基于物聯網技術的水產養殖機器人開發與應用

汪兆棟

（景德鎮學院 機械電子工程學院，江西 景德鎮 333000）

0 引言

水產養殖主要包括在海水和淡水環境下飼養、繁殖及獲取動植物。我國水產養殖業發展速度較快，當前面臨的競爭環境越來越激烈，需要掌握準確可靠的養殖數據，采取科學的養殖方法，提升水產品的品質。水產養殖環境有多樣性和多邊形的特點，借助物聯網技術、數據采集技術獲取數據信息，并通過云分析軟件進行智能化處理，能提升運營效率。

1 水產養殖機器人物聯網平臺開發的必要性

1.1 傳統水產養殖存在不足

水產養殖中，要全面掌握養殖環境等數據信息，需要信息化技術的支持。傳統的水產養殖多是采用粗放式的養殖方式，難以適應新時期的發展。首先，人工作業占比多，一些規模較小的養殖，可以進行人工操作，而對一些面積較大的如湖泊、海洋養殖，如果依靠船舶機器人工實地測量，獲取數據信息，增加了養殖難度。其次，監測作業中，人工監測不能做到實時動態化，同時人為監測過多，監測數據質量控制難度大，存在數據誤差，影響數據的準確性[1]。最后，采用人工方式獲取數據信息，這些數據相對散亂，還需要人工整理分析，效率低下。此外，傳統水產品養殖管理工作多是用眼睛觀察來判斷清潔度等，采用人工投喂方式，在水產品分類工作中也是依靠經驗判斷，具有主觀性。

1.2 水產養殖機器人的設計目標

智能水產養殖機器人的設計，主要是對水產品養殖環境、周邊環境溫度等進行監測，實現日常喂養的自動化管理等。利用物聯網機器人技術，對水產品養殖與育苗進行監控，形成具有良好規模效應的良種體系[2]。通過系統設計研發和應用，在水產品育苗過程中實現對水環境中浮游生物的實時監測，對水質狀況進行分析并調節，做好水產品養殖中的病蟲害防治工作，還要積極構建水面圍網監控云平臺。

2 水產養殖機器人的設計實現

2.1 系統構成

數字化發展時代，新的技術如大數據技術、云計算技術、人工智能技術等都得到了一定程度的應用，為水產養殖的智能化和自動化提供了技術條件。我國智能水產養殖機器人技術仍處于研究階段，單項技術還需要完善，不同技術之間的銜接和利用還存在一些問題。物聯網技術的融入，在提升水產品的品質和質量方面有積極意義。數據分析中，根據機器人分布的地點，數據具有分散性，系統的時效性較強，采用集散控制系統對養殖機器人進行管理控制，從而增強整個平臺的實用性，確保養殖企業獲取更好的效益。

為實現節能發展的目標，在水產養殖機器人的供電系統設計中，利用太陽能儲存能量為單片機系統供電，白天太陽能板給蓄電池儲存電能，夜間蓄電池可以給機器人供電，不需要外部電源的連接，可直接實現供電[3]。

整個控制平臺包括硬件和軟件兩部分。硬件部分中，其一是傳感器模塊，主要是采用溶氧量傳感器，溫度、pH值、氨氮傳感器等，對水產養殖環境的溫度、pH值和氨氮等因素進行自動監測，獲取對應的數據信息。其二是GPRS模塊。智能水產養殖機器人中，借助GPS定位，并運用GSM系統實現平臺與服務器端通信。操作中運用標的AT指令，模塊能收發短信和GPRS數據信息。其三是單片機控制模塊，采用高性能低能耗的8位微控制器，其中包括電源、振蕩電路等元器件，這是整個系統的主要控制核心。軟件系統主要包括數據接口程序、數據庫、云服務平臺及控制設備等。

2.2 關鍵技術分析

水產養殖機器人硬件部分主要包括GSM短信模塊、單片機和傳感器等；軟件部分包括數據通信程序、數據庫接口及智能終端系統。

2.2.1 GMS短信模塊

將GMS手機短信與計算機終端數據有效結合，設計中主要采用STC89C52單機片及GSM系統模塊。在系統運行中，TC35通信模塊電路由IGT啟動電流、知識等點庫及SIM卡組成，單片機和TC35通信模塊接受AT指令，進行呼叫和數據業務的處理控制，AT指令包括了安全性、控制及網絡業務等命令。

2.2.2 數據通信

通過服務器終端IP地址和端口的設置，并安裝JDK運行環境，服務器終端設置數據接口，接受GSM信息數據，并對數據處理后發送到GSM模塊。

2.2.3 數據庫接口

通信程序收到數據信息之后，將接收的數據傳輸到數據庫中，并編寫通用的MySQL數據庫，實現數據庫數據讀寫操作。

2.3 優勢分析

基于物聯網的水產養殖機器人平臺設計，發揮物聯網無線傳感器技術、射頻識別技術等優勢，能實現自動化的監控管理。在應用中，通過“平臺＋智能傳感器＋控制器”的模式，能節省人力操作的時間和精力，在水產品質量、疾病防控等方面有重要價值，進行長期的動態化監控作業，對調節水質、增加養殖產量等有重要作用。

2.3.1 安全穩定性強

水產養殖機器人物聯網平臺借助計算機信息處理技術等，在數據傳輸中采用數據加密的方式，能避免數據被竊取。同時，硬件設計、服務器、數據庫結構等，可以通過計算機與手機設備連接，實現24小時實時在線；當監控中數據發生異常，GPRS技術與故障報警系統能自動發出報警信號，平臺將報警信息及時發送到管理人員的手機上。此外，用戶通過電腦、手機App實行遠程監控，操作方便，且實時性比較強，能同時接收和處理多個監測點的數據，更好地滿足系統數據采集及傳輸的要求。

2.3.2 成本較低

借助GPRS公網平臺，系統運行中不需要重新建設網絡和搭建服務器，也不需要專業的工程師編程，設備安裝好后對平臺系統進行簡單的設置就可運行，因此建設成本相對較低。同時，系統設計中預留了接口，能根據設計需求增加和減少硬件軟件設備，系統只需要改動就可以完成，提升了系統的效率，且靈活性較強。

3 系統平臺的具體應用

3.1 對水產養殖環境的監控

在物聯網水產養殖系統中，通過不同的水環境指標傳感器對環境進行監測，如水溫傳感器測試水的溫度、pH傳感器監測水的pH值，含氧量傳感器對水域環境的含氧量進行監測等。根據不同養殖物的生活特性，提前設定好合適的標準，如果傳感器監測環境的相關指標超出正常指標范圍，系統會發出警報，并通知子系統對相應的水環境指標進行調整。如水含氧量較少時，平臺會給增氧機發送信息，系統進行智能化增氧操作，如果水位相對較高，系統則會自動打開出水口，對水位進行智能化調節。

3.2 對動植物狀況進行監控

物聯網平臺與射頻識別技術等結合，對不同的水產動植物賦予其可識別的身份，且可以借助醫療檢測設備對水產動物的生命體征進行定期監測。如借助導引設備，確保水產物能定期經過醫療監測設備；通過識別水產動物的標簽，對其生命特征的參數進行監測，并將監測數據傳送給云平臺，將收到的數據與原有的水產動植物的數據信息進行比對分析，判斷其生產情況。

3.3 自動投喂

自動投喂主要是平臺根據監測的數據信息，對餌料投放機進行控制。操作比較簡單的是手動控制，人工開啟關閉餌料投放機器，一般是如果系統出現故障不能自動控制，可采用人工的方式。還可以利用手機和電腦端自動控制和定時控制。借助物聯網技術，確保養殖機器人物聯網平臺與餌料投放之間實現通信，能對餌料投放機進行自動化控制，也可以根據需要設定好投放的時間。操作比較方便的是管理人員在手機端登錄養殖管理系統，點擊按鈕操作，對餌料投放機進行管理控制。

4 結語

我國水產養殖業中，利用大數據技術、物聯網技術、人工智能技術等，加深了自動化和智能化程度。通過分析新時期水產養殖的新需求，借助移動互聯網技術，設計智能化的水產養殖物聯網平臺，能實現水產養殖的自動化監控管理，提升了養殖的效率和質量。未來發展中，基于物聯網的水產養殖機器人平臺具有廣闊的應用前景。