物聯(lián)網(wǎng)與智能化水產(chǎn)養(yǎng)殖

張 洲 查 吉 祁樹亮

（江蘇農(nóng)林職業(yè)技術(shù)學(xué)院信息工程學(xué)院，江蘇 鎮(zhèn)江 212400）

0 引言

中國水產(chǎn)養(yǎng)殖占世界水產(chǎn)養(yǎng)殖總量的60%以上。水產(chǎn)品年產(chǎn)值超過1萬億元。然而，中國仍處于初級階段，尤其是傳統(tǒng)的人工捕魚和人工與機械相結(jié)合的捕魚技術(shù)。隨著我國水產(chǎn)養(yǎng)殖業(yè)的快速發(fā)展，環(huán)境污染、水資源質(zhì)量差、水資源浪費等一系列問題逐漸顯現(xiàn)。這些問題直接導(dǎo)致水產(chǎn)養(yǎng)殖的低質(zhì)量、低產(chǎn)量、水體富營養(yǎng)化。水產(chǎn)養(yǎng)殖業(yè)每年都面臨巨大損失。為了解決長期困擾水產(chǎn)養(yǎng)殖業(yè)的疾病多、養(yǎng)殖方法不科學(xué)、技術(shù)問題多、水產(chǎn)養(yǎng)殖知識缺乏、技術(shù)服務(wù)滯后、產(chǎn)品質(zhì)量差、養(yǎng)殖過程缺乏監(jiān)測、產(chǎn)品溯源困難等問題。基于智能推理及知識獲取、數(shù)據(jù)處理模型以及物聯(lián)網(wǎng)水產(chǎn)品安全預(yù)警方法和溯源系統(tǒng)，有效監(jiān)測水產(chǎn)養(yǎng)殖、物流和營銷的環(huán)境參數(shù)。人工飼料和藥物使用超標(biāo)時，系統(tǒng)會自動報警，保持水環(huán)境無污染，實現(xiàn)全程無紙化和低碳環(huán)保。

1 市場中的水產(chǎn)養(yǎng)殖現(xiàn)狀

為了解決傳統(tǒng)水產(chǎn)養(yǎng)殖在污染、食品安全、自然災(zāi)害和常見疾病等方面存在的問題，水產(chǎn)養(yǎng)殖的產(chǎn)業(yè)化、機械化和產(chǎn)業(yè)化已成為水產(chǎn)養(yǎng)殖的新模式之一。采用先進的農(nóng)業(yè)技術(shù)，可實現(xiàn)機械化、自動化、工廠化循環(huán)水產(chǎn)養(yǎng)殖，通過循環(huán)水和廢水處理，實現(xiàn)高密度種植。消除養(yǎng)殖池中的飼料和糞便等有害顆粒物，創(chuàng)造良好水質(zhì)的健康養(yǎng)殖環(huán)境，對節(jié)約水資源也有重要作用。

21世紀(jì)初，我國一些高校和科研院所逐步開始將智能物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)應(yīng)用于漁業(yè)研究領(lǐng)域。中國農(nóng)業(yè)大學(xué)開發(fā)的“網(wǎng)絡(luò)化魚病診斷專家系統(tǒng)”和中國農(nóng)業(yè)大學(xué)開發(fā)的“網(wǎng)絡(luò)化淡水蝦養(yǎng)殖系統(tǒng)”采用正向推理方法開發(fā)了疾病診斷和安全預(yù)警技術(shù)。然而，該系統(tǒng)沒有充分考慮疾病診斷的不確定性，人機界面相對簡單。福建省相關(guān)水產(chǎn)養(yǎng)殖機構(gòu)也建立了以魚蝦為主的水產(chǎn)養(yǎng)殖疾病在線診斷咨詢系統(tǒng)，以圖像的形式顯示水產(chǎn)疾病，但這只是對數(shù)據(jù)庫的簡單查詢，沒有完整的疾病評估和證明機制。無法提前分析、生成和處理適當(dāng)?shù)尼t(yī)療記錄。

傳統(tǒng)水產(chǎn)養(yǎng)殖和水產(chǎn)養(yǎng)殖的大數(shù)據(jù)應(yīng)用將有助于發(fā)展智能化水產(chǎn)養(yǎng)殖設(shè)施，彌補傳統(tǒng)水產(chǎn)養(yǎng)殖的不足?；谥悄芟到y(tǒng)的理論和技術(shù)，研究了水產(chǎn)養(yǎng)殖疾病診斷、預(yù)防和治療以及全過程管理的各種思維機制和知識表示策略。將數(shù)據(jù)、信息和知識納入水產(chǎn)養(yǎng)殖疾病的診斷、預(yù)防和治療以及整個過程管理，并設(shè)計和開發(fā)水動物專家系統(tǒng)。

2 設(shè)計的技術(shù)服務(wù)

基于物聯(lián)網(wǎng)與大數(shù)據(jù)相結(jié)合的水產(chǎn)養(yǎng)殖服務(wù)新理念，利用互聯(lián)網(wǎng)、人工智能與專家系統(tǒng)、無線傳感器、物聯(lián)網(wǎng)等技術(shù)，構(gòu)建完整的智能水產(chǎn)養(yǎng)殖服務(wù)平臺。以解決長期困擾水產(chǎn)養(yǎng)殖行業(yè)問題，如養(yǎng)殖方法不科學(xué)、常見病多、技術(shù)推廣問題多、技術(shù)服務(wù)不成熟、產(chǎn)品質(zhì)量低、產(chǎn)品可追溯性差等?；跓o線傳感器網(wǎng)絡(luò)、RFID、Web服務(wù)的水產(chǎn)品全過程質(zhì)量跟蹤方法。信息管理、決策支持和其他技術(shù)確保了農(nóng)民在水產(chǎn)養(yǎng)殖生產(chǎn)中的質(zhì)量控制。

2.1 基于專家系統(tǒng)技術(shù)的水產(chǎn)品質(zhì)量安全預(yù)警

基于智能系統(tǒng)的理論和技術(shù)，開發(fā)了各種推理機制，并利用大量數(shù)據(jù)進行知識匯總，為策略研究服務(wù)。與此同時，水產(chǎn)養(yǎng)殖專家系統(tǒng)正在利用區(qū)域數(shù)據(jù)進行開發(fā)，如水產(chǎn)養(yǎng)殖過程中的生物疾病診斷，以及在大數(shù)據(jù)環(huán)境下對整個水產(chǎn)養(yǎng)殖過程進行實時監(jiān)測和管理。在現(xiàn)有技術(shù)的基礎(chǔ)上拓展與兼容漁業(yè)知識，以便有效表達(dá)和有機融合有關(guān)漁業(yè)的知識；知識融合、技術(shù)協(xié)作和主從論證推理的結(jié)合解決了魚病診斷過程中的不確定性問題，顯著提高了智能系統(tǒng)的可解性。

2.2 基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的水產(chǎn)品溯源技術(shù)

Arduino軟硬件平臺結(jié)合了無線傳感器網(wǎng)、RFID、Web service、信息管理和輔助決策等功能，可以對水產(chǎn)品的全過程質(zhì)量進行跟蹤。該系統(tǒng)不僅能自動監(jiān)測水產(chǎn)養(yǎng)殖水質(zhì)、物流、營銷等環(huán)境數(shù)據(jù)參數(shù)，而且能耗低，穩(wěn)定性強，數(shù)據(jù)采集終端節(jié)點和采集節(jié)點主控板均基于Arduino開源電子原型平臺。以可以實現(xiàn)水質(zhì)數(shù)據(jù)、物流、銷售環(huán)境和水產(chǎn)養(yǎng)殖監(jiān)測點位置信息的采集、存儲、處理和傳輸。通過網(wǎng)絡(luò)服務(wù)實現(xiàn)水產(chǎn)品供應(yīng)鏈各個環(huán)節(jié)數(shù)據(jù)信息的傳輸、集成和傳播；主控板采用基于Arduino的開源電子平臺。采集終端主板主要由四個功能模塊組成：ZigBee模塊、SD卡存儲模塊、GPS模塊和水質(zhì)儀表模塊；匯聚節(jié)點主板主要由ZigBee模塊、SD卡存儲模塊、GPRS模塊和GPS模塊組成。ZigBee模塊使用XBee Pro S2以提高通信距離，用于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的無線通信。采集終端與匯集節(jié)點結(jié)構(gòu)圖如圖1、圖2所示。

圖1 采集終端

圖2 匯聚節(jié)點

在這一系列過程中，不僅可以通過智能數(shù)據(jù)采集快速有效地采集所有相關(guān)數(shù)據(jù)，還可以實現(xiàn)零污染信息的采集。在水產(chǎn)養(yǎng)殖過程中，水產(chǎn)品安全預(yù)警系統(tǒng)用于實時監(jiān)測養(yǎng)殖池塘的水質(zhì)參數(shù)。如果人工飼料和藥物超標(biāo)，系統(tǒng)會自動報警并結(jié)合當(dāng)前的水質(zhì)參數(shù)做出相應(yīng)處理，以保持水環(huán)境清潔、無污染。

將水產(chǎn)品從育苗、繁育、加工、包裝、營銷等相關(guān)過程信息和數(shù)據(jù)，收集、傳輸和匯總到水產(chǎn)養(yǎng)殖可追溯系統(tǒng)平臺上，每個水產(chǎn)品通過平臺獨特的加密算法進行唯一標(biāo)識。標(biāo)識與水產(chǎn)品相關(guān)聯(lián)，實現(xiàn)與水產(chǎn)品相對應(yīng)的標(biāo)識，確保水產(chǎn)品的質(zhì)量和安全。溯源系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)分析不僅滿足了溯源信息的要求，而且保證了溯源系統(tǒng)的可移植性、通用性和可擴展性。一方面可以監(jiān)控水產(chǎn)品供應(yīng)鏈的各個環(huán)節(jié)，及時發(fā)現(xiàn)和消除安全隱患，實現(xiàn)從魚塘到餐桌的全過程管理。另一方面，它也使得養(yǎng)殖戶們足不出戶就可以獲得關(guān)于養(yǎng)殖池的各種信息。同時，還增加了漁業(yè)領(lǐng)域的知識表示策略、知識融合的推理機制、多技術(shù)協(xié)作和主從論證推理、集成的智能控制人工知識獲取環(huán)境以及基于數(shù)據(jù)挖掘的自動和半自動知識獲取，基于數(shù)據(jù)庫和知識庫的知識發(fā)現(xiàn)集成機制，最終可有效地解決了漁業(yè)信息處理系統(tǒng)中知識獲取的瓶頸問題。溯源結(jié)構(gòu)圖如圖3所示。

圖3 溯源結(jié)構(gòu)圖

3 服務(wù)平臺使用成效

3.1 研發(fā)水產(chǎn)養(yǎng)殖智能服務(wù)平臺

經(jīng)項目團隊研究，利用現(xiàn)代主流計算機軟件和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，開發(fā)了水產(chǎn)養(yǎng)殖智能服務(wù)平臺。它采用B/S結(jié)構(gòu)的多層設(shè)計：客戶級、Web服務(wù)級、應(yīng)用服務(wù)級和數(shù)據(jù)源級。多層體系結(jié)構(gòu)減輕了Web服務(wù)器的負(fù)擔(dān)，有創(chuàng)建和管理連接的緩沖池的技術(shù)功能、事務(wù)操作和安全服務(wù)，并提高了Web應(yīng)用程序的可伸縮性、可靠性、可管理性和靈活性。這種多層結(jié)構(gòu)將現(xiàn)有的Web服務(wù)器物理上分為兩層：Web由Java servlet、ASP或JSP組成。等待執(zhí)行用戶的請求，分析任務(wù)，將邏輯層任務(wù)發(fā)送到應(yīng)用服務(wù)器進行處理，等待結(jié)果，形成相應(yīng)的HTML文本并返回給用戶；應(yīng)用服務(wù)器（邏輯層）必須執(zhí)行會話層任務(wù)，在這種情況下，它包含操作所有邏輯構(gòu)件以有效運行、與數(shù)據(jù)層交互協(xié)作并返回結(jié)果的必要條件。

3.2 水質(zhì)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的設(shè)計和實現(xiàn)

本研究開發(fā)了安裝在浮標(biāo)上的智能無線傳感節(jié)點，并利用ZigBee、GPRS等通信技術(shù)建立了能實時、連續(xù)獲取、記錄一定范圍內(nèi)監(jiān)測水質(zhì)參數(shù)的無線傳感網(wǎng)，將水質(zhì)、天氣等環(huán)境數(shù)據(jù)參數(shù)傳輸傳送到數(shù)據(jù)庫服務(wù)器，監(jiān)控數(shù)據(jù)可以在個人或移動終端上顯示。

4 結(jié)語

以智能水產(chǎn)養(yǎng)殖為目標(biāo)，利用人工智能、專家系統(tǒng)、無線傳感器網(wǎng)絡(luò)、RFID、Web service等技術(shù)，設(shè)計并構(gòu)建了一個新型的水產(chǎn)養(yǎng)殖智能綜合服務(wù)平臺。平臺采用自動數(shù)據(jù)采集裝置，實現(xiàn)零污染信息采集。水產(chǎn)品安全預(yù)警系統(tǒng)實時監(jiān)測影響水產(chǎn)品質(zhì)量的水質(zhì)參數(shù)。在水產(chǎn)養(yǎng)殖過程中，當(dāng)人工飼料和藥物的使用超過標(biāo)準(zhǔn)時，系統(tǒng)會自動報警并實施相應(yīng)的規(guī)劃措施，以保持水環(huán)境清潔，解決養(yǎng)殖方法不科學(xué)、疾病頻發(fā)和污染嚴(yán)重的問題。筆者還建立了供應(yīng)鏈系統(tǒng)和可追溯性查詢系統(tǒng)，以確保對水產(chǎn)養(yǎng)殖過程和水產(chǎn)品質(zhì)量安全進行全面追溯。