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1、智能水产及水质环境自动监控系统1. 系统简介长期以来，我国水产养殖生产经营者多以追求产量和近期经济效益为目标，养殖密度过高，加上保护养殖环境意识淡薄，养殖病害呈逐年加重之势，随之而来的是药物滥用现象较为普遍，以至于水域环境遭到不同程度的破坏，水产品质量安全得不到有效保障，水产养殖业可持续发展受到严重影响，研究解决水产养殖环境状况已经成为水产养殖业持续健康发展的重要课题。影响水产养殖环境的关键参数就是水温、光照、溶氧，ph 值等，但这些关键因素即看不见又摸不着很难准确把握。现有的水产管理是以养殖经验为指导，也就是一种普遍的养殖规律，很难做到准确可靠，产量难以得到保障。随着养殖业的不断发展，市场调
2、节失控，竞争越来越激烈，掌握准确可靠的养殖数据，科学养殖，提高产量与品质，势在必行。针对目前水产养殖环境的现状，湖南中本智能科技发展有限公司联合中国农科院及湖南农业大学，在多方养殖专家的技术指导下，并经上百次的实地走访全省各地水产养殖专业户听取建议，成功研制出基于物联网的集约化水产智能养殖系统，本系统可以为用户节省大量人工操作和电力消耗，限制鱼类疾病所造成的损失，减少死亡率。通过长期连续的监测、调节和控制水质，可以显著增加养殖产量。该系统利用智能传感技术、无线传感网络技术、移动通信技术、智能处理与智能控制等物联网技术开发的，集水质环境参数在线采集、无线传输、智能处理、预警信息发布、决策支持、远
3、程与自动控制等功能于一体的水产养殖物联网系统，荣获国家专利，并通过国家教育部科技查新，产品技术领先，填补国家水产养殖自动化空白。用户可以通过手机、PDA 、计算机等信息终端远程查询水质信息，同时也可通过对数据进行分析处理，做出控制决策，远程控制增氧设备。系统（见下图）由智能感知设备、无线传输网络、增氧控制器、监控平台组成。基于物联网的水产智能养殖系统组成框图（1） 智能水质传感器本系统针对水产养殖对水质的要求，可同时监测温度、溶解氧、PH、电导率和氨氮五个参数。所采用的传感器可靠性高、易于维护，适合水产养殖领域推广应用。 （2） 无线传感网络无线传感网络可实现 2.4GHz 短距离通讯，现场无
4、线覆盖范围 3 公里；采用智能信息采集与控制技术，具有自动网络路由选择、自诊断和智能能量管理功能。（3） 增氧控制器增氧控制器由测控终端和电控箱等构成，是实现增氧控制的关键部分，它可以驱动叶轮式、水车式或微孔曝气空压机等多种增氧设备。测控终端可以根据需要配置成无线数据采集节点及无线控制节点。（4） 监控平台用户通过监控平台（见下图）可以实施监测水质参数，同时监控计算机对数据进行分析处理，做出控制决策，通过无线接入点向配电箱发送控制指令。监控平台2. 需求分析我国水产养殖业的集约化、设施化、信息化水平很低，主要沿用大量消耗资源和粗放式经营的传统养殖模式。这一模式导致生态失衡、资源枯竭、环境恶化的
5、问题日益显现；细菌、病毒、寄生虫等大量滋生和有害物质积累给水产养殖业带来很大的经济风险和管理困难；不合理的投饵、施药、施肥等恶化了水产品的生长环境，导致食品安全问题严重。随着经济社会的进步和现代农业的发展，特别是社会各界对食品安全问题的高度关注，水产养殖业必须加快产业转型与升级。标准化生产、规范化操作、信息化管理的集约化、智能化健康养殖方式是今后水产养殖业发展的必然方向。基于物联网的集约化水产智能养殖系统，可以使养殖企业有效应用现代信息技术，由传统粗放型、经验型的养殖模式转变为精细化、网络化和智能化管理的现代水产养殖模式，促进渔业生产方式转变，可实现对水产养殖全过程的自动控制及科学管理，包括水
6、质监控、精细投喂、病害防治等环节，有效增加产量、缩短养殖周期、减少养殖风险、降低生产成本、提升水产品品质控制能力，同时可以减轻劳动强度、扩大生产规模、提高生产管理的自动化程度，对现代水产养殖业发展具有重要的推动作用。3. 系统架构及功能本系统以物联网的 DCM 三层架构来建立完整的水产物联网应用，每层架构应用最先进的物联网技术，并始终体现云计算和云服务的思想，并实现效果和设计理念上体现“可视化、泛在化、智能化、个性化、一体化的特点。系统的整体技术架构如下图所示。系统技术架构图水产养殖环境智能监控系统是该项目的核心，它由水质监测、无线传感网络、增氧控制站、应用系统、现场及远程监控中心等子系统组成
7、。3.1 水质监测本系统针对水产养殖对水质的要求，可同时监测温度、溶解氧、pH、电导率和氨氮五个参数。所采用的传感器均为自主研发的水质传感器，可靠性高、易于维护、成本相对较低，适合水产养殖领域推广应用。3.2 无线传感网络 无线传感网络可实现 2.4GHz 短距离通讯和 GPRS 通信，现场无线覆盖范围 3 公里；采用智能信息采集与控制技术，具有自动网络路由选择、自诊断和智能能量管理功能。 采用自适应高功率无线射频电路设计，无线传感网络发送功率达到 100mW，接收灵敏度从-96DBm 提高到-102DBm.现场可视条件下，射频通信距离达到 1000 米。 采用集中式路由算法和 UniNet
8、协议，可靠路由达到 10 级。 采用智能电源综合管理技术，提升节点装置的适应性和低能耗性能设备能量使用寿命延长 5-10 倍。 采用无线网络自诊断规程，实现无线网络运行状态监视和故障报警。3.3 增氧控制器无线溶解氧控制器由测控终端和电控箱等构成，是实现增氧控制的关键部分，它可以驱动叶轮式、水车式或微孔曝气空压机等多种增氧设备。测控终端可以根据需要配置成无线数据采集节点及无线控制节点。无线控制节点是连接无线数据采集节点与现场监控中心的枢纽，无线控制节点将无线采集节点采集到的溶解氧智能传感器及设备信息通过无线网络发送到现场监控中心；无线控制节点还可接受现场监控中心发送的指令要求，现场控制电控箱，
9、电控箱输出可以控制 10kw 以下的各类增氧机，实现溶解氧的自动控制。增氧电控箱或电控柜是将控制终端输出的信号转变为驱动最终增氧设备的部件，具有强大的负载能力，同时它具有手动操作按钮、运行指示灯和短路保护、过载保护、漏电保护等电气设备保护功能，其制作安装规范应符合 GB50171-92 和 GB10396 要求。图 增氧控制器3.4 监控平台针对不同集约化水产养殖场水质与环境监控指标、节点数量与分布位置差异大，设备故障风险高等问题，研究开发无线监控网络节点参数与数量配置、拓扑结构与中继路径图自动生成等系统组态技术，水质超标、控制设备与监控网络系统故障等远程预警技术，开发水质与环境信息无线监控网
10、络系统软件，提供友好的人机接口，灵活的报警策略与方式，丰富的网络系统与数据管理功能，实现水质及环境信息全天候、数字化的在线监测、预警和控制。用户通过监控平台可以实施监测水质参数，同时监控计算机对数据进行分析处理，做出控制决策，通过无线接入点向配电箱发送控制指令。 3.5 监控中心根据企业管理需求，建立监控中心。监控中心由服务器、多业务综合光端机、大屏幕显示系统、UPS 及配套网络设备组成，是整个系统的核心。4. 系统特点与优势创新a) 实用性：水产养殖站点地理位置分散，因此采用覆盖广泛的 GPRS 网络高信号捕捉，必要是采用高增益天线，可确保网络的正常运行；b) 实时性：采用最新的通信和软硬件
11、技术，建立了清晰和合理的系统架构，可以实现多线程的远程并发通信，在几秒时间内，可以让成百上千台的测控终端实时传送到监控中心进行集中监视和远程调度，实现故障信息的及时报警；c) 可扩充性：系统预留接口，可以进行系统或软硬件模块的无限扩展，便于长期的升级和维护，延长系统的寿命，通过更新部件，能让系统一直存在下去，而不至于整个系统瘫痪，造成大量的投资损失；d) 易维护性：系统可对测控终端执行相应的远程操作命令，包括远程参数设置，远程控制、远程数据抄收、远程终端复位、远程测控终端升级等；e) 操作简易性：系统软件功能完善，模块化、图形化设计，全过程全中文帮助，操作简单方便；f) 所研制的无线传感网络具
12、有组网灵活、超低功耗的特点，无线单跳通信距离不低于500m，通过无线中继与缓存技术，可覆盖 10 平方公里的养殖场范围。g) 无线网络设备均为 3.0V 电池供电，具有低电压、低功耗的特点，并由太阳能补充供电，免除布线，降低了设备成本，方便现场安装，适用于野外长期监控，并且节能降耗。h) 该系统提供手机短信遥控功能，并提供 3G、4G 手机视频监控接口，在任一有手机信号的地方都可实现远程监控。i) 该系统提供云计算服务，特别适合大范围（可至区、县、甚至省域）水产养殖的水体疫情、疫病、应急决策服务和养殖信息的咨询。j) 采用该系统实现了与设施渔业技术、生态修复、健康养殖技术进行有机融合，对水质进
13、行综合监控与修复，可以改善水产养殖环境，使水产品在适宜的环境下生长，增强水产品的抗病能力，减少和避免大规模病害的发生，从而有效提高了水产品的产量和质量。k) 使用本系统所养殖品种规格变大，总产提高，同时减少水产养殖对周边水体环境的污染，具有显著的经济社会效益，适合大面积推广。5. 实际效益分析5.1 进一步促进现代渔业产业升级通过水产智能养殖系统为水产养殖提供精细化管理工具，有效提高养殖户科技素质和水产养殖管理水平，促进水产养殖产业健康发展，综合提高渔业生产效益；协助水产养殖企业加快产业升级，提高水产品的质量和生产效率，增强供给能力和市场竞争力。5.2 生态环境效益显著通过精细化养殖模式，逐渐
14、摈弃不合理使用药品、饵料等养殖方式，逐步向生态养殖、健康养殖转变。一方面提高水产品的质量和品质，另一方面减少对水环境的污染，生态环境效益显著物联网技术的应用，是水产养殖技术的一场革命，是现代渔业发展的重要抓手，是实现渔业现代化的重要途径。彻底改变了过去靠经验养鱼的历史，开启水产养殖的新篇章。6. 系统功能1）实时监测数据采集部分检测水体温度、水位、溶解氧、PH 值等参数。网络传输部分把数据传送给服务器，并提供远程终端访问主服务器功能。采集到的数据通过终端设备展示给用户。2）远程控制当监测到水温低于设定点时，远程启动供暖设备进行供暖。当监测到水质恶化时，远程启动排污设备进行排污或换水。当水体含氧量超出溶解氧范围时，远程开启增氧机。当监测水位过低时，远程启动抽水设备进行蓄水。3）数据查询PC 远程访问。手机端远程访问。实时查询任一传感器数据。实时查询任一传感器当前状态。4）自动报警监测到水位过低时，声音和手机短信报警。监测到水温过低时（天气变冷） ，声音和手机短信报警。监测到水体含氧量过低时，声音和手机短信报警。监测到水位恶化时，声音和手机短信报警。5）统计分析对收集到的监测数据进行分类管理。对收集到的监测数据进行分析处理。定期生成各类监测统计报表。定期生成各类监测分析报表，用于指导水产养殖。湖南中本智能科技发展有限公司2015 年 8 月
