基于云計算的淡水魚封閉循環式養殖平臺設計

劉光明 季延濱 孫學亮

摘要：針對傳統的淡水漁業環境污染和水資源消耗嚴重，抗生素的濫用影響食品安全等問題，基于云計算架構，采用Java 語言開發，從養殖水質及環境自動監測控制，淡水魚精細喂養、疾病預測及診斷等方面建立了相關系統模型，運用WebService技術、VMwar技術、統一存儲技術對系統資源進行整合，采用Java+oracle技術開發了封閉循環式養殖平臺。系統轉變了淡水魚的養殖方式，解決了養殖過程中存在的安全問題，節約硬件投入成本，增加經濟效益，為實現淡水魚養殖信息化提供了技術支撐。

關鍵詞：淡水魚；虛擬化；云計算；平臺設計

中圖分類號：S951.2；TP393 文獻標識碼：A 文章編號：0439-8114（2015）11-2755-03

DOI：10.14088/j.cnki.issn0439-8114.2015.11.052

Designs on Closed Cycle Type Platform of Freshwater Fish

Aquaculture based on Cloud Computing

LIU Guang-minga，JI Yan-binb，SUN Xue-liangb

（a. Network Information Center；b. College of Fisheries， Tianjin Agricultural University，Tianjin 300384， China）

Abstract： In view of the problems in traditional freshwater fish aquaculture such as environment pollution and serious water resource consumption， food safety problem for abuse of antibiotic， based on the cloud computing architecture and Java language， the related system model was constructed including the aquaculture water quality and environmental automatic monitoring and control， freshwater fish fine feeding， disease prediction and diagnosis system model， and the system resources were integrated by using the WebService technology， VMwar technology， unified storage technology， the closed recirculating culture platform was developed by java+oracle technology. The transformation of the freshwater fish farming mode solved the safety problems during the breeding process， saved the hardware cost， increased the economic benefit， which provided technical support for realizing the informatization of freshwater fish farming.

Key words： freshwater fish；virtualization；cloud computing；platform design

在中國北方，傳統的淡水魚養殖行業一年四季都受自然因素影響，如要使淡水魚企業擺脫自然環境的影響，就只有走工廠化封閉循環式養殖模式，實現環境因素可控，使養殖過程全年都能夠正常進行，提高企業效益。封閉循環式養殖的原理是以維持良好而穩定的生態環境為主導，采取必要的水處理方法控制水質，阻斷病原傳播途徑，放養健康幼苗，強化營養，提高抗病能力，養殖排水經沉淀、消毒、物理過濾等過程，循環使用[1]。中國的工廠化養殖開始于20世紀70年代，但是對淡水魚養殖的內部設施建設重視不夠，科研滯后于生產，早期開發的淡水魚養殖水質自動監測系統和裝置還處于一種單傳感器、單參數的分析基礎上，淡水魚養殖業中的水質參數多半停留在檢測程度上，多使用監測儀定期采樣檢測，在線監測系統很少[2]。盡管國內外已經開發了針對淡水魚養殖各個環節的信息化系統，但是目前的系統都是獨立應用于淡水魚養殖生產中，還沒有從育苗、苗種養殖、成魚養殖及加工運輸全過程的各系統集成起來進行控制的封閉循環養殖模式。

為此，針對上述問題，構建了一套基于云計算的淡水魚封閉循環式養殖平臺，該平臺集成了養殖水質及環境自動監測控制，淡水魚精細喂養、疾病預測及診斷等技術，對推動淡水魚信息獲取的標準化、數據傳送網絡化、數據處理模型化、精細養殖過程自動化、決策管理智能化有重大的作用和現實意義，也是淡水魚養殖技術發展的趨勢。

1 基于云計算的淡水魚封閉循環式養殖平臺設計

1.1 平臺架構

平臺的基本架構（圖1）由數據層、支撐層和應用層三個部分組成，建立統一的架構技術體系，遵循信息服務平臺總體架構、信息資源目錄和交換體系等規范標準[3]。

數據層主要包括養殖的基本數據，通過視頻監控、物聯網等技術采集的環境、養殖個體、制品標識等監測數據，防治養殖疾病、進銷存制品、管理養殖投入品等綜合數據[4]。

支撐層主要是按照一定的技術標準和規范，集成傳感網絡、計算機網絡、3S以及RFID等技術進行采集和傳輸淡水魚養殖數據，同時對數據層上相關數據進行挖掘和分析，解決數據的采集、傳輸等問題。

應用層主要是選擇淡水魚養殖為應用領域，包括養殖環境監測、養殖過程管理、產品質量安全跟蹤溯源、疫情預警預報等，根據典型用戶產業活動，提煉具體需求，如養殖環境視頻監控、養殖環境監測（例如魚塘溫度、pH、溶解氧、氯離子濃度、電導率等）、數據自動采集、無線通信傳輸和數據分析等，并在此基礎上，將采集的各類監測數據建成智能養殖數據倉庫，并利用分析模型和知識，可以實現養殖產品質量、養殖環境質量和效益的分析、評價和預警，為養殖生產和市場流通提供決策支持[5]。

平臺具備易用性和安全性，屬于B/S結構，維護方便，瀏覽器方式訪問。用戶可通過計算機網絡維護和管理，工作效率得到了提高。利用J2EE技術和中間件技術，將各種開發語言的子系統集成到平臺，如asp、.net、C/C++、COM、JAVA、PHP等多種開發語言。管理數據源及調度代理，使用DBMS、文本、消息、WebService等各種數據源接口技術，數據的處理、控制和表示，改變了先前設計者界面在先、代碼在后的方式，避免了處理數據、程序數據功能和數據代碼顯示等較亂的問題，系統結構更加靈活與清晰[6]。

1.2 平臺功能設計

1.2.1 水質預警系統 封閉循環式養殖場的水質預警不同于河湖及地下水的水質預警[7]。封閉循環式養殖針對的是特定的魚種，不同魚種的水質指標不同，甚至同一魚種不同生長階段的水質指標也不相同，根據魚的生長需求建立了相應的預警指標體系（圖2）。

根據封閉循環式養殖場的實際情況，水質的關鍵參數中，鹽度、酸堿度和水溫在一天中隨時間的變化很小而且緩慢，因而不進行預測，由預警模塊根據實測值按照預警規則進行預警[8]；溶氧的變化相對較快，對魚的影響也較大，故需要對溶氧進行預測，利用預測值來進行溶氧指標的預警[9]。

1.2.2 精細喂養決策系統 精細喂養決策分為兩個步驟：第一步，基于線性優化模型，在滿足不同魚種不同生長階段營養需求的前提下，進行價格最優的決策。第二步，根據使用的飼料及配比，結合魚種、生長階段、水溫、尾數、體重等信息，利用基于知識的推理，為管理者提供最優投喂時間、投喂量決策（圖3）。

1.2.3 疾病預警系統 利用專家調查法，確定各種疾病各預警等級的區間，并形成預警知識規則[10]。用戶通過選擇魚體情況、魚體活動、鏡檢情況、發病情況，系統經過基于知識的推理和基于規則的推理，采用IF… THEN… 的推理過程得到預警等級和預警預案，幫助技術人員及時對出現的情況做出正確的反應（圖4）。

1.3 數據庫設計

根據平臺需求，平臺的中心數據庫采用Oracle Database 11g Enterprise Edition，各業務系統采用SQL Server和MySQL。使用WebService技術，建立數據集成中心庫，把各子業務系統數據庫中的數據集成進中心庫中，經過加工處理后提取所需數據，實現數據查詢、統計分析的統一化和標準化。同時，保持子業務系統的原有數據庫穩定運行。

中心庫由疾病預警表、飼料信息表、生長需求表、防疫預警規則表等多個表組成。通過中心庫信息加工形成疫情預警、精細喂養、生長需求，疾病預防規則等規則和方式，可供子業務系統查詢調用。

2 基于云計算的淡水魚封閉循環式養殖平臺系統實現

2.1 短信預警系統

短信預警系統通過GSM MODEM建成，是短消息通信設備，具備短信發送和接收功能，可向用戶發送接收短信[11]。系統通過USB接口連接服務器、計算機，與移動、聯通、電信的短信中心通訊，通過短信息功能模塊，實現短信預警系統的預警數據與手機用戶的溝通和交流。

2.2 部署環境

平臺系統底層設計是通過刀片機配合VMware虛擬化軟件方式實現的。刀片服務器數量為4臺，其中單臺配置4個英特爾？誖6核E7-4807至強（R） CPU，1.86 GHz，18 MB高速緩存，5.86 GT/s，256 GB 內存（32×4GB），SAS 10000轉2.5英寸硬盤500GB×4，配備2塊千兆網卡模塊。在每臺刀片機上安裝VMware虛擬化軟件，憑借其較強的CPU和充足的內存，生成若干臺服務器，然后在每臺服務器內安裝相應的操作系統、子業務系統及數據庫。最后配合HA、FA容錯，快照，雙機備份等技術手段，達到業務系統安全、可靠及高恢復的目的，低損耗，增強了系統的多樣性和運行速度。平臺系統應用層運用Java與oracle方式來實現的，這樣可使系統具備很強的可靠性和移植性。

2.3 平臺運行保護方案

平臺安全體系是覆蓋面廣的專業體系。對信息系統設計思想及原則動態科學地掌握，著眼點明確，原理的掌握要從管理層面到系統底層，要實現整個系統的安全和專業，必須采用一定的方式，具備內容性、理論性、層次性和前瞻性[10]。

平臺系統具有嚴密的使用權限控制、安全線路、病毒防護、網絡防火墻、網絡監控系統和安全掃描、系統安全備份管理等多方面的安全方案，來設計系統整體層次安全架構，保證整個系統運行的安全。

平臺用戶認證在數據庫內運用md5加解密方式[9]，在編程代碼里面定義出信息平臺最高級管理員身份認證和權限。平臺按層次部署各業務系統用戶，有一個最高級用戶管理全平臺，負責各個子系統超級用戶的創建，子系統某養殖場的超級用戶由各子系統的超級用戶創建，本企業管理員與信息錄入員由養殖場的超級用戶創建，這樣的層次化管理有利于落實責任。平臺現處在使用初期階段，等待系統功能進一步改善后可運用“數字簽名”的方式，這樣就能更好地保證平臺的安全穩定運行。

2.4 系統存儲

傳統的分散存儲架構已不能滿足平臺存儲系統容量的高速增長和管理需求。因此，該平臺系統的存儲設計思路為構建統一數據中心，分步式數據處理的存儲[12]。運用FCSAN技術架構劃分業務系統和存儲系統，提高系統的處理性能，保障平臺運行的穩定。該服務平臺的存儲兼容性高，可以兼容全部平臺、各類操作環境的存儲系統[13]。

3 小結

基于云計算的淡水魚封閉循環式養殖平臺的構建可實現：用戶可以通過不同的方式（手機短信、瀏覽器等）與平臺系統交流；用戶可通過模糊搜索等多種查詢方法，滿足用戶對淡水魚養殖實用技術信息進行快速查詢[14]；信息資源豐富；淡水魚養殖中的網絡咨詢服務專家系統；信息查詢與推送網站超文本服務，專家實現遠程培訓和個性化服務。

通過對各項關鍵技術進行深入的研發和應用[15]，形成較完備的生產實踐系統和成熟的技術理論體系，從而解決企業在生產中所遇到的風險高、經濟效益低、養殖環境污染、水資源浪費、淡水魚產品食品安全等問題，實現增加淡水魚企業的經濟效益、降低環境污染、循環利用水資源、保證淡水魚品的食品安全，為中國從事淡水魚健康生產提高物質基礎和技術保障，從而使企業實現高效、綠色、可持續型的良性發展。

參考文獻：

[1] 李道亮，傅澤田.我國漁業信息技術研究的重點領域、發展目標與對策[A].韓魯佳.機遇·挑戰·創新：2002農業工程青年科技論壇論文集[C].北京：中國農業工程學會，2002.31-33.

[2] 于 毅，徐 睿，劉 鑫，等.專家系統在水產養殖病害上的應用與發展[J].北京農業，2011（24）：42-43.

[3] 崔文順.云計算在農業信息化中的應用及發展前景[J].農業工程，2012，2（1）：40-43.

[4] 于洪珍，徐立中，王慧斌.監測監控信息融合技術[D].北京：清華大學出版社，2011.

[5] 曹明華，李 群，胡傳來.疾病暴發早期預警系統研究進展[J].中華流行病學雜志，2006，27（11）：1005-1007.

[6] 張興旺，李晨暉，秦曉珠.基于云計算的數字化信息資源建設模型的研究[J].信息系統，2011，34（8）：101-105.

[7] 仇榮華.基于ZigBee和ARM平臺的水產養殖水質在線監測系統[D].濟南：山東大學，2010.

[8] 閆敏杰，夏 寧，侯春生，等.基于無線傳感器網絡的魚塘監控系統[J].中國農學通報，2010，26（16）：388-392.

[9] PFLEEGER C P. Security in Computing[M].Beijing：China Machine Press，2004.

[10] ZHU X，LI D，H D，et al.A remote wireless system for waterquality online monitoring in intensive fish culture[J].Computers and Electronics in Agriculture，2010，7（S1）： S3-S9.

[11] 王 琳，莊燕濱.中小企業點對點短信平臺的實現[J].常州工學院學報，2006，19（1）：52-54.

[12] 思志學.整合詳解與典型案例-J2EE[M].北京：電子工業出版社，2008.

[13] 張先鋒，鄒 蕾.云計算技術及其應用研究[J].計算機與數字工程，2011，39（10）：194-197.

[14] 李道亮.物聯網與智慧農業[J].農業工程，2012，2（1）：1-7.

[15] 王佳雋，呂智慧，吳 杰，等.云計算技術發展分析及其應用探討[J].計算機工程與設計，2010，31（20）：4404-4409.