基于物聯(lián)網(wǎng)和3G技術的智能水產養(yǎng)殖環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)的設計與應用

徐曉姍

（青島職業(yè)技術學院 山東 266555）

0 引言

我國是占據(jù)世界水產養(yǎng)殖總產量75%的水產養(yǎng)殖大國。水產養(yǎng)殖在中國歷史悠久，對于改善民生方面發(fā)揮了不可或缺的作用。但是傳統(tǒng)的養(yǎng)殖模式已經漸漸露出了弊端，主要表現(xiàn)在基礎設施陳舊簡陋；水域環(huán)境不斷惡化；經濟效益低下；水域生態(tài)失衡等等。而且隨著人們消費水平和環(huán)保意識的增強，群眾的飲食習慣和結構已發(fā)生了很大變化，綠色水產品越來越受到消費者的青睞，傳統(tǒng)養(yǎng)殖所生產的水產品已經逐漸難以滿足市場需求。然而，現(xiàn)在國內的水產養(yǎng)殖業(yè)多以傳統(tǒng)的養(yǎng)殖模式為主導，傳統(tǒng)的水產養(yǎng)殖業(yè)常以犧牲環(huán)境資源和高消耗等粗放式飼養(yǎng)方式為主要特征，養(yǎng)殖模式多以養(yǎng)殖經驗為指導，只憑養(yǎng)殖人員感官、目測，歷史經驗等主觀因素為決定條件，資源利用缺乏科學性和合理性，管理過程缺乏準確性和可靠性，很難保證良好水域環(huán)境的持續(xù)利用，水產的產量和質量都難以保障。所以，如何利用先進科技技術，實現(xiàn)水產養(yǎng)殖的現(xiàn)代化自動管理，提升水產養(yǎng)殖業(yè)的生產力和效率，是當前水產養(yǎng)殖的重要研究方向。

目前，物聯(lián)網(wǎng)的應用在各個領域都起著重要的作用。基于物聯(lián)網(wǎng)技術的智能農業(yè)已經達到了一定的應用范圍，其技術也日漸成熟。水產養(yǎng)殖業(yè)作為農業(yè)的重要內容之一，同樣可以利用物聯(lián)網(wǎng)技術實現(xiàn)其智能化管理。所謂智能化水產養(yǎng)殖，是指將工程技術、機械設備、監(jiān)控儀表、管理軟件和無線傳感等現(xiàn)代技術手段用于水產養(yǎng)殖生產，實現(xiàn)高密度、高產值、高效益的標準化養(yǎng)殖模式。與傳統(tǒng)粗放型養(yǎng)殖模式相比，智能化水產養(yǎng)殖具有機械自動化程度高、環(huán)保節(jié)能、生產效率高等明顯的優(yōu)勢。基于物聯(lián)網(wǎng)技術的智能系統(tǒng)具有可感知環(huán)境感知參數(shù)的各類傳感器終端、包含覆蓋面廣泛的移動通信節(jié)點，以及基于泛在技術的計算模式，可以真正實現(xiàn)智能水產養(yǎng)殖的機械化、自動化、智能化和節(jié)能化。

1 系統(tǒng)關鍵技術解析

本論文所提出的基于物聯(lián)網(wǎng)和 3G技術的智能水產養(yǎng)殖環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)是利用多種物聯(lián)網(wǎng)技術，包括智能傳感技術、WSN技術、Zigbee技術、3G/4G通信技術、GPS、數(shù)據(jù)庫與云計算技術等等，面向水產養(yǎng)殖集約、高產、高效、生態(tài)、安全的發(fā)展需求，基于智能傳感、無線通信網(wǎng)、自動處理與智能控制等物聯(lián)網(wǎng)技術開發(fā)的，對水產品生長有重要影響的水質參數(shù)進行監(jiān)測并提供反饋控制的智能水產養(yǎng)殖環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)。

1.1 智能傳感技術

本系統(tǒng)的傳感層部分將設計選取常用型、性價比高的溶解氧傳感器、pH值傳感器、鹽度傳感器、濁度傳感器、氨氮傳感器集成作為傳感節(jié)點，由于水質傳感器多為電化學質傳感器，其在水下作業(yè)，易受溫度、水質、壓力、流速等因素影響，所以需要考慮傳感器的靜態(tài)參數(shù)和動態(tài)參數(shù)的變化規(guī)律，選擇性價比最高、性能最穩(wěn)定、功耗最小的傳感器進行設計，保證設計的傳感節(jié)點達到壽命長、功耗小，靈敏度和重復性不易受環(huán)境影響等特點。設計的傳感節(jié)點結構，需要便于多個參數(shù)傳感器集成、替換，節(jié)點本身便于安裝、移動和維護。

1.2 Zigbee技術

本系統(tǒng)的通信層部分設計運用Zigbee技術使傳感節(jié)點實現(xiàn)無線自動組網(wǎng)，由智能網(wǎng)關收集Zigbee自組網(wǎng)中節(jié)點上傳的數(shù)據(jù)，網(wǎng)關到本地監(jiān)控終端并采用透傳協(xié)議直接傳送。采用頻段在 2.4GHz的無線傳感網(wǎng)絡，實現(xiàn)短距離通訊，現(xiàn)場無線覆蓋范圍3公里。本地監(jiān)測終端到遠程監(jiān)測終端之間采用3G通信技術進行連接，實現(xiàn)在GSM、CDMA、TD-WCDMA等制式下的低成本通信，實現(xiàn)手機信號覆蓋區(qū)域的無間隙遠程數(shù)據(jù)傳輸。

1.3 數(shù)據(jù)庫與云計算技術

本系統(tǒng)的應用層部分采用數(shù)據(jù)庫與云計算技術。本地監(jiān)測終端采用B/S結構，建立web頁面，通過瀏覽器對網(wǎng)關透傳上來的采集數(shù)據(jù)所架構的主題數(shù)據(jù)庫進行交互操作，主要實現(xiàn)數(shù)據(jù)實時顯示、歷史查詢、數(shù)據(jù)存儲、統(tǒng)計分析等功能，系統(tǒng)設計含有對應報警機制，通過監(jiān)控平臺做出控制決策，以及啟動相關設備對水域環(huán)境進行調節(jié)。監(jiān)測數(shù)據(jù)通過3G技術和GPS定位技術，同步反映到到遠程監(jiān)控終端，實現(xiàn)監(jiān)測數(shù)據(jù)的實時推送。

2 系統(tǒng)設計方案

本論文所提出的基于物聯(lián)網(wǎng)和 3G技術的智能水產養(yǎng)殖環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)具體設計方案如下：

圖1 系統(tǒng)實施方案設計框圖

如圖1所示該系統(tǒng)的實施方案為：

（1）通過傳感層的智能傳感節(jié)點，對監(jiān)測水質的溶解氧、pH值、鹽度、濁度、氨氮等參量進行監(jiān)測。

（2）利用 Zigbee技術使傳感節(jié)點實現(xiàn)無線自動組網(wǎng)，由智能網(wǎng)關收集Zigbee自組網(wǎng)中節(jié)點上傳的數(shù)據(jù)，通過透傳協(xié)議直接傳送本地監(jiān)控終端。利用 3G技術將數(shù)據(jù)從本地監(jiān)測終端傳到遠程監(jiān)測終端。

（3）本地監(jiān)測終端通過 web頁面，與數(shù)據(jù)庫進行交互操作，實現(xiàn)數(shù)據(jù)實時顯示、歷史查詢、數(shù)據(jù)存儲、統(tǒng)計分析等功能，并且監(jiān)控平臺做出控制決策，以及啟動相關設備對水域環(huán)境進行調節(jié)。

3 創(chuàng)新點

本論文所提出的基于物聯(lián)網(wǎng)和 3G技術的智能水產養(yǎng)殖環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)較其他系統(tǒng)，有以下創(chuàng)新點與優(yōu)勢。

（1）傳感節(jié)點集成多種類傳感器于一體，同時監(jiān)測水域的溶解氧、pH值、鹽度、濁度、氨氮等，選取智能水質傳感器，具有自識別、自校正、自補償功能，有良好的互換性，便于設備更新維護，且性價比高。

（2）傳感節(jié)點采用 Zigbee技術實現(xiàn)無線組網(wǎng)連接，其具有組網(wǎng)靈活、超低功耗的特點，支持快速布置，即插即用、自動組網(wǎng)、自動維護，不受線纜約束。無線單跳通信在 100m左右，使用頻段為免使用申請的2.4GHz和900MHz。

（3）傳感節(jié)點輸出數(shù)據(jù)匯聚到網(wǎng)關，通過透傳協(xié)議匯聚到本地監(jiān)測終端。可以實現(xiàn)24小時不間斷實時監(jiān)測，數(shù)據(jù)更新速度快，實時性高。

（4）本地監(jiān)測終端可實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)傳送和智能控制功能。不但可以實時顯示即時數(shù)據(jù)，還可以隨時從數(shù)據(jù)庫調用歷史數(shù)據(jù)進行分析，并且通過遠程控制啟動相關設備改善水質，是實時顯示、智能處理和智能控制于一體的監(jiān)測終端。

（5）該系統(tǒng)采用3G技術提供手機遠程監(jiān)測功能，在任一有手機信號的地方都可實現(xiàn)遠程監(jiān)控。

（6）該系統(tǒng)具有自動報警功能，當水質惡化時，向本地監(jiān)測終端發(fā)出報警數(shù)據(jù)包，本地監(jiān)測終端自動啟動設備進行維護，并且采用OTA技術像手機推送相關報警消息。

（7）系統(tǒng)中的傳感節(jié)點和無線路由設備均用鋰電池供電，具有低電壓、低功耗的特點，免除布線，降低了設備成本，方便現(xiàn)場安裝，適用于野外長期監(jiān)控。

（8）該系統(tǒng)可以具體地區(qū)海域水質狀況為研究對象，系統(tǒng)規(guī)模伸縮性高、既可用于家庭小規(guī)模養(yǎng)殖，又可用于大范圍養(yǎng)殖，旨在于生態(tài)修復、健康養(yǎng)殖、改善水產養(yǎng)殖環(huán)境，提高水產品的產量和質量，具有顯著的經濟社會效益，適合大面積推廣。

4 小結

綜上所述，物聯(lián)網(wǎng)技術領域中的智能傳感技術、WSN技術、Zigbee技術、云計算技術等，已經為實現(xiàn)水產養(yǎng)殖業(yè)的智能化、自動化、機械化、遠程控制化奠定了良好的基礎。物聯(lián)網(wǎng)技術應用于水產養(yǎng)殖能有效解決人手不足、飼養(yǎng)控制模糊等突出問題，有效提高了水產品的存活率和質量。開發(fā)一種基于物聯(lián)網(wǎng)技術的智能水產養(yǎng)殖環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)成了該產業(yè)迫在眉睫的切實需要，也是今后水產養(yǎng)殖業(yè)發(fā)展的必然趨勢。

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