基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的智能漁業(yè)監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

張蓉波 龐新苗

（湖南國(guó)防工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院 湖南省湘潭市 411207）

隨著人們對(duì)水產(chǎn)類產(chǎn)品需求量的不斷提升，當(dāng)前漁業(yè)的發(fā)展速度持續(xù)提升，為了可以保證漁業(yè)資源的質(zhì)量，需要對(duì)漁業(yè)生態(tài)環(huán)境、魚群生存情況進(jìn)行定期監(jiān)測(cè)，避免由于生態(tài)環(huán)境問題給漁業(yè)資源造成質(zhì)量影響，及時(shí)根據(jù)魚群的反應(yīng)制定合理的干預(yù)措施。傳統(tǒng)的漁業(yè)監(jiān)控模式過于簡(jiǎn)單，且監(jiān)控效率較為低下，難以做到及時(shí)發(fā)現(xiàn)魚群異常問題的出現(xiàn)，監(jiān)控設(shè)備缺少自動(dòng)化技術(shù)的支持，增加了監(jiān)控工作的難度。物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)是當(dāng)前所出現(xiàn)的一種新興技術(shù)，能夠和其他多種新型技術(shù)進(jìn)行緊密的結(jié)合，為信息的傳遞提供新的途徑。近年來，在漁業(yè)內(nèi)開始將物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)應(yīng)用在智能漁業(yè)監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)過程中，提高了監(jiān)控工作的智能化水平，減少了人力方面的投入，可以提高漁業(yè)產(chǎn)量，對(duì)于漁業(yè)的未來發(fā)展有著積極的影響。

1 智能漁業(yè)監(jiān)控系統(tǒng)

1.1 構(gòu)成部分

智能漁業(yè)監(jiān)控系統(tǒng)一共由四個(gè)部分所組成：

（1）屬于感知設(shè)備和調(diào)節(jié)設(shè)備，收集魚群的生長(zhǎng)環(huán)境信息和魚群信息，為魚群提供氧氣、飼料等，包括增氧設(shè)備、飼料投喂設(shè)備、水泵系統(tǒng)、傳感設(shè)備以及球機(jī)等，是數(shù)據(jù)傳感層；

（2）屬于傳播通信系統(tǒng)，負(fù)責(zé)在局域網(wǎng)內(nèi)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳遞，包括采集控制終端、交換設(shè)備以及網(wǎng)橋等；

（3）屬于云端處理決策系統(tǒng)，主要組成部分包括負(fù)責(zé)控制功能的中心服務(wù)器和其他軟件；

（4）屬于顯示設(shè)備和決策系統(tǒng)，包括各類移動(dòng)終端，如電腦、筆記本電腦和手機(jī)終端等。

1.2 智能漁業(yè)監(jiān)控系統(tǒng)功能

智能漁業(yè)監(jiān)控系統(tǒng)利用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)打造了智能化的傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)體系，智能漁業(yè)監(jiān)控系統(tǒng)能夠起到預(yù)警的功能，及時(shí)對(duì)魚群異常問題進(jìn)行干預(yù)，具體功能如下。

1.2.1 形成監(jiān)測(cè)系統(tǒng)控制終端

系統(tǒng)會(huì)根據(jù)所接收的決策的指令對(duì)傳感網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行控制，執(zhí)行決策指令，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)養(yǎng)殖設(shè)備進(jìn)行自動(dòng)管理和控制，根據(jù)具體的情況打開或者閉合養(yǎng)殖設(shè)備。將指令執(zhí)行結(jié)果利用傳感網(wǎng)絡(luò)從傳輸給控制系統(tǒng)，并使用短信或者軟件通知的方式將數(shù)據(jù)傳遞給養(yǎng)殖人員。

1.2.2 利用傳感網(wǎng)絡(luò)完成數(shù)據(jù)傳輸

在漁業(yè)養(yǎng)殖區(qū)域內(nèi)打造傳感網(wǎng)絡(luò)，并將其接入到移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)中，使得傳感系統(tǒng)可以和移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行交互。如果接入互聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)則能夠和寬帶網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行平臺(tái)交互。

1.2.3 進(jìn)行智能化決策和智能化控制

對(duì)水體情況進(jìn)行智能化監(jiān)控，按照智能化專家系統(tǒng)中所記錄的數(shù)據(jù)對(duì)水體質(zhì)量進(jìn)行評(píng)估，保證能夠?qū)λw實(shí)施有效監(jiān)測(cè)，提高養(yǎng)殖的科學(xué)化水平，及時(shí)對(duì)魚群進(jìn)行投喂和疾病診斷，為智能控制決策的制定提供重要的數(shù)據(jù)支持。

圖1：數(shù)據(jù)采集控制終端工作原理

1.2.4 對(duì)魚群浮頭情況進(jìn)行識(shí)別

在魚群中如果出現(xiàn)了浮頭的現(xiàn)象會(huì)系統(tǒng)自動(dòng)識(shí)別出來，并發(fā)出報(bào)警信息，打開增氧設(shè)備，使得水體內(nèi)部的氧氣含量 能夠得到有效提高，避免魚群出現(xiàn)死亡的現(xiàn)象。同時(shí)還可以識(shí)別魚群活動(dòng)的情況，根據(jù)具體情況選擇關(guān)閉或者開啟飼料投喂設(shè)備。

1.2.5 構(gòu)建養(yǎng)殖場(chǎng)內(nèi)區(qū)域性視頻監(jiān)控體系

在養(yǎng)殖場(chǎng)內(nèi)部設(shè)置多個(gè)攝像頭，為了提高監(jiān)控畫質(zhì)可以選擇高清紅外線攝像頭，能夠每天持續(xù)不斷地對(duì)養(yǎng)殖場(chǎng)內(nèi)情況進(jìn)行監(jiān)控。養(yǎng)殖者可以通過移動(dòng)終端對(duì)監(jiān)控情況進(jìn)行隨時(shí)觀察，提高了監(jiān)控效率和監(jiān)控質(zhì)量。

2 智能漁業(yè)監(jiān)控系統(tǒng)硬件構(gòu)成

2.1 傳感設(shè)備和控制機(jī)構(gòu)

水質(zhì)質(zhì)量高低和養(yǎng)殖產(chǎn)品的質(zhì)量水平和安全水平有著較為緊密的聯(lián)系，需要對(duì)水體質(zhì)量實(shí)施有效控制，避免因水質(zhì)惡化而給養(yǎng)殖農(nóng)戶帶來經(jīng)濟(jì)損失。水質(zhì)質(zhì)量的評(píng)估指標(biāo)包括氨氮水平、酸堿值以及溫度，各項(xiàng)參數(shù)都較為重要，其中通過對(duì)光照度數(shù)據(jù)進(jìn)行收集能夠判斷出夜晚和白天，從而根據(jù)不同的時(shí)間對(duì)水質(zhì)進(jìn)行相應(yīng)的干預(yù)和管理。控制機(jī)構(gòu)主要包括以下三種：

（1）增氧氣。結(jié)合水體溫度、溶解氧含量、檢測(cè)數(shù)據(jù)提供適當(dāng)?shù)难鯕猓ＷC氧氣含量的穩(wěn)定性；

（2）投料機(jī)。根據(jù)養(yǎng)殖經(jīng)驗(yàn)以及收集到的圖像內(nèi)容進(jìn)行飼料投喂；

（3）水泵。根據(jù)溫度和酸堿值進(jìn)行水體調(diào)整。

2.2 數(shù)據(jù)采集控制終端

該終端主要負(fù)責(zé)對(duì)傳感數(shù)據(jù)和調(diào)節(jié)設(shè)備實(shí)施有效的控制，其具體控制流程如圖1所示。作為養(yǎng)殖人員可以利用電腦終端或者手機(jī)終端發(fā)送自己所需要的指令，利用網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)可以將其送至到數(shù)據(jù)服務(wù)器中，對(duì)指令實(shí)施編碼處理，在對(duì)編碼進(jìn)行壓縮處理之后將其發(fā)送給主控芯片。芯片收到指令及時(shí)對(duì)其進(jìn)行解壓處理，利用繼電器閉合對(duì)各類調(diào)節(jié)設(shè)備進(jìn)行遠(yuǎn)程控制，完成魚群 的管理，提高管理工作的效率。

2.3 構(gòu)建局域網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)

智能漁業(yè)監(jiān)控系統(tǒng)之所以能夠穩(wěn)定運(yùn)行離不開局域網(wǎng)系統(tǒng)的支持，這也是該系統(tǒng)設(shè)計(jì)過程中不可或缺的重要環(huán)節(jié)。養(yǎng)殖水域的面積均較大，為了能夠簡(jiǎn)化局域網(wǎng)建設(shè)的施工環(huán)節(jié)，可以選擇無線網(wǎng)橋作為局域網(wǎng)構(gòu)建的基礎(chǔ)，以此來完成信息的傳輸。在決策中心需要設(shè)定一個(gè)網(wǎng)關(guān)網(wǎng)橋節(jié)點(diǎn)，能夠?qū)Σ杉O(shè)備的數(shù)據(jù)、攝像頭數(shù)據(jù)、圖像數(shù)據(jù)實(shí)施接收。在局域網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)中所包含的各類設(shè)備能夠?yàn)槲锫?lián)網(wǎng)監(jiān)控指令的制定提供整體對(duì)象，是智能漁業(yè)監(jiān)控系統(tǒng)的重要底層主體。

2.4 視頻監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)采集系統(tǒng)

通過在養(yǎng)殖場(chǎng)內(nèi)安裝攝像頭和監(jiān)控終端能夠做到全天對(duì)養(yǎng)殖場(chǎng)水面情況進(jìn)行監(jiān)督和觀察，將實(shí)時(shí)監(jiān)控的畫面在本地終端上顯示。同時(shí)，還可以為系統(tǒng)中的其他部分提供和水面的相關(guān)數(shù)據(jù)，以浮頭識(shí)別系統(tǒng)為例，如果在魚池的中間部位和周圍分別存在著浮頭輕、重的差異時(shí)，則需要在魚池中間部位放置兩個(gè)攝像頭，可以對(duì)水體內(nèi)的氧氣含量情況進(jìn)行有效評(píng)估。同時(shí)可以將該系統(tǒng)和農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)進(jìn)行結(jié)合，可以達(dá)到上下一體聯(lián)動(dòng)的效應(yīng)，對(duì)養(yǎng)殖場(chǎng)內(nèi)的設(shè)備進(jìn)行遠(yuǎn)程控制。

2.5 控制決策中心

在決策中心需要安裝顯示系統(tǒng)和服務(wù)器，在決策中心內(nèi)部可以對(duì)養(yǎng)殖場(chǎng)的情況和數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，并且可以對(duì)智能漁業(yè)監(jiān)控系統(tǒng)完成遠(yuǎn)程控制，在保證養(yǎng)殖質(zhì)量的同時(shí)提高養(yǎng)殖效率。決策中心還能夠從整體的角度出發(fā)對(duì)系統(tǒng)的運(yùn)行進(jìn)行觀察和了解，利用各種軟件進(jìn)行自動(dòng)決策、人工決策，減少了魚群養(yǎng)殖過程中物資成本和人力成本的投入。決策中心也可對(duì)之前傳輸過來的數(shù)據(jù)實(shí)施回顧分析，可以為之后的追溯查詢提供重要的助力。

3 智能漁業(yè)監(jiān)控系統(tǒng)軟件構(gòu)成

3.1 對(duì)傳感器實(shí)施校正的軟件

傳感器負(fù)責(zé)收集各種類型的數(shù)據(jù)，例如水體酸堿值、溶解氧含量水平、光照度參數(shù)、水體溫度，是評(píng)估水質(zhì)信息的重要標(biāo)準(zhǔn)和數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。但是如果長(zhǎng)期使用過程中沒有對(duì)其進(jìn)行調(diào)整和校正，會(huì)影響到傳感器數(shù)據(jù)收集的精準(zhǔn)度，因此需要采取相關(guān)軟件對(duì)傳感器進(jìn)行校正。一般情況下生產(chǎn)傳感器的廠家都配置針對(duì)性的校正軟件，養(yǎng)殖人員應(yīng)當(dāng)對(duì)說明書進(jìn)行仔細(xì)的分析，合理的將傳感器使用在實(shí)際的養(yǎng)殖工作中。

3.2 水質(zhì)采集控制軟件

系統(tǒng)軟件主要分為兩個(gè)不同的部分，第一部分為數(shù)據(jù)采集主程序，該程序又可以被劃分為兩種不同的工作模式，分別為測(cè)試模式、工作模式。兩種模式的差異在于在采集數(shù)據(jù)過程中所需要間隔的時(shí)間有所差異。第二種為中斷處理程序。為了減少智能漁業(yè)監(jiān)控系統(tǒng)的能源消耗和功耗，在采集周圍環(huán)境數(shù)據(jù)的時(shí)候會(huì)使用到該程序，在到達(dá)采集時(shí)間之后會(huì)將傳感器開啟，從而開始進(jìn)入到數(shù)據(jù)采集環(huán)節(jié)中，在接收到控制要求后對(duì)調(diào)節(jié)程序進(jìn)行啟動(dòng)處理。

3.3 信息傳輸單元配置軟件

信息數(shù)據(jù)傳輸單元可以在決策中心以及水質(zhì)信息采集終端之間構(gòu)建穩(wěn)定的通信途徑，能夠讓所采集到的數(shù)據(jù)立即傳輸?shù)經(jīng)Q策中心中，提高了數(shù)據(jù)傳輸?shù)馁|(zhì)量和效率。為了保證傳輸?shù)姆€(wěn)定性，還應(yīng)對(duì)通信波特率、外部網(wǎng)絡(luò)IP地址以及網(wǎng)絡(luò)端口實(shí)施正確的參數(shù)配置。在進(jìn)行配置時(shí)養(yǎng)殖人員可以參考配置軟件的具體說明，保證參數(shù)的準(zhǔn)確性，發(fā)揮信息傳輸單元的應(yīng)用功能。

3.4 數(shù)據(jù)服務(wù)決策中心軟件

數(shù)據(jù)服務(wù)決策中心軟件的運(yùn)行位置為網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器，是負(fù)責(zé)存儲(chǔ)水質(zhì)檢測(cè)數(shù)據(jù)、分析水質(zhì)情況、決定處理方式、顯示水體處理結(jié)果的重要軟件。數(shù)據(jù)服務(wù)決策中心軟件可以將獲取到的各類數(shù)據(jù)發(fā)送給養(yǎng)殖人員，將指令發(fā)送給控制采集終端，從而達(dá)到對(duì)調(diào)節(jié)設(shè)備進(jìn)行控制的目的。

3.5 浮頭監(jiān)控軟件

浮頭監(jiān)控軟件是對(duì)水面動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)進(jìn)行傳輸?shù)闹匾浖梢岳镁W(wǎng)絡(luò)平臺(tái)將識(shí)別系統(tǒng)所收集到的數(shù)據(jù)傳送給服務(wù)器。識(shí)別系統(tǒng)在接收到浮頭監(jiān)控軟件的數(shù)據(jù)信息之后會(huì)對(duì)其進(jìn)行簡(jiǎn)單的處理，提高畫面的精度，提取出畫面信息的特征，通過對(duì)比和識(shí)別等多種方式歸納出軟件所傳遞信息的具體結(jié)果。作為機(jī)器學(xué)習(xí)系統(tǒng)會(huì)結(jié)合以往的歷史特點(diǎn)對(duì)浮頭識(shí)別算法進(jìn)行優(yōu)化處理，強(qiáng)化識(shí)別結(jié)果的準(zhǔn)確性水平和穩(wěn)定性水平。浮頭監(jiān)控還可以分析出魚群是否吃飽，根據(jù)魚群的狀態(tài)及時(shí)停止餌料的喂食，保證魚群能夠得到充足的營(yíng)養(yǎng)供應(yīng)，同時(shí)也可避免出現(xiàn)餌料浪費(fèi)、水體污染問題的出現(xiàn)，減少養(yǎng)殖成本的投入。

本次所設(shè)計(jì)出的智能漁業(yè)監(jiān)控系統(tǒng)在實(shí)際的使用過程中也有所應(yīng)用，取得了較好的效果，可以對(duì)水體數(shù)據(jù)進(jìn)行及時(shí)的檢測(cè)，分析出水體出現(xiàn)的變化，提高養(yǎng)殖的科學(xué)化水平。

4 結(jié)束語(yǔ)

隨著人們生活水平的提高，漁業(yè)資源的需求量也在不斷提升，必須要保證漁業(yè)的可持續(xù)發(fā)展，才能夠滿足當(dāng)前的市場(chǎng)需求。漁業(yè)資源屬于可更新的資源類型，只要采取合適的方法對(duì)漁業(yè)資源進(jìn)行利用，就可以長(zhǎng)期向市場(chǎng)提供優(yōu)質(zhì)的漁業(yè)資源。漁業(yè)資源的發(fā)展和水域環(huán)境資源之間有著緊密的聯(lián)系，如果水域環(huán)境資源較差，無法進(jìn)行可持續(xù)利用，會(huì)給漁業(yè)的發(fā)展帶來嚴(yán)重的制約。因此在漁業(yè)的發(fā)展過程中應(yīng)當(dāng)加強(qiáng)漁業(yè)監(jiān)控力度，通過智能化的監(jiān)控手段及時(shí)收集魚群生長(zhǎng)過程中的數(shù)據(jù)和信息，從而保證漁業(yè)資源生產(chǎn)量和生產(chǎn)質(zhì)量的提高。智能漁業(yè)監(jiān)控系統(tǒng)主要由四部分組成，其中硬件由傳感設(shè)備和控制機(jī)構(gòu)、數(shù)據(jù)采集控制終端、局域網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)、視頻監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)采集系統(tǒng)、控制決策中心組成，軟件系統(tǒng)由對(duì)傳感器校正軟件、水質(zhì)采集控制軟件、信息傳輸單元配置軟件、數(shù)據(jù)服務(wù)決策中心軟件、浮頭監(jiān)控軟件所組成。當(dāng)前智能漁業(yè)監(jiān)控系統(tǒng)在實(shí)際生產(chǎn)活動(dòng)中取得了較好應(yīng)用效果，能夠明顯提高監(jiān)控質(zhì)量，值得在今后的生產(chǎn)活動(dòng)中進(jìn)行推廣。