基于智能巡航機器人的淡水養殖管理系統

張京玲　胡建業　 聶湛然　吳惠翠　曾麗敏　陳可鑠　王天雷

摘? ?要：為了將人工智能引入漁業，推動漁業大數據發展，本論文設計了一套基于智能巡航機器人的淡水養殖管理系統。本系統利用水上巡航機器人的自動巡航功能配合升降裝置對不同深度、不同位置的水質進行檢測，對養殖場內水體溫度、DO（溶解氧）、pH、濁度等水質參數進行匯總分析生成三維水質分布圖，對不達標的區域有針對性的進行水質調節。用戶可通過利用PC用戶端及手機軟件對養殖場進行實時監控。本系統實現了對養殖場的智能調控和精細管理，保證水產品處于適宜狀態，提高水產品質量和產量，使得淡水養殖業從傳統人工型轉為物聯網的智能管理型，為養殖戶帶來更大的經濟效益。

關鍵詞：水上機器人? 自動巡航? 水質智能監控? 淡水養殖管理

中圖分類號：TP242? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻標識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號：1674-098X（2020）03（b）-0120-03

當水體被污染源侵染，抑或遇到惡劣天氣時，水體的各項參數均會有所變化，如水中溶氧、水溫、pH值等，這些參數都會影響到水體生物的生長。而目前大多數的淡水養殖都是采用人工管理的方式，十分耗費大量的人力物力，且工作效率不高。另外，不能實時監控養殖漁場，及時調節養殖場水質，也可能給養殖戶造成一定經濟損失。黨的十九大以來，我國農業農村部也提出了關于加快漁業信息化建設的建議，更加引起了人們對淡水養殖業問題的關注。所以人們設想通過建立智能淡水養殖管理系統解決這一現實問題。

本文提供了基于智能巡航機器人的淡水養殖管理系統，其可以測量不同位置的水質參數、對養殖場及時進行智能調控、實現用戶遠程控制。該系統充滿人性化的設計及考慮，可以更好的讓魚塘養殖戶體驗到魚塘管理智能化。

1? 淡水養殖管理系統的功能設計及實現

基于智能巡航機器人的淡水養殖管理系統[1]由智能巡航機器人、基于UWB與GPS的聯合定位系統、水質檢測裝置、水質調節設備、上位機、手機軟件六部分組成。系統利用UWB定位技術和低成本GPS聯合定位，通過基于模擬退火算法[2]和RNN模型的水上機器人路徑規劃的方式，用多個傳感器定時監測淡水養殖場多個位置不同深度的水溫、溶解氧、pH 值等水質參數，并把數據上存到云服務器，通過云服務器再發送到 PC 客戶端建立水質參數分布圖。用戶在PC客戶端設定好每個水質參數的閾值，系統根據采集的數據和設定的閾值進行對比，最后控制養殖場的設備進行水質的自動調節。

本控制系統總體框圖如圖1所示。

1.1 自動巡航功能

本系統基于UWB和GPS聯合定位的定位系統采用了基于TDOA算法UWB定位技術與低成本GPS組合定位方法[3-4]。把基于TDOA的UWB定位技術測量出來的水上機器人的實時位移觀測方程和 GPS定位技術的偽距觀測方程按照偽距差分定位的方法使用擴展卡爾曼濾波算法進行數據融合[3]。最后把融合方程按照常規的方法進行差分定位得出精確地水上定位坐標。可以給智能巡航機器人提供精確的當前位置和目標位置信息。

智能巡航機器由stm32f103rct6單片機作為主控芯片，智能巡航機器人在船頭和船尾分別安裝一個uwb標簽，根據定位系統對標簽分別定位可以解析出智能巡航機器人的當前的姿態。本系統的巡航機器人采用雙螺旋漿作為傳動裝置，通過mosc管驅動模塊對電機進行驅動。并且采用光電編碼器實時檢測電機速度，進行pid算法進行校正進行補償輸出。巡航機器人的硬件模塊圖如圖2所示。

1.2 水質采集功能

本系統采用步進電機帶動滾筒式升降裝置的方案進行水質采集。在升降裝置的末端帶有pH傳感器、溫度傳感器、濁度傳感器和溶解氧傳感器可對水質參數進行采集。同時，在升降末端帶有水深傳感器，通過實時的把當前傳感器所在的水深深度 ，實現檢測不同水深的水質參數。采集完成后巡航機器人通過nb-iot上發到云服務器，在上位機和手機軟件進行實時顯示。水質檢測流程圖如圖3所示。

2? 軟件系統設計

2.1 自動巡航程序設計

初始化階段，智能巡航機器人從3個基站獲取基站位置信息構建矩形地圖，利用UWB與GPS組合定位，獲取機器人在淡水養殖場的坐標位置。當沒有任何指令下發的時候，智能巡航機器人會不斷向服務器更新當前定位信息。然后通過魚塘管理界面選定巡航控制區域，點擊生成檢測點按鈕，便可自動生成檢測點，點擊自動巡航，機器人自動生成最短路徑進行巡航。

當智能巡航機器人收到自動巡航指令和目的坐標后， 進入自動巡航模式通過建立坐標系解析當前巡航機器人本身與目的位置的偏角。通過pid算法進行控制輸出，使其最大限度的保證以直線方式到目的位置。在往目的位置前進的過程中，每5Ms向服務器發送巡航機器人的當前坐標位置。當接近目的時候通過智能調控不斷減速直到到達目的區域的速度為零。自動巡航流程圖如圖4所示。

2.2 水質調節程序設計

上位機匯總各個不同節點的水質參數，構建基于三維差值算法的三維水質分布圖[5]。根據三維水質分布圖，分區域的自動開啟水質調節設備。

水質參數分布圖的三維插值算法流程為：獲取水質參數的信息矩陣，分別提取前三維坐標信息和水質信息，隨后對三維坐標調用TriScatteredInterp函數，計算出函數插值出來的Z維度數值，然后調用ndgrid（內插值）函數插值出三維坐標軸的剩余離散點。在完成以上步驟之后再對水質信息調用TriScatteredInterp函數插值出其他的水體空間的水質值，隨即調用繪圖函數畫出水質分布三維圖，并根據水質信息著色。

當三維立體圖中有一部分區域的水質參數值達不到設定的閾值，系統控制設備進行水質調整，直到達到閾值范圍。例如，當檢測到某個區域的溶解氧正常值時，通過對缺氧區域定位信息的判斷，系統自動開啟距離缺氧區最近的增氧泵進行增氧，直至系統檢測到該區域的溶解氧均達到設定的上限值。智能調控的工作流程如圖5所示。

3? 實驗結果

（1）水質參數的精準度及測量范圍如表1所示。

（2）巡航機器人各項指標如表2所示。

4? 結語

針對于傳統淡水養殖存在水質參數難以全方位檢測以及無針對性的水質調節浪費人力物力的問題，本系統通過智能巡航機器人對水質進行全方位檢測，生成相對應的水質分布圖，對水質異常的區域進行針對性的調節，能夠很好的解決這一問題。我們進行了軟件、硬件的設計整體調試，確保定位基站、巡航機器人、上位機、水質調節設備等能夠達到預期效果。

參考文獻

[1] 林永鋮，林超洋，梁志鋒，等.基于物聯網技術的淡水養殖監控系統[J].電氣技術，2015（10）：59-62.

[2] 鄭佳春，吳建華，馬勇，等.混合模擬退火與粒子群優化算法的無人艇路徑規劃[J].中國海洋大學學報：自然科學版，2016，46（9）：116-122.

[3] 金成松.ITS中基于UWB/IMU/GPS組合的協作定位方法研究[D].哈爾濱工程大學，2017.

[4] 周存.基于GPS和UWB精確定位系統的設計與實現[D].西安電子科技大學，2016.

[5] 劉智勇.曲面插值算法在三維地質建模中的研究[D].成都理工大學，2016.