基于物聯(lián)網(wǎng)的大型養(yǎng)殖水域監(jiān)控系統(tǒng)

李 澥，吳炳宏

（廣州大學(xué)華軟軟件學(xué)院，廣東 廣州 510900）

針對(duì)目前我國(guó)水產(chǎn)養(yǎng)殖規(guī)模越來越大，種類越來越豐富，傳統(tǒng)養(yǎng)殖方式已不能滿足現(xiàn)在的要求，目前國(guó)內(nèi)養(yǎng)殖戶在水質(zhì)檢測(cè)方面大多仍采用人工取樣分析的方式，即時(shí)性差，耗時(shí)費(fèi)力。隨著物聯(lián)網(wǎng)、云計(jì)算等先進(jìn)信息技術(shù)的發(fā)展與應(yīng)用，水產(chǎn)養(yǎng)殖信息化必將進(jìn)入新的發(fā)展時(shí)代。針對(duì)以上問題，本研究擬開發(fā)一套基于物聯(lián)網(wǎng)的大型水產(chǎn)養(yǎng)殖系統(tǒng)平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)對(duì)大型水域的水質(zhì)檢測(cè)、飼料投喂、數(shù)據(jù)分析等功能。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

（1）系統(tǒng)總體架構(gòu)。系統(tǒng)集數(shù)據(jù)、圖像實(shí)時(shí)采集、無線傳輸、智能處理和預(yù)測(cè)預(yù)警信息發(fā)布、輔助決策等功能于一體，功能可分為3部分：①具有自動(dòng)巡航、定位及避障功能的無人駕駛機(jī)動(dòng)船；于負(fù)責(zé)水質(zhì)生態(tài)綜合信息的獲取分析以及養(yǎng)殖設(shè)備遠(yuǎn)程調(diào)控的終端設(shè)備；③由移動(dòng)通信服務(wù)、遠(yuǎn)程操控、信息管理查詢等構(gòu)成的應(yīng)用服務(wù)平臺(tái)。如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)總體架構(gòu)圖

（2）自動(dòng)巡航及數(shù)據(jù)采集部分。采用APM2.8飛控系統(tǒng)結(jié)合PID算法、超聲波避障實(shí)現(xiàn)船體按照GPS軌跡自動(dòng)巡航。應(yīng)用STM32單片機(jī)實(shí)現(xiàn)對(duì)水溫、PH、濁度、聲納等傳感器的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集，如圖2所示。

圖2 自動(dòng)巡航及傳感數(shù)據(jù)采集

（3）數(shù)據(jù)傳輸層及實(shí)時(shí)監(jiān)控。采用TCP/IP、2.4G無線兩種通信方式完成傳感器數(shù)據(jù)及視頻傳輸。同時(shí)還能實(shí)時(shí)監(jiān)控增氧設(shè)備及時(shí)補(bǔ)充水中的氧氣，啟動(dòng)水溫調(diào)節(jié)等裝置，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)水產(chǎn)養(yǎng)殖環(huán)境的實(shí)時(shí)監(jiān)控，如圖3所示。

圖3 數(shù)據(jù)傳輸層及實(shí)時(shí)監(jiān)控

（4）智能化應(yīng)用管理平臺(tái)。應(yīng)用層提取數(shù)據(jù)庫(kù)數(shù)據(jù)，分別實(shí)現(xiàn)網(wǎng)頁(yè)端、PC端、手機(jī)端的應(yīng)用；并進(jìn)行數(shù)據(jù)處理和分析，為用戶提供決策和分析的依據(jù)，如圖4所示。

圖4 智能化應(yīng)用管理平臺(tái)

2 功能實(shí)現(xiàn)與應(yīng)用

（1）APM2.8實(shí)現(xiàn)船體按GPS軌跡自動(dòng)巡航。無人船在大幅減少環(huán)境生態(tài)監(jiān)控裝置數(shù)量的同時(shí)，有效提高了裝置的檢測(cè)精度。分析國(guó)內(nèi)學(xué)者在飛控APM無人機(jī)方面的研究，APM2.8飛控板結(jié)合Mission Planner地面站軟件使動(dòng)力船可根據(jù)所在區(qū)域地圖規(guī)劃的GPS軌跡運(yùn)用PID算法對(duì)飛控板進(jìn)行相應(yīng)的調(diào)參設(shè)置，實(shí)現(xiàn)船體按照GPS軌跡自動(dòng)巡航。為了規(guī)避障礙，動(dòng)力船的前方、左側(cè)及右側(cè)都裝有超聲波避障探頭,當(dāng)偵測(cè)到的障礙信號(hào)時(shí)，動(dòng)力船會(huì)改變當(dāng)時(shí)的航行方向以避開障礙物，最終實(shí)現(xiàn)船的無人自動(dòng)巡航，如圖5所示。

圖5 APM巡航軌跡圖

（2）聲吶探魚，智能投料。在自動(dòng)巡航船的底部裝有聲納探頭實(shí)時(shí)偵測(cè)魚群的數(shù)量，并攜帶自動(dòng)投料裝置；當(dāng)偵測(cè)到有魚群信號(hào)時(shí)，船會(huì)停下啟動(dòng)自動(dòng)投料裝置；控制器根據(jù)魚群的密度預(yù)設(shè)投料時(shí)間，若投料速度設(shè)為V，則投料量為M=VT，同時(shí)，控制器會(huì)自動(dòng)記錄魚群的密度和投料的數(shù)量。投料結(jié)束后船體恢復(fù)航行狀態(tài)，此時(shí)控制器控制聲吶傳感器停止偵測(cè)一段時(shí)間后再繼續(xù)偵測(cè)魚群（錯(cuò)開時(shí)間點(diǎn)檢測(cè)）。這種移動(dòng)式的投料方式實(shí)現(xiàn)了飼料的精準(zhǔn)投喂，有效解放了勞動(dòng)力以及節(jié)省飼料用量，如圖6所示。

圖6 聲納探魚投料示意圖

圖7 水質(zhì)監(jiān)測(cè)曲線圖

（3）水質(zhì)監(jiān)測(cè)。為了監(jiān)測(cè)水產(chǎn)品在養(yǎng)殖過程中的環(huán)境因子如水溫、PH值、溶氧量等數(shù)據(jù)流，在無人船上攜帶DS18B20溫度探頭、PH探頭、TDS濁度傳感器能實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)水域水溫、酸堿、渾濁度等生態(tài)環(huán)境因素。當(dāng)水質(zhì)出現(xiàn)異常時(shí)，如水域PH值過高，則系統(tǒng)會(huì)通知岸邊基站開啟異常保護(hù)模式，此時(shí)岸邊基站根據(jù)水質(zhì)異常情況自動(dòng)啟動(dòng)水泵執(zhí)行換水操作，及時(shí)改善水域的PH值直到恢復(fù)正常狀態(tài)，如圖7所示。

3 結(jié)語

文章研發(fā)的大型養(yǎng)殖水域監(jiān)控系統(tǒng)，利用APM無人船的自動(dòng)巡航功能，集移動(dòng)式水質(zhì)監(jiān)測(cè)、預(yù)警、智能投料、視頻監(jiān)控、遠(yuǎn)程控制等功能于一體，旨在降低水產(chǎn)養(yǎng)殖成本的同時(shí)提高養(yǎng)殖的生產(chǎn)效率，為現(xiàn)代化水產(chǎn)養(yǎng)殖應(yīng)用提供借鑒經(jīng)驗(yàn)和參考價(jià)值。

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