基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的水產(chǎn)養(yǎng)殖機器人開發(fā)與應(yīng)用

汪兆棟

（景德鎮(zhèn)學(xué)院 機械電子工程學(xué)院，江西 景德鎮(zhèn) 333000）

0 引言

水產(chǎn)養(yǎng)殖主要包括在海水和淡水環(huán)境下飼養(yǎng)、繁殖及獲取動植物。我國水產(chǎn)養(yǎng)殖業(yè)發(fā)展速度較快，當(dāng)前面臨的競爭環(huán)境越來越激烈，需要掌握準確可靠的養(yǎng)殖數(shù)據(jù)，采取科學(xué)的養(yǎng)殖方法，提升水產(chǎn)品的品質(zhì)。水產(chǎn)養(yǎng)殖環(huán)境有多樣性和多邊形的特點，借助物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、數(shù)據(jù)采集技術(shù)獲取數(shù)據(jù)信息，并通過云分析軟件進行智能化處理，能提升運營效率。

1 水產(chǎn)養(yǎng)殖機器人物聯(lián)網(wǎng)平臺開發(fā)的必要性

1.1 傳統(tǒng)水產(chǎn)養(yǎng)殖存在不足

水產(chǎn)養(yǎng)殖中，要全面掌握養(yǎng)殖環(huán)境等數(shù)據(jù)信息，需要信息化技術(shù)的支持。傳統(tǒng)的水產(chǎn)養(yǎng)殖多是采用粗放式的養(yǎng)殖方式，難以適應(yīng)新時期的發(fā)展。首先，人工作業(yè)占比多，一些規(guī)模較小的養(yǎng)殖，可以進行人工操作，而對一些面積較大的如湖泊、海洋養(yǎng)殖，如果依靠船舶機器人工實地測量，獲取數(shù)據(jù)信息，增加了養(yǎng)殖難度。其次，監(jiān)測作業(yè)中，人工監(jiān)測不能做到實時動態(tài)化，同時人為監(jiān)測過多，監(jiān)測數(shù)據(jù)質(zhì)量控制難度大，存在數(shù)據(jù)誤差，影響數(shù)據(jù)的準確性[1]。最后，采用人工方式獲取數(shù)據(jù)信息，這些數(shù)據(jù)相對散亂，還需要人工整理分析，效率低下。此外，傳統(tǒng)水產(chǎn)品養(yǎng)殖管理工作多是用眼睛觀察來判斷清潔度等，采用人工投喂方式，在水產(chǎn)品分類工作中也是依靠經(jīng)驗判斷，具有主觀性。

1.2 水產(chǎn)養(yǎng)殖機器人的設(shè)計目標

智能水產(chǎn)養(yǎng)殖機器人的設(shè)計，主要是對水產(chǎn)品養(yǎng)殖環(huán)境、周邊環(huán)境溫度等進行監(jiān)測，實現(xiàn)日常喂養(yǎng)的自動化管理等。利用物聯(lián)網(wǎng)機器人技術(shù)，對水產(chǎn)品養(yǎng)殖與育苗進行監(jiān)控，形成具有良好規(guī)模效應(yīng)的良種體系[2]。通過系統(tǒng)設(shè)計研發(fā)和應(yīng)用，在水產(chǎn)品育苗過程中實現(xiàn)對水環(huán)境中浮游生物的實時監(jiān)測，對水質(zhì)狀況進行分析并調(diào)節(jié)，做好水產(chǎn)品養(yǎng)殖中的病蟲害防治工作，還要積極構(gòu)建水面圍網(wǎng)監(jiān)控云平臺。

2 水產(chǎn)養(yǎng)殖機器人的設(shè)計實現(xiàn)

2.1 系統(tǒng)構(gòu)成

數(shù)字化發(fā)展時代，新的技術(shù)如大數(shù)據(jù)技術(shù)、云計算技術(shù)、人工智能技術(shù)等都得到了一定程度的應(yīng)用，為水產(chǎn)養(yǎng)殖的智能化和自動化提供了技術(shù)條件。我國智能水產(chǎn)養(yǎng)殖機器人技術(shù)仍處于研究階段，單項技術(shù)還需要完善，不同技術(shù)之間的銜接和利用還存在一些問題。物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的融入，在提升水產(chǎn)品的品質(zhì)和質(zhì)量方面有積極意義。數(shù)據(jù)分析中，根據(jù)機器人分布的地點，數(shù)據(jù)具有分散性，系統(tǒng)的時效性較強，采用集散控制系統(tǒng)對養(yǎng)殖機器人進行管理控制，從而增強整個平臺的實用性，確保養(yǎng)殖企業(yè)獲取更好的效益。

為實現(xiàn)節(jié)能發(fā)展的目標，在水產(chǎn)養(yǎng)殖機器人的供電系統(tǒng)設(shè)計中，利用太陽能儲存能量為單片機系統(tǒng)供電，白天太陽能板給蓄電池儲存電能，夜間蓄電池可以給機器人供電，不需要外部電源的連接，可直接實現(xiàn)供電[3]。

整個控制平臺包括硬件和軟件兩部分。硬件部分中，其一是傳感器模塊，主要是采用溶氧量傳感器，溫度、pH值、氨氮傳感器等，對水產(chǎn)養(yǎng)殖環(huán)境的溫度、pH值和氨氮等因素進行自動監(jiān)測，獲取對應(yīng)的數(shù)據(jù)信息。其二是GPRS模塊。智能水產(chǎn)養(yǎng)殖機器人中，借助GPS定位，并運用GSM系統(tǒng)實現(xiàn)平臺與服務(wù)器端通信。操作中運用標的AT指令，模塊能收發(fā)短信和GPRS數(shù)據(jù)信息。其三是單片機控制模塊，采用高性能低能耗的8位微控制器，其中包括電源、振蕩電路等元器件，這是整個系統(tǒng)的主要控制核心。軟件系統(tǒng)主要包括數(shù)據(jù)接口程序、數(shù)據(jù)庫、云服務(wù)平臺及控制設(shè)備等。

2.2 關(guān)鍵技術(shù)分析

水產(chǎn)養(yǎng)殖機器人硬件部分主要包括GSM短信模塊、單片機和傳感器等；軟件部分包括數(shù)據(jù)通信程序、數(shù)據(jù)庫接口及智能終端系統(tǒng)。

2.2.1 GMS短信模塊

將GMS手機短信與計算機終端數(shù)據(jù)有效結(jié)合，設(shè)計中主要采用STC89C52單機片及GSM系統(tǒng)模塊。在系統(tǒng)運行中，TC35通信模塊電路由IGT啟動電流、知識等點庫及SIM卡組成，單片機和TC35通信模塊接受AT指令，進行呼叫和數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)的處理控制，AT指令包括了安全性、控制及網(wǎng)絡(luò)業(yè)務(wù)等命令。

2.2.2 數(shù)據(jù)通信

通過服務(wù)器終端IP地址和端口的設(shè)置，并安裝JDK運行環(huán)境，服務(wù)器終端設(shè)置數(shù)據(jù)接口，接受GSM信息數(shù)據(jù)，并對數(shù)據(jù)處理后發(fā)送到GSM模塊。

2.2.3 數(shù)據(jù)庫接口

通信程序收到數(shù)據(jù)信息之后，將接收的數(shù)據(jù)傳輸?shù)綌?shù)據(jù)庫中，并編寫通用的MySQL數(shù)據(jù)庫，實現(xiàn)數(shù)據(jù)庫數(shù)據(jù)讀寫操作。

2.3 優(yōu)勢分析

基于物聯(lián)網(wǎng)的水產(chǎn)養(yǎng)殖機器人平臺設(shè)計，發(fā)揮物聯(lián)網(wǎng)無線傳感器技術(shù)、射頻識別技術(shù)等優(yōu)勢，能實現(xiàn)自動化的監(jiān)控管理。在應(yīng)用中，通過“平臺＋智能傳感器＋控制器”的模式，能節(jié)省人力操作的時間和精力，在水產(chǎn)品質(zhì)量、疾病防控等方面有重要價值，進行長期的動態(tài)化監(jiān)控作業(yè)，對調(diào)節(jié)水質(zhì)、增加養(yǎng)殖產(chǎn)量等有重要作用。

2.3.1 安全穩(wěn)定性強

水產(chǎn)養(yǎng)殖機器人物聯(lián)網(wǎng)平臺借助計算機信息處理技術(shù)等，在數(shù)據(jù)傳輸中采用數(shù)據(jù)加密的方式，能避免數(shù)據(jù)被竊取。同時，硬件設(shè)計、服務(wù)器、數(shù)據(jù)庫結(jié)構(gòu)等，可以通過計算機與手機設(shè)備連接，實現(xiàn)24小時實時在線；當(dāng)監(jiān)控中數(shù)據(jù)發(fā)生異常，GPRS技術(shù)與故障報警系統(tǒng)能自動發(fā)出報警信號，平臺將報警信息及時發(fā)送到管理人員的手機上。此外，用戶通過電腦、手機App實行遠程監(jiān)控，操作方便，且實時性比較強，能同時接收和處理多個監(jiān)測點的數(shù)據(jù)，更好地滿足系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集及傳輸?shù)囊蟆?/p>

2.3.2 成本較低

借助GPRS公網(wǎng)平臺，系統(tǒng)運行中不需要重新建設(shè)網(wǎng)絡(luò)和搭建服務(wù)器，也不需要專業(yè)的工程師編程，設(shè)備安裝好后對平臺系統(tǒng)進行簡單的設(shè)置就可運行，因此建設(shè)成本相對較低。同時，系統(tǒng)設(shè)計中預(yù)留了接口，能根據(jù)設(shè)計需求增加和減少硬件軟件設(shè)備，系統(tǒng)只需要改動就可以完成，提升了系統(tǒng)的效率，且靈活性較強。

3 系統(tǒng)平臺的具體應(yīng)用

3.1 對水產(chǎn)養(yǎng)殖環(huán)境的監(jiān)控

在物聯(lián)網(wǎng)水產(chǎn)養(yǎng)殖系統(tǒng)中，通過不同的水環(huán)境指標傳感器對環(huán)境進行監(jiān)測，如水溫傳感器測試水的溫度、pH傳感器監(jiān)測水的pH值，含氧量傳感器對水域環(huán)境的含氧量進行監(jiān)測等。根據(jù)不同養(yǎng)殖物的生活特性，提前設(shè)定好合適的標準，如果傳感器監(jiān)測環(huán)境的相關(guān)指標超出正常指標范圍，系統(tǒng)會發(fā)出警報，并通知子系統(tǒng)對相應(yīng)的水環(huán)境指標進行調(diào)整。如水含氧量較少時，平臺會給增氧機發(fā)送信息，系統(tǒng)進行智能化增氧操作，如果水位相對較高，系統(tǒng)則會自動打開出水口，對水位進行智能化調(diào)節(jié)。

3.2 對動植物狀況進行監(jiān)控

物聯(lián)網(wǎng)平臺與射頻識別技術(shù)等結(jié)合，對不同的水產(chǎn)動植物賦予其可識別的身份，且可以借助醫(yī)療檢測設(shè)備對水產(chǎn)動物的生命體征進行定期監(jiān)測。如借助導(dǎo)引設(shè)備，確保水產(chǎn)物能定期經(jīng)過醫(yī)療監(jiān)測設(shè)備；通過識別水產(chǎn)動物的標簽，對其生命特征的參數(shù)進行監(jiān)測，并將監(jiān)測數(shù)據(jù)傳送給云平臺，將收到的數(shù)據(jù)與原有的水產(chǎn)動植物的數(shù)據(jù)信息進行比對分析，判斷其生產(chǎn)情況。

3.3 自動投喂

自動投喂主要是平臺根據(jù)監(jiān)測的數(shù)據(jù)信息，對餌料投放機進行控制。操作比較簡單的是手動控制，人工開啟關(guān)閉餌料投放機器，一般是如果系統(tǒng)出現(xiàn)故障不能自動控制，可采用人工的方式。還可以利用手機和電腦端自動控制和定時控制。借助物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，確保養(yǎng)殖機器人物聯(lián)網(wǎng)平臺與餌料投放之間實現(xiàn)通信，能對餌料投放機進行自動化控制，也可以根據(jù)需要設(shè)定好投放的時間。操作比較方便的是管理人員在手機端登錄養(yǎng)殖管理系統(tǒng)，點擊按鈕操作，對餌料投放機進行管理控制。

4 結(jié)語

我國水產(chǎn)養(yǎng)殖業(yè)中，利用大數(shù)據(jù)技術(shù)、物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、人工智能技術(shù)等，加深了自動化和智能化程度。通過分析新時期水產(chǎn)養(yǎng)殖的新需求，借助移動互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，設(shè)計智能化的水產(chǎn)養(yǎng)殖物聯(lián)網(wǎng)平臺，能實現(xiàn)水產(chǎn)養(yǎng)殖的自動化監(jiān)控管理，提升了養(yǎng)殖的效率和質(zhì)量。未來發(fā)展中，基于物聯(lián)網(wǎng)的水產(chǎn)養(yǎng)殖機器人平臺具有廣闊的應(yīng)用前景。