海水養殖水質在線監測大數據共享平臺

（三亞學院，海南 三亞 572022）

隨著社會的發展和人口的增加，人們對水產品的需求在不斷的增加，其中海產品的需求在快速增長，單靠海洋捕撈已經不能滿足人們的需求，所以海水養殖越來越普遍。但由于海水養殖對水質要求較高，且自2000年以來，我國海域多次發生規模巨大、毒性極強的赤潮，給我國海水養殖業造成巨大的損失。水質是水產能否成功養殖的關鍵，目前國內的水產養殖業，它的水質監測多數仍是處于人工采樣、化學分析的人工監測階段，此方法費時費力，而且無法做到全天的實時檢測，很容易因為人工監測疏漏致使水質異常，從而造成水產品大批量死亡、造成巨大的經濟損失[1]。因此，有必要提升水產養殖水質監測技術水平。針對目前水產養殖環境的現狀，研發水質在線監測大數據共享平臺，旨在多方面實時提供海水水質數據，建立求助專家渠道，提供經驗共享方式，從而達到水產量產效果好的目的[2]。

水產在線監測系統采用先進的智能水質傳感器、無線傳輸系統、無線通信、預警系統、智能管理系統等技術，能夠實時監測水體溶解氧、濁度、PH值、電導率、水溫、懸浮物等水質變換情況，智能分析預警，并能夠實時將監測點的采集數據發送至用戶端，用戶可通過電腦或者手機隨時查看監測數據，及時發現異常情況，及時調整，從而有效避免異常情況對水產養殖的影響，給水產養殖良好產出提供保障。同時水質在線監測系統數據可保存，用戶可隨時查看歷史監測數據，方便用戶總結養殖經驗，便于下一次更科學地開展養殖，提升產出。該平臺的應用和提升了水質監測的有效性、及時性，讓養殖人員不用再像以往那樣采集水樣到專門的地點監測，大大縮短了水質監測所用的時間，同時可以通過平臺實時查看水質情況，并可借鑒同行分享的養殖經驗來處理遇到的問題或者申請求助。

1 在線監測系統的組成

近年來隨著人們對水產品的需求逐年攀升，傳統的養殖方法已經無法滿足高產量的需求，采用及時監測以及無線傳感技術等先進的管理方式對養殖環境、水質、水產品生長狀況進行數據采集分析，能有效的提高養殖產量。

水質監測系統主要由傳感器模塊、控制及數據處理模塊、無線傳輸通信模塊組成。傳感器模塊會把水體溫度、濁度、PH值、溶解氧等數據進行采集，并送往數據處理單元，數據處理單元將送來的各種不同標準的數據轉化為設置好的標準數據格式，通過無線通信送到上端管理軟件或者云平臺，并將數據保存在相應的數據庫中。控制模塊主要由PLC或者單片機組成，是整個系統的核心部分，控制整個系統正常、有序的運行。

目前我國已開發的水質監測系統主要有：（1）多點在線水質監測系統，可同時監測6個不同點的水質情況。（2）基于工控機的水質在線監測虛擬儀器，此系統改變了傳統化學測試的思路，研制了在線監測虛擬儀器，該系統響應快、操作方便、人機界面可多樣化設計、輸出圖形豐富美觀逼真。（3）基于BP神經網絡的在線水質監測系統，利用神經網絡的自學習功能，計算出更加科學的預測模型參數，同時采用無線通訊技術進行遠程數據采集[3]。

在基于已有的實時水質監測系統的前提下，利用單片機和其他的集成類芯片，收集傳感器所測得的數據，然后進行短期儲存，將數據進行計算，網絡通信裝置將所接受的信號發送給數據平臺，平臺通過程序和系統，對數據進行制圖和匯總。并對數據進行分析，是否超出或低于所設置的標準值范圍，數據更新為半小時一次，以此打造全民可用的水質共享監測平臺，總的結構框圖如圖1所示。

2 海水監測硬件系統設計

水溫是水產養殖中關鍵因數之一，不同的水產生物適應的水溫是不同的，一般水溫越高水產生物的攝食量會越大，生長速度也會越快，水產生物的受精卵孵化時間也越短，但水溫與水里的氨氮總量成負比例的相關關系，所以水溫的實時監測對養殖效果具有直接的關鍵意義，同時歷年水溫數據的測量及記錄可供養殖戶選取養殖品種作參考。水體溫度采用水體溫度計傳感器WQ101B測量水體溫度為電子傳感器測量裝置周圍水體溫度，并將水體溫度數據傳輸給控制系統，同時控制系統可根據不同地域、不同季節以及養殖品種密度等信息設定警報閾值，一旦溫度超出閾值可通過警報器及警報短信等方式發送給養殖戶，養殖戶可根據情況進行適當的人工干預以防止養殖情況的惡化。

圖1 海水監測大數據共享平臺

酸性水質容易使水產生物感染蟲病、水里的天然餌料繁殖減慢、影響魚類的正常生長，酸性過高甚至會引起魚類大范圍的死亡。溶解氧與水產生物的健康生長息息相關，溶解氧高可以增進魚類的食欲，提高水中飼料的使用率，使得魚類快速發育生長，并且能改善水質。ph值測量采用玻璃電極法，復合電極（pH/參考）包含一個特制玻璃和一個Ag/AgCI參考凝膠電極（KCI）。同時溶解氧采用化學反應所產生的電壓來進行測量水體的含氧量，使用特殊酸性電解液，陰極采用惰性金屬金，陽極采用金屬鉛，氧氣以擴散的方式通過氟樹脂膜參與氧化還原反應，構成一種氧鉛蓄電池，然后由內部電阻將氧化還原反應產生的電流轉化成電壓輸出。當監測出水體溶氧量過低時控制系統將自動打開增氧泵，以保證水體中溶解氧充足。水體濁度測量采用光學傳感器對水體進行光的測量，按照構成方法180.1濁度測量，WQ730濁度傳感器是一個90°的散射濁度計。WQ730濁度傳感器將聚焦束進入監控水。光束反射粒子在水中，由此而來的光強度測量濁度傳感器的光電探測器定位在90度的光束。濁度傳感器檢測到的光強度是直接與水的濁度成正比。水體的壓力測量可以通過壓力傳感器測得，此部分可以通過壓力的變換，經過系統程序的計算可以得出在水體的具體深度，這樣可以測量不同壓力即不同深度的水體環境下水體的數據，這樣就可以對生活在不同水深的海產品所需的水質進行檢測，使得系統的應用更加廣泛[4]。

此系統可以根據不同的情況進行改裝，可對傳感器的數量和種類進行添加，裝置將測得數據上傳到平臺，平臺對數據進行計算分析和制圖，可以直觀快速的了解水體的情況。由于養殖場采集的數據量大，包括水溫、PH值、溶解氧、濁度、氨氮、硫化物等數據，并需要通過無線網絡對這些數據進行傳輸，并由在線監測平臺對數據進行接收、存儲以及處理統計，并在共享平臺上進行顯示。系統兼容多種數據分析及處理的軟件，能對數據進行繪制直方圖、餅狀圖、曲線擬合等處理，并可導出TXT文本、EXCEL電子表格、word文本等格式的數據處理結果。同時通過無線互聯網技術使得用戶可通過手機、電腦、平板等用戶終端登錄平臺實時查詢水質狀況及所需要數據，并對超出或低于所設置的標準值范圍，進行警報，提醒養殖戶及時對水體進行人為干擾。

供能方面因系統采用為集成芯片，傳感器耗能小，可以采用可充鋰電池供電。同時可根據養殖地域的環境特點以及用電成本，在每個節點采用太陽能板一體的充電電池，這樣既能實現環保的同時又考慮了陰雨天的供能問題。控制系統采用基于單片機的集成模塊。系統程序為matlab編寫，并進行開源，系統可根據不同情況進行更新和升級。

3 經濟效益

我國是世界主要的漁業生產國，是為數不多的海水養殖超過海洋捕撈的國家，海水養殖占世界海水養殖總量80%以上，對于我國耕地資源緊張的國情，大力開發海水養殖提供更多的海洋產品，能緩解糧食安全問題面臨的挑戰，有利于通過調整食品結構保證全國糧食安全[5]。如果水質發生變化，處置不當海產品死亡率高達80%以上，帶來的經濟損失平均近1萬元每畝，若采取實時監控系統并及時發出預警，準確率高到75%以上，可以把經濟損失降至30%以下甚至更少，同時通過平臺可以借鑒前人有效的養殖經驗，大大提高養殖效率，帶來的經濟增長可達數十億以上。

4 結語

大數據及物聯網時代已經到來，我國海洋資源豐富，海洋產業優勢顯著，基于云計算對采集的海水數據進行大數據分析，能有效促進整個海水產業的高效發展，同時隨著物聯網共享概念深入普通大眾的日常生活，大眾在享有便利的同時，各個產業將是未來大數據時代的主要受益者。