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集约化水产养殖远程无线水质自动监测系统
来源:集约化水产养殖远程无线水质自动监测系统 发布时间:2013-12-30 编辑:管理员 浏览量:

一、背景与意义

我国是水产养殖大国,水产养殖产量占到了全世界的73%,水产养殖在改善民生、增加农民收入方面发挥了重要作用。但目前水产养殖业仍沿用大量消耗资源和粗放式经营的传统方式,在水产养殖过程中缺乏对水质环境的有效监控,养殖过程中不合理投喂和用药极大的恶化了水质环境,影响水产品质量,加剧水产病害的发生,使得水产品质量安全、水环境污染、养殖风险等问题非常严重。因此,水产养殖业必须加快产业转型与升级。集约化养殖、标准化生产、规范化操作、信息化管理的智能化健康养殖方式是今后水产养殖业发展的必然方向。这就需要采用现代科技手段提高水产养殖智能监控水平,通过采用水质信息智能感知、可靠传输、智能信息处理、智能控制等物联网技术,实现对水产品养殖全过程的自动监控与精细管理,有效增加水产品产量,提升水产品质量,减少养殖风险,降低生产成本,减轻劳动强度,扩大生产规模,实现水产养殖业的健康可持续发展。

二、需求分析

水质监测是保证健康养殖的关键环节,其目的是监测养殖水体温度、DO(溶解氧)、pH、深度、电导率(盐度)、浊度、叶绿素、氨氮等对水产品生长有重大影响的水质参数,根据需要进行水质调节,为水产品提供好的生长环境。目前国内的水产养殖业基本上仍采用人工取样、化学分析的监测方式,耗时费力、精度不高、即时性差,并且需要专业人员进行操作。一些企业配备了便携式水质监测仪或水质在线监测仪,但由于国内技术和产品不过关,基本都是采用进口设备,价格昂贵且维护成本高。随着集约化、工厂化养殖模式的推广,我国水产养殖业迫切需要高精度、高稳定性和可靠性、低成本、适合国内水产养殖模式水质监测设备和远程无线水质自动监测系统。

三、系统简述

远程无线水质自动监测系统集成智能水质传感器、无线传感网、无线通信、嵌入式系统、自动控制等技术,可自动采集养殖水质参数,并通过Zigbee、GPRS、3G 等无线传输方式将水质参数信息上报到监控中心或网络服务器,用户可以通过手机、PAD、电脑等终端实时查看养殖水质环境信息,及时获取异常报警信息及水质预警信息,并可以根据水质监测结果,实时调整控制设备,实现科学养殖与管理,最终实现节能降耗、绿色环保、增产增收的目标。该系统集成了中国农业大学先进农业传感技术北京市工程研究中心和北京市农业物联网工程技术研究中心十余年的科研成果,并在全国十余个省市进行了示范推广。通过示范基地实际应用,有效推进了相关技术产品的熟化。该系统在监测精度、可靠性、稳定性和扩展性方面达到了国外同类产品水平,在成本、环境适应性、安装维护等方面具有明显优势。

四、系统结构

 

系统结构拓扑图

远程无线水质自动监测系统主要由智能水质传感器、数据采集器(无线传感网)、网关/控制器、软件系统、视频监控和监控中心组成。系统结构拓扑图见上图所示。

1、智能水质传感器

通过智能水质传感器可以实时获取养殖水体温度、DO(溶解氧)、pH、深度、电导率(盐度)、浊度、叶绿素、氨氮等对水产品生长有重大影响的水质参数。

智能水质传感器相较常规水质传感器具有自识别、自标定、自校正、自动补偿功能,还具有自动采集数据并对数据进行预处理功能,双向通讯、标准化数字输出等其他功能。此外,我们针对水产养殖现场情况特点,对传感器结构进行优化,增加防护装置和清洗装置,以提高传感器的可靠性、稳定性、环境适应性和可维护性,可以更好的满足水产养殖场实际需求。

 

单参数水质传感器

 

多参数水质传感器

2、数据采集器(无线传感网)

针对水产养殖场环境特点,运用无线传感网、功率自适应控制、自组网和智能供电技术建立低成本无线网络节点,支持智能水质传感器的接入,并能实现信息的无线汇聚。可实现2.4GHz 短距离通讯,现场无线覆盖范围3 公里;采用智能信息采集与控制技术,具有自动网络路由选择、自诊断和智能能量管理功能。

 

数据采集器(无线传感网)示意图

3、网关/控制器

网关/控制器由RTU8400 测控终端和电控箱等组成,是实现水质调节(主要是增氧控制)的执行设备,它可以驱动叶轮式、水车式或微孔曝气空压机等多种增氧设备。此外测控终端兼具网关功能,可以根据需要配置成无线数据采集节点及无线控制节点。

 

测控终端和电控箱

4、软件系统

远程无线水质监测管理信息系统是面向日常水产养殖生产的智能化系统,包含以下功能模块:

 

功能模块

(1)实时监控

在实时监控页面的左侧栏可以看到当前用的个人信息,包括养殖池塘号、面积水产、水草种类和养殖的品种和投放的时间;在左下的栏可以看到用户池塘的一些实时数据;中间上边部分是增氧机的控制的开与关和增氧机当前的状态;中下栏为实时的曲线分析,当前的数据显示成曲线,让用户可以看到的数据更直观,看到数据在曲线上的变化;最右边显示的是用户的场景,也就是用户的池塘。

 

实时监控页面 

(2)数据汇总

点击“数据汇总”进入数据汇总页面,显示该池塘的综合水质信息。

 

数据汇总页面

(3)曲线分析

在曲线分析页面可以查询某个水质参数在指定时间内的曲线变化情况。

 

曲线分析页面

(4)数据查询

水质信息都保存在服务器中,用户可根据需要查询水质信息,并可以下载到本地计算机存储。

 

数据查询页面

(5)应用配置

应用配置功能主要是为系统管理员提供的系统应用配置、修改、维护等功能。

(6)生产管理

生产管理功能模块可以根据用户需求开发水质管理、投喂管理、疫病管理、投药管理、质量安全追溯等子功能模块。

(7)地图浏览

主页面显示的是相应地区的地图,地图上的图钉表示场景的位置,点击图钉按钮,弹出相应场景的信息。

5、视频监控

根据用户需求和现场条件,可以安装有线视频系统或无线视频系统,对养殖场环境进行实时监控。应用无线视频系统,用户使用手机或PC 远程登录到G3视频监控终端,可以收看摄像机相应区域的实时视频画面。

 

视频监控设备

6、监控中心

根据用户需求建立监控中心。监控中心由服务器、多业务综合光端机、大屏幕显示系统、UPS 及配套网络设备组成。

 

监控中心大屏幕显示系统

五、现场安装

该系统已经在天津、山东、江苏、浙江、广东、海南等省市的示范基地安装运行,形成了一套安装运维规程。我中心派遣安装人员现场安装调试,并对用户进行培训,保证系统的正常使用和常规维护。系统现场安装示意图见下图所示。

系统现场安装示意图

 

六、系统功能与特点

系统功能

1 全天候不间断实时监测水质环境信息

2 无线远程监测:用户不必亲临现场就可对水质环境进行监测

3 自动报警:当水质参数超过正常范围时,可通过短信、监控软件等方式报警

4 监测数据的管理、分析和统计,定期生成监测报表

5 远程访问:用户可以在任何可以介入互联网的地点,通过手机或电脑实时监测数据和监测报表

6 远程控制:用户可以通过互联网、手机短信等方式控制终端设备

7 自动控制:当溶氧低于设定下限时,自动开启增氧机;当水中溶解氧含量达到设定的上限时,自动停止增氧机,无需人工看管操作

8 安全保障功能:控制器中内置电池,可保证在异常断电的情况下,维持工作一天。一方面保持水质信息的采集,另一方面将异常信息告知用户。

系统特点

1 监测功能强:多种水质参数实时监测

2 监测效果好:相比手工监测,自动化监测更及时和准确

3 使用方便:灵活的数据传输与报警选择,可以传送到监测中心或家中;监控软件友好的用户界面,便于长期监测数据分析与决策

4 扩展方便:随着用户养殖规模的扩大,可随意增加监测节点

七、经济效益与社会效益

通过使用远程无线水质自动监测系统,用户可以对水环境进行24小时实时监控,保证了水产品处于适宜状态,有效减少水产病害,提高水产品质量和产量,降低养殖风险,为用户带来直接的经济效益。

再者,由于实现了精细管理,可实现饲料、药品的高效利用,节约养殖成本;自动化的控制减少了人力的投入和劳动强度,提升管理水平,节约管理成本;增氧机的智能控制,可以大大减少不必要的电费开支,延长增氧机寿命。

同时,通过对养殖水质的精准监测与调控,减少饲料和药品消耗,可以有效改善水体环境,减少污水排放,社会效益显著。

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