基于物联网技术的水产养殖智能化监控技术与系统方案.docx

1、基于物联网技术的水产养殖智能化监控技术与系统方案基于物联网技术的水产养殖智能化监控技术与系统一、项目可行性报告（一）立项的背景和意义我国水产养殖业的快速发展，对繁荣农村经济，优化产业结构，提高农民 生活水平、建设和谐的社会主义新农村具有重要意义。国家中长期科学和技 术发展规划纲要（2006-2020 ）已明确将农业精准作业与信息化”和 畜禽水 产健康养殖与疫病防控”纳入优先主题，因此，建设现代化的水产养殖业、发 展农村经济和提高水产养殖业在国际市场竞争力 ，成为我国当前和今后相当一段时间内水产业发展的重要任务。结合浙江省的区位优势和 浙江海洋经济发 展示范区规划，发展现代水产养殖业，对浙江省建

2、设海洋大省和海洋强省具 有重要意义。本项目应用现代物联网技术，结合水产养殖特色，构建一套水产 养殖水质环境信息感知一无线传感网路和可视化监控一智能化终端控制和预警 预报系统，实现高效、生态、安全的现代水产养殖，对构建具有鲜明浙江特色 的现代水产养殖新格局，促进我省社会主义新农村建设具有重要推动作用 。统计显示，到2010年，我省水产养殖面积稳定在 480万亩，产量达到 190万吨，净增20万吨；产值（一产）达到350亿元，新增130亿；出口额 达到10亿美元，新增6.5亿美元。但随着我省土地资源紧缺，水产养殖池塘逐 步老化、病害多发、效益下降等突出问题，如何提高养殖产品的品质、直接增 加了渔农

3、民的经济收入，实现高效、生态、安全的现代水产养殖产业成为我省 亟待解决的重大问题。传统的粗放水产养殖方式，采用人工观察，单纯靠经验进行水产养殖的方法，很容易在养殖过程中造成调控不及时，反馈较慢，出现 浮头”和大面积死亡等惨象，造成重大的经济损失，上述方法已经不能满足现 代水产养殖精准化和智能化的发展要求。基于上述问题，本项目重点研究水产 养殖水质和环境关键因子立体分布规律和快速检测技术、水产养殖智能化和可 视化无线传感网络监控系统、开发水产养殖环境关键因子（温度、pH值、溶 解氧、氨氮、盐度和氧化还原电位等）的实时控制技术和智能化管理系统，对 提高水产养殖精准化生产和智能化监控具有重要意义 ，

4、符合我省生态、健康、循环、集约”水产养殖业发展要求，对促进我省渔业结构调整，促进社会 主义新农村建设，提高渔农民生活水平具有重要意义。（二）国内外研究现状和发展趋势1.国内外研究现状国内外在水产养殖方面，应用无线传感器网络技术已经进行了部分探索和 应用研究。Qi等（2011）利用无线传感器网络系统建立了水产养殖和销售可 追溯系统。Yoneyama等（2009）建立了罗非鱼胆固醇含量监测的无线传感器 网络系统，实现了罗非鱼胆固醇含量的在线快速监测。Zhu等（2010）建立了 集约化养鱼水质远程无线传感器网络系统，该系统可根据水质含氧量的历史数 据进行预警预报，避免经济损失。L o peZ等 （2

5、009）建立了工厂化养鱼环境 pH，NH4+和温度的无线传感网络监测系统。Han等（2009）研发了一套水分 监测及自动灌溉控制系统。陈娜娜等（2011 ）综合应用传感器技术、ZigBee 无线传感器网络技术和GPRS通信技术，设计并实现了一个无线监控系统。提出 了一种改进的无线传感器网络路由协议 ，可降低路由消耗，提高可靠性。闫敏杰等（2010 ）设计了基于无线传感器网络的鱼塘实时在线监测系统 ，该系统利用无线传感器节点测得监测区域中的温度和溶氧量，并通过Zigbee无线网络 将数据传输到终端控制系统，控制系统作出判断同时发出报警信号并控制增氧 机的工作状态。史兵等（2011）设计了一种基于

6、无线传感网络的规模化水产 养殖智能监控系统，提高了参数控制精度。李道亮和傅泽田设计了一种智能化 水产养殖信息系统。马从国等（2007）研发了一套基于现场总线技术的水产 养殖过程智能监控系统。李季冬和沈守平（1999）进行了水产育苗温室监控 系统与计算机连接分析。祁昕等（2001）研发了水产养殖业用溶解氧检测 仪。马祖长和孙怡宁（2003）研发了温湿度检测的无线传感器网络 。裘正军等（2007）开展了基于模糊控制与虚拟仪器的灌溉决策系统研究 。方旭杰等（2009）研制了基于ZigBee技术的无线智能灌溉系统。史兵等（2011）研发 了一种基于无线传感网和可溯源技术相结合的智能系统在工厂化水产养殖

7、中的 应用方案。系统利用无线射频识别技术（RFID实现了可溯源功能，利用无线传感 网技术实现了数据的采集与传输，利用计算机技术实现了对数据的处理分析，并 得到控制信号。通过试验，溶解氧、温度、酸碱度（pH）等水环境因子参数控制 范围达到了设计要求，可溯源信息写入与读取正确，能够满足工厂化水产养殖智 能化的需要。可敬等（2007）研制了一套将单片机、无线RF和GSM技术相结 合的水产养殖环境因子无线监控系统，此系统能够在线检测溶解氧浓度、温度 等主要环境参数，并能根据环境情况实施对增氧机的控制，业主可远程监控或 者通过手机得到水质状况报告 。顾群和陆春华（2004）进行了计算机远程监控系统在水产

8、养殖中的应用研究 。刘星桥等（2003）开展了水产养殖多环境 因子控制系统的研究。刘星桥等（2006）研发了水产工厂化养殖智能监控系 统。杨世凤等（2010）研制了一套通过无线以太网（WIFI）连接，LabVIEW程 序控制，并通过GSM网络使用户远程监控池塘溶解氧的溶解氧无线监测与控 制系统。该系统能够在线检测溶解氧、温度等主要环境参数，并根据环境情况 实施对增氧机的控制，业主可远程电脑监控或者通过手机远程监测鱼塘水质状 况，并发送增氧命令，进行远程手动启停增氧机。在溶解氧超标时，系统可以 自动启停增氧机，并向用户发送报告。上述应用大都是集中于水产养殖单个指标控制、无线传感器网络信息采集 等

9、研究和应用，缺乏系统性和整体性，而且研发的监测系统和控制系统的精准 化和智能化程度较低，缺乏系统协同作业能力，推广应用性较差。2.发展趋势现代水产养殖业的发展向着规模化、高度集约化、高效生态安全的方向发 展，传统的养殖模式已无法满足现代水产养殖业的发展要求 ，因此结合现代物联网技术，研究水产养殖水质和环境关键因子立体分布规律和快速检测技术 、水产养殖智能化和可视化无线传感网络监控系统、开发水产养殖环境关键因子 （温度、pH值、溶解氧、氨氮、盐度和氧化还原电位等）的实时控制技术和 智能化管理系统，实现水产养殖业的智能化监控，对发展高效、生态、安全的 现代水产养殖业，构建具有鲜明浙江特色的现代水产

10、养殖新格局 ，促进我省社会主义新农村建设具有重要推动作用。参考文献Han, Y.J., Khalilia n. A., Owi no, T.O., Faraha ni, H.J. & Moore, S. Developme nt of Clems onvariable-rate lateral irrigati on system. Computers and Electr on ics in Agriculture,2009, 68(1), 108-113.L o pez M., Mart i nez S., G o mez J.M.,et al. Wireless monitoring o

11、f the pH, NH4+ andtemperature in a fish farm. Procedia Chemistry, 2009, 1(1): 445-448.Qi L., Zhang j., Xu M., et al. Develop ing WSN-based traceability system for recirculati onaquaculture. Mathematical and Computer Modelling, 2011,53(11-12): 2162-2172.Yon eyama Y., Yon emori Y., Murata M., et al. W

12、ireless biose nsor system for real-timecholesterol monitoring in fish “ Nile tilapia ” . Ta9h5a , 2009, 80(2): 909Zhu X., Li D., H D., et al. A remote wireless system for water quality on li ne mon itori ngin intensive fish culture. Computers and Electronics in Agriculture, 2010, 71: S3-S9.陈娜娜，周益明，徐

13、海圣，等.基于ZigBee与GPRS的水产养殖环境无线监控系统的设计 .传感器与为系统，2011, 30(3): 108-110.方旭杰，周益明，程文亮，等.基于ZigBee技术的无线智能灌溉系统的研制 .农机化研究，2009(1) : 114 118.顾群，陆春华计算机远程监控系统在水产养殖中的应用 仪表技术与传感器 ，2004(10): 38 40.可敬,杨世凤，侯海岭.水产养殖环境的无线监控系统 .天津科技大学学报，2007, 22(4):56-59.李道亮，傅泽田。智能化水产养殖信息系统的设计与初步实现 .农业工程学报，2000,16(4): 135 138.李季冬，沈守平.水产育苗温

14、室监控系统与计算机连接的分析 .上海水产大学学报，1999(9):221 225.刘星桥，孙玉坤，赵德安水产工厂化养殖智能监控系统 仪器仪表学报，2006, 27(5): 527 530.刘星桥，赵德安，全力，等.水产养殖多环境因子控制系统的研究 农业工程学报，2003,19 (3): 205 208.马从国，赵德安，秦云，等.基于现场总线技术的水产养殖过程智能监控系统 .农业机械学报,2007, 38(8) : 113 115.马祖长，孙怡宁.研发了温湿度检测的无线传感器网络 .传感器技术，2003，22(12) : 57 59.祁昕，陈海东，刘烨.水产养殖业用溶解氧检测仪 .传感器技术，2

15、001(11) : 55 56.裘正军，童晓星，沈杰辉，等.基于模糊控制与虚拟仪器的灌溉决策系统研究 .农业工程学报.2007, 23(8) : 165 169.史兵，赵德，刘星桥，等.基于无线传感网络的规模化水产养殖智能监控系统 .农业工程学报，2011,27(9): 136-140.史兵，赵德安，刘星桥，等.可溯源与无线传感网技术在工厂化水产养殖中的应用研究 .渔业现代化,2011,38(1): 24-28.闫敏杰，夏宁，侯春生，等.基于无线传感器网络的鱼塘监控系统 中国农学通报，2010,26(16): 388-392.杨世凤，齐嘉琳，李洋，等.鱼塘溶解氧无线监测与控制系统研究 .渔业现

16、代化,2010, 37(6):11-14.(3)项目主要研究开发内容、技术关键及主要创新点1.研究开发内容(1 )研究水产养殖水质和环境关键因子立体分布规律和快速检测技术通过立体网格化方法测试水体在典型状态下单点 、面、层多方位监测的水质情况，用统计分析方法研究养殖水体综合水质指数变化梯度和分布规律 ，建立综合水质指数三维立体分布图，并优化选取具有代表性的养殖水体总体状况的监 测点。研究水产养殖环境关键因子（温度、pH值、溶解氧、氨氮、盐度和氧 化还原电位等）快速检测技术，构建关键因子数字化检测模型，开发环境关键 因子的动态实时监测设备。（2） 研究水产养殖智能化和可视化无线传感网络监控系统

17、。系统分析ZigBee、CAN总线技术的分布式网络化技术，研究无线传感器网络的节点定 位、应用模式、组织方式、优化布局方案、自组网和深度路由协议、低功耗节 能方式等技术，开发水产养殖水质信息和环境关键因子 （温度、pH值、溶解氧、氨氮、盐度和氧化还原电位等）信息的自供电、自组织无线传感网络系 统。开发基于视频技术的水产养殖水质和环境关键因子的可视化监控技术和设 备，实现水产养殖远程可视化监控。研究水产养殖环境关键因子的预警预报技 术，开发智能化监测的预警预报系统。（3） 研究开发水产养殖环境关键因子 （温度、pH值、溶解氧、氨氮、盐 度和氧化还原电位等）的实时控制技术和智能化管理系统。研究水产

18、养殖的增 氧机、抽水泵、取样电磁阀等控制终端的精准控制技术和系统，实现水产养殖 的智能化和精准化控制和作业。2.技术关键（1）水产养殖水质信息和环境关键因子信息快速获取技术 ，构建水质信息三维立体图，实现水产养殖环境关键因子的动态实时监测；（2） 基于无线传感网络的水产养殖智能化、可视化监控技术和预警预报 技术，实现水质信息和环境关键因子信息的远程无线传输、可视化监控和预警 预报；（3） 开发水产养殖环境关键因子的精准控制技术和智能化管理系统 ，基 于无线传感器网络系统，对增氧机、抽水泵、取样电磁阀等终端进行智能化精 准控制和作业。3.创新点（1） 水产养殖水质信息和环境关键因子信息的动态监测

19、技术和设备 。通 过对水质信息单点、面、层多方位监测，建立水质信息三维立体图。研发环境 关键因子（温度、pH值、溶解氧、氨氮、盐度和氧化还原电位等）动态监测 技术和小型、低功耗、可无线传输的仪器，实现水产养殖信息的动态实时监 测。（2） 水产养殖远程可视化监控和预警预报无线传感器网络系统 。确定适 于不同规模水产养殖的网络应用模式、组织方式、布局方案、自组网和深度路 由协议，建立水产养殖可视化监控技术、设备和预警预报系统，实现远程可视 化监控和预警预报。（3） 开发水产养殖环境关键因子的精准控制技术和智能化管理系统 ，基 于无线传感器网络系统，实现对水产养殖环境关键因子的 24小时实时动态监

20、控，对增氧机、抽水泵、取样电磁阀等终端的全天候智能化控制作业 。（四）项目预期目标（主要技术经济指标、社会效益、技术应用和产业化前景以及获取自主知识产权的情况）1.技术经济指标通过项目实施，可减少水产养殖过程中人力、物力投入，通过信息监控系 统和增氧机、抽水泵、取样电磁阀等终端控制系统，结合预警预报系统，可极 大避免了因人为管理不当造成的经济损失，从而实现了水产养殖的智能化控制 和管理，综合减少成本20%以上，具有良好的经济效益。2.社会效益本项目的实施，实现了水产养殖水质信息和环境关键因子信息的智能化监控、信息的远程无线传输、可视化监控、预警预报和增氧机等终端的智能控 制，是水产养殖规模化、

21、集约化、产业化经营发展道路，对扩大养殖规模，实 现智能化过程监控和行业技术跨越具有促进作用 ，对发展浙江海洋经济，改造传统农业，改变农业增长方式，增加农民收入，发展高产、优质、高效、生 态、安全的现代农业和农业的可持续发展具有重要意义 。同时，项目的实施，提高了农民的现代科技意识和技术应用水平，具有良好的社会效益。3.技术应用和产业化前景水产养殖作为浙江省海洋经济和海洋产业发展的重要组成部分 ，项目研发 的关键技术和设备可广泛应用于水产品的规模化生产 ，减低人力、物力投入， 极力避免人为管理不当造成的经济损失，具有显著的经济效益，在浙江省海洋 经济和海洋产业的飞速发展中具有广阔的应用前景 。4

22、.获取资助知识产权情况(1) 突破水产养殖水质信息综合感知关键技术 1项；(2) 开发水产养殖信息无线传感器网络和终端智能控制系统 1套;(3) 申请国家发明专利2-3项，实用新型专利2-3项；(4)发表高水平SCI/EI论文3-5篇。(5)项目实施方案、技术路线、组织方式与课题分解1.实施方案项目以水产养殖水质和环境信息感知一信息无线传输一智能化控制系统和 设备为主线，重点突破水产养殖水质三维立体分布规律和环境关键因子的动态 监测技术和设备，信息远程无线传感网络系统、可视化监控系统和预警预报系 统，智能化增氧机、抽水机等终端控制系统，实现水产养殖的智能化和可视化 监控，节约劳动生产成本，促进

23、农民增收，对促进浙江省海洋经济和海洋产业 的飞速发展具有重要意义。根据项目研发核心和重点，具体实施方案如下。(1) 水产养殖水质信息和环境关键因子信息的动态监测技术和设备 。用网格化方法测试水体在典型状态下各个断面和各个层面的水质情况 ，对单因子水质指标进行合成，用统计分析方法研究养殖水体综合水质指数变化梯度和分 布规律，建立综合水质指数三维分布图，并优化分析从中选取可以代表养殖水 体总体状况的监测点。研究水产养殖环境关键因子 (温度、pH值、溶解氧、 氨氮、盐度和氧化还原电位等)快速检测技术，构建关键因子数字化检测模 型，开发环境关键因子的动态实时监测设备。(2) 研究基于无线传感网络的水产

24、养殖智能化、可视化监控技术和预警 预报系统。研究无线传感器网络的节点定技术，从而优化信息采集节点的布. 学习参考 .局，在全面采集信息的同时，降低成本。根据实际应用，选择合适的应用模 式，包括自组织无线传感器网络系统 （WSN）模式、GSM信息传输模式、WSN和In ternet结合模式、WSN和作业控制终端模式等。根据节点数量，选 择星型或网状等组网方式，确定自组网和深度路由协议、低功耗节能方式等技 术。研究视频数据解析、图像解码、在线显示和识别方法，开发基于无线视频 技术的水产养殖信息可视化监控技术和设备，实现水产养殖远程可视化监控。 研究水产养殖环境关键因子的预警预报方法 ，建立智能化的

25、环境关键因子预警 预报技术体系和预警预报系统。（3）开发水产养殖环境关键因子的精准控制技术和智能化管理系统 。基 于无线传感器网络系统获取的水质信息和环境关键因子信息，通过专家系统进 行综合评价和分析，结合预警预报系统，实现对水产养殖环境因子的 24小时 动态监控和预警，通过控制系统，根据精准养殖需要，自动启闭增氧机、抽水 泵、取样电磁阀等终端设备，实现终端的全天候智能化控制，大大节约人力成 本，提高监控的精准化和智能化水平，满足现代水产养殖高效、安全、生态的 发展要求。2.技术路线3.组织方式与课题分解通过对项目团队成员专业方向的交叉和资源优化整合 ，建立项目实施的分 工与合作机制，保证项目

26、技术研究和设备系统开发协同前进，确保项目的顺利 实施。在项目的实施过程中，通过目标分解，保证项目阶段性目标的完成，同 时对后续任务进行合理布局，实现项目总体的衔接。充分发挥每个项目成员的 优势和积极性，发挥团队的集体优势，保证项目的顺利完成。以课题负责人为组织者和协调人，经过充分协商和论证之后，针对项目研 究内容和目标，明确任务分工，将课题分解为三个任务小组，分别为水产养殖 水质和环境信息感知技术和设备小组，无线传感器网络和可视化监控系统小 组、水产养殖终端控制和预警预报系统小组。各小组在确保核心研究内容完成 的基础上，与其他小组进行合理衔接，使目标任务组成有机整体，完成水产养 殖智能化监控技

27、术与装备的研发。对扩大养殖规模，实现智能化过程监控和行 业技术跨越具有促进作用，对发展浙江海洋经济，改造传统农业，改变农业增 长方式，提高了农民的现代科技意识和技术应用水平 ，具有良好的社会效益,在浙江省海洋经济和海洋产业的飞速发展中具有广阔的应用前景 。（六）计划进度安排2012.01-2012.06进一步收集资料、查阅文献，调研，优化项目实施方案。研究用网格化方 法测试水体在典型状态下各个断面和各个层面的水质情况；研究水产养殖环境 关键因子（温度、pH值、溶解氧、氨氮、盐度和氧化还原电位等）快速检测 技术。初步进行水产养殖无线传感器网络的布局设计 、节点组织方式等。论文 撰写和专利申请。2

28、012.07-2012.12开发水产养殖环境关键因子（温度、pH值、溶解氧、氨氮、盐度和氧化 还原电位等）快速检测仪器和设备；研究水产养殖水质信息和环境信息预警预 报技术；建立水产养殖无线传感器网络的总体布局；开发终端控制软件系统。 论文撰写和专利申请。2013.01-2013.06开发水产养殖水质和环境因子信息可视化监控技术；开发基于无线传感器 网络的远程可视化监控软件系统；开发水产养殖预警预报系统。研发水产养殖 增氧机、抽水机等终端的智能控制系统。论文撰写和专利申请。2013.07-2013.12综合优化水产养殖水质信息和环境关键因子信息监控技术和装备 、无线传感器网络系统、可视化监控设备

29、和预警预报系统，实现水产养殖的智能化和可 视化监控。进行项目的应用示范、周边辐射和综合效益评价。论文撰写和专利 申请；项目总结、鉴定。（七）现有工作基础和条件1.工作基础项目申请团队依托所在单位重点建设的 985工程”农业生物与环境科技创新平台、数字农业与农村信息化研究中心和农业机械化工程国家重点学科 。项目申请团队依托的研究中心主持了多项数字农业和农业物联网技术相关的国家 十一五、十二五科技支撑计划项目和 863计划项目，还主持了多余项农业物联 网技术、无线传感器网络技术研究相关的国家自然基金项目 、省基金重点项目、省重大攻关项目等省部级重点科研项目，研发了多个拥有自主知识产权的 农业物联网

30、感知与智能监控系统，发表论文380余篇，SCI收录130余篇、EI 核心库收录200余篇。出版著作和教材10多本，主编国家十五、十一五规划 教材各1本。获专利24项、软件著作权12项，获国家星火奖三等奖1项，浙 江省科技进步一等奖1项、二等奖8项、三等奖4项、国家教学成果一等奖1 项、省教学成果奖一等奖1项、二等奖2项。为本项目顺利开展和示范应用提 供了良好的硬件和软件支撑。依托所在单位强大的工科和农科优势，在农业物 联网的传感仪器、无线传感器网络及农业物联网的应用方面均取得了较多的成 果，并已经将农业物联网技术在农村推广和应用 。项目申请团队长期从事农业信息实时采集检测技术和仪器、无线传感器

31、网 络系统和智能化终端控制技术和装备等方面的研究，曾连续多次获得国家级有 关信息采集、无线传输与智能控制领域的项目资助，在农业物联网技术与装备研发，信息感知技术、远程无线网络控制技术和预警预报技术等方面具有丰富 的知识和经验，承担了多项农业信息快速感知与智能控制物联网装备与系统研 发的重大课题和关键技术研究，奠定了本项目的实施的技术基础。获得了农 业生命信息感知技术与装备” 863计划，编号：2011AA100705），数字农业信息快速获取技术和产品的开发与应用 ”农业科技成果转化基金项目，编号：2009GB23600517）等多项研究项目，在相关研究领域取得了丰硕的研究 成果，可保证项目的顺

32、利实施。项目申请团队将充分利用多学科交叉的优势 ，汇集了水产养殖、生物系统工程、计算机技术、自动化控制等方面的优秀人才，具备本项目所需的研究知 识和技术支撑条件，在已具备与本课题密切相关的大量研究积累的基础上，确 保项目的顺利完成。近几年发表与本项目相关的部分专利、论文如下：1一种无线传感器网络多点准确定位与跟踪方法发明专利，专利号：ZL200910095320.92用光谱技术测定富营养化水体特征参量的方法 .发明专利，专利号：200810059485.63果园生态环境无线传感器网络监测系统 .发明专利，专利号：200810121610.14基于多光谱图像处理的水稻稻叶瘟病检测分级方法 .发明专利，ZL200910097341.4 一种水稻冠层叶瘟病快速诊断系统与方法 发明专利，ZL200910154289.1 一种植物营养含量检