基于物联网和3G技术的智能水产养殖环境监测系统的设计与应用

徐晓姗

（青岛职业技术学院 山东 266555）

0 引言

我国是占据世界水产养殖总产量75%的水产养殖大国。水产养殖在中国历史悠久，对于改善民生方面发挥了不可或缺的作用。但是传统的养殖模式已经渐渐露出了弊端，主要表现在基础设施陈旧简陋；水域环境不断恶化；经济效益低下；水域生态失衡等等。而且随着人们消费水平和环保意识的增强，群众的饮食习惯和结构已发生了很大变化，绿色水产品越来越受到消费者的青睐，传统养殖所生产的水产品已经逐渐难以满足市场需求。然而，现在国内的水产养殖业多以传统的养殖模式为主导，传统的水产养殖业常以牺牲环境资源和高消耗等粗放式饲养方式为主要特征，养殖模式多以养殖经验为指导，只凭养殖人员感官、目测，历史经验等主观因素为决定条件，资源利用缺乏科学性和合理性，管理过程缺乏准确性和可靠性，很难保证良好水域环境的持续利用，水产的产量和质量都难以保障。所以，如何利用先进科技技术，实现水产养殖的现代化自动管理，提升水产养殖业的生产力和效率，是当前水产养殖的重要研究方向。

目前，物联网的应用在各个领域都起着重要的作用。基于物联网技术的智能农业已经达到了一定的应用范围，其技术也日渐成熟。水产养殖业作为农业的重要内容之一，同样可以利用物联网技术实现其智能化管理。所谓智能化水产养殖，是指将工程技术、机械设备、监控仪表、管理软件和无线传感等现代技术手段用于水产养殖生产，实现高密度、高产值、高效益的标准化养殖模式。与传统粗放型养殖模式相比，智能化水产养殖具有机械自动化程度高、环保节能、生产效率高等明显的优势。基于物联网技术的智能系统具有可感知环境感知参数的各类传感器终端、包含覆盖面广泛的移动通信节点，以及基于泛在技术的计算模式，可以真正实现智能水产养殖的机械化、自动化、智能化和节能化。

1 系统关键技术解析

本论文所提出的基于物联网和 3G技术的智能水产养殖环境监测系统是利用多种物联网技术，包括智能传感技术、WSN技术、Zigbee技术、3G/4G通信技术、GPS、数据库与云计算技术等等，面向水产养殖集约、高产、高效、生态、安全的发展需求，基于智能传感、无线通信网、自动处理与智能控制等物联网技术开发的，对水产品生长有重要影响的水质参数进行监测并提供反馈控制的智能水产养殖环境监测系统。

1.1 智能传感技术

本系统的传感层部分将设计选取常用型、性价比高的溶解氧传感器、pH值传感器、盐度传感器、浊度传感器、氨氮传感器集成作为传感节点，由于水质传感器多为电化学质传感器，其在水下作业，易受温度、水质、压力、流速等因素影响，所以需要考虑传感器的静态参数和动态参数的变化规律，选择性价比最高、性能最稳定、功耗最小的传感器进行设计，保证设计的传感节点达到寿命长、功耗小，灵敏度和重复性不易受环境影响等特点。设计的传感节点结构，需要便于多个参数传感器集成、替换，节点本身便于安装、移动和维护。

1.2 Zigbee技术

本系统的通信层部分设计运用Zigbee技术使传感节点实现无线自动组网，由智能网关收集Zigbee自组网中节点上传的数据，网关到本地监控终端并采用透传协议直接传送。采用频段在 2.4GHz的无线传感网络，实现短距离通讯，现场无线覆盖范围3公里。本地监测终端到远程监测终端之间采用3G通信技术进行连接，实现在GSM、CDMA、TD-WCDMA等制式下的低成本通信，实现手机信号覆盖区域的无间隙远程数据传输。

1.3 数据库与云计算技术

本系统的应用层部分采用数据库与云计算技术。本地监测终端采用B/S结构，建立web页面，通过浏览器对网关透传上来的采集数据所架构的主题数据库进行交互操作，主要实现数据实时显示、历史查询、数据存储、统计分析等功能，系统设计含有对应报警机制，通过监控平台做出控制决策，以及启动相关设备对水域环境进行调节。监测数据通过3G技术和GPS定位技术，同步反映到到远程监控终端，实现监测数据的实时推送。

2 系统设计方案

本论文所提出的基于物联网和 3G技术的智能水产养殖环境监测系统具体设计方案如下：

图1 系统实施方案设计框图

如图1所示该系统的实施方案为：

（1）通过传感层的智能传感节点，对监测水质的溶解氧、pH值、盐度、浊度、氨氮等参量进行监测。

（2）利用 Zigbee技术使传感节点实现无线自动组网，由智能网关收集Zigbee自组网中节点上传的数据，通过透传协议直接传送本地监控终端。利用 3G技术将数据从本地监测终端传到远程监测终端。

（3）本地监测终端通过 web页面，与数据库进行交互操作，实现数据实时显示、历史查询、数据存储、统计分析等功能，并且监控平台做出控制决策，以及启动相关设备对水域环境进行调节。

3 创新点

本论文所提出的基于物联网和 3G技术的智能水产养殖环境监测系统较其他系统，有以下创新点与优势。

（1）传感节点集成多种类传感器于一体，同时监测水域的溶解氧、pH值、盐度、浊度、氨氮等，选取智能水质传感器，具有自识别、自校正、自补偿功能，有良好的互换性，便于设备更新维护，且性价比高。

（2）传感节点采用 Zigbee技术实现无线组网连接，其具有组网灵活、超低功耗的特点，支持快速布置，即插即用、自动组网、自动维护，不受线缆约束。无线单跳通信在 100m左右，使用频段为免使用申请的2.4GHz和900MHz。

（3）传感节点输出数据汇聚到网关，通过透传协议汇聚到本地监测终端。可以实现24小时不间断实时监测，数据更新速度快，实时性高。

（4）本地监测终端可实现数据采集、数据处理、数据传送和智能控制功能。不但可以实时显示即时数据，还可以随时从数据库调用历史数据进行分析，并且通过远程控制启动相关设备改善水质，是实时显示、智能处理和智能控制于一体的监测终端。

（5）该系统采用3G技术提供手机远程监测功能，在任一有手机信号的地方都可实现远程监控。

（6）该系统具有自动报警功能，当水质恶化时，向本地监测终端发出报警数据包，本地监测终端自动启动设备进行维护，并且采用OTA技术像手机推送相关报警消息。

（7）系统中的传感节点和无线路由设备均用锂电池供电，具有低电压、低功耗的特点，免除布线，降低了设备成本，方便现场安装，适用于野外长期监控。

（8）该系统可以具体地区海域水质状况为研究对象，系统规模伸缩性高、既可用于家庭小规模养殖，又可用于大范围养殖，旨在于生态修复、健康养殖、改善水产养殖环境，提高水产品的产量和质量，具有显著的经济社会效益，适合大面积推广。

4 小结

综上所述，物联网技术领域中的智能传感技术、WSN技术、Zigbee技术、云计算技术等，已经为实现水产养殖业的智能化、自动化、机械化、远程控制化奠定了良好的基础。物联网技术应用于水产养殖能有效解决人手不足、饲养控制模糊等突出问题，有效提高了水产品的存活率和质量。开发一种基于物联网技术的智能水产养殖环境监测系统成了该产业迫在眉睫的切实需要，也是今后水产养殖业发展的必然趋势。

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