CN101339179B - 一种用于水产养殖的水质远程动态监测系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于水产养殖的水质远程动态监测系统。本发明采用水质远程动态监测系统实现了水温、酸碱度、电导度、溶解氧、氧化还原电位、盐度、浊度、光照度为主的多水质参数的实时动态、远程无线化监测，同时可以扩展到更多水质参数的同时监测，并在不同区域内组建大规模、分布式的水质远程动态监测网络。与其他水质在线监测系统相比，该水质远程动态监测系统的监测参数容易扩展、测量精度较高、兼容性好、成本比国外进口同类产品降低了一半以上。

Description

一种用于水产养殖的水质远程动态监测系统及方法

技术领域

本发明涉及养殖水体的水质综合调控技术，尤其涉及一种用于对水产养殖的养殖水域的多参数水质指标进行实时动态与远程无线监测的水质远程动态监测系统及方法。

背景技术

近十年来，随着工农业生产的发展和人民生活水平的不断提高，以消耗资源、牺牲环境为代价的传统养殖模式已不能满足水产养殖业的生产需求与可持续性发展。高密度养殖与循环式养殖代表着水产养殖行业在国际水产养殖行业的高科技，因此，如何挖掘资源潜力、提高水产品质量和经济效益使得工厂化养殖势在必行，而水质自动监测作为工厂化水产养殖中必不可少的组成部分在渔业现代化中将发挥重要的作用。

水质自动监测是以在线式自动分析仪器为核心，运用现代传感器技术、自动测量技术、计算机应用技术以及相关的专用分析软件和通信网络组成的一套在线自动监测体系。与常规方式相比，水质自动监测不但减少了取样、运输、分析的工作量，其连续取样，现场进行参数分析的性能还能避免因运输、放置时间较长而造成水样发生物理化学变化，水质监测的准确性得以提高。

国外的水质自动监测系统的搭建依赖于水质自动监测仪器，其研究与生产主要集中在德国、法国、美国、日本、澳大利亚等发达国家，主要厂商有德国的WTW和LAR、美国的HACH和YSI、日本的岛津制作所等。我国的水质监测长期以来一直采用人工采样到实验室分析的办法，随着国家对水质的日益重视，水质自动监测仪器和监测系统在近10年来才开始研制和发展。目前，水质自动监测技术及装置存在的主要问题有：1)水质监测设备自动化程度低，同时监测的参数少、实时性差，不能对水质情况进行全天候的监控；2)水质监测系统的网络化程度不高、适应恶劣环境的能力差、设备故障率高，或者建设费用过高导致不宜大范围安装应用；3)系统组网技术单一，通常只采用无线局域网技术构成总线型结构，新兴的自组网技术方案没有得到应用和体现，很难实现远距离的数据传输；4)网络速度及数据传输的安全性难以保障。除此之外，水质自动监测大多采用国外进口的设备和技术，价格昂贵，运行费用高，而且由于监测的水质参数少，系统集成化、微型化、智能化、网络化的实时动态远程还不成熟，很少用于工厂化水产养殖。

目前已有一些涉及水质自动监控的专利，例如，公开号为CN1566958A的中国专利“一种多参数水质监测方法及设置”，通过离子敏电极和传感器采集到的模拟信号经A/D转换电路转变为数字信号，传送至液晶显示屏显示。该专利可以同时在线监测水产养殖环境水质多项理化指标，携带方便，操作简单，检测快速，成本低廉，但针对偏远地区的水产养殖必须人工介入，数据无法实现远程传输，各养殖单位之间的水质信息不能互访，自动化程度低。另外，公开号为CN1625110A的中国专利“环保水质远程监控报警系统”，通过中心计算机、基站计算机和在线监测仪联网，提供了一个耗资低廉、切实可行，且能同步实时、灵活介入地监测水质参数的一种无线解决方案，但是使用通用的无线局域网，组网的形式简单，不能很好地实施长远距离和大范围的数据传输，数据传输的安全性也难以保障。

发明内容

针对现有水质自动监测技术及装置的不足，本发明的目的是提供一种用于水产养殖的水质远程动态监测系统和方法。通过该系统，可以实时动态地远程监测水质参数。

本发明的另一种目的是提供一种基于嵌入式网络技术和WiFi无线通信的水质动态监测装置。

因此，本发明的一种用于水产养殖的水质远程动态监测系统，包括：

多个设有无线通信模块的水质动态监测装置，分布在水质监测目标区域，通过无线通信模块构成局域网，用于实时动态监测水产养殖中水质参数与环境参数变化情况；

CDMA通信装置，用于将水质动态监测装置与信息服务器进行无线通信；

虚拟专用网路由器，设置在本地或异地，用于在CDMA通信装置和信息服务器之间建立虚拟专用网，从而进行无线通信；

所述多个水质动态监测装置，构成星型或树型的局域网。

所述的水质动态监测装置，包括：

传感器模块，用于驱动多个水质参数传感器和环境参数传感器，用于采集检测目标区域内水样的水质和环境参数；

执行模块，用于对检测目标区域内的水质和环境进行水质和环境处理；

监测模块，基于WEB服务器，将传感器模块采集到的水质和环境参数转换为数字信号并以动态网页形式显示，同时根据采集到的水质和环境参数控制执行模块进行水质和环境处理；

无线通信模块，有线连接监测模块，并将所述多个水质动态监测装置通过无线连接方式构建成局域网；

电源模块，用于对水质动态监测装置的各个模块进行电源供应。

所述水质参数包括水温、溶解氧、酸碱度、电导率，所述环境参数包括温度、湿度、光照、臭氧浓度。

所述无线通信模块为WiFi模块。

所述监测模块具有以太网接口、A/D接口和I/O接口，其中A/D接口用于将传感器模块采集的信息转变为数字信号上传到监测芯片，I/O接口用于控制执行机构，以太网接口用于连接无线通信模块。

所述的水质动态监测装置，还包括：

变送器模块，用于将传感器模块采集到的信号转变为电信号，并将所述电信号传输给监测模块；

继电器模块，用于控制执行模块在各任务处理中进行切换。

一种用于水产养殖的水质远程动态监测方法，包括下列步骤：

多个水质动态监测装置通过无线通信模块组建成局域网，其中所述的水质动态监测装置实时动态地监测水产养殖中水质参数与环境参数变化情况；

利用CDMA模块使多个水质动态监测装置构建的局域网，连接到虚拟专用网中；

再通过虚拟专用网路由器连接到本地或异地的信息服务器上；

信息服务器自动获取和远程访问来自水质动态监测装置的实时动态数据，并可同时控制水质动态监测装置的监测过程。

所述多个水质动态监测装置构成星型或树型的局域网。

本发明具有以下优点：

1)该发明采用水质远程动态监测系统实现了水温、酸碱度、电导度、溶解氧、氧化还原电位、盐度、浊度、光照度为主的多水质参数的实时动态、远程无线化监测，同时可以扩展到更多水质参数的同时监测，并在不同区域内组建大规模、分布式的水质远程动态监测网络。与其他水质在线监测系统相比，该水质远程动态监测系统的监测参数容易扩展、测量精度较高、兼容性好、成本比国外进口同类产品降低了一半以上。

2)该水质远程动态监测系统是针对水产养殖槽中连续流动的养殖水体进行流动式动态监测，这种设计方式既可保护传感器、又可直接过滤异物，易于维护和保养。该系统的流通式传感器模块设计不仅保证了稳定、准确地测量养殖槽内的真实的水质变化，还能简化系统维护程序，提高了系统使用寿命。

3)利用嵌入式网络技术直接将水质传感器的信息基于TCP/IP协议进行网络化获取和传输，解决了传统装置中固件更新问题，也为网络化水质控制提供了硬件基础，其系统基于TCP/IP协议的人机接口使得系统不收任何操作系统的限制，只要有浏览器就可进行基于HTTP动态网页的存取，具有良好的系统兼容性和可操作性。

4)在养殖场内部基于802.11b/11g进行WiFi无线通讯，采用树型或星型拓扑结构进行无线局域网组建以节约系统构建成本。远程通讯采用了城市蜂窝无线的CDMA数据增值服务与远程的VPN路由器建立基于IPsec的VPN连接，从而保证了水质信息的高度安全化的远程无线连接。

5)该水质远程动态监测系统具有良好的通用性，通过合理的传感器校正不仅可以应用于淡水养殖和海水养殖，亦可在水质监测、废水处理中得到利用。

6)本发明运用现代传感器技术、嵌入式网络技术、无线通信技术和计算机技术，提供了一种水产养殖中水质远程动态监测的装置和方法，形成一整套养殖车间水质远程动态监测系统，克服了传统水质监测中参数少、自动化程度低、网络化足足的不足，具有良好的实用性和先进性，可为现代化水产养殖中网络化、智能化的水质监测提供硬件设备和技术支持。

附图说明

图1是本发明的一种水质动态监测装置的结构示意图；

图2是本发明的水质远程动态监测系统的结构示意图；

图3是本发明的分布式水质远程动态监测网络的示意原理图。

其中：B为带有CDMA模块的水质动态监测装置；S1，S2，...Sn为水质动态监测装置B；S11，S12...Snn为水质动态监测装置A。

具体实施方式

以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。

本发明基于嵌入式网络和WiFi(Wireless Fidelity，802.11b标准)无线通信技术开发多检测参数的水质动态无线监测装置，实现对水温、溶解氧、酸碱度、电导率等水产养殖中水质参数与环境参数的实时动态监测，同时利用城市蜂窝无线数据服务与虚拟专用网技术，实现对水产养殖现场的水质动态无线监测装置的远程无线化的实时动态数据的自动采集与高可靠性的信息远程安全传输。

图1为本发明的不带有CDMA(Code Division Multiple Access，码分多址)模块的水质动态监测装置的结构示意图，如图1所示，水质动态监测装置设有用于检测水质参数传感器模块和变送器模块、监测模块、无线通信模块、继电器模块、电源模块以及执行机构。所述水质动态监测装置其外壳封装由防水、防腐蚀的密封性PVC(polyvinyl chloride，聚氯乙烯塑料)材料构成，避免其内部电路受高湿环境、腐蚀性物质或其它污染物质的损坏。该装置外部设有水样流通池，所述的水样流通池，为PVC材质，设置有各种水质传感器、专用连接卡具，各接口都采用带有密封元件的螺纹式连接。

其中所述的传感器模块，包括水温、酸碱度、溶解氧、电导率等水质传感器，还包括温度、湿度、光照度、臭氧浓度等环境传感器，用来获得养殖槽的水质参数和环境参数。上述水质传感器利用密封式螺纹连接固定到水样流通池中，用于实时动态采集通过流通池中的水样的水质参数。并且上述传感器模块中的每个传感器都设有相应的变送器，通过相应的变送器使传感器采集到的测量信号转换为标准的电信号，然后再通过监测芯片的A/D接口上传到监测芯片中，使电信号转换为数字信号。

其中所述的监测模块，用于使传感器模块采集到的数据以动态网页形式显示，并且根据传感器模块采集到的数据控制执行机构的操作，采用PICNIC监测芯片，该芯片基于嵌入式WEB服务器，并集模数转化和微处理于一体，使传感器采集的水质参数和环境参数数据以动态网页形式进行自动获取和网络化传输，只要有任意网络浏览器都可以浏览传感器模块采集到的信息，以及浏览到执行机构的状态。该监测芯片直接嵌入了WEB服务器，同时具有以太网接口(也即TCP接口)、串行接口、A/D接口和I/O接口，其中A/D接口用于通过变送器模块将传感器模块采集的信息上传到监测芯片，I/O接口用于通过继电器模块控制执行机构。所述PICNIC监测芯片具有5个A/D接口，8个I/O接口，因此该芯片可以同时监测4个水质和环境参数的采集，并控制8个执行机构的操作。根据监测项目的多少，来添加PICNIC监测芯片的数量，比如说，可以使用2片PICNIC监测芯片，共计有8个A/D通道来监测水温、酸碱度、溶解氧、电导率、大气温度、大气湿度、光照度等水质和环境要素。PICNIC监测芯片由日本TriState有限公司提供，其芯片中内置一个温度传感器用于实时监测装置内部的工作温度。该监测芯片为了节约芯片资源不带存储器，由于不需要操作系统从而解决了传统数据采集装置的固件更新问题。

其中所述的执行机构，通常指进行养殖水域换水或增氧等的增氧机、换水泵、循环泵、投饵机等，所述的执行机构被监测芯片控制其操作，通过连接到监测芯片I/O接口的继电器模块来被监测芯片控制。

其中所述的电源模块，包括12V直流电源、220V/12V开关电源和电源分配器，电源分配器用于向装置内各模块或设备进行电源分配。水质动态监测装置可以使用220V商业交流供电或12V的直流供电，在下面的实施例中。水质动态监测装置的各模块都采用了12V直流供电，在具体使用时把220V商业交流供电转换成了12V直流供电再供给到各模块。同时，为了防止水质动态监测装置箱体内各电子设备运行发热并保持箱体内干燥，在箱体边缘顶部设置一个散热风扇使箱体内空气形成一个固定循环流向。

所述的无线通信模块，采用WiFi模块，WiFi模块用于在该水质动态监测装置与其他水质监测装置之间进行无线通信，同时利用WiFi模块自身带有的集线器功能将装置内的各监测模块连接起来。WiFi模块在此装置中采用IEEE802.11b/11g标准，其通信速度为11M/54M，开放性区域的通信距离为300～500米，封闭性区域的通信距离为50～100米。该WiFi模块还带有4个以太网接口的集线器功能用于有线连接其他嵌入式WEB服务器的PICNIC监测模块。所述水质监测装置通过WiFi模块与其它的水质监测装置组成星型或树型的局域网。

在组成局域网内的多个水质动态监测装置中，每个水质动态监测装置作为一个无线节点，除了具有上述的各个模块外，其中的某个节点的水质动态监测装置还设有CDMA模块，所述CDMA模块，用于与本地或异地的虚拟专用网(Virtual Private Network，VPN)路由器建立基于IPsec的VPN连接。

通过使用上述水质动态监测装置和无线网络，构建一种水质远程动态监测系统，在该系统中，现场的每个水质监测装置都可以作为无线网络的一个节点，利用WiFi无线技术构建无线局域网，再通过局域网内某个节点的水质监测装置内的CDMA模块接入城市蜂窝无线CDMA网络连接到因特网上。只要CDMA模块能够接入因特网，就能与远程的服务器建立基于虚拟专用网VPN通道，从而实现现场的水质动态监测装置与本地或异地的远程服务器之间TCP/IP的远程无线通信。

下面结合图2来说明本发明的水质远程动态监测系统的组建结构。在图2中，水质动态监测装置A表示为其内部不带有CDMA模块，水质动态监测装置B表示为其内部带有CDMA模块。

图2为设置在某个养殖场的水质动态监测装置B的系统结构示意图和水质远程动态监测系统的组建示意图。水质动态监测装置B由电源模块、WiFi模块、CDMA模块、PICNIC监测芯片、变送器模块和传感器模块、继电器模块和执行机构组成，图中实线代表电源连接，虚线代表以太网连接。水质动态监测装置B与图1中的水质动态监测装置A的不同之处在于增加了CDMA模块，该CDMA模块用于与本地或异地的VPN路由器建立基于IPsec的VPN连接，其他模块的功能与图1中的水质动态监测装置A相同。设置在本地或异地的信息服务器可以通过现场装置的CDMA模块和VPN路由器的VPN通道成为该水质远程监测网络的一个节点，对现场设备的水质信息进行实时动态、远程无线化访问。

作为一个实施例，水质动态监测装置A设置在养殖槽的出水口，水质动态监测装置B设置在养殖槽的入水口，装置A和装置B之间通过WiFi通信建立无线局域网，设置在某地(如北京)的VPN路由器与装置B的CDMA模块建立VPN连接后，设置在北京的信息服务器就可以作为虚拟局域网中的一个节点对装置A和装置B的水质信息进行实时动态与远程无线存取，信息服务器利用专用的JAVAAGENT程序实现该水质远程动态监测系统内的实时动态数据的自动获取和远程无线化安全传输。

利用水质动态监测装置A和装置B作为现场水质监测装置可以在不同区域或不同养殖场之间建立大规模、分布式的水质远程动态监测网络，如图3所示。每个区域或养殖场的水质监测网络的组建方式可以是星型的，亦可是树型的，每个现场水质监测装置都是该无线传感器网络的一个节点。不同区域或养殖场之间也可作为无线传感器网络的一个节点来为与异地的VPN路由器和信息服务器之间建立VPN连接。利用上述拓扑结构组网就可以建立县、市、省、国家级水质监测网络，从而实现网络化、智能化水质监测。

本发明的水质动态监测装置采用了国产水质传感器和变送器降低生产成本，通过基于嵌入式WEB服务器的监测芯片使数据以动态网页的形式进行自动获取和网络化传输，从而实现水质多参数的实时在线动态采集。该监测芯片不带数据存储器节省了芯片资源以用于嵌入式WEB服务器，不需要固件解决了操作系统更新等传统水质自动监测装置的固件更新问题。现场的每套水质监测装置都可以作为无线传感器网络的一个节点，利用WiFi无线技术构建无线局域网，再通过CDMA模块接入城市蜂窝无线CDMA网络连接到因特网。远程信息服务器能利用各种宽带或专用网模式接入因特网，与现场的水质检测装置建立基于IPsec的虚拟专用网(Virtual Private Network，VPN)通道实基于TCP/IP协议传输的远程通信。上述这种监测装置的组网方式解决了现场布线难及监测设备的扩充等问题，较易于实现大规模、分布式、低成本化的水质远程自动监测系统的构建。利用星型或树型拓扑网络结构使得该水质远程自动监测系统适应恶劣环境的能力强、易于维护，通过无线方式连接到因特网可以实现任意地点的远程无线化数据传输。现场监测设备与远程信息服务器之间利用CDMA设备与VPN路由器之间建立的基于IPsec的VPN通道形成虚拟局域网，从而保障数据传输的高度安全性。

本发明的水质动态监测装置成本少，运行费用低，适合水产养殖的发展现状，该技术与系统的利用可以缩短养殖周期、降低生产成本、提高水产养殖的技术水平与品质控制能力，同时可以减轻工人劳动强度、扩大生产规模、提供生产管理的自动化程度，为水产养殖信息化管理提供硬件设备和技术支持，使水产养殖向数字化、信息化、智能化方向推进。

Claims (9)

1.一种用于水产养殖的水质远程动态监测系统，其特征在于，该系统包括：

多个设有无线通信模块的水质动态监测装置，分布在水质监测目标区域，通过所述无线通信模块构成局域网，用于实时动态监测水产养殖中水质参数与环境参数变化情况；

CDMA通信装置，所述水质动态监测装置通过所述CDMA通信装置与信息服务器进行无线通信；

虚拟专用网路由器，设置在本地或异地，用于在所述CDMA通信装置和所述信息服务器之间构建虚拟专用网；

信息服务器，用于实现自动获取和远程访问来自所述水质动态监测装置的实时动态数据，并可同时控制所述水质动态监测装置的监测过程。

2.如权利要求1所述的水质远程动态监测系统，其特征在于，所述多个水质动态监测装置，构成星型或树型的局域网。

3.如权利要求1所述的水质远程动态监测系统，其特征在于，所述的水质动态监测装置，包括：

传感器模块，包括多个水质参数传感器和环境参数传感器，用于采集检测目标区域内水样的水质和环境参数；

执行模块，用于对检测目标区域内的水质和环境进行水质和环境处理；

监测模块，基于WEB服务器，将传感器模块采集到的水质和环境参数转换为数字信号并以动态网页形式显示，同时根据采集到的水质和环境参数控制执行模块进行水质和环境处理；

无线通信模块，有线连接监测模块，并将所述多个水质动态监测装置通过无线连接方式构建成局域网；

电源模块，用于对水质动态监测装置的各个模块进行电源供应。

4.如权利要求1或3所述的水质远程动态监测系统，其特征在于，所述水质参数包括水温、溶解氧、酸碱度、电导率，所述环境参数包括温度、湿度、光照度、臭氧浓度。

5.如权利要求1或3所述的水质远程动态监测系统，其特征在于，所述无线通信模块为WiFi模块。

6.如权利要求3所述的水质远程动态监测系统，其特征在于，所述监测模块具有以太网接口、A/D接口和I/O接口，其中A/D接口用于将传感器模块采集的信息转变为数字信号上传到监测芯片，I/O接口用于控制执行机构，以太网接口用于连接无线通信模块。

7.如权利要求3所述的水质远程动态监测系统，其特征在于，所述的水质动态监测装置，还包括：

变送器模块，用于将传感器模块采集到的信号转变为电信号，并将所述电信号传输给监测模块；

继电器模块，用于控制执行模块在各任务处理中进行切换。

8.一种用于水产养殖的水质远程动态监测方法，其特征在于，包括下列步骤：

多个水质动态监测装置通过无线通信模块组建成局域网，其中所述的水质动态监测装置实时动态地监测水产养殖中水质参数与环境参数变化情况；

利用CDMA模块，使多个水质动态监测装置构建的局域网与虚拟专用网路由器建立虚拟专用网通道；

水质动态监测装置再通过虚拟专用网路由器连接到本地或异地的信息服务器上；

信息服务器自动获取和远程访问来自水质动态监测装置的实时动态数据，并同时控制水质动态监测装置的监测过程。

9.如权利要求8所述的水质远程动态监测方法，其特征在于，所述多个水质动态监测装置构成星型或树型的局域网。

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