基于物联网的智慧水产养殖系统模型设计

摘 要：传统的水产养殖方式既浪费资源，养殖效率又低下。文章针对传统粗放养殖的低效、耗费资源等问题，基于物联网技术，提出了一种智慧水产养殖系统的设计方案。该系统通过无线传感、射频识别、物联网通信等技术实现水产养殖环境监控、养殖水产动物生长状况监控、自动投喂、水产品自动分类、水产品安全追溯等功能，从而实现水产养殖的自动化监控和管理。

关键词：物联网；水产养殖；无线传感网；射频识别

我国是水产养殖大国，据统计，水产养殖产量占全世界的60%以上[1-2]。但是，一直以来，我国水产养殖业主要沿用比较传统的粗放经营方式。这种粗放经营方式往往人力和物力等资源消耗大，而产量却较低[3]。我国水产养殖业正面临着从传统的粗放式养殖模式向自动化、集约化、精准化养殖模式转变。如何适应发展需求，方便、实时、有效地监控养殖环境和养殖生物的生长，构建智能养殖系统，已成为当前我国水产养殖发展的热点[4-5]。而推动这种产业转型升级的最为关键的技术正是物联网（Internet of Things，IoT）。

物联网指的是物物相连的互联网[6]。所谓物物相连的互联网，其实有两层含义：首先，物联网的发展仍然离不开互联网[7]，它是在互联网基础上延伸和扩展的网络；其次，其用户端由互联网中的PC客户端、移动客户端等延伸和扩展到了任何物品与物品之间，即物物相连。物联网是继计算机、互联网之后，信息技术发展的又一次浪潮[8]。

1 系统总体设计思路

目前的粗放经营水产养殖方式主要存在以下几方面问题：（1）水产养殖管理主要是以养殖经验为指导（靠鼻子闻眼睛观察来判断水的清洁度，靠观察和捕捞来确认是否有死的水产动物等）。（2）水产养殖动物的喂食也主要是依靠人工，这种依靠人工喂食比较浪费人力资源，效率低。（3）水产品进入市场之前的质量好坏分类也是养殖员凭经验进行的，这种凭经验的判断往往不可靠，没有说服力。（4）消费者很难快速准确地查到投入市场的水产品的来源及水产品是否存在安全问题等。

针对上述问题，本文提出一种基于物联网的智慧水产养殖系统设计方案，该方案主要利用物联网中的无线传感技术、射频识别技术等实现水产养殖的自动化管理与监控。

为了自动监测水产养殖环境，系统通过部署各种传感器来监测水温、水的溶氧量、水的pH等养殖环境参数，并根据这些参数分析水质情况，供养殖管理人员及时采取相应的措施。

为了自动监控水产动物的生长状况，系统通过物联网通信技术将水产动物的各项生命体征指标定期发送到系统的云服务器上，然后系统将这些数据与以往数据进行对比分析，判断水产动物是否生长异常（如生病、死亡等）。

为了实现对水产动物的自动投喂，系统将结合饵料投放机，通过设置一定的阈值实现对饵料投放机的自动控制。

为了实现水产品进入市场前对水产品质量好坏进行自动分类，系统通过统计水产动物的各项指标（如体重、品种、健康状况等）来对水产动物进行分类。

为了使水产品卖向市场时，消费者能快速准确查到投入市场的水产品的來源，系统将水产动物养殖过程中相关信息记录并存储在云服务器上，并给卖向市场的水产品赋予一个二维码，这样，消费者只需扫码就能查到自己所买水产品的相关信息。

2 智慧水产养殖系统功能

本文提出的智慧水产养殖系统主要有五大功能：养殖环境监控功能、养殖水产动物生长状况监控功能、自动投喂功能、自动分类功能、水产品安全追溯功能。

2.1 养殖环境监控功能

本文提出的智慧水产养殖系统，为了实现养殖环境的监控功能，精心挑选了各种监测水环境指标的传感器。如水温传感器用来监测水的温度、水pH传感器用来监测水的pH、水含氧量传感器用来监测水中的含氧量、水位传感器用来监测水位、水浑浊度传感器用来监测水的浑浊程度等。

当传感器监测到水环境相应指标超出正常范围（提前设定好）时，将发出警报提示。系统接收到警报提示后，给对应的子系统发送相应信息通知子系统自动调整相应的水环境指标。例如：当水含氧量不足时，系统将给增氧机发送消息通知其增加水中含氧量，从而实现智能增氧；当水位过低或过高时，系统会自动打开出水口或进水口，从而实现智能调节水位等。

2.2 水产养殖动物生长状况监控功能

为了实现对水产养殖动物的生长状况进行监控，本系统主要采用射频识别技术，给水产动物赋予一个可唯一识别其身份的标签，此外，水产动物的生命体征可通过医疗检测设备进行定期监测。

整个监控过程描述如下：利用导引设备，使所有水产动物定期经过医疗监测设备，医疗监测设备识别附在水产动物身上的标签后，对水产动物各项生命体征参数进行监测，然后将监测数据发送到云服务器上，系统将接收到的数据与以往数据进行对比分析，从而判断水产动物是否生长异常。由于长期监测数据可能过于庞大，所以，此处可对系统进行进一步优化：如果某一段时期水产动物各项生命体征参数相差不大时（设定一个差值范围），系统将自动对这段时期的数据进行合并（取平均值）以减少数据冗余。

2.3 自动投喂功能

实现自动投喂食物的功能，关键是实现系统对饵料投放机的控制。控制方式主要有3种：手机端或PC端的自动控制、定时控制、手动控制。

其中手动控制比较简单，就是人工手动开启或关闭饵料投放机即可，这种控制方式主要是预防系统出现故障时不能自动控制饵料投放机的开启或关闭。手机端或PC端的自动控制和定时控制这两种控制方式的关键是实现系统与饵料投放机间的通信，即系统自动化控制饵料投放机。定时控制需要系统预先设定好时间值，当满足设定的时间要求时系统将自动控制饵料投放机的开启或关闭。手机端或PC端的自动控制需要养殖管理人员登录后台养殖管理系统，通过点击相应的按钮去通知系统控制饵料投放机的开启或关闭。

2.4 水产品自动分类功能

为了实现水产品进入市场前对水产品质量好坏进行自动分类，系统将通过统计水产动物的各项指标（如体重、品种、健康状况等）来对水产动物进行分类。

该功能的具体实现描述如下：系统预先设置好分类等级，如A，B，C 3个等级，假设A等级代表质量最好的、B等级次之、C为最差等级，并给每个等级设定阈值范围（综合水产品的体重、品种、健康状况等指标进行设定）。这些数据指标之前都已经记录保存在系统中的，系统只需根据划分的等级分析水产品属于哪个等级并做好相应标记即可，最后在水产品包装的标签上打印出对应水产品的等级。

2.5 水产品安全追溯功能

水产品安全追溯功能，主要是通过记录水产品整个生产过程的相关信息，使得水产品卖向市场时消费者能够快速准确地查询到水产品的来源以及是否安全等。这部分功能的实现主要是通过二维码技术来实现的。

该功能的具体实现过程描述如下：水产品在卖向市场之前，养殖人员会将水产品生产环节中记录的相关信息录入后台服务器系统，并给水产品赋予一个二维码用来唯一识别水产品。消费者购买水产品时，通过手机扫描二维码即可查询到水产品的生产地、生产日期、水产品的检验报告等信息。

3 结语

本文提出的智慧水产养殖系统主要是利用了物联网技术（无线传感技术、射频识别技术、物联网通信技术等）实现水产养殖的自动化监控和管理，相比传统的养殖方式，智慧水产养殖系统提高了养殖的质量以及效率。

智能水产养殖系统充分利用物联网技术的优势，确保水产养殖的高产和水产品的安全健康。总而言之，基于物联网的智能水产养殖系统在中国水产养殖业具有广阔的发展前景，是实现中国水产养殖业可持续发展的极其有效的途径。

[参考文献]

[1]曹鑫磊，赵铭武，葛丽婷，等.水产养殖业中物联网技术应用现状、存在问题及发展对策[J].水产科技情报，2014（4）：201-204.

[2]杨宁生，袁永明，孙英泽.物联网技术在我国水产养殖上的应用发展对策[J].中国工程科学，2016（3）：57-61.

[3]蔡加豪.基于物联网的水产养殖监控系统的设计与研究[D].长沙：湖南师范大学，2016.

[4]李庆艳，黄泽龙，张湘东，等.基于物联网的智能水产管理系统设计方案[J].广东通信技术，2017（10）：2-5.

[5]ZHU H B，YANG L X，ZHU Q.Survey on the Internet of Things[J].Journal of Nanjing University of Posts & Telecommunications，2011（6）：949-955.

[6]段广青，薛冰.物联网应用浅谈[J].中国科技博览，2015（46）：229.

[7]BELKIZ T，LÜTFÜ Ş，FIGEN B B.Internet of Things： a survey[J].Journal of Industrial Information Integration，2016（4）：104.

[8]王勝男.物联网技术在现代水产养殖业的应用[J].福建质量管理，2017（2）：66.