湖州市吳興區(qū)智慧水產(chǎn)養(yǎng)殖系統(tǒng)建設(shè)方案

車 輝，苗碧舟，馬春躍，楊 波

（1.湖州市織里鎮(zhèn)公共事業(yè)服務(wù)中心，浙江 湖州 313008；2.湖州銀行股份有限公司，浙江 湖州 313000；3.中國移動通信集團山西有限公司太原分公司，山西 太原 030000）

0 引言

隨著中國經(jīng)濟的快速發(fā)展， 人民的生活水平極大提高，對水產(chǎn)品的需求量逐年增加。 但傳統(tǒng)的水產(chǎn)品養(yǎng)殖受限于技術(shù)和模式， 無法滿足人們對數(shù)量和質(zhì)量的要求。 新一代信息與通信技術(shù)的快速發(fā)展， 為智慧水產(chǎn)養(yǎng)殖提供了技術(shù)支持和管理革新的契機。

2020 年7 月， 中央網(wǎng)信辦等七個部門聯(lián)合印發(fā)《關(guān)于開展國家數(shù)字鄉(xiāng)村試點工作的通知》，部署開展數(shù)字鄉(xiāng)村試點工作。數(shù)字鄉(xiāng)村建設(shè)的核心是農(nóng)村、農(nóng)民、農(nóng)業(yè)“三農(nóng)”的管理，以農(nóng)民作為管理的主體，圍繞農(nóng)業(yè)生產(chǎn)管理、農(nóng)村綜合管理、農(nóng)民生活服務(wù)等事項，實現(xiàn)農(nóng)村全面信息化管理。 以數(shù)字鄉(xiāng)村建設(shè)為契機，吳興區(qū)以高新區(qū)楊溇村的湖州廟港人水產(chǎn)養(yǎng)殖基地和湖州織里鎮(zhèn)的恒鑫水產(chǎn)養(yǎng)殖專業(yè)合作社為示范點，建設(shè)了具有吳興區(qū)特色的智慧水產(chǎn)養(yǎng)殖系統(tǒng)。

1 系統(tǒng)架構(gòu)

智慧水產(chǎn)養(yǎng)殖系統(tǒng)架構(gòu)如圖1 所示。 智慧水產(chǎn)養(yǎng)殖系統(tǒng)實現(xiàn)了水質(zhì)在線監(jiān)測、自動投喂、病害診斷、生產(chǎn)管理、水產(chǎn)品質(zhì)量追溯和產(chǎn)區(qū)視頻監(jiān)測等功能。 系統(tǒng)通過物聯(lián)網(wǎng)終端，包括傳感器、攝像頭等設(shè)備自動采集養(yǎng)殖環(huán)境信息、 水下視頻圖像和病害等信息， 并通過網(wǎng)絡(luò)把數(shù)據(jù)傳輸?shù)皆品?wù)中心，由大數(shù)據(jù)分析平臺對信息進行挖掘分析，實現(xiàn)養(yǎng)殖的智能化管理。 同時，系統(tǒng)通過區(qū)塊鏈技術(shù)實現(xiàn)水產(chǎn)品的養(yǎng)殖、運輸、加工和銷售等環(huán)節(jié)的產(chǎn)品溯源，加強水產(chǎn)品的質(zhì)量管理。

2 網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)

湖州市吳興區(qū)智慧水產(chǎn)養(yǎng)殖系統(tǒng)基于物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、云計算、區(qū)塊鏈和智能控制等技術(shù)，集養(yǎng)殖環(huán)境信息的自動采集、傳感組網(wǎng)、數(shù)據(jù)云存儲和大數(shù)據(jù)分析于一體，實現(xiàn)了生產(chǎn)的自動化管理、科學(xué)決策、預(yù)警信息及時發(fā)布和產(chǎn)品溯源跟蹤，有力推動了水產(chǎn)養(yǎng)殖業(yè)的發(fā)展。智慧水產(chǎn)養(yǎng)殖系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)拓撲架構(gòu)如圖2 所示。

系統(tǒng)通過前端監(jiān)測設(shè)備對水產(chǎn)養(yǎng)殖的水質(zhì)和環(huán)境進行監(jiān)測， 并通過智能網(wǎng)關(guān)把數(shù)據(jù)上傳至物聯(lián)網(wǎng)平臺，進行實時監(jiān)測和分析；用戶可通過移動終端或控制中心平臺對投餌增氧系統(tǒng)進行定時等參數(shù)的設(shè)置，實現(xiàn)水質(zhì)增氧、投食的自動或手動控制。 考慮到水產(chǎn)養(yǎng)殖環(huán)境的特殊性，在前端各種傳感監(jiān)測設(shè)備上即可通過ZigBee、WIFI 和無線傳感器網(wǎng)絡(luò)[1]等方式組網(wǎng)，利用智能網(wǎng)關(guān)作為數(shù)據(jù)傳輸樞紐，進行前端數(shù)據(jù)的傳輸和設(shè)備控制，也可利用3G/4G 網(wǎng)絡(luò)或有線網(wǎng)絡(luò)進行數(shù)據(jù)傳輸。數(shù)據(jù)存儲和管理由云數(shù)據(jù)服務(wù)中心承擔， 并通過大數(shù)據(jù)平臺進行數(shù)據(jù)分析。 同時，系統(tǒng)通過與水產(chǎn)養(yǎng)殖專家系統(tǒng)、吳興區(qū)數(shù)字鄉(xiāng)村物聯(lián)網(wǎng)平臺對接，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的共享互通。

3 智慧水產(chǎn)養(yǎng)殖大數(shù)據(jù)平臺

智慧水產(chǎn)養(yǎng)殖大數(shù)據(jù)平臺以農(nóng)業(yè)生產(chǎn)示范、推廣為目標，實現(xiàn)水產(chǎn)養(yǎng)殖從養(yǎng)殖環(huán)境管理、養(yǎng)殖過程管理、運輸管理、加工銷售管理到養(yǎng)殖設(shè)備管理的養(yǎng)殖全過程的信息化、自動化、智能化，實現(xiàn)水產(chǎn)生產(chǎn)全過程智慧管控。 平臺對設(shè)備監(jiān)控信息、設(shè)備采集信息、生產(chǎn)過程信息的統(tǒng)計分析，設(shè)備的使用狀態(tài)和各種管理功能進行統(tǒng)一規(guī)劃展示，以提高水產(chǎn)養(yǎng)殖的管理效率。智慧水產(chǎn)養(yǎng)殖大數(shù)據(jù)平臺功能架構(gòu)如圖3 所示。

（1） 水質(zhì)在線監(jiān)控系統(tǒng)： 對影響水產(chǎn)生長的水溫、光照強度、pH 值、溶解氧、氨氮含量等各種關(guān)鍵指標進行實時采集和監(jiān)測，并對監(jiān)測的環(huán)境參數(shù)進行存儲、統(tǒng)計分析，以供管理人員進行科學(xué)養(yǎng)殖生產(chǎn)決策。

（2）自動投餌系統(tǒng)：系統(tǒng)通過建立養(yǎng)殖品種的生長階段與投喂率、投喂量間定量關(guān)系模型，實現(xiàn)按需投喂，降低餌料損耗，節(jié)約成本，達到自動養(yǎng)殖的目的。

（3）水產(chǎn)病診斷系統(tǒng):包括自診斷和遠程診斷系統(tǒng)。其中，自診斷系統(tǒng)通過構(gòu)建病害知識庫、病害癥狀和診斷分析等工具， 實現(xiàn)水產(chǎn)病的自診斷；同時，通過與專家系統(tǒng)對接，實現(xiàn)水產(chǎn)病的遠程診斷。

（4）水產(chǎn)追溯系統(tǒng)：通過整合水產(chǎn)養(yǎng)殖、運輸、加工和銷售等環(huán)節(jié)的數(shù)據(jù)信息，實現(xiàn)水產(chǎn)品的質(zhì)量追溯，以保證水產(chǎn)品的質(zhì)量。

（5）視頻監(jiān)控系統(tǒng)：分為水下監(jiān)控和廠區(qū)環(huán)境監(jiān)控。系統(tǒng)通過水下攝像頭實現(xiàn)對水下情況的實時錄像。廠區(qū)監(jiān)控承擔水質(zhì)質(zhì)量監(jiān)測和周圍環(huán)境監(jiān)控的作用，為廠區(qū)養(yǎng)殖提供必要的安全保障。

（6）設(shè)備管理系統(tǒng)：對設(shè)備狀態(tài)、設(shè)備使用情況進行監(jiān)測和統(tǒng)計分析，建立設(shè)備控制器和系統(tǒng)核心服務(wù)器間的數(shù)據(jù)通訊鏈路，對養(yǎng)殖環(huán)境信息參數(shù)進行計算分析后，生成設(shè)備的控制指令，實現(xiàn)設(shè)備的管理、連接和自動控制。

4 子系統(tǒng)設(shè)計

下面對智慧水產(chǎn)養(yǎng)殖系統(tǒng)的水質(zhì)在線監(jiān)控系統(tǒng)、自動投餌系統(tǒng)、水產(chǎn)病害診斷系統(tǒng)和水產(chǎn)品追溯系統(tǒng)等子系統(tǒng)設(shè)計進行簡要介紹。

4.1 水質(zhì)在線監(jiān)控系統(tǒng)

水質(zhì)在線監(jiān)控系統(tǒng)通過對養(yǎng)殖環(huán)境信息的自動采集、安全存儲和數(shù)據(jù)實時處理，實現(xiàn)養(yǎng)殖環(huán)境的實時監(jiān)測、異常預(yù)警和自動控制。 水質(zhì)在線監(jiān)控系統(tǒng)由各種傳感器、數(shù)據(jù)采集器（無線傳感網(wǎng)）和智能控制器等組成。

傳感器：由水質(zhì)傳感器和氣象傳感器組成。 其中水質(zhì)傳感器負責對包括溶解氧、水溫、pH、水位、鹽度、濁度、氨氮、亞硝酸鹽、葉綠素等數(shù)據(jù)指標的檢測，承擔水質(zhì)環(huán)境監(jiān)測作用，是實現(xiàn)智慧水產(chǎn)養(yǎng)殖的前提； 氣象傳感器實現(xiàn)對環(huán)境因素的實時監(jiān)測，如光照、氣溫、氣壓、風速、風向等，實現(xiàn)水質(zhì)預(yù)測、預(yù)警與控制的聯(lián)動。

數(shù)據(jù)采集器：目前有兩款設(shè)備，一是由HMI 人機交互屏和PLC 邏輯控制單元組成的可觸控式采集器，在觸摸屏上即可對相應(yīng)參數(shù)做預(yù)警閾值修改和控制有關(guān)養(yǎng)殖設(shè)備（增氧機、燈光補償、投餌機等）；另一種是不可觸控式采集器，由太陽能供電。

智能控制器：實現(xiàn)智能自動控制、遠程控制和現(xiàn)場手動控制等功能。 智能控制器根據(jù)水產(chǎn)養(yǎng)殖廠的相關(guān)信息， 通過智能分析決策系統(tǒng)自動開啟或調(diào)節(jié)相關(guān)設(shè)備，比如投餌機等；同時通過監(jiān)控軟件配置警戒閾值，超過警戒閾值啟動報警功能。

4.2 自動投餌系統(tǒng)

針對傳統(tǒng)喂養(yǎng)模式粗放、飼料利用率低、浪費大等問題，自動投餌系統(tǒng)主要實現(xiàn)定時、定點、定量投喂飼料和遠程控制等功能，有效改善傳統(tǒng)投餌問題，提高水產(chǎn)養(yǎng)殖的效率。 自動投餌系統(tǒng)由數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)傳輸、控制系統(tǒng)和投餌機等組成。其中數(shù)據(jù)采集設(shè)備主要包括：粒位儀，負責實時感知料箱內(nèi)剩余飼料，當達到警戒值時會報警；傳輸模塊，數(shù)據(jù)通過無線傳感網(wǎng)或3G/4G 網(wǎng)絡(luò)進行傳輸； 控制系統(tǒng)，可人機交互操作，實現(xiàn)自動或手動投食、定時定量投食設(shè)定等功能。 投食機由可編程PLC 控制器進行控制。 自動投餌系統(tǒng)如圖4 所示。

其中投喂決策系統(tǒng)是根據(jù)養(yǎng)殖品種長度與重量關(guān)系，通過分析光照強度、水溫、溶氧量、濁度、氨氮、 養(yǎng)殖密度等因素與餌料營養(yǎng)成分的吸收能力、餌料攝取量關(guān)系，建立養(yǎng)殖品種的生長階段與投喂率、投喂量間定量關(guān)系模型，實現(xiàn)按需投喂，降低餌料損耗，節(jié)約成本。

4.3 水產(chǎn)病害診斷系統(tǒng)

水產(chǎn)病害診斷系統(tǒng)是在用戶需求分析的基礎(chǔ)上，通過集成智能代理技術(shù)、遠程診斷技術(shù)，設(shè)計用于水產(chǎn)疾病診斷的系統(tǒng)。

水產(chǎn)病害診斷系統(tǒng)由自診斷和遠程診斷組成。其中智能自診斷系統(tǒng)借鑒專家的知識與經(jīng)驗，建立了包括診斷主體、診斷客體、診斷要素、診斷結(jié)果、診斷思維、診斷方法等7 個因素的水產(chǎn)病診斷的領(lǐng)域模型；而遠程診斷系統(tǒng)則具有強大而又易用的專家遠程在線診斷功能。

4.4 水產(chǎn)品追溯系統(tǒng)

水產(chǎn)品追溯系統(tǒng)能夠?qū)λa(chǎn)養(yǎng)殖企業(yè)的育苗、放養(yǎng)、投喂、病害防治到收獲、運輸?shù)壬a(chǎn)流程進行跟蹤管理，實現(xiàn)水產(chǎn)品的跟蹤溯源[2]。 系統(tǒng)利用區(qū)塊鏈技術(shù)， 實現(xiàn)數(shù)據(jù)的安全存儲和可信性管理，防止單點造假，解決傳統(tǒng)產(chǎn)品溯源困難、追責效率較低的問題，提高追溯效率[3]。 水產(chǎn)品追溯系統(tǒng)如圖5 所示。

5 移動APP 設(shè)計

用戶可以通過手機、IPDA 等智能終端， 在移動APP 上實時掌握養(yǎng)殖水質(zhì)環(huán)境信息，及時獲取異常報警信息，并可以根據(jù)水質(zhì)監(jiān)測結(jié)果，實時調(diào)整控制設(shè)備，同時可實時查看現(xiàn)場視頻，控制投食設(shè)備， 實現(xiàn)水產(chǎn)的科學(xué)養(yǎng)殖與管理。 移動APP 的功能包括水質(zhì)和氣象數(shù)據(jù)實時查詢、歷史數(shù)據(jù)查詢、投餌控制、數(shù)據(jù)分析、實時視頻播放、歷史視頻播放、養(yǎng)殖行業(yè)動態(tài)等。 移動APP 的功能架構(gòu)如圖6 所示。

6 結(jié)語

吳興區(qū)智慧水產(chǎn)養(yǎng)殖系統(tǒng)通過綜合運用物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、云計算和區(qū)塊鏈等技術(shù)，實現(xiàn)對水產(chǎn)養(yǎng)殖環(huán)境、水產(chǎn)品生長狀況等的實時監(jiān)測，具有數(shù)據(jù)實時采集分析、水產(chǎn)品溯源等功能。 本文對智慧水產(chǎn)養(yǎng)殖系統(tǒng)的架構(gòu)、 網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)和大數(shù)據(jù)平臺進行了設(shè)計，并對水質(zhì)在線監(jiān)控系統(tǒng)、自動投餌系統(tǒng)、水產(chǎn)病診斷系統(tǒng)、水產(chǎn)品追溯系統(tǒng)等子系統(tǒng)的實現(xiàn)進行了闡述。 智慧水產(chǎn)養(yǎng)殖系統(tǒng)有利于推動水產(chǎn)養(yǎng)殖的自動化、智能化管理和科學(xué)決策，提升養(yǎng)殖效率，為水產(chǎn)養(yǎng)殖戶增產(chǎn)增收。