CN109471445A - 一种移动式的新型养殖监测系统 - Google Patents

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CN109471445A CN201811295387.2A CN201811295387A CN109471445A CN 109471445 A CN109471445 A CN 109471445A CN 201811295387 A CN201811295387 A CN 201811295387A CN 109471445 A CN109471445 A CN 109471445A
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李德浩
祝捍皓
郑广学
朱军
肖瑞
汤云峰
陈超
赵益智
张念念
杨昕
王文杰
蒋嘉豪
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    • G05—CONTROLLING; REGULATING
    • G05D—SYSTEMS FOR CONTROLLING OR REGULATING NON-ELECTRIC VARIABLES
    • G05D1/00—Control of position, course or altitude of land, water, air, or space vehicles, e.g. automatic pilot
    • G05D1/04—Control of altitude or depth
    • G05D1/06—Rate of change of altitude or depth
    • G05D1/0692—Rate of change of altitude or depth specially adapted for under-water vehicles
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01D—MEASURING NOT SPECIALLY ADAPTED FOR A SPECIFIC VARIABLE; ARRANGEMENTS FOR MEASURING TWO OR MORE VARIABLES NOT COVERED IN A SINGLE OTHER SUBCLASS; TARIFF METERING APPARATUS; MEASURING OR TESTING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • G01D21/00—Measuring or testing not otherwise provided for
    • G01D21/02—Measuring two or more variables by means not covered by a single other subclass

Abstract

本发明公开一种移动式新型养殖监测系统，属于养殖监测技术领域，包括：物理链路感知层：用于在水域内巡游，采集水域监测数据传输至网络数据传输层；网络数据传输层：用于将采集的数据向上位机进行数据分割、传送，并存放到对应数据表内；数据分析处理应用层：用于实现数据展示、控制指令发送及监测结果与终端传送。本发明的装置可实时连续监测水域情况，监测水域内任意位置点处的情况，成本低，可操作性强，监测数据精准，智能化程度高。

Description

一种移动式的新型养殖监测系统
技术领域
本发明属于养殖监测技术领域，具体涉及一种移动式新型养殖监测系统。
背景技术
“养鱼先养水”，养殖水体是养殖鱼类赖以生存的生活环境，直接关系到鱼类的生长和发育，也决定着养殖生产的效率和产品安全。近年来，随着水产养殖规模的扩大和集约化程度的不断提高，养殖密度不断增加，养殖水域环境不断恶化，病害发生率越来越高，引发水产品质量安全问题。因此，构建高效水产养殖水质监测系统，及时掌握养殖鱼类的生长情况和生存环境情况，并在此基础上采取有效措施调控养殖水质，对于保障养殖生产安全、高效和产品质量安全具有重要意义。
目前现有对养殖水域水质监测手段主要有两类：一是现场取样，将样品带回实验室进行分析；二是在重点监测点设立监测基站。第一种情况测量结果相对准确，但费时费力，周期长并且不能实现实时连续监测，很难取得足够多的数据来建立养殖水域水质参数数据库水质数学模型进行进一步的分析；第二种情况能够实现实时连续监测，但建立基站的费用较高，损坏维修费用昂贵且需要专门的技术人员操作。基站建立之后不能移动且监测区域有限。这些特点会导致基站难以大规模投入使用。
发明内容
本发明的目的在于提供一种实时连续监测水域情况，监测水域内任意位置点的情况，成本低，可操作性强，监测数据精准，智能化程度高的移动式的新型养殖监测系统。
本发明为实现上述目的所采取的技术方案为：一种移动式新型养殖监测系统，包括：
物理链路感知层：用于在水域内巡游，采集水域监测数据传输至网络数据传输层；网络数据传输层：用于将采集的数据向上位机进行数据分割、传送，并存放到对应数据表内；
数据分析处理应用层：用于实现数据展示、控制指令发送及监测结果与终端传送。通过导航模块进行走航式测量实现对养殖水域水质参数的定点、定时监测，克服了原有常规方法监测范围小、建设费用高、不能长时间连续监测的缺点，可以实现对养殖水域低成本、大范围、周期性的动态监测，并可实现对养殖水域养殖鱼群分布位置的测量，为养殖水域生态监测和研究开辟出了新的途径。
进一步的，物理链路感知层包括传感器载体平台，传感器载体平台上分别安装有环境传感器、鱼探传感器、4G通信模块和数据采集器。采用小型双体船作为传感器载体平台，通过控制船体在监测水域内进行自由移动实现对水域内定点、定时监测，监测数据的快速传输依靠4G通信模块实现。
进一步的，环境传感器、鱼探传感器分别通过Rs232-485模块与数据采集器连接。通过Rs232-485模块保证传感器测得的信号可直接传输给网络数据传送层。
进一步的，传感器载体平台上还安装有导航模块，导航模块包括安装在传感器载体平台上的GPS模块和由伺服电机驱动的双螺旋桨。利用GPS模块、数字地图可规划出传感器载体平台在监测水域的行驶路线，通过远程无线控制技术向传感器载体平台发出控制指令，配合伺服电机驱动双螺旋桨带动传感器载体平台在监测水域内按规划的行驶路线进行自主巡游，实现对监测水域内进行定点、定时监测，相比于在监测点设立监测基站的方式来说上述设计极大的提高了监测灵活性，扩大监测范围，并且省去了建设基站的成本，降低水体监测所用成本，相比于人工取样监测，省去了人员定点取样步骤，同时可在监测水域内任意位置进行水体监测，及时将监测数据反馈，自动化、智能化程度高，在降低人员劳动量的同时扩大监测范围及保证监测数据精准传送。
进一步的，螺旋桨上的桨叶表面均设有直角三棱锥状的导流块，导流块的锥底宽H2与锥高H1比值为1:0.84-0.88，导流块锥面设有弧度依次递减的弧形导流纹。伺服电机在驱动双螺旋桨于监测水体中移动时，由于螺旋桨的高速旋转对监测水域内造成较强水流扰动，水体底部的污染物会再悬浮，养殖鱼群也会受到水流扰动快速逃离，通过在桨叶表面设置上述导流块可实现桨叶在旋转时，水流流经导流块时受导流块锥度作用并且导流纹对水流流向改变，促使水流流经桨叶形成的自由剪切层无法实现向下游延伸，导致尾流区处于剪切层之间，水流难以生成尾涡，消除了螺旋桨的高速旋转时对监测水域内造成的较强水流扰动，经过上万次科学实验数据证明当锥底宽H2与锥高H1比值为1:0.84-0.88时，螺旋桨的周围水流最稳定，解决了螺旋桨驱动的传感器载体平台经过监测水域时水体底部的污染物再悬浮影响监测数据精准性和养殖鱼群也会受到水流扰动快速逃离无法确定鱼群分布位置的问题。
进一步的，传感器载体平台上还安装有供能模块，供能模块包括太阳能板和蓄电池。利用蓄电池实现传感器载体平台上的各部件能源供应，并且利用太阳能板对蓄电池进行补充电源，实现持续供能，无需进行额外充电，采用太阳能供电节省了能源消耗，绿色环保，同时可实现传感器载体平台在监测水域内实时监测及较远航程的监测。
进一步的，网络数据传输层包括协调器、网关节点、4G通信模块和无线路由器。数据采集器采集到的数据传送至网络数据传输层，采集到数据以加密包的形式向上位机进行数据分割、传送，并通过Web Service接口，利用网关节点的负载均衡与存储管理实时存放到对应的数据表内；再由4G通信方式实现上、下位机间的通讯。
进一步的，数据分析处理应用层包括运用规范算法和NET框架设计的Web 系统平台。设计的Web系统平台可供远程用户操控，包括传送对传感器载体平台的控制指令、对来自各传感器监测的数据以图形和图表的方式展示，实现了对养殖水域监测数据的查询、控制及预警；
Web系统平台内存储有对水质评判的计算公式，具体公式如下：
Cl(i)＜C(i)≤Ch(i)；
式中，C(i)为第i次水质监测浓度值，Cl(i)为第i个水质监测项目所在类别标准的下限浓度值，Ch(i)为第i个水质监测监测项目所在类别标准的上限值浓度值，WPIl(i)为第i个水质项目所在类别标准下限浓度值所对应的指数值， WPIh(i)为第i个水质项目所在类别标准上限浓度值所对应的指数值，WPI(i)为第i个水质项目所对应的指数值。
并且根据计算结果与WIP值对应表进行判断水质类别，根据判断得到的水质类别进行预警，WIP值对应表如下表所示。
水质类别与WIP值对应表
水质类别 WIP范围
I类 WIP＜20
II类 20＜WIP≤40
III类 40＜WIP≤60
IV类 60＜WIP≤80
V类 80＜WIP≤100
劣V类 WIP＞100
进一步的，终端为电能或手机。电能或手机内移植并安装新型养殖监测系统控制软件，可实现对载体平台在养殖水域的运动、定位控制，同时也可实现对监测数据的实时查询。
与现有技术相比，本发明的有益效果为：本发明通过导航模块进行走航式测量实现对养殖水域水质参数的定点、定时监测，克服了原有常规方法监测范围小、建设费用高、不能长时间连续监测的缺点，可以实现对养殖水域低成本、大范围、周期性的动态监测，并可实现对养殖水域养殖鱼群分布位置的测量，为养殖水域生态监测和研究开辟出了新的途径。
本发明采用了上述技术方案提供的一种移动式的新型养殖监测系统，弥补了现有技术的不足，设计合理，操作方便。
附图说明
图1为本发明一种移动式的新型养殖监测系统示意图；
图2为环境传感器、鱼探传感器与数据采集器连接示意图；
图3为传感器载物平台示意图；
图4为螺旋桨桨叶结构示意图；
图5为导流块结构示意图；
图6为网路数据传送过程流程图。
附图标记说明：100.物理链路感知层；100a.传感器载体平台；100b.环境传感器；100c.鱼探传感器；100d.GPS模块；100e.Rs232-485模块；100f.数据采集器；101. 桨叶；102.导流块；102a.导流纹；200.网络数据传送层；200a.4G通信模块；300. 数据分析处理应用层。
具体实施方式
以下结合实施例和附图对本发明作进一步详细描述：
实施例1：
如图1-6所示，一种移动式新型养殖监测系统，包括：
物理链路感知层100：用于在水域内巡游，采集水域监测数据传输至网络数据传输层200；
网络数据传输层200：用于将采集的数据向上位机进行数据分割、传送，并存放到对应数据表内；
数据分析处理应用层300：用于实现数据展示、控制指令发送及监测结果与终端传送。通过导航模块进行走航式测量实现对养殖水域水质参数的定点、定时监测，克服了原有常规方法监测范围小、建设费用高、不能长时间连续监测的缺点，可以实现对养殖水域低成本、大范围、周期性的动态监测，并可实现对养殖水域养殖鱼群分布位置的测量，为养殖水域生态监测和研究开辟出了新的途径。
物理链路感知层100包括传感器载体平台100a，传感器载体平台100a上分别安装有环境传感器100b、鱼探传感器100c、4G通信模块200a和数据采集器 100f。采用小型双体船作为传感器载体平台100a，通过控制船体在监测水域内进行自由移动实现对水域内定点、定时监测，监测数据的快速传输依靠4G通信模块实现。
环境传感器100b、鱼探传感器100c分别通过Rs232-485模块100e与数据采集器100f连接。通过Rs232-485模块保证传感器测得的信号可直接传输给网络数据传送层200。
传感器载体平台100a上还安装有导航模块，导航模块包括安装在传感器载体平台100a上的GPS模块100d和由伺服电机驱动的双螺旋桨。利用GPS模块 100d、数字地图可规划出传感器载体平台100a在监测水域的行驶路线，通过远程无线控制技术向传感器载体平台100a发出控制指令，配合伺服电机驱动双螺旋桨带动传感器载体平台100a在监测水域内按规划的行驶路线进行自主巡游，实现对监测水域内进行定点、定时监测，相比于在监测点设立监测基站的方式来说上述设计极大的提高了监测灵活性，扩大监测范围，并且省去了建设基站的成本，降低水体监测所用成本，相比于人工取样监测，省去了人员定点取样步骤，同时可在监测水域内任意位置进行水体监测，及时将监测数据反馈，自动化、智能化程度高，在降低人员劳动量的同时扩大监测范围及保证监测数据精准传送。
螺旋桨上的桨叶101表面均设有直角三棱锥状的导流块102，导流块102的锥底宽H2与锥高H1比值为1:0.84-0.88，优选为1:0.85导流块102锥面设有弧度依次递减的弧形导流纹102a。伺服电机在驱动双螺旋桨于监测水体中移动时，由于螺旋桨的高速旋转对监测水域内造成较强水流扰动，水体底部的污染物会再悬浮，养殖鱼群也会受到水流扰动快速逃离，通过在桨叶101表面设置上述导流块102可实现桨叶101在旋转时，水流流经导流块102时受导流块102锥度作用并且导流纹102a对水流流向改变，促使水流流经桨叶101形成的自由剪切层无法实现向下游延伸，导致尾流区处于剪切层之间，水流难以生成尾涡，消除了螺旋桨的高速旋转时对监测水域内造成的较强水流扰动，经过上万次科学实验数据证明当锥底宽H2与锥高H1比值为1:0.84-0.88时，螺旋桨的周围水流最稳定，解决了螺旋桨驱动的传感器载体平台100a经过监测水域时水体底部的污染物再悬浮影响监测数据精准性和养殖鱼群也会受到水流扰动快速逃离无法确定鱼群分布位置的问题。
桨叶101及导流块102上均涂覆有防腐涂层，该防腐涂层由以下成分及重量份组成：丙烯酸树脂40-48份、酚醛环氧树脂36-40份、锌铬黄28-33份、辛烷磺酸钠0.7-1份、硫酸钡16-20份、滑石粉5-10份、有机硅树脂2-3份、有机硅流平剂1-2份、缩二脲40-45份、三乙二醇10-15份、丙烯酸消泡剂3-6份、二甲苯与醋酸丁酯混合物10-15份，该涂层的制备方法为，先将二甲苯与醋酸丁酯混合，混合比例2:3，投入无极变速分散机内再依次投入上述固态原料分散均匀，再用卧式砂磨机进行研磨3遍，使固体原料达到15微米以下，再依次加入有机硅流平剂、丙烯酸消泡剂高速搅拌，速度为1800r/min，时间为30min，该防腐涂层可快速涂覆并粘附在桨叶101及导流块102，粘接性高，特别是在水下依旧保持良好的粘结力，同时对海水的腐蚀抵抗效果优异，通过加入辛烷磺酸钠、锌铬黄、三乙二醇等原料进行制备的防腐涂层中的酚醛环氧树脂、丙烯酸树脂中的环氧基团可明显增多，固化交联度得到改变，各原料成分之间的致密性增强，同时在涂层表面形成一层致密层，从而提升了防腐涂层的耐污效果，防止水中污染物粘附桨叶101及导流块102上对其产生腐蚀降低其使用寿命或对水质监测数据精准性产生影响。
传感器载体平台100a上还安装有供能模块，供能模块包括太阳能板和蓄电池。利用蓄电池实现传感器载体平台100a上的各部件能源供应，并且利用太阳能板对蓄电池进行补充电源，实现持续供能，无需进行额外充电，采用太阳能供电节省了能源消耗，绿色环保，同时可实现传感器载体平台100a在监测水域内实时监测及较远航程的监测。
网络数据传输层200包括协调器、网关节点、4G通信模块200a和无线路由器。数据采集器100f采集到的数据传送至网络数据传输层200，采集到数据以加密包的形式向上位机进行数据分割、传送，并通过Web Service接口，利用网关节点的负载均衡与存储管理实时存放到对应的数据表内；再由4G通信方式实现上、下位机间的通讯。
数据分析处理应用层300包括运用规范算法和NET框架设计的Web系统平台。该Web系统为现有公知技术，本领域技术人员可从教科书或网络查询得知，例如刘琨、尉红刚发表的“一种基于.Net的Web系统框架设计思路”，又如杨叶芬、龙立功发表的“ASP.NET在Web系统开发中的分析与设计”，还可以参考王艳青、陈红发表的“基于SSM框架的智能web系统研发设计”，故如何运用规范算法和NET框架设计的Web系统平台在此不再详细描述。
设计的Web系统平台可供远程用户操控，包括传送对传感器载体平台的控制指令、对来自各传感器监测的数据以图形和图表的方式展示，实现了对养殖水域监测数据的查询、控制及预警；
Web系统平台内存储有对水质评判的计算公式，具体公式如下：
Cl(i)＜C(i)≤Ch(i)；
式中，C(i)为第i次水质监测浓度值，Cl(i)为第i个水质监测项目所在类别标准的下限浓度值，Ch(i)为第i个水质监测监测项目所在类别标准的上限值浓度值，WPIl(i)为第i个水质项目所在类别标准下限浓度值所对应的指数值，
WPIh(i)为第i个水质项目所在类别标准上限浓度值所对应的指数值，WPI(i)为第i个水质项目所对应的指数值。
并且根据计算结果与WIP值对应表进行判断水质类别，根据判断得到的水质类别进行预警，WIP值对应表如下表所示。
水质类别与WIP值对应表
水质类别 WIP范围
I类 WIP＜20
II类 20＜WIP≤40
III类 40＜WIP≤60
IV类 60＜WIP≤80
V类 80＜WIP≤100
劣V类 WIP＞100
终端为电能或手机。电能或手机内移植并安装新型养殖监测系统控制软件，可实现对载体平台在养殖水域的运动、定位控制，同时也可实现对监测数据的实时查询。
实施例2：
本发明的系统实际使用时：将小型双体船置于监测水域，即将传感器载体平台100a置于监测水域，利用GPS模块100d、数字地图规划出传感器载体平台 100a在监测水域的行驶路线，通过远程无线控制技术向传感器载体平台100a发出控制指令，配合伺服电机驱动双螺旋桨带动传感器载体平台100a在监测水域内按规划的行驶路线进行自主巡游并由环境传感器100b、鱼探传感器100c对水体进行定点、定时采集数据，通过Rs232-485模块100e将采集到的数据传送到数据采集器100f，采集到数据以加密包的形式向上位机进行数据分割、传送，并通过Web Service接口，利用网关节点的负载均衡与存储管理实时存放到对应的数据表内；再由4G通信方式实现上、下位机间的通讯。最后由Web系统平台一图表形式展示各传感器监测的数据，用户还可通过Web系统平台远程操控，例如发出对传感器载体平台的控制指令，而且Web系统平台可对采集的数据进行公式计算，根据计算结果与WIP值对应表进行判断水质类别，根据判断得到的水质类别进行预警。
用户在电能或手机内移植并安装新型养殖监测系统控制软件，可实现对载体平台在养殖水域的运动、定位控制，同时也可实现对监测数据的实时查询。
导流块102的锥底宽H2与锥高H1比值不仅限于1:0.84-0.88，还可以是1:0.84 或1:085或1:0.86或1:0.87或1:0.88。
以上实施方式仅用于说明本发明，而并非对本发明的限制，本领域的普通技术人员，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，还可以做出各种变化和变型。因此，所有等同的技术方案也属于本发明的范畴，本发明的专利保护范围应由权利要求限定。

Claims (9)

1.一种移动式新型养殖监测系统，其特征在于，包括：
物理链路感知层（100）：用于在水域内巡游，采集水域监测数据传输至网络数据传输层（200）；
网络数据传输层（200）：用于将采集的数据向上位机进行数据分割、传送，并存放到对应数据表内；
数据分析处理应用层（300）：用于实现数据展示、控制指令发送及监测结果与终端传送。
2.根据权利要求1所述的一种移动式新型养殖监测系统，其特征在于：所述的物理链路感知层（100）包括传感器载体平台（100a），所述传感器载体平台（100a）上分别安装有环境传感器（100b）、鱼探传感器（100c）、4G通信模块（200a）和数据采集器（100f）。
3.根据权利要求2所述的一种移动式新型养殖监测系统，其特征在于：所述的环境传感器（100b）、鱼探传感器（100c）分别通过Rs232-485模块（100e）与数据采集器（100f）连接。
4.根据权利要求2所述的一种移动式新型养殖监测系统，其特征在于：所述的传感器载体平台（100a）上还安装有导航模块，所述导航模块包括安装在传感器载体平台（100a）上的GPS模块（100d）和由伺服电机驱动的双螺旋桨。
5.根据权利要求4所述的一种移动式新型养殖监测系统，其特征在于：所述的螺旋桨上的桨叶（101）表面均设有直角三棱锥状的导流块（102），导流块（102）的锥底宽H2与锥高H1比值为1:0.84-0.88，导流块（102）锥面设有弧度依次递减的弧形导流纹（102a）。
6.根据权利要求2所述的一种移动式新型养殖监测系统，其特征在于：所述的传感器载体平台（100a）上还安装有供能模块，所述供能模块包括太阳能板和蓄电池。
7.根据权利要求1所述的一种移动式新型养殖监测系统，其特征在于：所述的网络数据传输层（200）包括协调器、网关节点、4G通信模块（200a）和无线路由器。
8.根据权利要求1所述的一种移动式新型养殖监测系统，其特征在于：所述的数据分析处理应用层（300）包括运用规范算法和NET框架设计的Web系统平台。
9.根据权利要求1所述的一种移动式新型养殖监测系统，其特征在于：所述的终端为电能或手机。
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CN112379071A (zh) * 2020-11-25 2021-02-19 浙江瀚陆海洋科技有限公司 水质监测传感器
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