智能化水產養殖設計分析

發表時間:2019/7/19 18:04:11  
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1智能化水產養殖設計基石

1.1物聯網

物聯網(IOT,TheInternetofThings)的定義是:通過射頻識別系統(RFID)、紅外感應系統、全球定位系統(GPS)、激光掃描儀等信息傳感設備,按照約定的協議,賦予物體智能,并通過接口把需要連接的物品與國際互聯網連接起來,形成一個物品與物品相互連接的巨大的分布式網絡,從而實現智能化物品識別、物品定位、物品跟蹤、物品監控和管理[2]。它的本質就是“物物相連的互聯網”。運用物聯網,就是采集環境數據、水質數據和水產種群數據等,分析數據即感知層,通過互聯網進行數據傳輸即通信層,到達技術應用層,進行數據處理。1.1.1物聯網感知層感知層即獲得水質監測結果,通過與水質監測儀以及根據水產養殖數據庫建立的水質監測模型獲取水體質量的實時監測,利用短距離傳輸技術和自組織組網技術,協同信息處理,將監測到的信息轉化成能處理的數字信號。1.1.2物聯網通信層物聯網通信層即傳輸層,通過無線或者有線網絡模式將信息傳輸到中央數據庫中,建立數據儲備系統。類似智能機器人能夠與人正常交流,是將人與人之間生活交流的談話以數據形式存儲于機器人存儲芯片中。在數據儲備過程中,通過異構網融合、管理資源和存儲管理、遠程管理安全技術,傳達到數據處理層面。1.1.3物聯網技術應用層通過服務器、計算機、存儲設備和云計算的方法,利用專業軟件及服務,將海量數據進行分類、整理、挖掘分析,建立各種算法,優化調度,應用在水產養殖行業。具體則是將水質監測結果信息通過計算、云計算等方法進行分類和挖掘分析,通過養殖監管渠道較好管理水產行業。

1.2水產養殖

水產養殖的目的與農業生產相似,希望能利用有限的資源生產穩定高產的好產品,實現水產養殖的經濟效益,其中要考慮的環境因素主要有水體溶氧量、PH值、溫度、鹽度等。1.2.1水體溶氧量水體溶氧量與水產養殖關系緊密。水產養殖不可避免的需要考慮養殖密度的問題,通過研究溶氧量與養殖密度的相互關系,確定水產養殖密度,有效提高水產養殖的經濟效益。不同的水生動物對水體溶氧量的適應機制不同,采取的水產養殖密度和科學管理方法也不同,并且對于不同的水生動物的不同習性也會令養殖戶誤解。拿海參來講,海參活動緩慢,喜風浪沖擊小、水流緩慢的海區,個體養殖戶誤會不擔心水體溶氧量的問題,不注意向水體輸氧,從而未實現科學水產養殖,經濟效益沒有達到最大化。水質富營養化,微生物、浮藻類過度繁殖,造成水體發臭、發黑,水體溶氧量會降低,不僅對魚類,對其他水產養的生存影響也很大。1.2.2PH酸堿值水體PH改變,水生動物通過呼吸或直接接觸等防止使水生動物體內PH值發生變化,破壞體內維持正常生活狀態的酸堿平衡,水體堿性超過正常值會腐蝕魚類鰓組織,使其呼吸障礙;酸性過強會使H2S濃度增高造成水體毒性增強不適宜水產養殖。養蝦水質的重要因素之一水體PH值,蝦最適宜生長的PH值是弱堿性,而在弱酸性條件下蝦類傳染性蝦病易發,即使水體溶氧量豐富,蝦類也會呼吸困難,生長困難。PH值決定因素是由水中二氧化碳和碳酸鹽的含量決定的,而二氧化碳的含量又與水中生物呼吸作用、細菌等的氧化作用和水生植物光合作用相互作用決定的。并且PH值在一天的不同時間也會不同,太陽上升,植物光合作用加強,水中二氧化碳減少,PH值偏高,而夜晚呼吸作用加強,PH又會變小。1.2.3溫度水產養殖環境不同,有池塘,湖泊,海田等,而如果水體很深,溫度就會分層,表層水溫晝夜間有變化,底層溫度則因陽光無法穿透長時間保持低溫狀態,變化很小。但是底層溶氧量較少,需氧大的水產無法潛入底層躲避高溫,從而晝夜溫差對漁業生產有影響。同時日溫差大小也會影響水產養殖,中間沒有躍溫層,水體底層和上層能夠順利進行物質交換,就與新疆哈密瓜特別甜、產量高的道理相同。1.2.4鹽度水體鹽度與水生動物生活息息相關,外界鹽度比細胞內鹽度高,細胞失水;反之,細胞沖水,兩種情況都對水生生物生存不利。同樣,不同水生生物對水體鹽度的要求不同,淡水和海水生生物鹽度肯定不同,同時作為個體養殖與自然環境不同,必要時也需要在水體中投放相對應的鹽類。另一方面,鹽度過高對淡水魚類繁殖和魚卵的發育影響較大,魚卵受精后孵化率較低,會影響魚類產量,經濟效益下降。鹽類中亞硝酸鹽是氨經過細菌作用發生氧化反應生成的,亞硝酸鹽濃度過高會使魚類中毒,不僅水產產量下降,而且我們吃了這種魚對身體健康也不利。

1.3樹莓派

樹莓派(RaspberryPi)樹莓派又被人們稱為“卡片式電腦”,雖然是電腦,但是核心只有信用卡大小,最初設計者是以讓學生更好地學習編程設計而來。目前樹莓派已經上市3代。樹莓派主板基于ARM,利用生活中常見的SD卡,做內存硬盤,可以利用USB口連接鍵盤鼠標,可以網線連接網絡,也可以WLAN連接網絡,還支持藍牙連接,有HDMI高清視頻接口,可以連接顯示屏幕,樹莓派三代B擁有40個GPIO針腳,可運行Linux等系統(2代B型及以上型號可運行Windows10IOT系統)[3]。將RaspberryPi正常運轉起來之后,進入圖形化界面使用方式與電腦無異,其軟件編程優勢在于可以用MIT開發的Scratch圖形化編程語言、Python語言、C、Ruby、Java和Perl等各種語言為RaspberryPi開發程序。RaspberryPi與傳統單片機相比,在互聯網上優勢較大,因為RaspberryPi不僅可以連接傳感器,還可以利用傳感器信息作出相應反應。

2智能化水產養殖設計

智能化水產養殖基于物聯網技術思想,將智能傳感技術、智能處理技術及智能控制技術納入一個監控養殖體系,實現水產養殖智能體系化,解放勞動力,提升經濟效益。其中,傳感層包括感知養殖塘的水體溶氧量、pH酸堿值、溫度、鹽度等參數;智能處理層包括接受傳達來的相關消息,根據科學養殖相關理論得出調控結論;智能控制層就是根據調控結論調節養殖塘水質,使水產養殖在最適宜的環境下產生最大的經濟效益。

2.1要解決的問題

2.1.1實現實時養殖監測不同水生生物對水質的要求不同,為尋求經濟價值,則應對不同的水生生物水質采取不同的措施,為方便管理,將這些分散的養殖產品統一起來,通過監管水產養殖密度、水產養殖魚藥和飼料、水產病害等方面,記錄水產養殖生產記錄、用藥記錄和銷售記錄,節約勞力,實現現代信息科學技術與傳統漁業結合的目的。2.1.2實現網絡信息實時更新如上所述,要求實時監測,才能令監控系統發揮價值,若漁民是在養殖場地收集到了監測數據,那么與漁民親自“下水”檢測作用相似,在這個過程中沒有實質的經濟效益的提升。而實現了網絡信息實時更新,漁民可以實時掌握水產養殖動態,有效提高經濟效益。2.1.3以較小的成本實現最大的價值自主研發物智能化水產養殖,大大降低了引進設備的成本,也可以保證系統的更新服務,在投入成本上為漁民減小壓力。

2.2實現目標

基于對系統開發端的描述,用戶利用這套智能化水產養殖監測產品通過網絡端隨時誰地獲取自己的養殖池水質情況和采取的措施,判斷養殖池水產品狀態是否良好是否需要人工介入等,從而實現水產養殖智能化、提高經濟效益的目的。

3智能化水產養殖技術方向設計

如上描述的,智能化水產養殖包括傳感層、智能處理及智能控制層,最終將結果顯示到客戶端,具體設計如圖1所示。

3.1無線監測與控制

具有特殊傳感作用的無線傳感器放置在各個魚塘中,利用ZigBee無線傳感網絡與智能處理層及控制層相連。智能處理層通過GPRS接收傳感信息,經過處理后,通過控制層傳達到特定魚塘的控制節點,利用控制節點作出相應反應。由于養殖池都具有大小相當,相互獨立等特點,因此無線傳感網采用簇狀拓撲結構[4](clustertree)較為合適。

3.2互動平臺設計

互動平臺的主要功能是將智能化水產養殖信息呈現給用戶,并實現用戶與自家養殖池互動。互動平臺進入界面首先需要登錄,登錄分為管理員登錄和用戶登錄,信息處理完畢后需要退出登錄。這個管理系統總體分為兩個大部分,一個是管理員界面,另一個是用戶界面,如圖2所示。管理員界面設計包括兩個方面:養殖池信息管理、用戶賬戶管理。其中養殖池和用戶賬戶涉及數據庫設計,如圖3所示。圖中養殖池管理表示當用戶申請養殖池時,若滿足相關要求,則在養殖池管理中生成一條信息。養殖池信息只有管理員能增加、修改或刪除,用戶只有瀏覽的權限;用戶信息管理員有權修改用戶權限,也可以添加或刪除用戶,用戶僅有注冊和修改資料的權限。用戶界面設計包括三個方面:己有養殖池信息瀏覽、系統現有養殖池信息、用戶資料修改。己有養殖池信息瀏覽提供的是養殖戶已經申請到、并投入使用的養殖池的類型、規模和監測數據并且系統提供的處理方式,便于用戶判斷是否需要人工介入;系統現有養殖池信息是管理員將此產品現階段開發的比較完善的智能化養殖池和最佳養殖池數量信息發布到網絡上,以便用戶申請添加合適養殖池;用戶資料修改包括密碼修改、賬號綁定等方面。

參考文獻:

[1]汪懋華.物聯網農業領域應用發展對現代科學儀器的需求[J].現代科學儀器,2010(3):5-6.

[2]劉錦,顧加強.我國物聯網現狀及發展策略[J].企業經濟.2013(4):114-117.

[3]靳祺楨.芻議樹莓派在物聯網技術中的應用[J].電子技術與軟件工程,2016(11):18-19.

[4]劉卉,汪懋華,王躍宣,等.基于無線傳感器網絡的農田土壤溫濕度監測系統的設計與開發[J].吉林大學學報,2008,38(3):604-608.

作者:王佳媛 張磊 姜萌萌 單位:天津財經大學

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