一．研發(fā)背景
現(xiàn)如今隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展和普及，以自動(dòng)化、智能化和網(wǎng)絡(luò)化為核心內(nèi)容的工業(yè)化養(yǎng)殖成為必然趨勢(shì)。圣凱安的研發(fā)人員以物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)為基礎(chǔ)，以漁業(yè)養(yǎng)殖水環(huán)境為應(yīng)用對(duì)象，設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)了一套漁業(yè)養(yǎng)殖水環(huán)境的智能監(jiān)控系統(tǒng)。該系統(tǒng)集數(shù)據(jù)采集、自動(dòng)傳輸、數(shù)據(jù)處理、遠(yuǎn)程手動(dòng)控制和智能控制決策于一身，可以同時(shí)實(shí)現(xiàn)對(duì)主要水質(zhì)指標(biāo)：溫度、溶解氧和p H值等進(jìn)行分布式、網(wǎng)絡(luò)化的管理，通過(guò)擴(kuò)展，可監(jiān)測(cè)光照、氨氮、硫化物、亞硝酸鹽等眾多水質(zhì)指標(biāo)。（湖南圣凱安環(huán)?？萍稼w133..9975..32..997）
一．方案建設(shè)
1. 建設(shè)要求
（1） 保證監(jiān)測(cè)系統(tǒng)可以連續(xù)數(shù)天在陰雨天中不間斷運(yùn)行。
（2） 設(shè)置參數(shù)預(yù)警模塊，如果采集到的數(shù)據(jù)超出了安全范圍，給出報(bào)警警示。
（3） 使用溫度傳感器、PH 值傳感器、溶解氧傳感器采集水溫度數(shù)據(jù)、PH值、溶解氧數(shù)據(jù)并將采集到的數(shù)據(jù)信息通過(guò)無(wú)線傳感模塊傳輸至監(jiān)控終端。
（4） 為水產(chǎn)生物提供一個(gè)良好生長(zhǎng)環(huán)境。
（5） 需要保證數(shù)據(jù)采集與傳輸?shù)臏?zhǔn)確性。
（6） 遠(yuǎn)程監(jiān)控信息獲取除了PC機(jī)以外，還可以通過(guò)手機(jī)獲取，使得用戶(hù)對(duì)水產(chǎn)養(yǎng)殖水質(zhì)狀況信息的獲取不受時(shí)間和空間限制。
2. 建設(shè)目標(biāo)
（1）及時(shí)準(zhǔn)確地向用戶(hù)展示系統(tǒng)采集來(lái)的水質(zhì)參數(shù)情況，為用戶(hù)后期的調(diào)控與管理提供參依據(jù)；
（2）在 Web頁(yè)面和安卓客戶(hù)端顯示水質(zhì)數(shù)據(jù)并且設(shè)置參數(shù)范圍，在超出設(shè)置范圍后，發(fā)出警報(bào)；
（3）利用遠(yuǎn)程云端為其他擴(kuò)展接口的接入使用提供便利，并且云端數(shù)據(jù)庫(kù)的使用，對(duì)數(shù)據(jù)的安全性和存儲(chǔ)量都提供強(qiáng)有力保證；
（4）采集節(jié)點(diǎn)的從機(jī)之間相互獨(dú)立，每個(gè)從機(jī)都能獨(dú)立完成自己的監(jiān)控任務(wù)。
3. 方案優(yōu)勢(shì)（創(chuàng)新點(diǎn)）
本系統(tǒng)是一次物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在漁業(yè)養(yǎng)殖方面的有益探索，具有良好的推廣前景。它集感知、傳輸、存儲(chǔ)、展示和調(diào)節(jié)養(yǎng)殖環(huán)境內(nèi)的多種參數(shù)等功能于一體。系統(tǒng)在上市之前，已經(jīng)過(guò)長(zhǎng)期的運(yùn)行測(cè)試，運(yùn)行狀態(tài)良好，未發(fā)現(xiàn)明顯異常狀況，可以滿足漁業(yè)養(yǎng)殖的基本要求。
4. 設(shè)計(jì)原理
5. 系統(tǒng)機(jī)構(gòu)
該方案針對(duì)工業(yè)化養(yǎng)殖的水質(zhì)及環(huán)境特點(diǎn)，將基于 RS485的分布式測(cè)控子系統(tǒng)和基于以太網(wǎng)的遠(yuǎn)程監(jiān)控相結(jié)合，綜合運(yùn)用了嵌入式Web技術(shù)、實(shí)時(shí)網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)、動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)交互等技術(shù)，將SVG技術(shù)用于實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)的圖形化顯示，實(shí)現(xiàn)了網(wǎng)絡(luò)化的水質(zhì)環(huán)境實(shí)時(shí)自動(dòng)監(jiān)控。
整個(gè)水質(zhì)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)分為感知層、網(wǎng)絡(luò)傳輸層和終端應(yīng)用層三部分，具體工作流程如下圖所示：
感知層：這一部分主要由水質(zhì)傳感器、漁友云（水質(zhì)控制器）等硬件構(gòu)成水質(zhì)傳感器網(wǎng)絡(luò)的物理架構(gòu)，對(duì)養(yǎng)殖池內(nèi)的水質(zhì)環(huán)境參數(shù)進(jìn)行采集和記錄。此外，針對(duì)水質(zhì)傳感器容易污染損壞的問(wèn)題，還為傳感器設(shè)置了自動(dòng)清洗裝置（選配）。
網(wǎng)絡(luò)傳輸層：該部分的主要功能是將傳感器網(wǎng)絡(luò)和監(jiān)控中心連接起來(lái)，將采集來(lái)的水質(zhì)環(huán)境參數(shù)通過(guò)RS485、RS232等結(jié)構(gòu)傳輸至DTU模塊，然后利用GPRS網(wǎng)絡(luò)將數(shù)據(jù)上傳至服務(wù)器，用于后期的數(shù)據(jù)處理、存儲(chǔ)和分析使用。
終端應(yīng)用層：用戶(hù)可以通過(guò)Web網(wǎng)頁(yè)登錄監(jiān)控平臺(tái)系統(tǒng)，查看漁業(yè)養(yǎng)殖水質(zhì)系統(tǒng)的實(shí)時(shí)信息；同時(shí)為方便用戶(hù)使用，設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)了安卓系統(tǒng)的移動(dòng)軟件平臺(tái)，可以讓用戶(hù)隨時(shí)隨地的、多渠道的監(jiān)控水質(zhì)環(huán)境參數(shù)。同時(shí)，用戶(hù)也可以在客戶(hù)端手動(dòng)遠(yuǎn)程控制執(zhí)行設(shè)備，根據(jù)預(yù)測(cè)控制算法的處理結(jié)果控制現(xiàn)場(chǎng)的調(diào)節(jié)設(shè)備
二．相關(guān)產(chǎn)品（漁友云養(yǎng)殖系統(tǒng)）
1. 系統(tǒng)簡(jiǎn)介
漁友云智能水產(chǎn)養(yǎng)殖系統(tǒng)是一款引入新的物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、以及云計(jì)算技術(shù)、模糊運(yùn)算技術(shù)、數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)，全新開(kāi)發(fā) 的新一代智慧農(nóng)業(yè)產(chǎn)品，專(zhuān)用于24小時(shí)手機(jī)實(shí)時(shí)監(jiān)控養(yǎng)殖水體多參數(shù)數(shù)據(jù)，自動(dòng)控制聯(lián)動(dòng)機(jī)械。手機(jī)可不限距離24小時(shí)全天候觀測(cè)塘口水質(zhì)數(shù)據(jù)，具備自動(dòng)告警功能，包括離線告警，數(shù)據(jù)異常告警，設(shè)備故障告警等功能，另附更多增值功能，如多 日曲線對(duì)比圖，養(yǎng)殖日志，視頻監(jiān)控功能等。
系統(tǒng)需求全部來(lái)自長(zhǎng)期與各地水產(chǎn)養(yǎng)殖戶(hù)的蹲點(diǎn)溝通，因此極其貼近水產(chǎn)養(yǎng)殖行業(yè)的需求。用戶(hù)可以根據(jù)系統(tǒng)的檢測(cè)數(shù)據(jù)改善處理措施，實(shí)時(shí)調(diào)整養(yǎng)殖設(shè)備，如增氧機(jī)和投餌機(jī)等。以達(dá)到在增加產(chǎn)量和增加收入的同時(shí)，節(jié)約能源，降低功耗，管理自動(dòng)化的綠色環(huán)?？茖W(xué)養(yǎng)殖目標(biāo)。
2. 系統(tǒng)優(yōu)勢(shì)
● 實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)：24小時(shí)不間斷監(jiān)測(cè)水體溶解氧、溫度等水產(chǎn)關(guān)鍵參數(shù)
● 異常告警：水體參數(shù)異常、設(shè)備工作異常立即告警（主機(jī)聲光告警、軟件信息提示）。
● 機(jī)械聯(lián)動(dòng)：支持3路機(jī)械聯(lián)動(dòng)（增氧機(jī)、投餌機(jī)、水泵等），高配支持8路。支持現(xiàn)場(chǎng)控制、遠(yuǎn)程控制、自動(dòng)控制 三種工作模式。
● 遠(yuǎn)程監(jiān)控：手機(jī)、電腦平臺(tái)軟件，用戶(hù)可隨時(shí)隨地查看水質(zhì)情況，操控水產(chǎn)機(jī)械。
● 備用電源：帶10小時(shí)備用電源（可充放電），不用擔(dān)心夜里停電設(shè)備停止工作。
● 使用安全性：帶有一鍵急停功能，任何聯(lián)動(dòng)機(jī)械出現(xiàn)異常，一鍵斷電，確保使用安全。主機(jī)箱嚴(yán)格按照用電規(guī)范一體化設(shè)計(jì)，可靠接地，布線規(guī)范，并帶防雷功能。
3. 系統(tǒng)組成
硬件包括：溶氧傳感器，PH傳感器，溫度傳感器，ORP傳感器，不銹鋼主機(jī)箱（帶7寸觸摸屏，10小時(shí)備用電源），3路交流接觸器等 ；
軟件包括：手機(jī)端，電腦端管理系統(tǒng)（支持客戶(hù)端方式、Web方式），服務(wù)器軟件平臺(tái)；
服務(wù)包括：安裝過(guò)程指導(dǎo)，日常維護(hù)咨詢(xún)，軟件使用咨詢(xún)，數(shù)據(jù)分析指導(dǎo)等 ；
其它：安裝支架（終身技術(shù)咨詢(xún)服務(wù)）。
4. 產(chǎn)品參數(shù)
供電電源
交流220V，50Hz
溶解氧測(cè)量范圍
0.1~20.0mg/L
電源電壓范圍
220V±10%
溶解氧測(cè)量誤差
±0.5mg/L
環(huán)境溫度
0-50℃
PH值測(cè)量范圍
0.1~14.0
相對(duì)濕度
≤85％
PH值測(cè)量誤差
±0.5℃
被測(cè)水溫
0-50℃
水溫測(cè)量范圍
0~50℃
探頭距離
標(biāo)配20m探頭線
水溫測(cè)量誤差
±0.5℃
清洗周期
60-90天
ORP測(cè)量范圍
0~±1000mv
控制功率
支持8路機(jī)械，每路≤3kw
ORP測(cè)量誤差
±10mv
歷史數(shù)據(jù)
12個(gè)月數(shù)據(jù)云端存儲(chǔ)
主機(jī)尺寸
60×40×500px
備用電源供電時(shí)長(zhǎng)
≥10小時(shí)
儀器重量
約30kg（標(biāo)配）
5. 水質(zhì)傳感器參數(shù)選型
參數(shù)
型號(hào)
測(cè)量范圍
精度
備注
溫度
——
0-60℃
±0.5℃
集成在其他傳感器中
PH
AMT-PH300
0.00-14.00
±0.02PH
玻璃電極法
ORP
AMT-ORP300
<p style="margin-top: 0px; margin-bottom: 12px; color: rgb(33, 33, 33); font-family: -apple-system, "PingFang SC", "Microsoft YaHei", "Droid Sans
0-400μg/l
±3%F.S
熒光法
藍(lán)綠藻AMT-LLZ300
100-300,000cells/mL
100cells/mL
熒光法
化學(xué)需氧量AMT-COD300
0-400mg/L
±5%F.S
紫外光譜法
鹽度AMT-YD300
0-70PSU
±1.5%F.S.
電磁式電極
污泥/懸浮物AMT-WN300
0.01-120000 mg/L
±5%
光學(xué)
三．
物聯(lián)網(wǎng)云平臺(tái)
1. 設(shè)計(jì)思路
• 云平臺(tái)設(shè)計(jì)
所有數(shù)據(jù)儲(chǔ)存在云端，云端服務(wù)器可支持私有云與公有云不同需求架設(shè)。
• 采用B/S模塊化架構(gòu)設(shè)計(jì)系統(tǒng)整體采用B/S架構(gòu)。可利用web直接登錄，數(shù)據(jù)展現(xiàn)直觀，界面美觀，并且各相關(guān)人員通過(guò)Internet可以隨時(shí)查閱到權(quán)限范圍內(nèi)的數(shù)據(jù)。
• 以元數(shù)據(jù)管理為核心
系統(tǒng)中的元數(shù)據(jù)是指：統(tǒng)計(jì)信息體系、查詢(xún)分類(lèi)/分組標(biāo)準(zhǔn)、統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)等。
系統(tǒng)對(duì)上述元數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)一編碼、描述、分類(lèi)分域管理。系統(tǒng)可以動(dòng)態(tài)擴(kuò)展和維護(hù)元數(shù)據(jù)，并以元數(shù)據(jù)為紐帶，保持不同歷史時(shí)期數(shù)據(jù)的內(nèi)在聯(lián)系，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的共享，為數(shù)據(jù)倉(cāng)庫(kù)、數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)、統(tǒng)計(jì)分析的應(yīng)用和開(kāi)展統(tǒng)計(jì)預(yù)測(cè)等后續(xù)應(yīng)用奠定基礎(chǔ)。
• 支持不同用戶(hù)類(lèi)型和不同角色系統(tǒng)的用戶(hù)對(duì)象：政府部門(mén)、學(xué)校學(xué)院、系統(tǒng)管理員等。
• 適應(yīng)不同的調(diào)查組織模式系統(tǒng)*適應(yīng)現(xiàn)行的分析模式。同時(shí)以元數(shù)據(jù)管理為核心，在系統(tǒng)的底層設(shè)計(jì)中充分考慮組織模式改革的長(zhǎng)遠(yuǎn)發(fā)展需要，使之流域環(huán)境保護(hù)的科學(xué)管理模式。
• 具有完善的多級(jí)管理機(jī)制系統(tǒng)從整體構(gòu)架和運(yùn)行機(jī)制上充分考慮不同的應(yīng)用需求，建立良好的數(shù)據(jù)上傳和信息交互機(jī)制，從而實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)多級(jí)管理的應(yīng)用模式。
• 提供靈活的數(shù)據(jù)接口平臺(tái)提供靈活的數(shù)據(jù)接口，確保系統(tǒng)的可拓展性，支持多種軟件數(shù)據(jù)格式。
2.
軟件平臺(tái)總體架構(gòu)感知層采集到的數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)應(yīng)用層的處理之后，實(shí)時(shí)顯示到監(jiān)控平臺(tái)的界面上。用戶(hù)可以根據(jù)這些實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)及平臺(tái)發(fā)出的報(bào)警信息及時(shí)發(fā)現(xiàn)水質(zhì)的變化情況，并且通過(guò)客戶(hù)端遠(yuǎn)程控制調(diào)節(jié)設(shè)備。
數(shù)據(jù)庫(kù)用來(lái)存儲(chǔ)參數(shù)數(shù)據(jù)、工作人員的個(gè)人信息以及傳感器的信息等。軟件部分的設(shè)計(jì)主要包括采集節(jié)點(diǎn)的軟件設(shè)計(jì)、數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)庫(kù)設(shè)計(jì)和控制算法研究四部分。具體流程如下圖所示：
3.
功能模塊將信息處理層按照監(jiān)控系統(tǒng)功能的要求分為用戶(hù)模塊、數(shù)據(jù)模塊、控制器模塊以及數(shù)據(jù)庫(kù)模塊。具體如下圖所示：
● 數(shù)據(jù)庫(kù)模塊負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)和調(diào)用的基本操作，為其他的功能模塊提供數(shù)據(jù)支持業(yè)務(wù)。
● 用戶(hù)模塊負(fù)責(zé)用戶(hù)權(quán)限管理、用戶(hù)信息管理以及登陸管理，保證系統(tǒng)安全性。
●
數(shù)據(jù)模塊負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)的管理，包括實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)顯示、歷史數(shù)據(jù)查詢(xún)等。
● 控制器模塊負(fù)責(zé)相關(guān)設(shè)備開(kāi)關(guān)的管理。
四．
應(yīng)用前景根據(jù)印發(fā)的《水產(chǎn)養(yǎng)殖業(yè)增長(zhǎng)方式轉(zhuǎn)變行動(dòng)實(shí)施方案》以及相關(guān)規(guī)劃，工業(yè)化水產(chǎn)養(yǎng)殖是目前重點(diǎn)推廣和優(yōu)先發(fā)展的產(chǎn)業(yè)，相應(yīng)的，其產(chǎn)業(yè)發(fā)展所必需的裝備必將得到快速發(fā)展。
而水產(chǎn)養(yǎng)殖由于受投入產(chǎn)出比的限制，對(duì)使用設(shè)備的體積、使用可靠性和經(jīng)濟(jì)性都有不同于其它行業(yè)的特殊要求，即要求體積小、能耗低、可靠性高、經(jīng)濟(jì)實(shí)用。因此適合于大規(guī)模、工業(yè)化養(yǎng)殖條件下的基于TCP/IP協(xié)議的漁友云水質(zhì)自動(dòng)監(jiān)控系統(tǒng)必將具有廣闊的
應(yīng)用前景。
