基于物聯(lián)網(wǎng)的水產(chǎn)養(yǎng)殖智能監(jiān)測(cè)系統(tǒng)研究

丁向美，董靜霆

（綿陽(yáng)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，四川 綿陽(yáng) 621000）

0 引言

物聯(lián)網(wǎng)是指通過信息感知設(shè)備，按約定的協(xié)議，將物體與網(wǎng)絡(luò)相連接，物體通過信息傳播媒介進(jìn)行交換和通信，以實(shí)現(xiàn)智能化識(shí)別、定位、跟蹤、監(jiān)管等功能。物聯(lián)網(wǎng)即萬(wàn)物相連的互聯(lián)網(wǎng)，是信息科技產(chǎn)業(yè)的第三次革命。隨著5G 和AI 技術(shù)的發(fā)展，物聯(lián)網(wǎng)的技術(shù)體系承載了大數(shù)據(jù)、云計(jì)算、邊緣計(jì)算和人工智能等先進(jìn)技術(shù)，成為新一代信息技術(shù)落地實(shí)現(xiàn)的重要表現(xiàn)形式。

水產(chǎn)養(yǎng)殖業(yè)正在邁向智慧漁業(yè)4.0 時(shí)代，逐漸從傳統(tǒng)的手工勞作向數(shù)字化、信息化、智能化發(fā)展，從農(nóng)戶散養(yǎng)逐漸向規(guī)?；?、科學(xué)化的生產(chǎn)管理模式發(fā)展。“十四五”時(shí)期是數(shù)字鄉(xiāng)村全面“布局”和重點(diǎn)“破題”的關(guān)鍵階段，隨著鄉(xiāng)村振興戰(zhàn)略的實(shí)施推進(jìn)，為水產(chǎn)養(yǎng)殖產(chǎn)業(yè)提供了新的方向與思路。水產(chǎn)養(yǎng)殖行業(yè)發(fā)展的條件、環(huán)境都發(fā)生了新的變化，發(fā)展機(jī)遇與面臨挑戰(zhàn)并存[1-4]。

利用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)實(shí)現(xiàn)水產(chǎn)養(yǎng)殖業(yè)的智能監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，集水質(zhì)檢測(cè)、遠(yuǎn)程控制、風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警及養(yǎng)殖管理等功能為一體，實(shí)時(shí)監(jiān)控水產(chǎn)養(yǎng)殖環(huán)境，并進(jìn)行養(yǎng)殖區(qū)域管理，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)精細(xì)養(yǎng)殖過程自動(dòng)化、決策管理智能化，為推進(jìn)漁業(yè)高質(zhì)量發(fā)展和現(xiàn)代化建設(shè)提供有力支撐。

1 發(fā)展現(xiàn)狀與趨勢(shì)

水產(chǎn)品作為重要的優(yōu)質(zhì)蛋白來(lái)源之一，在保障國(guó)家糧食安全中具有重要作用。水產(chǎn)品的孵化、生長(zhǎng)、培養(yǎng)都離不開適宜的水質(zhì)環(huán)境和條件。高效的水質(zhì)管理作為水產(chǎn)養(yǎng)殖中的重要工作，能有效縮短水生生物的養(yǎng)殖周期，減少養(yǎng)殖成本，為養(yǎng)殖戶爭(zhēng)取更大的經(jīng)濟(jì)收益，在新時(shí)代全面推進(jìn)鄉(xiāng)村振興、建設(shè)生態(tài)文明等方面發(fā)揮著積極作用。

中國(guó)是水產(chǎn)養(yǎng)殖大國(guó)，但水產(chǎn)養(yǎng)殖業(yè)的發(fā)展仍存在短板，尤其是以丘陵山地為主的西南地區(qū)，魚塘位置較為偏僻，人工管理難度較大，布線困難，自建無(wú)線通信因地形阻隔也難以達(dá)到滿意的效果。目前大多中小規(guī)模養(yǎng)殖仍停留在以人工為主、機(jī)械為輔的管理狀態(tài)，企業(yè)數(shù)量少，行業(yè)規(guī)模小，智能監(jiān)控設(shè)備較少，現(xiàn)代化水平不高[5]。部分魚塘安裝了監(jiān)控設(shè)備，實(shí)施了本地集中監(jiān)控管控，但依然需要人工值守，設(shè)備投入大，運(yùn)營(yíng)費(fèi)用高。傳統(tǒng)的以養(yǎng)殖經(jīng)驗(yàn)為指導(dǎo)的粗放式生產(chǎn)管理方式導(dǎo)致水產(chǎn)養(yǎng)殖出現(xiàn)中產(chǎn)率低、個(gè)體生產(chǎn)能力差、產(chǎn)品質(zhì)量差和競(jìng)爭(zhēng)力弱的突出問題。

隨著現(xiàn)代信息技術(shù)的快速發(fā)展，物聯(lián)網(wǎng)在水產(chǎn)養(yǎng)殖中的應(yīng)用方案也越來(lái)越多，為科學(xué)管理和決策提供可靠支持。在此基礎(chǔ)上，許多學(xué)者對(duì)水產(chǎn)品生長(zhǎng)營(yíng)養(yǎng)需求進(jìn)行了分析和研究，得到了很多關(guān)于水產(chǎn)品營(yíng)養(yǎng)需求的數(shù)據(jù)[6]。同時(shí)，在養(yǎng)殖水體的水質(zhì)監(jiān)測(cè)、養(yǎng)殖設(shè)備的智能控制、養(yǎng)殖環(huán)境的實(shí)時(shí)預(yù)警、養(yǎng)殖溯源的智能管理等方面均有一定程度的應(yīng)用[7-10]，但依然存在技術(shù)工程體量大、示范效應(yīng)難以體現(xiàn)、設(shè)備成本高、維護(hù)相對(duì)繁瑣、缺乏統(tǒng)一的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)、難以規(guī)?；茝V等問題。

在我國(guó)高度重視生態(tài)文明建設(shè)和漁業(yè)綠色循環(huán)發(fā)展的背景下，水產(chǎn)養(yǎng)殖不能只依靠增加面積來(lái)提高產(chǎn)能，重點(diǎn)還須放在轉(zhuǎn)型升級(jí)、增設(shè)漁業(yè)設(shè)施和轉(zhuǎn)變養(yǎng)殖發(fā)展方式上，著力推進(jìn)生態(tài)健康養(yǎng)殖。綜合應(yīng)用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)實(shí)時(shí)監(jiān)控水質(zhì)環(huán)境數(shù)據(jù)，對(duì)養(yǎng)殖進(jìn)行智能化的管理，打破漁業(yè)發(fā)展的核心瓶頸，提高養(yǎng)殖產(chǎn)品品質(zhì)，增加漁民的經(jīng)濟(jì)收入，實(shí)現(xiàn)高效、生態(tài)、安全的現(xiàn)代化水產(chǎn)養(yǎng)殖，是水產(chǎn)養(yǎng)殖產(chǎn)業(yè)的發(fā)展趨勢(shì)。

2 系統(tǒng)研究與設(shè)計(jì)

2.1 系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì)

本文研究的智能監(jiān)控系統(tǒng)，是基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)對(duì)水產(chǎn)養(yǎng)殖過程中的水溫、pH 值、溶氧含量、氨氮含量等水質(zhì)參數(shù)以及光照、溫濕度等環(huán)境質(zhì)量參數(shù)等進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，對(duì)增氧機(jī)、投料機(jī)等養(yǎng)殖設(shè)備進(jìn)行遠(yuǎn)程控制，將監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)上傳到云平臺(tái)，可在電腦或智能終端進(jìn)行實(shí)時(shí)狀態(tài)和歷史數(shù)據(jù)曲線的查看。系統(tǒng)總體架構(gòu)如圖1所示，主要包括感知設(shè)備、執(zhí)行設(shè)備、PLC 控制模塊、智能網(wǎng)關(guān)和云端應(yīng)用。

圖1 系統(tǒng)總體架構(gòu)

2.2 系統(tǒng)工作原理

系統(tǒng)采用高內(nèi)聚、低耦合的模塊化技術(shù)架構(gòu)。分布在養(yǎng)殖水池中的水質(zhì)傳感器對(duì)水質(zhì)溶氧量、酸堿度、氨氮含量等影響水產(chǎn)品產(chǎn)量和質(zhì)量的重要因素進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，通過ModBus 通信協(xié)議傳輸?shù)街悄芫W(wǎng)關(guān)；網(wǎng)關(guān)收到數(shù)據(jù)并進(jìn)行整合處理后通過4G 網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和物聯(lián)網(wǎng)傳輸協(xié)議回傳到電腦或手機(jī)終端，方便水產(chǎn)養(yǎng)殖戶了解水質(zhì)情況并對(duì)可能出現(xiàn)的風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行預(yù)警提醒，用監(jiān)控?cái)z像頭隨時(shí)查看魚塘周邊環(huán)境。

養(yǎng)殖管理員可通過控制終端讀取云端數(shù)據(jù)并與系統(tǒng)設(shè)定的指標(biāo)相比較，借助智能控制器調(diào)節(jié)相應(yīng)的報(bào)警參數(shù)并設(shè)置相關(guān)參數(shù)閾值。當(dāng)環(huán)境參數(shù)達(dá)到閾值，或設(shè)備工作出現(xiàn)問題時(shí)，報(bào)警監(jiān)控發(fā)出報(bào)警信號(hào)和短信提醒，并控制相應(yīng)設(shè)備以防止出現(xiàn)養(yǎng)殖問題，如溶解氧含量不足時(shí)提前開啟增氧機(jī)、飼料不足時(shí)開啟投料設(shè)備等，實(shí)現(xiàn)本地智能加氧、投料，并可遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)查看魚塘的水質(zhì)參數(shù)及環(huán)境質(zhì)量數(shù)據(jù)。

2.3 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.3.1 感知設(shè)備

感知設(shè)備主要指數(shù)字傳感器和網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控設(shè)備。數(shù)字傳感器包括水質(zhì)參數(shù)傳感器（如溶解氧傳感器、pH 值傳感器、水溫傳感器、氨氮傳感器等）、環(huán)境質(zhì)量傳感器（如溫濕度傳感器、光照傳感器等），支持ModBus 通信協(xié)議。監(jiān)控設(shè)備選用?？低暤氖彝鉄o(wú)線攝像頭。

2.3.2 執(zhí)行設(shè)備

執(zhí)行設(shè)備主要是水產(chǎn)養(yǎng)殖中的增加溶解氧的增氧機(jī)、投喂餌料的投料機(jī)、更換水體的水泵等養(yǎng)殖設(shè)備，由智能控制器來(lái)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制。

2.3.3 智能網(wǎng)關(guān)

4G 智能網(wǎng)關(guān)，又稱物聯(lián)網(wǎng)云盒子或數(shù)據(jù)采集傳輸模塊，是數(shù)字傳感器和智能控制器的樞紐。既要把傳感器的數(shù)據(jù)傳輸?shù)皆贫?，又要把控制信?hào)通過ModBus 協(xié)議發(fā)送至智能控制器進(jìn)而控制終端設(shè)備。同服務(wù)器之間使用4G 網(wǎng)絡(luò)技術(shù)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸較其他無(wú)線方式速度快、穩(wěn)定性好。智能網(wǎng)關(guān)支持MQTT 協(xié)議，方便接入OneNET、阿里云等第三方云平臺(tái)。自帶的工業(yè)云支持第三方網(wǎng)關(guān)和人機(jī)交互功能的二次開發(fā)，應(yīng)用配置工具可快速實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互功能，簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)，節(jié)約開發(fā)成本。

2.3.4 智能控制器

智能控制器是集成以太網(wǎng)、RS 485、RS 232、TTL 等多種通信接口的PLC 控制模塊，與智能網(wǎng)關(guān)之間采用RS 485或以太網(wǎng)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳輸。為方便節(jié)點(diǎn)拓展，本系統(tǒng)采用8 輸入8 輸出的控制模塊。

2.4 管理平臺(tái)設(shè)計(jì)

管理平臺(tái)主要指智能終端可視化設(shè)計(jì)及云平臺(tái)設(shè)計(jì)，作為用戶與設(shè)備進(jìn)行信息傳遞的平臺(tái)，是智能監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的重要組成部分，包括現(xiàn)場(chǎng)人機(jī)界面和遠(yuǎn)程管理平臺(tái)。

2.4.1 本地工程配置

本地端控制變量與遠(yuǎn)程控制端的統(tǒng)一是實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程管理的基礎(chǔ)。使用配置工具SuKConfig 進(jìn)行工程配置，設(shè)置好本地端設(shè)備的變量名稱、變量地址、數(shù)據(jù)類型、數(shù)據(jù)單位、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)方式、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)間隔、數(shù)據(jù)讀寫形式等的映射，包括傳感器設(shè)備和養(yǎng)殖控制設(shè)備。

變量配置主要是設(shè)置本地端設(shè)備與智能網(wǎng)關(guān)的連接方式（RS 485）和連接端口（COM1）。連接方式中依次設(shè)置設(shè)備協(xié)議（ModBus）、設(shè)備型號(hào)（ModBus-RTU）以及串口參數(shù)（波特率、數(shù)據(jù)位、檢驗(yàn)位）等，保證智能網(wǎng)關(guān)與本地端設(shè)備間的正確連接。如圖2所示，將所有變量配置好后，點(diǎn)擊下載至BOX（4G 智能網(wǎng)關(guān)）并上傳至云端，完成工程變量的配置。

圖2 工程配置界面

在工程變量配置界面點(diǎn)擊進(jìn)入平臺(tái)可進(jìn)入遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)主界面，輸入賬號(hào)密碼登錄至控制系統(tǒng)界面。在項(xiàng)目配置的BOX 管理頁(yè)面中，輸入4G 智能網(wǎng)關(guān)的ID 序列號(hào)及型號(hào)，再與已經(jīng)創(chuàng)建好的項(xiàng)目進(jìn)行綁定，完成智能網(wǎng)關(guān)的配置，便可進(jìn)行對(duì)應(yīng)項(xiàng)目的界面開發(fā)及設(shè)備遠(yuǎn)程控制等。

2.4.2 遠(yuǎn)程管理平臺(tái)

遠(yuǎn)程管理平臺(tái)是基于4G 物聯(lián)網(wǎng)智能網(wǎng)關(guān)自帶的軟件平臺(tái)進(jìn)行二次開發(fā)實(shí)現(xiàn)。根據(jù)智能監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的功能需求，遠(yuǎn)程管理平臺(tái)主要由設(shè)備監(jiān)控、數(shù)據(jù)監(jiān)控、報(bào)警監(jiān)控、視頻監(jiān)控、項(xiàng)目維保、項(xiàng)目配置、報(bào)表管理及設(shè)備日志等組成。

遠(yuǎn)程管理平臺(tái)中最主要的是設(shè)備監(jiān)控組態(tài)界面，如圖3所示。該界面可以對(duì)環(huán)境因子進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)顯示，方便管理人員直觀地掌握魚塘環(huán)境狀況和遠(yuǎn)程控制養(yǎng)殖設(shè)備，根據(jù)需求設(shè)置數(shù)據(jù)采集周期、定時(shí)投喂和加氧。將數(shù)據(jù)存入數(shù)據(jù)庫(kù)中或生成歷史數(shù)據(jù)報(bào)表，根據(jù)需要選擇配置，自動(dòng)生成不同傳感器數(shù)據(jù)和設(shè)備操作的報(bào)表，方便后期數(shù)據(jù)分析。通過項(xiàng)目維護(hù)、設(shè)備日志等功能，管理人員可規(guī)范地對(duì)本地設(shè)備進(jìn)行維修管理，制定維保計(jì)劃、在報(bào)表中生成維保記錄，方便對(duì)設(shè)備的故障點(diǎn)進(jìn)行管理分析，使設(shè)備運(yùn)行更加可靠穩(wěn)定，提高使用效率。遠(yuǎn)程管理平臺(tái)還能夠?qū)崿F(xiàn)電腦Web 端、手機(jī)APP 及小程序同步查看和控制現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備，且互不沖突。

圖3 遠(yuǎn)程管理平臺(tái)

3 結(jié)語(yǔ)

本文基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，研究設(shè)計(jì)了一套集中管理、智能程度高的水產(chǎn)養(yǎng)殖監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，探索實(shí)現(xiàn)水產(chǎn)養(yǎng)殖的數(shù)字化、科學(xué)化、智慧化、規(guī)?；同F(xiàn)代化。系統(tǒng)操作簡(jiǎn)單、功能齊全、開發(fā)成本低、穩(wěn)定可靠易維護(hù)、人機(jī)交互良好、可二次開發(fā)，不僅能夠提升水產(chǎn)養(yǎng)殖的質(zhì)量和產(chǎn)量，還能降低養(yǎng)殖成本，保障水產(chǎn)養(yǎng)殖產(chǎn)業(yè)的綠色健康發(fā)展。