基于智能巡航機(jī)器人的淡水養(yǎng)殖管理系統(tǒng)

張京玲　胡建業(yè)　 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(yè)，推動漁業(yè)大數(shù)據(jù)發(fā)展，本論文設(shè)計(jì)了一套基于智能巡航機(jī)器人的淡水養(yǎng)殖管理系統(tǒng)。本系統(tǒng)利用水上巡航機(jī)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(zhì)進(jìn)行檢測，對養(yǎng)殖場內(nèi)水體溫度、DO（溶解氧）、pH、濁度等水質(zhì)參數(shù)進(jìn)行匯總分析生成三維水質(zhì)分布圖，對不達(dá)標(biāo)的區(qū)域有針對性的進(jìn)行水質(zhì)調(diào)節(jié)。用戶可通過利用PC用戶端及手機(jī)軟件對養(yǎng)殖場進(jìn)行實(shí)時監(jiān)控。本系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了對養(yǎng)殖場的智能調(diào)控和精細(xì)管理，保證水產(chǎn)品處于適宜狀態(tài)，提高水產(chǎn)品質(zhì)量和產(chǎn)量，使得淡水養(yǎng)殖業(yè)從傳統(tǒng)人工型轉(zhuǎn)為物聯(lián)網(wǎng)的智能管理型，為養(yǎng)殖戶帶來更大的經(jīng)濟(jì)效益。

關(guān)鍵詞：水上機(jī)器人? 自動巡航? 水質(zhì)智能監(jiān)控? 淡水養(yǎng)殖管理

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

當(dāng)水體被污染源侵染，抑或遇到惡劣天氣時，水體的各項(xiàng)參數(shù)均會有所變化，如水中溶氧、水溫、pH值等，這些參數(shù)都會影響到水體生物的生長。而目前大多數(shù)的淡水養(yǎng)殖都是采用人工管理的方式，十分耗費(fèi)大量的人力物力，且工作效率不高。另外，不能實(shí)時監(jiān)控養(yǎng)殖漁場，及時調(diào)節(jié)養(yǎng)殖場水質(zhì)，也可能給養(yǎng)殖戶造成一定經(jīng)濟(jì)損失。黨的十九大以來，我國農(nóng)業(yè)農(nóng)村部也提出了關(guān)于加快漁業(yè)信息化建設(shè)的建議，更加引起了人們對淡水養(yǎng)殖業(yè)問題的關(guān)注。所以人們設(shè)想通過建立智能淡水養(yǎng)殖管理系統(tǒng)解決這一現(xiàn)實(shí)問題。

本文提供了基于智能巡航機(jī)器人的淡水養(yǎng)殖管理系統(tǒng)，其可以測量不同位置的水質(zhì)參數(shù)、對養(yǎng)殖場及時進(jìn)行智能調(diào)控、實(shí)現(xiàn)用戶遠(yuǎn)程控制。該系統(tǒng)充滿人性化的設(shè)計(jì)及考慮，可以更好的讓魚塘養(yǎng)殖戶體驗(yàn)到魚塘管理智能化。

1? 淡水養(yǎng)殖管理系統(tǒng)的功能設(shè)計(jì)及實(shí)現(xiàn)

基于智能巡航機(jī)器人的淡水養(yǎng)殖管理系統(tǒng)[1]由智能巡航機(jī)器人、基于UWB與GPS的聯(lián)合定位系統(tǒng)、水質(zhì)檢測裝置、水質(zhì)調(diào)節(jié)設(shè)備、上位機(jī)、手機(jī)軟件六部分組成。系統(tǒng)利用UWB定位技術(shù)和低成本GPS聯(lián)合定位，通過基于模擬退火算法[2]和RNN模型的水上機(jī)器人路徑規(guī)劃的方式，用多個傳感器定時監(jiān)測淡水養(yǎng)殖場多個位置不同深度的水溫、溶解氧、pH 值等水質(zhì)參數(shù)，并把數(shù)據(jù)上存到云服務(wù)器，通過云服務(wù)器再發(fā)送到 PC 客戶端建立水質(zhì)參數(shù)分布圖。用戶在PC客戶端設(shè)定好每個水質(zhì)參數(shù)的閾值，系統(tǒng)根據(jù)采集的數(shù)據(jù)和設(shè)定的閾值進(jìn)行對比，最后控制養(yǎng)殖場的設(shè)備進(jìn)行水質(zhì)的自動調(diào)節(jié)。

本控制系統(tǒng)總體框圖如圖1所示。

1.1 自動巡航功能

本系統(tǒng)基于UWB和GPS聯(lián)合定位的定位系統(tǒng)采用了基于TDOA算法UWB定位技術(shù)與低成本GPS組合定位方法[3-4]。把基于TDOA的UWB定位技術(shù)測量出來的水上機(jī)器人的實(shí)時位移觀測方程和 GPS定位技術(shù)的偽距觀測方程按照偽距差分定位的方法使用擴(kuò)展卡爾曼濾波算法進(jìn)行數(shù)據(jù)融合[3]。最后把融合方程按照常規(guī)的方法進(jìn)行差分定位得出精確地水上定位坐標(biāo)。可以給智能巡航機(jī)器人提供精確的當(dāng)前位置和目標(biāo)位置信息。

智能巡航機(jī)器由stm32f103rct6單片機(jī)作為主控芯片，智能巡航機(jī)器人在船頭和船尾分別安裝一個uwb標(biāo)簽，根據(jù)定位系統(tǒng)對標(biāo)簽分別定位可以解析出智能巡航機(jī)器人的當(dāng)前的姿態(tài)。本系統(tǒng)的巡航機(jī)器人采用雙螺旋漿作為傳動裝置，通過mosc管驅(qū)動模塊對電機(jī)進(jìn)行驅(qū)動。并且采用光電編碼器實(shí)時檢測電機(jī)速度，進(jìn)行pid算法進(jìn)行校正進(jìn)行補(bǔ)償輸出。巡航機(jī)器人的硬件模塊圖如圖2所示。

1.2 水質(zhì)采集功能

本系統(tǒng)采用步進(jìn)電機(jī)帶動滾筒式升降裝置的方案進(jìn)行水質(zhì)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(zhì)參數(shù)進(jìn)行采集。同時，在升降末端帶有水深傳感器，通過實(shí)時的把當(dāng)前傳感器所在的水深深度 ，實(shí)現(xiàn)檢測不同水深的水質(zhì)參數(shù)。采集完成后巡航機(jī)器人通過nb-iot上發(fā)到云服務(wù)器，在上位機(jī)和手機(jī)軟件進(jìn)行實(shí)時顯示。水質(zhì)檢測流程圖如圖3所示。

2? 軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 自動巡航程序設(shè)計(jì)

初始化階段，智能巡航機(jī)器人從3個基站獲取基站位置信息構(gòu)建矩形地圖，利用UWB與GPS組合定位，獲取機(jī)器人在淡水養(yǎng)殖場的坐標(biāo)位置。當(dāng)沒有任何指令下發(fā)的時候，智能巡航機(jī)器人會不斷向服務(wù)器更新當(dāng)前定位信息。然后通過魚塘管理界面選定巡航控制區(qū)域，點(diǎn)擊生成檢測點(diǎn)按鈕，便可自動生成檢測點(diǎn)，點(diǎn)擊自動巡航，機(jī)器人自動生成最短路徑進(jìn)行巡航。

當(dāng)智能巡航機(jī)器人收到自動巡航指令和目的坐標(biāo)后， 進(jìn)入自動巡航模式通過建立坐標(biāo)系解析當(dāng)前巡航機(jī)器人本身與目的位置的偏角。通過pid算法進(jìn)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(jìn)的過程中，每5Ms向服務(wù)器發(fā)送巡航機(jī)器人的當(dāng)前坐標(biāo)位置。當(dāng)接近目的時候通過智能調(diào)控不斷減速直到到達(dá)目的區(qū)域的速度為零。自動巡航流程圖如圖4所示。

2.2 水質(zhì)調(diào)節(jié)程序設(shè)計(jì)

上位機(jī)匯總各個不同節(jié)點(diǎn)的水質(zhì)參數(shù)，構(gòu)建基于三維差值算法的三維水質(zhì)分布圖[5]。根據(jù)三維水質(zhì)分布圖，分區(qū)域的自動開啟水質(zhì)調(diào)節(jié)設(shè)備。

水質(zhì)參數(shù)分布圖的三維插值算法流程為：獲取水質(zhì)參數(shù)的信息矩陣，分別提取前三維坐標(biāo)信息和水質(zhì)信息，隨后對三維坐標(biāo)調(diào)用TriScatteredInterp函數(shù)，計(jì)算出函數(shù)插值出來的Z維度數(shù)值，然后調(diào)用ndgrid（內(nèi)插值）函數(shù)插值出三維坐標(biāo)軸的剩余離散點(diǎn)。在完成以上步驟之后再對水質(zhì)信息調(diào)用TriScatteredInterp函數(shù)插值出其他的水體空間的水質(zhì)值，隨即調(diào)用繪圖函數(shù)畫出水質(zhì)分布三維圖，并根據(jù)水質(zhì)信息著色。

當(dāng)三維立體圖中有一部分區(qū)域的水質(zhì)參數(shù)值達(dá)不到設(shè)定的閾值，系統(tǒng)控制設(shè)備進(jìn)行水質(zhì)調(diào)整，直到達(dá)到閾值范圍。例如，當(dāng)檢測到某個區(qū)域的溶解氧正常值時，通過對缺氧區(qū)域定位信息的判斷，系統(tǒng)自動開啟距離缺氧區(qū)最近的增氧泵進(jìn)行增氧，直至系統(tǒng)檢測到該區(qū)域的溶解氧均達(dá)到設(shè)定的上限值。智能調(diào)控的工作流程如圖5所示。

3? 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

（1）水質(zhì)參數(shù)的精準(zhǔn)度及測量范圍如表1所示。

（2）巡航機(jī)器人各項(xiàng)指標(biāo)如表2所示。

4? 結(jié)語

針對于傳統(tǒng)淡水養(yǎng)殖存在水質(zhì)參數(shù)難以全方位檢測以及無針對性的水質(zhì)調(diào)節(jié)浪費(fèi)人力物力的問題，本系統(tǒng)通過智能巡航機(jī)器人對水質(zhì)進(jìn)行全方位檢測，生成相對應(yīng)的水質(zhì)分布圖，對水質(zhì)異常的區(qū)域進(jìn)行針對性的調(diào)節(jié)，能夠很好的解決這一問題。我們進(jìn)行了軟件、硬件的設(shè)計(jì)整體調(diào)試，確保定位基站、巡航機(jī)器人、上位機(jī)、水質(zhì)調(diào)節(jié)設(shè)備等能夠達(dá)到預(yù)期效果。

參考文獻(xiàn)

[1] 林永鋮，林超洋，梁志鋒，等.基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的淡水養(yǎng)殖監(jiān)控系統(tǒng)[J].電氣技術(shù)，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(yōu)化算法的無人艇路徑規(guī)劃[J].中國海洋大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2016，46（9）：116-122.

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

[4] 周存.基于GPS和UWB精確定位系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[D].西安電子科技大學(xué)，2016.

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