基于物联网技术的水产养殖智能化监控技术与系统方案.docx

基于物联网技术的水产养殖智能化监控技术与系统方案 基于物联网技术的水产养殖智能化监控技术与系统 一、项目可行性报告 （一）立项的背景和意义 我国水产养殖业的快速发展，对繁荣农村经济，优化产业结构，提高农民生活水平、建设和谐的社会主义新农村具有重要意义。国家中长期科学和技术发展规划纲要（2022-2022）已明确将“农业精准作业与信息化”和“畜禽水产健康养殖与疫病防控”纳入优先主题，因此，建设现代化的水产养殖业、发展农村经济和提高水产养殖业在国际市场竞争力，成为我国当前和今后相当一段时间内水产业发展的重要任务。结合浙江省的区位优势和浙江海洋经济发展示范区规划，发展现代水产养殖业，对浙江省建设海洋大省和海洋强省具有重要意义。本项目应用现代物联网技术，结合水产养殖特色，构建一套水产养殖水质环境信息感知无线传感网路和可视化监控智能化终端控制和预警预报系统，实现高效、生态、安全的现代水产养殖，对构建具有鲜明浙江特色的现代水产养殖新格局，促进我省社会主义新农村建设具有重要推动作用。 统计显示，到2022年，我省水产养殖面积稳定在480万亩，产量达到190万吨，净增20万吨；产值（一产）达到350亿元，新增130亿；出口额达到10亿美元，新增6.5亿美元。但随着我省土地资源紧缺，水产养殖池塘逐步老化、病害多发、效益下降等突出问题，如何提高养殖产品的品质、直接增加了渔农民的经济收入，实现高效、生态、安全的现代水产养殖产业成为我省亟待解决的重大问题。传统的粗放水产养殖方式，采用人工观察，单纯靠经验 进行水产养殖的方法，很容易在养殖过程中造成调控不及时，反馈较慢，出现“浮头”和大面积死亡等惨象，造成重大的经济损失，上述方法已经不能满足现代水产养殖精准化和智能化的发展要求。基于上述问题，本项目重点研究水产养殖水质和环境关键因子立体分布规律和快速检测技术、水产养殖智能化和可视化无线传感网络监控系统、开发水产养殖环境关键因子（温度、pH值、溶解氧、氨氮、盐度和氧化还原电位等）的实时控制技术和智能化管理系统，对提高水产养殖精准化生产和智能化监控具有重要意义，符合我省“生态、健康、循环、集约”水产养殖业发展要求，对促进我省渔业结构调整，促进社会主义新农村建设，提高渔农民生活水平具有重要意义。 （二）国内外研究现状和发展趋势 1. 国内外研究现状 国内外在水产养殖方面，应用无线传感器网络技术已经进行了部分探索和应用研究。Qi等（2022）利用无线传感器网络系统建立了水产养殖和销售可追溯系统。Yoneyama等（2022）建立了罗非鱼胆固醇含量监测的无线传感器网络系统，实现了罗非鱼胆固醇含量的在线快速监测。Zhu等（2022）建立了集约化养鱼水质远程无线传感器网络系统，该系统可根据水质含氧量的历史数据进行预警预报，避免经济损失。López等（2022）建立了工厂化养鱼环境pH，NH4+和温度的无线传感网络监测系统。Han等（2022）研发了一套水分监测及自动灌溉控制系统。陈娜娜等（2022）综合应用传感器技术、ZigBee 无线传感器网络技术和GPRS通信技术,设计并实现了一个无线监控系统。提出了一种改进的无线传感器网络路由协议,可降低路由消耗,提高可靠性。闫敏杰 等（2022）设计了基于无线传感器网络的鱼塘实时在线监测系统，该系统利用无线传感器节点测得监测区域中的温度和溶氧量，并通过Zigbee无线网络将数据传输到终端控制系统，控制系统作出判断同时发出报警信号并控制增氧机的工作状态。史兵等（2022）设计了一种基于无线传感网络的规模化水产养殖智能监控系统，提高了参数控制精度。李道亮和傅泽田设计了一种智能化水产养殖信息系统。马从国等（2022）研发了一套基于现场总线技术的水产养殖过程智能监控系统。李季冬和沈守平（1999）进行了水产育苗温室监控系统与计算机连接分析。祁昕等（2022）研发了水产养殖业用溶解氧检测仪。马祖长和孙怡宁（2022）研发了温湿度检测的无线传感器网络。裘正军等（2022）开展了基于模糊控制与虚拟仪器的灌溉决策系统研究。方旭杰等（2022）研制了基于ZigBee技术的无线智能灌溉系统。史兵等（2022）研发了一种基于无线传感网和可溯源技术相结合的智能系统在工厂化水产养殖中的应用方案。系统利用无线射频识别技术(RFID)实现了可溯源功能,利用无线传感网技术实现了数据的采集与传输,利用计算机技术实现了对数据的处理分析,并得到控制信号。通过试验,溶解氧、温度、酸碱度(pH)等水环境因子参数控制范围达到了设计要求,可溯源信息写入与读取正确,能够满足工厂化水产养殖智能化的需要。可敬等（2022）研制了一套将单片机、无线RF和GSM技术相结合的水产养殖环境因子无线监控系统，此系统能够在线检测溶解氧浓度、温度等主要环境参数，并能根据环境情况实施对增氧机的控制，业主可远程监控或者通过手机得到水质状况报告。顾群和陆春华（2022）进行了计算机远程监控系统在水产养殖中的应用研究。刘星桥等（2022）开展了水产养殖多环境因子控制系统的研究。刘星桥等（2022）研发了水产工厂化养殖智能监控系 统。杨世凤等（2022）研制了一套通过无线以太网(WIFI)连接，LabVIEW程序控制，并通过GSM网络使用户远程监控池塘溶解氧的溶解氧无线监测与控制系统。该系统能够在线检测溶解氧、温度等主要环境参数，并根据环境情况实施对增氧机的控制，业主可远程电脑监控或者通过手机远程监测鱼塘水质状况，并发送增氧命令，进行远程手动启停增氧机。在溶解氧超标时，系统可以自动启停增氧机，并向用户发送报告。 上述应用大都是集中于水产养殖单个指标控制、无线传感器网络信息采集等研究和应用，缺乏系统性和整体性，而且研发的监测系统和控制系统的精准化和智能化程度较低，缺乏系统协同作业能力，推广应用性较差。 2. 发展趋势 现代水产养殖业的发展向着规模化、高度集约化、高效生态安全的方向发展，传统的养殖模式已无法满足现代水产养殖业的发展要求，因此结合现代物联网技术，研究水产养殖水质和环境关键因子立体分布规律和快速检测技术、水产养殖智能化和可视化无线传感网络监控系统、开发水产养殖环境关键因子（温度、pH值、溶解氧、氨氮、盐度和氧化还原电位等）的实时控制技术和智能化管理系统，实现水产养殖业的智能化监控，对发展高效、生态、安全的现代水产养殖业，构建具有鲜明浙江特色的现代水产养殖新格局，促进我省社会主义新农村建设具有重要推动作用。 参考文献 Han, Y.J., Khalilian, A., Owino, T.O., Farahani, H.J. & Moore, S. Development of Clemson variable-rate lateral irrigation system. Computers and Electronics in Agriculture, 2022, 68(1), 108-113. López M., Martínez S., Gómez J.M.,et al. Wireless monitoring of the pH, NH4+ and temperature in a fish farm. Procedia Chemistry, 2022, 1(1): 445-448. Qi L., Zhang j., Xu M., et al. Developing WSN-based traceability system for recirculation aquaculture. Mathematical and Computer Modelling, 2022, 53(11-12): 2162-2172. Yoneyama Y., Yonemori Y., Murata M., et al. Wireless biosensor system for real-time cholesterol monitoring in fish “Nile tilapia”. Talanta, 2022, 80(2): 909-915. Zhu X., Li D., H D., et al. A remote wireless system for water quality online monitoring in intensive fish culture. Computers and Electronics in Agriculture, 2022, 71: S3-S9. 陈娜娜,周益明,徐海圣, 等. 基于ZigBee与GPRS的水产养殖环境无线监控系统的设计. 传感器与为系统, 2022, 30(3): 108-110. 方旭杰, 周益明, 程文亮, 等.基于ZigBee技术的无线智能灌溉系统的研制.农机化研究, 2022(1)：114118. 顾群, 陆春华计算机远程监控系统在水产养殖中的应用仪表技术与传感器, 2022（10）：3840. 可敬, 杨世凤, 侯海岭. 水产养殖环境的无线监控系统. 天津科技大学学报, 2022, 22(4): 56-59. 李道亮, 傅泽田。智能化水产养殖信息系统的设计与初步实现.农业工程学报, 2000, 16(4)：135138. 李季冬, 沈守平.水产育苗温室监控系统与计算机连接的分析.上海水产大学学报, 1999(9)：221225. 刘星桥, 孙玉坤, 赵德安水产工厂化养殖智能监控系统仪器仪表学报, 2022, 27 （5）：527530. 刘星桥, 赵德安, 全力, 等水产养殖多环境因子控制系统的研究农业工程学报, 2022, 19（3）：205208. 马从国, 赵德安, 秦云, 等.基于现场总线技术的水产养殖过程智能监控系统.农业机械学报, 2022, 38(8)：113115. 马祖长, 孙怡宁. 研发了温湿度检测的无线传感器网络.传感器技术, 2022, 22(12)：57 59. 祁昕, 陈海东, 刘烨.水产养殖业用溶解氧检测仪.传感器技术, 2022(11)：5556. 裘正军, 童晓星, 沈杰辉, 等.基于模糊控制与虚拟仪器的灌溉决策系统研究.农业工程学报, 2022, 23(8)：165169. 史兵, 赵德, 刘星桥, 等. 基于无线传感网络的规模化水产养殖智能监控系统. 农业工程学报, 2022, 27(9): 136-140. 史兵, 赵德安, 刘星桥, 等. 可溯源与无线传感网技术在工厂化水产养殖中的应用研究. 渔业现代化, 2022, 38(1): 24-28. 闫敏杰, 夏宁, 侯春生, 等. 基于无线传感器网络的鱼塘监控系统中国农学通报, 2022, 26(16): 388-392. 杨世凤, 齐嘉琳, 李洋, 等. 鱼塘溶解氧无线监测与控制系统研究. 渔业现代化, 2022, 37(6): 11-14. （三）项目主要研究开发内容、技术关键及主要创新点 1. 研究开发内容 （1）研究水产养殖水质和环境关键因子立体分布规律和快速检测技术。 通过立体网格化方法测试水体在典型状态下单点、面、层多方位监测的水质情况，用统计分析方法研究养殖水体综合水质指数变化梯度和分布规律，建立综合水质指数三维立体分布图，并优化选取具有代表性的养殖水体总体状况的监测点。研究水产养殖环境关键因子（温度、pH值、溶解氧、氨氮、盐度和氧化还原电位等）快速检测技术，构建关键因子数字化检测模型，开发环境关键因子的动态实时监测设备。 （2）研究水产养殖智能化和可视化无线传感网络监控系统。系统分析ZigBee、CAN总线技术的分布式网络化技术，研究无线传感器网络的节点定位、应用模式、组织方式、优化布局方案、自组网和深度路由协议、低功耗节能方式等技术，开发水产养殖水质信息和环境关键因子（温度、pH值、溶解氧、氨氮、盐度和氧化还原电位等）信息的自供电、自组织无线传感网络系统。开发基于视频技术的水产养殖水质和环境关键因子的可视化监控技术和设备，实现水产养殖远程可视化监控。研究水产养殖环境关键因子的预警预报技术，开发智能化监测的预警预报系统。 （3）研究开发水产养殖环境关键因子（温度、pH值、溶解氧、氨氮、盐度和氧化还原电位等）的实时控制技术和智能化管理系统。研究水产养殖的增氧机、抽水泵、取样电磁阀等控制终端的精准控制技术和系统，实现水产养殖的智能化和精准化控制和作业。 2. 技术关键 （1）水产养殖水质信息和环境关键因子信息快速获取技术，构建水质信息三维立体图，实现水产养殖环境关键因子的动态实时监测； （2）基于无线传感网络的水产养殖智能化、可视化监控技术和预警预报技术，实现水质信息和环境关键因子信息的远程无线传输、可视化监控和预警预报； （3）开发水产养殖环境关键因子的精准控制技术和智能化管理系统，基于无线传感器网络系统，对增氧机、抽水泵、取样电磁阀等终端进行智能化精准控制和作业。 3. 创新点 （1）水产养殖水质信息和环境关键因子信息的动态监测技术和设备。通过对水质信息单点、面、层多方位监测，建立水质信息三维立体图。研发环境关键因子（温度、pH值、溶解氧、氨氮、盐度和氧化还原电位等）动态监测技术和小型、低功耗、可无线传输的仪器，实现水产养殖信息的动态实时监测。 （2）水产养殖远程可视化监控和预警预报无线传感器网络系统。确定适于不同规模水产养殖的网络应用模式、组织方式、布局方案、自组网和深度路由协议，建立水产养殖可视化监控技术、设备和预警预报系统，实现远程可视化监控和预警预报。 （3）开发水产养殖环境关键因子的精准控制技术和智能化管理系统，基于无线传感器网络系统，实现对水产养殖环境关键因子的24小时实时动态监控，对增氧机、抽水泵、取样电磁阀等终端的全天候智能化控制作业。（四）项目预期目标（主要技术经济指标、社会效益、技术应用和 产业化前景以及获取自主知识产权的情况） 1. 技术经济指标 通过项目实施，可减少水产养殖过程中人力、物力投入，通过信息监控系统和增氧机、抽水泵、取样电磁阀等终端控制系统，结合预警预报系统，可极大避免了因人为管理不当造成的经济损失，从而实现了水产养殖的智能化控制和管理，综合减少成本20%以上，具有良好的经济效益。 2. 社会效益 本项目的实施，实现了水产养殖水质信息和环境关键因子信息的智能化监控、信息的远程无线传输、可视化监控、预警预报和增氧机等终端的智能控制，是水产养殖规模化、集约化、产业化经营发展道路，对扩大养殖规模，实现智能化过程监控和行业技术跨越具有促进作用，对发展浙江海洋经济，改造传统农业，改变农业增长方式，增加农民收入，发展高产、优质、高效、生态、安全的现代农业和农业的可持续发展具有重要意义。同时，项目的实施，提高了农民的现代科技意识和技术应用水平，具有良好的社会效益。 3. 技术应用和产业化前景 水产养殖作为浙江省海洋经济和海洋产业发展的重要组成部分，项目研发的关键技术和设备可广泛应用于水产品的规模化生产，减低人力、物力投入，极力避免人为管理不当造成的经济损失，具有显著的经济效益，在浙江省海洋经济和海洋产业的飞速发展中具有广阔的应用前景。 4. 获取资助知识产权情况 （1）突破水产养殖水质信息综合感知关键技术1项； （2）开发水产养殖信息无线传感器网络和终端智能控制系统1套； （3）申请国家发明专利2-3项，实用新型专利2-3项； （4）发表高水平SCI/EI论文3-5篇。 （五）项目实施方案、技术路线、组织方式与课题分解 1. 实施方案 项目以水产养殖水质和环境信息感知信息无线传输智能化控制系统和设备为主线，重点突破水产养殖水质三维立体分布规律和环境关键因子的动态监测技术和设备，信息远程无线传感网络系统、可视化监控系统和预警预报系统，智能化增氧机、抽水机等终端控制系统，实现水产养殖的智能化和可视化监控，节约劳动生产成本，促进农民增收，对促进浙江省海洋经济和海洋产业的飞速发展具有重要意义。根据项目研发核心和重点，具体实施方案如下。 （1）水产养殖水质信息和环境关键因子信息的动态监测技术和设备。用网格化方法测试水体在典型状态下各个断面和各个层面的水质情况，对单因子水质指标进行合成，用统计分析方法研究养殖水体综合水质指数变化梯度和分布规律，建立综合水质指数三维分布图，并优化分析从中选取可以代表养殖水体总体状况的监测点。研究水产养殖环境关键因子（温度、pH值、溶解氧、氨氮、盐度和氧化还原电位等）快速检测技术，构建关键因子数字化检测模型，开发环境关键因子的动态实时监测设备。 （2）研究基于无线传感网络的水产养殖智能化、可视化监控技术和预警预报系统。研究无线传感器网络的节点定技术，从而优化信息采集节点的布 局，在全面采集信息的同时，降低成本。根据实际应用，选择合适的应用模式，包括自组织无线传感器网络系统（WSN）模式、GSM信息传输模式、WSN和Internet结合模式、WSN和作业控制终端模式等。根据节点数量，选择星型或网状等组网方式，确定自组网和深度路由协议、低功耗节能方式等技术。研究视频数据解析、图像解码、在线显示和识别方法，开发基于无线视频技术的水产养殖信息可视化监控技术和设备，实现水产养殖远程可视化监控。研究水产养殖环境关键因子的预警预报方法，建立智能化的环境关键因子预警预报技术体系和预警预报系统。 （3）开发水产养殖环境关键因子的精准控制技术和智能化管理系统。基于无线传感器网络系统获取的水质信息和环境关键因子信息，通过专家系统进行综合评价和分析，结合预警预报系统，实现对水产养殖环境因子的24小时动态监控和预警，通过控制系统，根据精准养殖需要，自动启闭增氧机、抽水泵、取样电磁阀等终端设备，实现终端的全天候智能化控制，大大节约人力成本，提高监控的精准化和智能化水平，满足现代水产养殖高效、安全、生态的发展要求。 2. 技术路线