作者：劉紅剛 陳藝 單位：廣東省農(nóng)業(yè)機(jī)械研究所

水產(chǎn)養(yǎng)殖綜合環(huán)境在線監(jiān)測系統(tǒng)需要關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)的支持，需要具有信息融合的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)監(jiān)測水產(chǎn)養(yǎng)殖生長環(huán)境并且采集實(shí)時數(shù)據(jù)，然后進(jìn)行判斷和邏輯推理，最后作出決策。系統(tǒng)重點(diǎn)解決和使用的關(guān)鍵技術(shù)如下：1）多通道、多類型傳感器集成與擴(kuò)展研究，系統(tǒng)硬件采用成熟的單片機(jī)技術(shù)進(jìn)行開發(fā)；2）系統(tǒng)采用Zigbee無線通信技術(shù)和太陽能供電，實(shí)現(xiàn)傳感器無線網(wǎng)絡(luò)的構(gòu)建，解決Zigbee無線通信增益和抗干擾技術(shù)；3）設(shè)備野外防水、防雷、連續(xù)供電，考慮養(yǎng)殖環(huán)境的惡劣條件，做好防護(hù)措施，系統(tǒng)防振動和野外擴(kuò)干擾性能，有效保證系統(tǒng)的穩(wěn)定性，使設(shè)備更能適應(yīng)漁業(yè)生產(chǎn)環(huán)境的需要。4）采集信息與魚類生長專家數(shù)據(jù)融合分析，設(shè)定合理有效數(shù)據(jù)閾值。

系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)綜合應(yīng)用嵌入式軟硬件開發(fā)技術(shù)、無線通信技術(shù)、多傳感器多通道數(shù)據(jù)采集技術(shù)、太陽能供電技術(shù)、GIS技術(shù)以及信息融合技術(shù)開發(fā)集多種測量要素于一體的多功能的水產(chǎn)養(yǎng)殖綜合環(huán)境在線監(jiān)測系統(tǒng)。系統(tǒng)主要包括三大部份：一是前端傳感器及信息采集器，用于構(gòu)建無線傳感器網(wǎng)絡(luò)；二是信息集中器，用于收集、保存和顯示（支持LED顯示）前端傳感器采集到的環(huán)境信息數(shù)據(jù)，并實(shí)現(xiàn)向中心服務(wù)器上報數(shù)據(jù)功能和設(shè)備開關(guān)功能（可用于控制增氧、投料等設(shè)備）；三是后臺通信服務(wù)、信息管理與信息分布的應(yīng)用平臺。本項(xiàng)目研發(fā)集中實(shí)現(xiàn)4大類環(huán)境信息的采集：1）氣象信息，包括室外溫度、濕度、氣壓、風(fēng)向風(fēng)速、太陽光照/輻射、雨量等；2）魚塘/魚池水質(zhì)信息，包括溶解氧、溫度、電導(dǎo)率、pH值、氧化還原、鹽度等；3）魚塘/魚池水體物理特征信息，包括水溫、水位和流速（主要用于工廠養(yǎng)殖）等；4）地理空間定位信息，用于空間分布展示等功能。

系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和流程本系統(tǒng)的研發(fā)分為硬件設(shè)計(jì)、嵌入式軟件開發(fā)、信息采集服務(wù)平臺開發(fā)以及設(shè)備安裝機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)四大部分。

硬件設(shè)計(jì)1）采集器硬件設(shè)計(jì)：采集器主要的功能是實(shí)現(xiàn)多路不同類型的傳感器的集成和無線組網(wǎng)，系統(tǒng)選用支持多串口通信的為主要控制單元，選用支持11通道的TLC2543AD轉(zhuǎn)換芯片作為信號輸入的主要處理器件。采集器硬件構(gòu)成如圖3。2）集中器硬件設(shè)計(jì)。集中器的主要功能是通過Zigbee無線網(wǎng)絡(luò)，向采集器發(fā)送數(shù)據(jù)采集指令，將采集器上傳的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析、存儲，并上報數(shù)據(jù)到后臺服務(wù)器[1]。集中器還需具條多路斷電器輸出，可用于自動控制增氧、投料等設(shè)備。集中器硬件構(gòu)成如圖4所示。3）采集器設(shè)備選型，見表1。

嵌入式軟件設(shè)計(jì)1）采集器軟件設(shè)計(jì)，如圖5。2）集中器軟件設(shè)計(jì)，見圖6。

服務(wù)軟件平臺設(shè)計(jì)1）軟件組成與功能模塊設(shè)計(jì)，見圖7。通信服務(wù)程序采用Window系統(tǒng)Service程序開發(fā)技術(shù)進(jìn)行開發(fā)，開發(fā)語言為C++，開發(fā)工具使用VC++.net或是EmbeddedVisualC++，EVC嵌入式開發(fā)支持多種類型CPU，系統(tǒng)提供針對不同類型CPU的編譯程序；同時系統(tǒng)提供相應(yīng)的模擬器[2]。WEB服務(wù)程序采用B/S(Brower/Server）結(jié)構(gòu)，使用JAVA語言開發(fā)，系統(tǒng)的技術(shù)架構(gòu)采用基于J2EE組件技術(shù)的多層應(yīng)用體系結(jié)構(gòu)，支持INTERNET，數(shù)據(jù)按照需求采取遠(yuǎn)程單位分散，逐級集中的管理模式；在基于J2EE組件技術(shù)的多層應(yīng)用體系結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上強(qiáng)調(diào)應(yīng)用組件化。采用在J2EE架構(gòu)下開發(fā)，可以跨平臺運(yùn)行，通過XML技術(shù)提供可跨平臺交換和移植的業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)[3]。

設(shè)備安裝機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)為了將水產(chǎn)環(huán)境監(jiān)測傳感器等設(shè)備安裝到魚塘/魚池中，放置方式和方法需進(jìn)行科學(xué)的設(shè)計(jì)，要求傳感器安裝集成結(jié)構(gòu)不能影響生產(chǎn)作業(yè)，可實(shí)現(xiàn)收展、可伸縮和可變深功能。本項(xiàng)目提出了多連桿式可變距和深度的設(shè)備安裝方案設(shè)計(jì)，見圖8。

系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)

系統(tǒng)主要功能實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的功能實(shí)現(xiàn)主要包括信息融合子系統(tǒng)、監(jiān)測管理子系統(tǒng)和遠(yuǎn)端數(shù)據(jù)采集模塊子系統(tǒng)。主要實(shí)現(xiàn)功能有：1）監(jiān)測數(shù)據(jù)實(shí)時記錄功能：系統(tǒng)連續(xù)如實(shí)地采集和記錄、監(jiān)測水的溫度、水的pH值等環(huán)境參數(shù)情況，以數(shù)字、圖表等多種方式進(jìn)行實(shí)時顯示和記錄監(jiān)測信息；2）信息融合功能：系統(tǒng)對各類傳感器發(fā)送的信息進(jìn)行冗余、噪聲的處理及融合分析[4]；3）數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析功能：實(shí)時顯示或者歷史顯示各參數(shù)曲線變化，可以同時顯示多個環(huán)境參數(shù)曲線，更方便比較分析；4）數(shù)據(jù)存儲功能：所有的數(shù)據(jù)采集和記錄到主機(jī)計(jì)算機(jī)上，數(shù)據(jù)可以按照使用人員的要求定時自動保存、備份、打印、歸檔等；5）顯示和記錄系統(tǒng)：系統(tǒng)可以進(jìn)行24h記錄，以便日后查詢。可通過便利地瀏覽到相關(guān)數(shù)據(jù)記錄；6）水產(chǎn)環(huán)境控制系統(tǒng)：通過組態(tài)技術(shù)，網(wǎng)絡(luò)遠(yuǎn)程控啟動相應(yīng)的設(shè)備進(jìn)行控制；7）遠(yuǎn)程聯(lián)網(wǎng)功能：通過互聯(lián)網(wǎng)接入，監(jiān)控人員可以隨地隨時登陸到本系統(tǒng)中，了解所監(jiān)控實(shí)時環(huán)境參數(shù)；8）用戶分級管理：嚴(yán)格的密碼授權(quán)，以保證只有授權(quán)的工作人員才可進(jìn)行相應(yīng)的管理和操作；

系統(tǒng)應(yīng)用的效果廣州市現(xiàn)代農(nóng)業(yè)裝備綜合試驗(yàn)示范基地采園林、水產(chǎn)觀光示范園區(qū)的總面積為2hm2（30畝），其中水產(chǎn)養(yǎng)殖面積0.66hm2（10畝）。本系統(tǒng)通過在此基地的試驗(yàn)運(yùn)行，已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了通過傳感器等感知設(shè)備，與互聯(lián)網(wǎng)結(jié)合起來，實(shí)現(xiàn)水產(chǎn)養(yǎng)殖環(huán)境的數(shù)據(jù)采集、融合與處理，并通過操作終端，實(shí)現(xiàn)智能化識別和管理，實(shí)現(xiàn)動態(tài)采集環(huán)境信息并及時地匯集到控制中心，方便農(nóng)技人員進(jìn)行分析決策，有效的控制水產(chǎn)養(yǎng)殖環(huán)境參數(shù)，實(shí)現(xiàn)水產(chǎn)養(yǎng)殖環(huán)境的在線監(jiān)測和實(shí)時處理工作，如圖9。

結(jié)束語

當(dāng)前我國水產(chǎn)養(yǎng)殖業(yè)從傳統(tǒng)模式向集約型、精準(zhǔn)型發(fā)展，提供信息化技術(shù)支持，研發(fā)水產(chǎn)養(yǎng)殖綜合環(huán)境在線監(jiān)測系統(tǒng)，管理人員可以實(shí)時了解精細(xì)的水產(chǎn)養(yǎng)殖環(huán)境數(shù)據(jù)，依據(jù)這些與魚類生長息息相關(guān)的信息，實(shí)現(xiàn)精確增氧，精確投料等控制，調(diào)動魚塘生產(chǎn)力，以最少的或最節(jié)省的投入達(dá)到同等收入或更高的收入，并改善環(huán)境，取得良好的社會效益和環(huán)境效益。系統(tǒng)在實(shí)際運(yùn)行中獲得很高評價，表明了系統(tǒng)能夠較好適合水產(chǎn)養(yǎng)殖企業(yè)的實(shí)際工作需要，具有應(yīng)用推廣有良好的前景。