查詢?cè)摱螘r(shí)間內(nèi),監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù),并分析其的變化趨勢(shì),并可以將分析結(jié)果以圖片的形式導(dǎo)出.實(shí)現(xiàn)界面如圖5.

圖5 曲線分析

2.2.3 監(jiān)測(cè)管理

監(jiān)測(cè)管理一方面是對(duì)監(jiān)測(cè)要素的標(biāo)準(zhǔn)值,進(jìn)行設(shè)定,針對(duì)每一種養(yǎng)殖品種的不同,設(shè)定不同的監(jiān)測(cè)要素標(biāo)準(zhǔn).另一方面是對(duì)養(yǎng)殖池內(nèi)的設(shè)備進(jìn)行管理,設(shè)備狀態(tài)、設(shè)備開關(guān)、設(shè)備自動(dòng)控制管理等.以標(biāo)準(zhǔn)庫(kù)管理為例,界面圖如圖6.

2.2.4 養(yǎng)殖廠區(qū)的管理

廠區(qū)管理包括廠區(qū)地圖展示、廠區(qū)養(yǎng)殖池管理.將每個(gè)廠區(qū)的位置在地圖上展示,點(diǎn)擊每個(gè)廠區(qū),可以查看實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)、在線視頻信息.實(shí)現(xiàn)界面如圖7.

2.2.5 實(shí)時(shí)視頻播放

選擇某一養(yǎng)殖區(qū),查看實(shí)時(shí)播放視頻,一個(gè)養(yǎng)殖區(qū)有多個(gè)攝像頭,可以同時(shí)播放,實(shí)現(xiàn)界面如圖8.

2.3 移動(dòng)端功能詳細(xì)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

移動(dòng)端主要是數(shù)據(jù)顯示功能,包括養(yǎng)殖區(qū)地圖展示、實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)展示、歷史數(shù)據(jù)查詢、視頻播放、養(yǎng)殖技術(shù)等,讓從業(yè)人員更快、更方便的了解當(dāng)前的養(yǎng)殖區(qū)水質(zhì)狀況.移動(dòng)客戶端的部分功能界面如圖9.

圖6 監(jiān)測(cè)管理

圖7 養(yǎng)殖區(qū)管理

圖8 實(shí)時(shí)視頻播放

3 系統(tǒng)應(yīng)用與測(cè)試

智慧生態(tài)水產(chǎn)養(yǎng)殖系統(tǒng)完成硬件及軟件的設(shè)計(jì)、開發(fā)后,對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行了完善的系統(tǒng)測(cè)試、業(yè)務(wù)測(cè)試,并在煙臺(tái)某海參養(yǎng)殖基地的三個(gè)廠區(qū)進(jìn)行了部署實(shí)驗(yàn),水質(zhì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)可以實(shí)時(shí)、準(zhǔn)確的進(jìn)行上報(bào)、水下實(shí)時(shí)視頻可以正常播放,可以滿足海參養(yǎng)殖的實(shí)際需要.

4 系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)

系統(tǒng)建設(shè)的過程中,重點(diǎn)對(duì)水產(chǎn)養(yǎng)殖智能化過程中數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)應(yīng)用三大環(huán)節(jié)中的關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行研究.主要包括數(shù)據(jù)獲取技術(shù)、數(shù)據(jù)處理與應(yīng)用技術(shù).

圖9 移動(dòng)客戶端部分截圖

4.1 數(shù)據(jù)獲取技術(shù)

數(shù)據(jù)獲取技術(shù)是智慧水產(chǎn)養(yǎng)殖的起點(diǎn)與基礎(chǔ).按所獲取數(shù)據(jù)的屬性和尺度[4],無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)可以看成是由數(shù)據(jù)獲取網(wǎng)絡(luò)、數(shù)據(jù)頒布網(wǎng)絡(luò)和控制管理中心三部分組成的.其主要組成部分是集成有傳感器、處理單元和通信模塊的節(jié)點(diǎn),各節(jié)點(diǎn)通過協(xié)議自組成一個(gè)分布式網(wǎng)絡(luò),再將采集來(lái)的數(shù)據(jù)通過優(yōu)化后經(jīng)無(wú)線電波傳輸給信息處理中心.水質(zhì)、氣象監(jiān)測(cè),通過在水下和養(yǎng)殖區(qū)內(nèi),搭建合理的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu),構(gòu)建局部無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò),將相關(guān)的數(shù)據(jù)采集、處理,定時(shí)上報(bào).

4.2 數(shù)據(jù)處理技術(shù)

智慧生態(tài)水產(chǎn)養(yǎng)殖系統(tǒng)的目的就是利用采集到的數(shù)據(jù),通過數(shù)據(jù)的處理、建模等方式,應(yīng)用在水產(chǎn)養(yǎng)殖的過程中.為保證數(shù)據(jù)的正確性,使用數(shù)據(jù)修復(fù)技術(shù)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理.

關(guān)于數(shù)據(jù)修復(fù)預(yù)處理,一些國(guó)內(nèi)外專家已取得許多研究成果,但因其模型復(fù)雜,運(yùn)算耗時(shí),很難在短期預(yù)測(cè)等實(shí)際工程應(yīng)用中實(shí)施.因此,實(shí)用的數(shù)據(jù)修復(fù)技術(shù)的關(guān)鍵在于建立簡(jiǎn)單易操作、穩(wěn)定可靠,且能夠廣泛適用于不同應(yīng)用領(lǐng)域的預(yù)測(cè)或預(yù)警等方法.本系統(tǒng)根據(jù)水產(chǎn)養(yǎng)殖水環(huán)境數(shù)據(jù)的特點(diǎn),采用了如下適用于養(yǎng)殖水質(zhì)預(yù)測(cè)方法的數(shù)據(jù)修復(fù)技術(shù).

(1)缺失數(shù)據(jù)的修復(fù)處理

對(duì)前后時(shí)間間隔不大的缺失水質(zhì)數(shù)據(jù),可采用如下線性插值法對(duì)其作修復(fù)處理.

式中xk和xk+j分別為己知k時(shí)刻和k+j時(shí)刻監(jiān)測(cè)的水質(zhì)參數(shù)值,xk+i為第k+i時(shí)刻缺失的水質(zhì)參數(shù)取值.若丟失較多或時(shí)間間隔較大,則采用天氣類型相同或相近相鄰幾天中同時(shí)刻的數(shù)據(jù)作填補(bǔ)處理.

(2)異常數(shù)據(jù)處理

養(yǎng)殖水質(zhì)數(shù)據(jù)具有時(shí)序性和延續(xù)性的特點(diǎn),前后相鄰時(shí)段監(jiān)測(cè)的數(shù)據(jù)正常情況下不會(huì)急劇發(fā)生跳變[5].通過比較,若某時(shí)刻水質(zhì)數(shù)據(jù)變化范圍在其前后水質(zhì)監(jiān)測(cè)值的±10%以外,則認(rèn)為該數(shù)據(jù)有誤,可采用如下均值平滑法進(jìn)行水平處理.

θ1和θ2分別為相鄰數(shù)據(jù)誤差的閾值.

水質(zhì)數(shù)據(jù)具有周期性,不同日期在天氣狀況類似的前后幾天應(yīng)具有相似的水質(zhì)特征,類似日期的同一時(shí)刻的水質(zhì)監(jiān)測(cè)值應(yīng)維持在穩(wěn)定的變化范圍內(nèi).通過比較,若某時(shí)刻水質(zhì)數(shù)據(jù)變化范圍在與其天氣狀況類似的前一天、前兩天相同時(shí)刻的水質(zhì)數(shù)據(jù)的±1%范圍之外,則認(rèn)為該數(shù)據(jù)異常,可采用如下均值法進(jìn)行垂直處理.

5 結(jié)語(yǔ)

水產(chǎn)養(yǎng)殖信息化,是大勢(shì)所趨.目前國(guó)內(nèi)外,已經(jīng)有很多的研究所及企業(yè),對(duì)水產(chǎn)養(yǎng)殖的信息化進(jìn)行了大量的研究,智慧生態(tài)水產(chǎn)養(yǎng)殖系統(tǒng)將會(huì)得到廣泛的應(yīng)用.

針對(duì)工廠化海參養(yǎng)殖信息化落后的狀態(tài),開發(fā)了該水產(chǎn)養(yǎng)殖系統(tǒng),系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了養(yǎng)殖水質(zhì)的實(shí)時(shí)在線監(jiān)測(cè)、水下視頻實(shí)時(shí)觀測(cè)、監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)分析等功能,很好的滿足了海參養(yǎng)殖的實(shí)際需要.

通過對(duì)智慧生態(tài)水產(chǎn)養(yǎng)殖系統(tǒng)的開發(fā)和對(duì)其關(guān)鍵技術(shù)的研究,深刻的體會(huì)到水產(chǎn)養(yǎng)殖智能化已成為現(xiàn)代漁業(yè)的重要內(nèi)涵和支撐,能夠促進(jìn)水產(chǎn)養(yǎng)殖業(yè)的發(fā)展和漁業(yè)信息化體系的建立,并提升養(yǎng)殖戶市場(chǎng)參與能力和養(yǎng)殖品質(zhì).

1劉金權(quán).構(gòu)建軟硬結(jié)合的水產(chǎn)養(yǎng)殖物聯(lián)網(wǎng)解決方案.物聯(lián)網(wǎng)技術(shù),2013,(6):10–11.

2汪強(qiáng),鄭光,馬新明,等.小麥產(chǎn)量實(shí)時(shí)測(cè)報(bào)系統(tǒng).計(jì)算機(jī)系統(tǒng)應(yīng)用,2016,25(11):279–283.[doi:10.15888/j.cnki.csa.005606]

3徐愫,田云臣,馬國(guó)強(qiáng),等.計(jì)算機(jī)視覺在水產(chǎn)養(yǎng)殖與生產(chǎn)領(lǐng)域的應(yīng)用.天津農(nóng)學(xué)院學(xué)報(bào),2014,21(4):43–46.

4胡金有,王靖杰,張小栓,等.水產(chǎn)養(yǎng)殖信息化關(guān)鍵技術(shù)研究現(xiàn)狀與趨勢(shì).農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào),2015,46(7):251–263.[doi:10.6041/j.issn.1000-1298.2015.07.037]

5劉雙印.基于計(jì)算智能的水產(chǎn)養(yǎng)殖水質(zhì)預(yù)測(cè)預(yù)警方法研究[博士學(xué)位論文].北京:中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué),2014.

6劉光明,邢克智,田云臣,等.基于云計(jì)算的水產(chǎn)集約化養(yǎng)殖信息平臺(tái)構(gòu)建.江蘇農(nóng)業(yè)科學(xué),2013,41(12):248–251.[doi:10.3969/j.issn.1002-1302.2013.12.093]

7肖樂,李明爽,李振龍.我國(guó)“互聯(lián)網(wǎng)+水產(chǎn)養(yǎng)殖”發(fā)展現(xiàn)狀與路徑研究.漁業(yè)現(xiàn)代化,2016,43(3):7–11,28.

Intelligent Ecological Aquaculture System

LI Hai-Tao1,WANG Xin-An1,FENG Yan1,LAN Chang-Jie21(School of Information Science & Technology,Qingdao University of Science & Technology,Qingdao 266061,China)2(Qingdao Limap Information Technology Co.Ltd.,Qingdao 266000,China)

To improve the poor quality of industrialized sea cucumber farming,the system of water quality monitoring,aquatic environment water quality analysis and evaluation,underwater video observation and breeding knowledge popularization were designed and realized.The system has been tested to be accurate in the water quality,and the underwater video observation is real-time and clear,which can meet the actual needs of sea cucumber breeding.The promotion of the system can help aquaculture enterprises to carry out breeding decision-making,and improve their intelligence farming.The use of industrialization and intelligence in the field of aquaculture vertical diffusion and deep integration helps to explore the modern farming model,to enhance the smart technology in the fishery economic development contribution rate.

intelligent ecological; aquaculture; modern technology

李海濤,王新安,豐艷,蘭長(zhǎng)杰.智慧生態(tài)水產(chǎn)養(yǎng)殖系統(tǒng).計(jì)算機(jī)系統(tǒng)應(yīng)用,2017,26(10):73–76.http://www.c-s-a.org.cn/1003-3254/6036.html

讓東省自然科學(xué)基金(ZR2013FL014); 讓東省高等學(xué)?？萍加?jì)劃項(xiàng)目(J13LN73)

2017-01-04; 采用時(shí)間:2017-03-09