海水養(yǎng)殖水質(zhì)在線監(jiān)測大數(shù)據(jù)共享平臺(tái)

（三亞學(xué)院，海南 三亞 572022）

隨著社會(huì)的發(fā)展和人口的增加，人們對水產(chǎn)品的需求在不斷的增加，其中海產(chǎn)品的需求在快速增長，單靠海洋捕撈已經(jīng)不能滿足人們的需求，所以海水養(yǎng)殖越來越普遍。但由于海水養(yǎng)殖對水質(zhì)要求較高，且自2000年以來，我國海域多次發(fā)生規(guī)模巨大、毒性極強(qiáng)的赤潮，給我國海水養(yǎng)殖業(yè)造成巨大的損失。水質(zhì)是水產(chǎn)能否成功養(yǎng)殖的關(guān)鍵，目前國內(nèi)的水產(chǎn)養(yǎng)殖業(yè)，它的水質(zhì)監(jiān)測多數(shù)仍是處于人工采樣、化學(xué)分析的人工監(jiān)測階段，此方法費(fèi)時(shí)費(fèi)力，而且無法做到全天的實(shí)時(shí)檢測，很容易因?yàn)槿斯けO(jiān)測疏漏致使水質(zhì)異常，從而造成水產(chǎn)品大批量死亡、造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失[1]。因此，有必要提升水產(chǎn)養(yǎng)殖水質(zhì)監(jiān)測技術(shù)水平。針對目前水產(chǎn)養(yǎng)殖環(huán)境的現(xiàn)狀，研發(fā)水質(zhì)在線監(jiān)測大數(shù)據(jù)共享平臺(tái)，旨在多方面實(shí)時(shí)提供海水水質(zhì)數(shù)據(jù)，建立求助專家渠道，提供經(jīng)驗(yàn)共享方式，從而達(dá)到水產(chǎn)量產(chǎn)效果好的目的[2]。

水產(chǎn)在線監(jiān)測系統(tǒng)采用先進(jìn)的智能水質(zhì)傳感器、無線傳輸系統(tǒng)、無線通信、預(yù)警系統(tǒng)、智能管理系統(tǒng)等技術(shù)，能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)測水體溶解氧、濁度、PH值、電導(dǎo)率、水溫、懸浮物等水質(zhì)變換情況，智能分析預(yù)警，并能夠?qū)崟r(shí)將監(jiān)測點(diǎn)的采集數(shù)據(jù)發(fā)送至用戶端，用戶可通過電腦或者手機(jī)隨時(shí)查看監(jiān)測數(shù)據(jù)，及時(shí)發(fā)現(xiàn)異常情況，及時(shí)調(diào)整，從而有效避免異常情況對水產(chǎn)養(yǎng)殖的影響，給水產(chǎn)養(yǎng)殖良好產(chǎn)出提供保障。同時(shí)水質(zhì)在線監(jiān)測系統(tǒng)數(shù)據(jù)可保存，用戶可隨時(shí)查看歷史監(jiān)測數(shù)據(jù)，方便用戶總結(jié)養(yǎng)殖經(jīng)驗(yàn)，便于下一次更科學(xué)地開展養(yǎng)殖，提升產(chǎn)出。該平臺(tái)的應(yīng)用和提升了水質(zhì)監(jiān)測的有效性、及時(shí)性，讓養(yǎng)殖人員不用再像以往那樣采集水樣到專門的地點(diǎn)監(jiān)測，大大縮短了水質(zhì)監(jiān)測所用的時(shí)間，同時(shí)可以通過平臺(tái)實(shí)時(shí)查看水質(zhì)情況，并可借鑒同行分享的養(yǎng)殖經(jīng)驗(yàn)來處理遇到的問題或者申請求助。

1 在線監(jiān)測系統(tǒng)的組成

近年來隨著人們對水產(chǎn)品的需求逐年攀升，傳統(tǒng)的養(yǎng)殖方法已經(jīng)無法滿足高產(chǎn)量的需求，采用及時(shí)監(jiān)測以及無線傳感技術(shù)等先進(jìn)的管理方式對養(yǎng)殖環(huán)境、水質(zhì)、水產(chǎn)品生長狀況進(jìn)行數(shù)據(jù)采集分析，能有效的提高養(yǎng)殖產(chǎn)量。

水質(zhì)監(jiān)測系統(tǒng)主要由傳感器模塊、控制及數(shù)據(jù)處理模塊、無線傳輸通信模塊組成。傳感器模塊會(huì)把水體溫度、濁度、PH值、溶解氧等數(shù)據(jù)進(jìn)行采集，并送往數(shù)據(jù)處理單元，數(shù)據(jù)處理單元將送來的各種不同標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為設(shè)置好的標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)格式，通過無線通信送到上端管理軟件或者云平臺(tái)，并將數(shù)據(jù)保存在相應(yīng)的數(shù)據(jù)庫中。控制模塊主要由PLC或者單片機(jī)組成，是整個(gè)系統(tǒng)的核心部分，控制整個(gè)系統(tǒng)正常、有序的運(yùn)行。

目前我國已開發(fā)的水質(zhì)監(jiān)測系統(tǒng)主要有：（1）多點(diǎn)在線水質(zhì)監(jiān)測系統(tǒng)，可同時(shí)監(jiān)測6個(gè)不同點(diǎn)的水質(zhì)情況。（2）基于工控機(jī)的水質(zhì)在線監(jiān)測虛擬儀器，此系統(tǒng)改變了傳統(tǒng)化學(xué)測試的思路，研制了在線監(jiān)測虛擬儀器，該系統(tǒng)響應(yīng)快、操作方便、人機(jī)界面可多樣化設(shè)計(jì)、輸出圖形豐富美觀逼真。（3）基于BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的在線水質(zhì)監(jiān)測系統(tǒng)，利用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的自學(xué)習(xí)功能，計(jì)算出更加科學(xué)的預(yù)測模型參數(shù)，同時(shí)采用無線通訊技術(shù)進(jìn)行遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)采集[3]。

在基于已有的實(shí)時(shí)水質(zhì)監(jiān)測系統(tǒng)的前提下，利用單片機(jī)和其他的集成類芯片，收集傳感器所測得的數(shù)據(jù)，然后進(jìn)行短期儲(chǔ)存，將數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算，網(wǎng)絡(luò)通信裝置將所接受的信號發(fā)送給數(shù)據(jù)平臺(tái)，平臺(tái)通過程序和系統(tǒng)，對數(shù)據(jù)進(jìn)行制圖和匯總。并對數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，是否超出或低于所設(shè)置的標(biāo)準(zhǔn)值范圍，數(shù)據(jù)更新為半小時(shí)一次，以此打造全民可用的水質(zhì)共享監(jiān)測平臺(tái)，總的結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

2 海水監(jiān)測硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

水溫是水產(chǎn)養(yǎng)殖中關(guān)鍵因數(shù)之一，不同的水產(chǎn)生物適應(yīng)的水溫是不同的，一般水溫越高水產(chǎn)生物的攝食量會(huì)越大，生長速度也會(huì)越快，水產(chǎn)生物的受精卵孵化時(shí)間也越短，但水溫與水里的氨氮總量成負(fù)比例的相關(guān)關(guān)系，所以水溫的實(shí)時(shí)監(jiān)測對養(yǎng)殖效果具有直接的關(guān)鍵意義，同時(shí)歷年水溫?cái)?shù)據(jù)的測量及記錄可供養(yǎng)殖戶選取養(yǎng)殖品種作參考。水體溫度采用水體溫度計(jì)傳感器WQ101B測量水體溫度為電子傳感器測量裝置周圍水體溫度，并將水體溫度數(shù)據(jù)傳輸給控制系統(tǒng)，同時(shí)控制系統(tǒng)可根據(jù)不同地域、不同季節(jié)以及養(yǎng)殖品種密度等信息設(shè)定警報(bào)閾值，一旦溫度超出閾值可通過警報(bào)器及警報(bào)短信等方式發(fā)送給養(yǎng)殖戶，養(yǎng)殖戶可根據(jù)情況進(jìn)行適當(dāng)?shù)娜斯じ深A(yù)以防止養(yǎng)殖情況的惡化。

圖1 海水監(jiān)測大數(shù)據(jù)共享平臺(tái)

酸性水質(zhì)容易使水產(chǎn)生物感染蟲病、水里的天然餌料繁殖減慢、影響魚類的正常生長，酸性過高甚至?xí)痿~類大范圍的死亡。溶解氧與水產(chǎn)生物的健康生長息息相關(guān)，溶解氧高可以增進(jìn)魚類的食欲，提高水中飼料的使用率，使得魚類快速發(fā)育生長，并且能改善水質(zhì)。ph值測量采用玻璃電極法，復(fù)合電極（pH/參考）包含一個(gè)特制玻璃和一個(gè)Ag/AgCI參考凝膠電極（KCI）。同時(shí)溶解氧采用化學(xué)反應(yīng)所產(chǎn)生的電壓來進(jìn)行測量水體的含氧量，使用特殊酸性電解液，陰極采用惰性金屬金，陽極采用金屬鉛，氧氣以擴(kuò)散的方式通過氟樹脂膜參與氧化還原反應(yīng)，構(gòu)成一種氧鉛蓄電池，然后由內(nèi)部電阻將氧化還原反應(yīng)產(chǎn)生的電流轉(zhuǎn)化成電壓輸出。當(dāng)監(jiān)測出水體溶氧量過低時(shí)控制系統(tǒng)將自動(dòng)打開增氧泵，以保證水體中溶解氧充足。水體濁度測量采用光學(xué)傳感器對水體進(jìn)行光的測量，按照構(gòu)成方法180.1濁度測量，WQ730濁度傳感器是一個(gè)90°的散射濁度計(jì)。WQ730濁度傳感器將聚焦束進(jìn)入監(jiān)控水。光束反射粒子在水中，由此而來的光強(qiáng)度測量濁度傳感器的光電探測器定位在90度的光束。濁度傳感器檢測到的光強(qiáng)度是直接與水的濁度成正比。水體的壓力測量可以通過壓力傳感器測得，此部分可以通過壓力的變換，經(jīng)過系統(tǒng)程序的計(jì)算可以得出在水體的具體深度，這樣可以測量不同壓力即不同深度的水體環(huán)境下水體的數(shù)據(jù)，這樣就可以對生活在不同水深的海產(chǎn)品所需的水質(zhì)進(jìn)行檢測，使得系統(tǒng)的應(yīng)用更加廣泛[4]。

此系統(tǒng)可以根據(jù)不同的情況進(jìn)行改裝，可對傳感器的數(shù)量和種類進(jìn)行添加，裝置將測得數(shù)據(jù)上傳到平臺(tái)，平臺(tái)對數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算分析和制圖，可以直觀快速的了解水體的情況。由于養(yǎng)殖場采集的數(shù)據(jù)量大，包括水溫、PH值、溶解氧、濁度、氨氮、硫化物等數(shù)據(jù)，并需要通過無線網(wǎng)絡(luò)對這些數(shù)據(jù)進(jìn)行傳輸，并由在線監(jiān)測平臺(tái)對數(shù)據(jù)進(jìn)行接收、存儲(chǔ)以及處理統(tǒng)計(jì)，并在共享平臺(tái)上進(jìn)行顯示。系統(tǒng)兼容多種數(shù)據(jù)分析及處理的軟件，能對數(shù)據(jù)進(jìn)行繪制直方圖、餅狀圖、曲線擬合等處理，并可導(dǎo)出TXT文本、EXCEL電子表格、word文本等格式的數(shù)據(jù)處理結(jié)果。同時(shí)通過無線互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)使得用戶可通過手機(jī)、電腦、平板等用戶終端登錄平臺(tái)實(shí)時(shí)查詢水質(zhì)狀況及所需要數(shù)據(jù)，并對超出或低于所設(shè)置的標(biāo)準(zhǔn)值范圍，進(jìn)行警報(bào)，提醒養(yǎng)殖戶及時(shí)對水體進(jìn)行人為干擾。

供能方面因系統(tǒng)采用為集成芯片，傳感器耗能小，可以采用可充鋰電池供電。同時(shí)可根據(jù)養(yǎng)殖地域的環(huán)境特點(diǎn)以及用電成本，在每個(gè)節(jié)點(diǎn)采用太陽能板一體的充電電池，這樣既能實(shí)現(xiàn)環(huán)保的同時(shí)又考慮了陰雨天的供能問題?？刂葡到y(tǒng)采用基于單片機(jī)的集成模塊。系統(tǒng)程序?yàn)閙atlab編寫，并進(jìn)行開源，系統(tǒng)可根據(jù)不同情況進(jìn)行更新和升級。

3 經(jīng)濟(jì)效益

我國是世界主要的漁業(yè)生產(chǎn)國，是為數(shù)不多的海水養(yǎng)殖超過海洋捕撈的國家，海水養(yǎng)殖占世界海水養(yǎng)殖總量80%以上，對于我國耕地資源緊張的國情，大力開發(fā)海水養(yǎng)殖提供更多的海洋產(chǎn)品，能緩解糧食安全問題面臨的挑戰(zhàn)，有利于通過調(diào)整食品結(jié)構(gòu)保證全國糧食安全[5]。如果水質(zhì)發(fā)生變化，處置不當(dāng)海產(chǎn)品死亡率高達(dá)80%以上，帶來的經(jīng)濟(jì)損失平均近1萬元每畝，若采取實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)并及時(shí)發(fā)出預(yù)警，準(zhǔn)確率高到75%以上，可以把經(jīng)濟(jì)損失降至30%以下甚至更少，同時(shí)通過平臺(tái)可以借鑒前人有效的養(yǎng)殖經(jīng)驗(yàn)，大大提高養(yǎng)殖效率，帶來的經(jīng)濟(jì)增長可達(dá)數(shù)十億以上。

4 結(jié)語

大數(shù)據(jù)及物聯(lián)網(wǎng)時(shí)代已經(jīng)到來，我國海洋資源豐富，海洋產(chǎn)業(yè)優(yōu)勢顯著，基于云計(jì)算對采集的海水?dāng)?shù)據(jù)進(jìn)行大數(shù)據(jù)分析，能有效促進(jìn)整個(gè)海水產(chǎn)業(yè)的高效發(fā)展，同時(shí)隨著物聯(lián)網(wǎng)共享概念深入普通大眾的日常生活，大眾在享有便利的同時(shí)，各個(gè)產(chǎn)業(yè)將是未來大數(shù)據(jù)時(shí)代的主要受益者。