現代物聯網技術在水產養殖信息化建設工作中的應用

楊春雷，成波

(1. 南京機電職業技術學院 電子工程系，江蘇 南京 211135；2. 海云創數字科技(南京)有限公司，江蘇 南京 211135)

0 引言

一直以來，我國的水產養殖產量高，占據了全世界的70%左右。但是，我國水產養殖產業主要是采用粗放式經營管理方式為主，個體散戶養殖的比例占養殖產業85%以上，導致了養殖經營的成本和養殖風險比較高。隨著我國經濟的高速發展，我國的農業結構在不斷調整和轉型過程中，水產養殖業也開始從以往粗放型的方式向精準化和集約化的養殖方式轉變。在這樣的環境下，怎樣借助于先進的科學技術來提升水產養殖信息化建設水平，成為水產養殖業高速發展的重要保障和未來發展的趨勢。現代物聯網技術正推動著這一產業高速發展和轉型。物聯網技術開始應用于農業種植、養殖、農產品加工等不同的方面，提高農業發展的自動化水平，促進農業生產和水產養殖的高效率、高質量、高水平的健康發展。

1 現代物聯網技術介紹

1.1 物聯網技術概念

物聯網即物和物相聯系的互聯網技術。物聯網是建立在新的信息技術基礎上，連接物體和互聯網，通過進行信息交換和信息通信來實現智能化服務的一種網絡技術。物聯網通過傳感器、光學識別、全球定位系統、射頻識別和激光掃描器等新的信息技術，進行信息的收集、分析、匯總，實現交換和傳遞，從而實現對物體的智能感知、識別和監管[1]。

1.2 物聯網信息化系統技術特征

物聯網的特征主要體現在以下幾個方面：第一，具有全面感知性特點，借助于互聯網技術可以獲取更加全面的知識和信息；第二，具有可靠的傳遞性特點，借助于互聯網和電信網絡的有效結合把相關的物體信息傳輸出去；第三，具有智慧處理的特點，利用云計算、大數據技術等各種智能計算技術對海量的數據信息進行分析和處理，完善信息化發展。

2 水產養殖信息化建設中物聯網系統設計

水產養殖是農業養殖業中尤其需要精細化運作的細分行業。不同養殖階段的水體環境、食物投喂等都會對養殖結果造成影響。水產養殖業中個體養殖戶占據了85%以上，這些養殖戶的經濟實力、文化程度相對有限。

在設計水產養殖物聯網系統時，首先考慮的是建設成本不能過高，便于推廣；其次是安裝、維護方便，系統結構簡單，易于維護；還要實現操作端簡約，易于上手操作。結合水產養殖本身的特性，對于水產養殖的信息化系統的設計，體現在以下幾個方面：

1)在物聯網傳輸協議選擇方面，需要著重考慮經濟性，尤其需要考慮大面積水域和較長距離多個設備的通信；

2)在控制設備選型方面，需要考慮設備在復雜環境下的耐用性以及便于替換；

3)在軟件設計方面，著重云服務，大數據分析以及移動互聯網程序的開發；

4)在存在多個設備的控制方面，算法中需要涉及設備的綜合使用率；

5)整體設計中，考慮整個系統的節能。

水產養殖信息化系統主要由傳感器、物聯網通信設備、控制單元、執行設備、數據服務平臺共同組成，其運行原理如圖1所示。

圖1 運行原理框圖

傳感器用于獲取水產養殖各種數據，通過物聯網通信協議設備最終上傳至數據服務平臺，數據服務平臺根據設計的模式發送指令至控制單元，最終對執行設備進行控制。

在增氧器功能設計時，需要和溶解氧傳感器配合使用，在水氧濃度比較低的時候，控制設備會開啟增氧器，提高水氧的濃度；在水泵節點中，和水位傳感器結合使用，在水位比較低的時候，控制設備就可以控制水泵進行工作，從而提高水域的水位；也可以應用在餌料的投放環節中，減少人工喂食的勞動量，減少人工成本，提高喂食的效率，且提高喂養的精細化和高效化[2]。

2.1 傳感器設計

傳感器主要包括有線傳感器和無線傳感器。在水產養殖中，基于養殖面積、養殖環境和設備的數量，有線傳感器和無線傳感器都有使用的場景。現階段有線傳感器一般以RS485作為通信方式居多，無線傳感器則以長距離低功耗特點的LoRa和NB-iot為主流的通信方式。

水產養殖傳感器主要用于水質數據采集，運用最廣泛的為水體溶解氧、水體PH值、水體溫度傳感器。所采集到數據通過通信協議設備最終傳輸到數據服務器。

傳感器節點設計應用：以水產養殖信息化系統中應用的無線水體溶解氧傳感器為例，它由傳感器、轉接板、LoRa通信芯片組成，如圖2所示。傳感器主要用于對周圍的環境情況進行數據采集；LoRa通信芯片接收相關的數據，并把這些數據傳輸到LoRa基站中，LoRa基站再通過其他的通信方式傳輸到數據服務平臺 ；轉接板的作用是鏈接芯片和傳感器，形成數據傳輸的橋梁，為整體系統提供電源。

圖2 傳感器節點結構圖

2.2 物聯網通信設備設計

以LoRa(圖3)傳感器節點結構圖為例。

圖3 通信設備構成圖

通信設備包括了LoRa終端芯片(或終端)和LoRa基站。在整個水產養殖信息化系統中，通過把標準串口和LoRa終端進行有效的銜接，LoRa終端再將數據傳輸到LoRa基站，最終傳輸到數據服務平臺進行收集和處理后，作為用戶使用的參考。LoRa基站也可以發送數據到LoRa終端，控制設備根據該指令，對執行設備進行控制。

2.3 控制單元設計

水產養殖信息化系統的控制單元，需要實時檢測執行單元的運行參數，以減少因執行單元故障或不能啟動而產生的損失；還需要與數據服務平臺實時通信，以接受控制指令和反饋執行單元數據。

如圖4所示，串聯中間繼電器KA1是對停止手動按鈕進行的功能補充，KA1對應觸點必須使用常閉觸點。

圖4 電氣控制原理圖

當CAN智能控制模塊通道B接通時，節點02和節點03之間的線路閉合，設備供電閉合；當CAN智能控制模塊通道A接通時，KA1線圈得電，使常閉觸點斷開，設備供電斷開。

2.4 軟件系統設計

水產養殖信息化軟件系統的開發需要進行自動控制程序的編寫、LoRa傳輸協議配置、傳感器驅動程序的編寫、云服務器配置、數據庫、移動端程序等，如圖5所示。

圖5 軟件系統結構流程圖

數據分析是整個系統比較重要的部分。傳統水產養殖業準入門檻較高，是一個注重養殖戶經驗的行業，在接入了足夠多的樣本之后，經過數據分析，基于地理位置和氣候，可以反饋給養殖戶相對適合的標準養殖數據，降低新養殖戶的失誤率，以此降低養殖門檻。

2.5 系統硬件結構設計

1)數據采集模塊硬件設計：該模塊主要是對水質參數進行采集，比如，對水的溫度、溶解氧和pH值等情況進行數據采集。首先，所有傳感器采集的各種信號都要通過調理電路來轉化為穩定的模擬性信號，再通過模數轉化后形成數字信號，由LoRa和串口進行數據傳輸；最后，利用無線通信技術把收集到的各種信息傳輸到服務器中。數據采集模塊的關鍵是傳感器，也是整個模塊中的基礎。因為傳感器長時間在水中，會受到水中雜質的影響，造成數據采集的不準確，同時也會對傳感器產生很大的損害性。所以，必須對傳感器安裝保護裝置[3]。

2)協調器模塊硬件設計：該硬件設計是整個系統中的中樞神經，其主要的作用是接收前端數據并上傳到服務器中，同時還要把服務器下達的控制命令傳輸到PLC器件中。LoRa模塊和RS485串口和服務器進行連接，通過Modbus協議來進行數據傳輸。

2.6 水產養殖物聯網信息化系統建設的優勢

1)水產養殖信息化物聯網系統是一套開放的網絡系統，采用的通信協議如Modbus RTU、Modbus TCP、CANOPEN都是開放的，都可在因特網上找到協議的范本，并且主控制器采用符合IEC61131-3國際標準的軟件編程，支持6種編程語言。這樣使得開發方可以方便地進行維修、擴充及集成，且具有經濟效益[4]。

2)系統具有很高的靈活性、兼容性和擴展性。

3)系統可靠性高，已廣泛應用于工業領域等對穩定性要求較高的場所。另外，模擬量模塊信號高分辨率，更適用于當前的自動控制系統中所需節能系統。與此同時，該系統控制器性能強勁，在監測點數較多時，仍能保證有較高的通信速率優勢。

4)控制器設計風格統一，控制器模塊大小統一，積木式架構，設計靈活、擴充彈性。

3 物聯網技術在水產養殖信息化建設中的應用策略

1)提高物聯網技術信息化水平

在進行水產養殖信息化建設的過程中，要根據水產養殖的模式、規模、品種來對物聯網應用的環境進行劃分，并在基礎環境允許的情況下進行信息化建設的投入，創建更符合物聯網技術應用的環境，從而提高物聯網技術信息化建設水平[5]。

2)完善核心技術的創新發展

要以世界先進的傳感器研發技術為目標，組建技術攻關團隊，對關鍵和核心技術進行研究。與此同時還要對各種技術、應用、示范、緩解、集成等方面的優勢和作用進行整理，重點對傳感器核心技術進行研發。此外，還要制定開放性、規范化、可拓展、符合水產養殖應用的物聯網行業標準，規范物聯網技術在水產養殖領域中的應用。

3)建設水產物聯網技術示范項目

南京市高淳區已成為現代高效水產養殖規模化發展的集聚區，政校企可以合作建設水產養殖物聯網示范項目，并對水產養殖物聯網自主產權技術產品進行研發，以此為示范基地，創建完善物聯網在水產養殖應用模式，形成可持續發展的水產養殖物聯網發展機制，通過以點帶面方式，推動物聯網技術在水產養殖領域中的發展。

4 結語

在各種先進技術高速發展的影響下，物聯網技術也得到了快速發展，物聯網技術已被廣泛地應用在不同的行業和領域中。對于水產養殖發展來說，物聯網技術的應用，可以讓水產養殖實現信息化發展，為水產養殖的轉型發展提供可靠的技術保障，為水產養殖的高效、高質量、高水平和健康可持續發展提供基礎支撐。