智能化水产养殖设计

王佳媛+张磊+姜萌萌

摘要：随着社会发展，经济发展越来越重要的情势下，对传统水产养殖业工作方式升级，符合经济发展潮流，同时也令传统工业换发新机。结合发展越来越强势的物联网设计开发智能化水产养殖，基于创客们最喜爱的树莓派这款快捷方便的卡片式电脑，利用此智能化水产养殖的设计蓝图，解放水产养殖行业的劳动力是完全可实现的，也是水产养殖行业迫切需求的。

关键词：水产养殖；水质监控；物联网；树莓派

1智能化水产养殖设计基石

1.1物联网

物联网（IOT，The Internet of Things）的定义是：通过射频识别系统（RFID）、红外感应系统、全球定位系统（GPS）、激光扫描仪等信息传感设备，按照约定的协议，赋予物体智能，并通过接口把需要连接的物品与国际互联网连接起来，形成一个物品与物品相互连接的巨大的分布式网络，从而实现智能化物品识别、物品定位、物品跟踪、物品监控和管理。它的本质就是“物物相连的互联网”。

运用物联网，就是采集环境数据、水质数据和水产种群数据等，分析数据即感知层，通过互联网进行数据传输即通信层，到达技术应用层，进行数据处理。

1.1.1物联网感知层

感知层即获得水质监测结果，通过与水质监测仪以及根据水产养殖数据库建立的水质监测模型获取水体质量的实时监测，利用短距离传输技术和自组织组网技术，协同信息处理，将监测到的信息转化成能处理的数字信号。

1.1.2物联网通信层

物联网通信层即传输层，通过无线或者有线网络模式将信息传输到中央数据库中，建立数据储备系统。类似智能机器人能够与人正常交流，是将人与人之间生活交流的谈话以数据形式存储于机器人存储芯片中。在数据储备过程中，通过异构网融合、管理资源和存储管理、远程管理安全技术，传达到数据处理层面。

1.1.3物联网技术应用层

通过服务器、计算机、存储设备和云计算的方法，利用专业软件及服务，将海量数据进行分类、整理、挖掘分析，建立各种算法，优化调度，应用在水产养殖行业。具体则是将水质监测结果信息通过计算、云计算等方法进行分类和挖掘分析，通过养殖监管渠道较好管理水产行业。

1.2水产养殖

水产养殖的目的与农业生产相似，希望能利用有限的资源生产稳定高产的好产品，实现水产养殖的经济效益，其中要考虑的环境因素主要有水体溶氧量、PH值、温度、盐度等。

1.2.1水体溶氧量

水体溶氧量与水产养殖关系紧密。水产养殖不可避免的需要考虑养殖密度的问题，通过研究溶氧量与养殖密度的相互关系，确定水产养殖密度，有效提高水产养殖的经济效益。

不同的水生动物对水体溶氧量的适应机制不同，采取的水产养殖密度和科学管理方法也不同，并且对于不同的水生动物的不同习性也会令养殖户误解。拿海参来讲，海参活动缓慢，喜风浪冲击小、水流缓慢的海区，个体养殖户误会不担心水体溶氧量的问题，不注意向水体输氧，从而未实现科学水产养殖，经济效益没有达到最大化。

水质富营养化，微生物、浮藻类过度繁殖，造成水体发臭、发黑，水体溶氧量会降低，不仅对鱼类，对其他水产养的生存影响也很大。

1.2.2 PH酸碱值

水体PH改变，水生动物通过呼吸或直接接触等防止使水生动物体内PH值发生变化，破坏体内维持正常生活状态的酸碱平衡，水体碱性超过正常值会腐蚀鱼类鳃组织，使其呼吸障碍；酸性过强会使H：S浓度增高造成水体毒性增强不适宜水产养殖。养虾水质的重要因素之一水体PH值，虾最适宜生长的PH值是弱碱性，而在弱酸性条件下虾类传染性虾病易发，即使水体溶氧量丰富，虾类也会呼吸困难，生长困难。

PH值决定因素是由水中二氧化碳和碳酸盐的含量决定的，而二氧化碳的含量又与水中生物呼吸作用、细菌等的氧化作用和水生植物光合作用相互作用决定的。并且PH值在一天的不同时间也会不同，太阳上升，植物光合作用加强，水中二氧化碳减少，PH值偏高，而夜晚呼吸作用加强，PH又会变小。

1.2.3温度

水产养殖环境不同，有池塘，湖泊，海田等，而如果水体很深，温度就会分层，表层水温昼夜间有变化，底层温度则因阳光无法穿透长时间保持低温状态，变化很小。但是底层溶氧量较少，需氧大的水产无法潜入底层躲避高温，从而晝夜温差对渔业生产有影响。同时日温差大小也会影响水产养殖，中间没有跃温层，水体底层和上层能够顺利进行物质交换，就与新疆哈密瓜特别甜、产量高的道理相同。

1.2.4盐度

水体盐度与水生动物生活息息相关，外界盐度比细胞内盐度高，细胞失水；反之，细胞冲水，两种情况都对水生生物生存不利。同样，不同水生生物对水体盐度的要求不同，淡水和海水生生物盐度肯定不同，同时作为个体养殖与自然环境不同，必要时也需要在水体中投放相对应的盐类。

另一方面，盐度过高对淡水鱼类繁殖和鱼卵的发育影响较大，鱼卵受精后孵化率较低，会影响鱼类产量，经济效益下降。

盐类中亚硝酸盐是氨经过细菌作用发生氧化反应生成的，亚硝酸盐浓度过高会使鱼类中毒，不仅水产产量下降，而且我们吃了这种鱼对身体健康也不利。

1.3树莓派

树莓派（Raspberry Pi）树莓派又被人们称为“卡片式电脑”，虽然是电脑，但是核心只有信用卡大小，最初设计者是以让学生更好地学习编程设计而来。目前树莓派已经上市3代。树莓派主板基于ARM，利用生活中常见的SD卡，做内存硬盘，可以利用USB口连接键盘鼠标，可以网线连接网络，也可以WLAN连接网络，还支持蓝牙连接，有HDMI高清视频接口，可以连接显示屏幕，树莓派三代B拥有40个GPIO针脚，可运行Linux等系统（2代B型及以上型号可运行Windows10 IOT系统）。

将Raspberry Ri正常运转起来之后，进入图形化界面使用方式与电脑无异，其软件编程优势在于可以用MIT开发的Scratch图形化编程语言、Pvthon语言、C、Rubv、Java和Perl等各种语言为Raspberry Ri开发程序。Raspberry Pi与传统单片机相比，在互联网上优势较大，因为Razpberry Pi不仅可以连接传感器，还可以利用传感器信息作出相应反应。

2智能化水产养殖设计

智能化水产养殖基于物联网技术思想，将智能传感技术、智能处理技术及智能控制技术纳入一个监控养殖体系，实现水产养殖智能体系化，解放劳动力，提升经济效益。其中，传感层包括感知养殖塘的水体溶氧量、PH酸碱值、温度、盐度等参数；智能处理层包括接受传达来的相关消息，根据科学养殖相关理论得出调控结论；智能控制层就是根据调控结论调节养殖塘水质，使水产养殖在最适宜的环境下产生最大的经济效益。

2.1要解决的问题

2.1.1实现实时养殖监测

不同水生生物对水质的要求不同，为寻求经济价值，则应对不同的水生生物水质采取不同的措施，为方便管理，将这些分散的养殖产品统一起来，通过监管水产养殖密度、水产养殖鱼药和饲料、水产病害等方面，记录水产养殖生产记录、用药记录和销售记录，节约劳力，实现现代信息科学技术与传统渔业结合的目的。

2.1.2实现网络信息实时更新

如上所述，要求实时监测，才能令监控系统发挥价值，若渔民是在养殖场地收集到了监测数据，那么与渔民亲自“下水”检测作用相似，在這个过程中没有实质的经济效益的提升。而实现了网络信息实时更新，渔民可以实时掌握水产养殖动态，有效提高经济效益。

2.1.3以较小的成本实现最大的价值

自主研发物智能化水产养殖，大大降低了引进设备的成本，也可以保证系统的更新服务，在投入成本上为渔民减小压力。

2.2实现目标

基于对系统开发端的描述，用户利用这套智能化水产养殖监测产品通过网络端随时谁地获取自己的养殖池水质情况和采取的措施，判断养殖池水产品状态是否良好是否需要人工介入等，从而实现水产养殖智能化、提高经济效益的目的。

3智能化水产养殖技术方向设计

如上描述的，智能化水产养殖包括传感层、智能处理及智能控制层，最终将结果显示到客户端，具体设计如图1所示。

3.1无线监测与控制

具有特殊传感作用的无线传感器放置在各个鱼塘中，利用Zig Bee无线传感网络与智能处理层及控制层相连。智能处理层通过GPRS接收传感信息，经过处理后，通过控制层传达到特定鱼塘的控制节点，利用控制节点作出相应反应。由于养殖池都具有大小相当，相互独立等特点，因此无线传感网采用簇状拓扑结构（cluster tree）较为合适。

3.2互动平台设计

互动平台的主要功能是将智能化水产养殖信息呈现给用户，并实现用户与自家养殖池互动。

互动平台进入界面首先需要登录，登录分为管理员登录和用户登录，信息处理完毕后需要退出登录。这个管理系统总体分为两个大部分，一个是管理员界面，另一个是用户界面，如图2所示。

管理员界面设计包括两个方面：养殖池信息管理、用户账户管理。其中养殖池和用户账户涉及数据库设计，如图3所示。图中养殖池管理表示当用户申请养殖池时，若满足相关要求，则在养殖池管理中生成一条信息。养殖池信息只有管理员能增加、修改或删除，用户只有浏览的权限；用户信息管理员有权修改用户权限，也可以添加或删除用户，用户仅有注册和修改资料的权限。

用户界面设计包括三个方面：己有养殖池信息浏览、系统现有养殖池信息、用户资料修改。己有养殖池信息浏览提供的是养殖户已经申请到、并投入使用的养殖池的类型、规模和监测数据并且系统提供的处理方式，便于用户判断是否需要人工介入；系统现有养殖池信息是管理员将此产品现阶段开发的比较完善的智能化养殖池和最佳养殖池数量信息发布到网络上，以便用户申请添加合适养殖池；用户资料修改包括密码修改、账号绑定等方面。