劉光明 季延濱 孫學(xué)亮

摘要：針對傳統(tǒng)的淡水漁業(yè)環(huán)境污染和水資源消耗嚴(yán)重，抗生素的濫用影響食品安全等問題，基于云計算架構(gòu)，采用Java 語言開發(fā)，從養(yǎng)殖水質(zhì)及環(huán)境自動監(jiān)測控制，淡水魚精細(xì)喂養(yǎng)、疾病預(yù)測及診斷等方面建立了相關(guān)系統(tǒng)模型，運(yùn)用WebService技術(shù)、VMwar技術(shù)、統(tǒng)一存儲技術(shù)對系統(tǒng)資源進(jìn)行整合，采用Java+oracle技術(shù)開發(fā)了封閉循環(huán)式養(yǎng)殖平臺。系統(tǒng)轉(zhuǎn)變了淡水魚的養(yǎng)殖方式，解決了養(yǎng)殖過程中存在的安全問題，節(jié)約硬件投入成本，增加經(jīng)濟(jì)效益，為實現(xiàn)淡水魚養(yǎng)殖信息化提供了技術(shù)支撐。

關(guān)鍵詞：淡水魚；虛擬化；云計算；平臺設(shè)計

中圖分類號：S951.2；TP393 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：0439-8114（2015）11-2755-03

DOI：10.14088/j.cnki.issn0439-8114.2015.11.052

Designs on Closed Cycle Type Platform of Freshwater Fish

Aquaculture based on Cloud Computing

LIU Guang-minga，JI Yan-binb，SUN Xue-liangb

（a. Network Information Center；b. College of Fisheries， Tianjin Agricultural University，Tianjin 300384， China）

Abstract： In view of the problems in traditional freshwater fish aquaculture such as environment pollution and serious water resource consumption， food safety problem for abuse of antibiotic， based on the cloud computing architecture and Java language， the related system model was constructed including the aquaculture water quality and environmental automatic monitoring and control， freshwater fish fine feeding， disease prediction and diagnosis system model， and the system resources were integrated by using the WebService technology， VMwar technology， unified storage technology， the closed recirculating culture platform was developed by java+oracle technology. The transformation of the freshwater fish farming mode solved the safety problems during the breeding process， saved the hardware cost， increased the economic benefit， which provided technical support for realizing the informatization of freshwater fish farming.

Key words： freshwater fish；virtualization；cloud computing；platform design

在中國北方，傳統(tǒng)的淡水魚養(yǎng)殖行業(yè)一年四季都受自然因素影響，如要使淡水魚企業(yè)擺脫自然環(huán)境的影響，就只有走工廠化封閉循環(huán)式養(yǎng)殖模式，實現(xiàn)環(huán)境因素可控，使養(yǎng)殖過程全年都能夠正常進(jìn)行，提高企業(yè)效益。封閉循環(huán)式養(yǎng)殖的原理是以維持良好而穩(wěn)定的生態(tài)環(huán)境為主導(dǎo)，采取必要的水處理方法控制水質(zhì)，阻斷病原傳播途徑，放養(yǎng)健康幼苗，強(qiáng)化營養(yǎng)，提高抗病能力，養(yǎng)殖排水經(jīng)沉淀、消毒、物理過濾等過程，循環(huán)使用[1]。中國的工廠化養(yǎng)殖開始于20世紀(jì)70年代，但是對淡水魚養(yǎng)殖的內(nèi)部設(shè)施建設(shè)重視不夠，科研滯后于生產(chǎn)，早期開發(fā)的淡水魚養(yǎng)殖水質(zhì)自動監(jiān)測系統(tǒng)和裝置還處于一種單傳感器、單參數(shù)的分析基礎(chǔ)上，淡水魚養(yǎng)殖業(yè)中的水質(zhì)參數(shù)多半停留在檢測程度上，多使用監(jiān)測儀定期采樣檢測，在線監(jiān)測系統(tǒng)很少[2]。盡管國內(nèi)外已經(jīng)開發(fā)了針對淡水魚養(yǎng)殖各個環(huán)節(jié)的信息化系統(tǒng)，但是目前的系統(tǒng)都是獨(dú)立應(yīng)用于淡水魚養(yǎng)殖生產(chǎn)中，還沒有從育苗、苗種養(yǎng)殖、成魚養(yǎng)殖及加工運(yùn)輸全過程的各系統(tǒng)集成起來進(jìn)行控制的封閉循環(huán)養(yǎng)殖模式。

為此，針對上述問題，構(gòu)建了一套基于云計算的淡水魚封閉循環(huán)式養(yǎng)殖平臺，該平臺集成了養(yǎng)殖水質(zhì)及環(huán)境自動監(jiān)測控制，淡水魚精細(xì)喂養(yǎng)、疾病預(yù)測及診斷等技術(shù)，對推動淡水魚信息獲取的標(biāo)準(zhǔn)化、數(shù)據(jù)傳送網(wǎng)絡(luò)化、數(shù)據(jù)處理模型化、精細(xì)養(yǎng)殖過程自動化、決策管理智能化有重大的作用和現(xiàn)實意義，也是淡水魚養(yǎng)殖技術(shù)發(fā)展的趨勢。

1 基于云計算的淡水魚封閉循環(huán)式養(yǎng)殖平臺設(shè)計

1.1 平臺架構(gòu)

平臺的基本架構(gòu)（圖1）由數(shù)據(jù)層、支撐層和應(yīng)用層三個部分組成，建立統(tǒng)一的架構(gòu)技術(shù)體系，遵循信息服務(wù)平臺總體架構(gòu)、信息資源目錄和交換體系等規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)[3]。

數(shù)據(jù)層主要包括養(yǎng)殖的基本數(shù)據(jù)，通過視頻監(jiān)控、物聯(lián)網(wǎng)等技術(shù)采集的環(huán)境、養(yǎng)殖個體、制品標(biāo)識等監(jiān)測數(shù)據(jù)，防治養(yǎng)殖疾病、進(jìn)銷存制品、管理養(yǎng)殖投入品等綜合數(shù)據(jù)[4]。

支撐層主要是按照一定的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范，集成傳感網(wǎng)絡(luò)、計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)、3S以及RFID等技術(shù)進(jìn)行采集和傳輸?shù)~養(yǎng)殖數(shù)據(jù)，同時對數(shù)據(jù)層上相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行挖掘和分析，解決數(shù)據(jù)的采集、傳輸?shù)葐栴}。

應(yīng)用層主要是選擇淡水魚養(yǎng)殖為應(yīng)用領(lǐng)域，包括養(yǎng)殖環(huán)境監(jiān)測、養(yǎng)殖過程管理、產(chǎn)品質(zhì)量安全跟蹤溯源、疫情預(yù)警預(yù)報等，根據(jù)典型用戶產(chǎn)業(yè)活動，提煉具體需求，如養(yǎng)殖環(huán)境視頻監(jiān)控、養(yǎng)殖環(huán)境監(jiān)測（例如魚塘溫度、pH、溶解氧、氯離子濃度、電導(dǎo)率等）、數(shù)據(jù)自動采集、無線通信傳輸和數(shù)據(jù)分析等，并在此基礎(chǔ)上，將采集的各類監(jiān)測數(shù)據(jù)建成智能養(yǎng)殖數(shù)據(jù)倉庫，并利用分析模型和知識，可以實現(xiàn)養(yǎng)殖產(chǎn)品質(zhì)量、養(yǎng)殖環(huán)境質(zhì)量和效益的分析、評價和預(yù)警，為養(yǎng)殖生產(chǎn)和市場流通提供決策支持[5]。

平臺具備易用性和安全性，屬于B/S結(jié)構(gòu)，維護(hù)方便，瀏覽器方式訪問。用戶可通過計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)維護(hù)和管理，工作效率得到了提高。利用J2EE技術(shù)和中間件技術(shù)，將各種開發(fā)語言的子系統(tǒng)集成到平臺，如asp、.net、C/C++、COM、JAVA、PHP等多種開發(fā)語言。管理數(shù)據(jù)源及調(diào)度代理，使用DBMS、文本、消息、WebService等各種數(shù)據(jù)源接口技術(shù)，數(shù)據(jù)的處理、控制和表示，改變了先前設(shè)計者界面在先、代碼在后的方式，避免了處理數(shù)據(jù)、程序數(shù)據(jù)功能和數(shù)據(jù)代碼顯示等較亂的問題，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)更加靈活與清晰[6]。

1.2 平臺功能設(shè)計

1.2.1 水質(zhì)預(yù)警系統(tǒng) 封閉循環(huán)式養(yǎng)殖場的水質(zhì)預(yù)警不同于河湖及地下水的水質(zhì)預(yù)警[7]。封閉循環(huán)式養(yǎng)殖針對的是特定的魚種，不同魚種的水質(zhì)指標(biāo)不同，甚至同一魚種不同生長階段的水質(zhì)指標(biāo)也不相同，根據(jù)魚的生長需求建立了相應(yīng)的預(yù)警指標(biāo)體系（圖2）。

根據(jù)封閉循環(huán)式養(yǎng)殖場的實際情況，水質(zhì)的關(guān)鍵參數(shù)中，鹽度、酸堿度和水溫在一天中隨時間的變化很小而且緩慢，因而不進(jìn)行預(yù)測，由預(yù)警模塊根據(jù)實測值按照預(yù)警規(guī)則進(jìn)行預(yù)警[8]；溶氧的變化相對較快，對魚的影響也較大，故需要對溶氧進(jìn)行預(yù)測，利用預(yù)測值來進(jìn)行溶氧指標(biāo)的預(yù)警[9]。

1.2.2 精細(xì)喂養(yǎng)決策系統(tǒng) 精細(xì)喂養(yǎng)決策分為兩個步驟：第一步，基于線性優(yōu)化模型，在滿足不同魚種不同生長階段營養(yǎng)需求的前提下，進(jìn)行價格最優(yōu)的決策。第二步，根據(jù)使用的飼料及配比，結(jié)合魚種、生長階段、水溫、尾數(shù)、體重等信息，利用基于知識的推理，為管理者提供最優(yōu)投喂時間、投喂量決策（圖3）。

1.2.3 疾病預(yù)警系統(tǒng) 利用專家調(diào)查法，確定各種疾病各預(yù)警等級的區(qū)間，并形成預(yù)警知識規(guī)則[10]。用戶通過選擇魚體情況、魚體活動、鏡檢情況、發(fā)病情況，系統(tǒng)經(jīng)過基于知識的推理和基于規(guī)則的推理，采用IF… THEN… 的推理過程得到預(yù)警等級和預(yù)警預(yù)案，幫助技術(shù)人員及時對出現(xiàn)的情況做出正確的反應(yīng)（圖4）。

1.3 數(shù)據(jù)庫設(shè)計

根據(jù)平臺需求，平臺的中心數(shù)據(jù)庫采用Oracle Database 11g Enterprise Edition，各業(yè)務(wù)系統(tǒng)采用SQL Server和MySQL。使用WebService技術(shù)，建立數(shù)據(jù)集成中心庫，把各子業(yè)務(wù)系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)集成進(jìn)中心庫中，經(jīng)過加工處理后提取所需數(shù)據(jù)，實現(xiàn)數(shù)據(jù)查詢、統(tǒng)計分析的統(tǒng)一化和標(biāo)準(zhǔn)化。同時，保持子業(yè)務(wù)系統(tǒng)的原有數(shù)據(jù)庫穩(wěn)定運(yùn)行。

中心庫由疾病預(yù)警表、飼料信息表、生長需求表、防疫預(yù)警規(guī)則表等多個表組成。通過中心庫信息加工形成疫情預(yù)警、精細(xì)喂養(yǎng)、生長需求，疾病預(yù)防規(guī)則等規(guī)則和方式，可供子業(yè)務(wù)系統(tǒng)查詢調(diào)用。

2 基于云計算的淡水魚封閉循環(huán)式養(yǎng)殖平臺系統(tǒng)實現(xiàn)

2.1 短信預(yù)警系統(tǒng)

短信預(yù)警系統(tǒng)通過GSM MODEM建成，是短消息通信設(shè)備，具備短信發(fā)送和接收功能，可向用戶發(fā)送接收短信[11]。系統(tǒng)通過USB接口連接服務(wù)器、計算機(jī)，與移動、聯(lián)通、電信的短信中心通訊，通過短信息功能模塊，實現(xiàn)短信預(yù)警系統(tǒng)的預(yù)警數(shù)據(jù)與手機(jī)用戶的溝通和交流。

2.2 部署環(huán)境

平臺系統(tǒng)底層設(shè)計是通過刀片機(jī)配合VMware虛擬化軟件方式實現(xiàn)的。刀片服務(wù)器數(shù)量為4臺，其中單臺配置4個英特爾？誖6核E7-4807至強(qiáng)（R） CPU，1.86 GHz，18 MB高速緩存，5.86 GT/s，256 GB 內(nèi)存（32×4GB），SAS 10000轉(zhuǎn)2.5英寸硬盤500GB×4，配備2塊千兆網(wǎng)卡模塊。在每臺刀片機(jī)上安裝VMware虛擬化軟件，憑借其較強(qiáng)的CPU和充足的內(nèi)存，生成若干臺服務(wù)器，然后在每臺服務(wù)器內(nèi)安裝相應(yīng)的操作系統(tǒng)、子業(yè)務(wù)系統(tǒng)及數(shù)據(jù)庫。最后配合HA、FA容錯，快照，雙機(jī)備份等技術(shù)手段，達(dá)到業(yè)務(wù)系統(tǒng)安全、可靠及高恢復(fù)的目的，低損耗，增強(qiáng)了系統(tǒng)的多樣性和運(yùn)行速度。平臺系統(tǒng)應(yīng)用層運(yùn)用Java與oracle方式來實現(xiàn)的，這樣可使系統(tǒng)具備很強(qiáng)的可靠性和移植性。

2.3 平臺運(yùn)行保護(hù)方案

平臺安全體系是覆蓋面廣的專業(yè)體系。對信息系統(tǒng)設(shè)計思想及原則動態(tài)科學(xué)地掌握，著眼點明確，原理的掌握要從管理層面到系統(tǒng)底層，要實現(xiàn)整個系統(tǒng)的安全和專業(yè)，必須采用一定的方式，具備內(nèi)容性、理論性、層次性和前瞻性[10]。

平臺系統(tǒng)具有嚴(yán)密的使用權(quán)限控制、安全線路、病毒防護(hù)、網(wǎng)絡(luò)防火墻、網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控系統(tǒng)和安全掃描、系統(tǒng)安全備份管理等多方面的安全方案，來設(shè)計系統(tǒng)整體層次安全架構(gòu)，保證整個系統(tǒng)運(yùn)行的安全。

平臺用戶認(rèn)證在數(shù)據(jù)庫內(nèi)運(yùn)用md5加解密方式[9]，在編程代碼里面定義出信息平臺最高級管理員身份認(rèn)證和權(quán)限。平臺按層次部署各業(yè)務(wù)系統(tǒng)用戶，有一個最高級用戶管理全平臺，負(fù)責(zé)各個子系統(tǒng)超級用戶的創(chuàng)建，子系統(tǒng)某養(yǎng)殖場的超級用戶由各子系統(tǒng)的超級用戶創(chuàng)建，本企業(yè)管理員與信息錄入員由養(yǎng)殖場的超級用戶創(chuàng)建，這樣的層次化管理有利于落實責(zé)任。平臺現(xiàn)處在使用初期階段，等待系統(tǒng)功能進(jìn)一步改善后可運(yùn)用“數(shù)字簽名”的方式，這樣就能更好地保證平臺的安全穩(wěn)定運(yùn)行。

2.4 系統(tǒng)存儲

傳統(tǒng)的分散存儲架構(gòu)已不能滿足平臺存儲系統(tǒng)容量的高速增長和管理需求。因此，該平臺系統(tǒng)的存儲設(shè)計思路為構(gòu)建統(tǒng)一數(shù)據(jù)中心，分步式數(shù)據(jù)處理的存儲[12]。運(yùn)用FCSAN技術(shù)架構(gòu)劃分業(yè)務(wù)系統(tǒng)和存儲系統(tǒng)，提高系統(tǒng)的處理性能，保障平臺運(yùn)行的穩(wěn)定。該服務(wù)平臺的存儲兼容性高，可以兼容全部平臺、各類操作環(huán)境的存儲系統(tǒng)[13]。

3 小結(jié)

基于云計算的淡水魚封閉循環(huán)式養(yǎng)殖平臺的構(gòu)建可實現(xiàn)：用戶可以通過不同的方式（手機(jī)短信、瀏覽器等）與平臺系統(tǒng)交流；用戶可通過模糊搜索等多種查詢方法，滿足用戶對淡水魚養(yǎng)殖實用技術(shù)信息進(jìn)行快速查詢[14]；信息資源豐富；淡水魚養(yǎng)殖中的網(wǎng)絡(luò)咨詢服務(wù)專家系統(tǒng)；信息查詢與推送網(wǎng)站超文本服務(wù)，專家實現(xiàn)遠(yuǎn)程培訓(xùn)和個性化服務(wù)。

通過對各項關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行深入的研發(fā)和應(yīng)用[15]，形成較完備的生產(chǎn)實踐系統(tǒng)和成熟的技術(shù)理論體系，從而解決企業(yè)在生產(chǎn)中所遇到的風(fēng)險高、經(jīng)濟(jì)效益低、養(yǎng)殖環(huán)境污染、水資源浪費(fèi)、淡水魚產(chǎn)品食品安全等問題，實現(xiàn)增加淡水魚企業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益、降低環(huán)境污染、循環(huán)利用水資源、保證淡水魚品的食品安全，為中國從事淡水魚健康生產(chǎn)提高物質(zhì)基礎(chǔ)和技術(shù)保障，從而使企業(yè)實現(xiàn)高效、綠色、可持續(xù)型的良性發(fā)展。

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