一种应用于海洋物联网技术教学的鲍鱼养殖系统的设计

邢博闻，张梦佳，刘雨青

（上海海洋大学工程学院，上海市 201306）

鲍鱼作为一种商品化高端水产品，目前常规的鲍鱼养殖方法可分为工厂化养殖、挖渠养殖及海水养殖3种，其中海水养殖因其铺设范围广、鲍鱼成活率高等优势被广泛应用在我国沿海水域。因其成长状况受到海域气象、水质等因素的影响与制约，使得鲍鱼养殖过程需要进行持续而有效的实时监管，然而当前的相关检测活动均是由专人定期驾船到指定区域进行水样测试进行，其过程中需消耗大量的人力、物力成本，且效能较低，实时性与及时性均难以满足优质鲍鱼生产的需求。与此同时，鉴于鲍鱼的经济价值与海水养殖装置的离岸性，鲍鱼被盗窃行为时有发生，对养殖户造成了一定程度的经济损失。为此，如何设计实现一款能有效对鲍鱼养殖环境进行有效监测，并对海水养殖装置提供有效安全防盗监控的智能化远程终端，成为新型、商品化鲍鱼养殖过程中亟待解决的问题。

针对鲍鱼养殖过程中实时养殖环境监测缺失、防盗措施匮乏等问题，提出了一种依托海水养殖浮力装置的智能化远程终端装置，并根据构成养殖网格的各终端装置间的相互配合实现有效的人员监测。

1 系统架构

新型鲍鱼养殖系统对构成传统鲍鱼海水养殖网格的浮力装置进行电子信息化改造升级，实现对养殖区域的环境信息监控及作业人员监测；通过太阳能板对浮力装置所搭载的电子设备进行供电；通过WIFI模块实现一定海域内所有浮力装置的数据通信；通过激光雷达、热红外传感器、红外对管及摄像装置实现对养殖网格上的作业人员检测；通过4G网络实现浮力装置上搭载的各类传感器信息的远程传输；通过远距离视频传输模块实现对浮力装置上搭载的摄像装置所采集到的图像信息进行远距离传输；通过搭载的声光报警装置对于非工作时间处在养殖网格上的人员进行报警，并通过4G网络向远程终端及基站发布报警信息，及拍摄到的人员影像。

2 系统构成

2.1 浮力装置

具有水质监测及视频监控功能的鲍鱼养殖用浮力装置结构如图1所示，其中浮力装置F1所示为主体，浮力装置F2、F3及F4为常规的网格养殖浮力装置，通过对多个常规网格养殖浮力装置与多个装置进行有效连接，即可构成区域化的鲍鱼海水养殖平台（亦称作鱼排）。S1、S2、S3及S4组成水下传感器组，其包含温度传感器、氨氮传感器、盐度传感器及pH传感器；S5为气象信息采集模块，用以探测鲍鱼养殖环境的温度、风速、风向信息。T1为WIFI模块，用以连接区域内所有WIFI模块并进行有效的数据传输。T2为视频传输模块，用以传输摄像装置采集到的影像信息。T3为4G模块用以周期性的传输各传感器采集到的数据信息，并传输非作业时间位于养殖平台上的异常人员。T4是北斗模块，用以确定当前养殖平台的位置信息，并在4G模块信号接收故障情况下，向远程终端发布各传感器采集到的数据信息，及异常人员报警信息。P1、P2为太阳能板，用以为浮力装置上的电子设备进行有效供电。需要说明的是，通过有效计算评估装置能耗。I1、I2为两组红外对管。单一浮力装置上的红外对管共有4组，以夹角分列在同一水平面内，当有人员途径红外发射线路时，信号被反射入接收端，进而实现人员感知。S6为热红外传感器，用以感知一定范围内的人员活动情况。C2为声光报警装置，当系统在非授权时段检测到海水养殖平台存在作业人员时，发布警告。C1为内置有水平转动云台的摄像装置，用以拍摄影像资料。L1为激光雷达模块，用以探测平面内的空间信息，亦可实现对一定范围内人员走动的判定。

图1 具有水质监测及视频监控功能的鲍鱼养殖用浮力装置结构框图

2.2 工作结构

鲍鱼养殖用浮力装置所组成的平台系统的工作结构如图2所示，需要说明的是针对鲍鱼养殖平台的不同位置及其功能需求，装置上搭载的传感器、数据传输模块及太阳能板等在实际搭载过程中存在一定的删减。各种电气组建均搭载在装置的边侧，不会影响到作业人员的鲍鱼养殖及正常行走。其中B1、B2、B3为鲍鱼养殖网箱，各浮力装置组成网格，并最终构成养殖平台。图2中浮力装置Pn1、Pn2、Pn3、Pn4及Pn5为具有水质监测及视频监控功能的鲍鱼养殖用浮力装置，其因位置不同组件有所删减，需要说明的是对于编号为PnX（X为装置ID）的浮力装置，其拍摄云台旋转角度表示为gX、拍摄延伸拓展平面表示为aX、热成像传感器探测平面表示为bX、激光雷达探测平面表示为dX;对于红外对管IXn(X为装置ID,n为红外对管ID)，其信号发射路径用LSXn表示，接收信号路径用LDXn表示。

Pn1搭载有①WIFI模块T13，②声光报警装置C12，③摄像装置C11，④热红外传感器S16，其热成像探测平面用b1表示；

Pn2搭载有①水下传感器组包含温度传感器（S21）、氨氮传感器（S22）、盐度传感器（S23）及 PH传感器S24，②WIFI模块T23，③声光报警装置C22，④摄像装置C21，⑤热红外传感器S26；

Pn3搭载有①WIFI模块T33，②声光报警装置C32，③热红外传感器S36，④摄像装置C31，⑤红外对管I31，⑥红外对管I32、I31；

Pn4搭载有①水下传感器组包含温度传感器（S41）、氨氮传感器（S42）、盐度传感器（S43）及 PH传感器 S44，②WIFI模块 T43，③激光雷达（L41）。

设备拥有四种同时运行的防盗检测方案，即红外对管、热红外及激光雷达检测及基于摄像影像分析的移动对象（人员）图像识别。通过合理搭载、选取上述电子设备，当有人员（或禽类）到达养殖平台（简化为垂面fm）时，若fm与bX或dX相切，则与之对应的热红外传感器或激光雷达即可探测该对象；若fm位于红外对管IXn的探测范围内，发送信号LSXn被反射生成信号LDXn，并被红外对管接收端接收，从而完成对对象的探测；若fm处于摄像装置拍摄拓展平面aX内，通过模式识别策略，该对象亦可被有效识别。

对于平台内各WIFI模块，系统将进行有效组网，并将处所搭载传感器的数据信息汇总至载有4G模块的浮力装置上，并进行统一存储与远程传输，当4G网络信号缺失时，上述信息将传输至载有北斗数据传输模块的浮力装置上；对于平台内各摄像装置所采集到的视频图像信息，系统将通过WIFI网络将其数据流传输至搭载有视频传输模块的浮力装置上。

设备中设置远程数据传输功能模块（视频传输模块、4G模块及北斗模块）的浮力装置被标注为浮力装置浮力装置主体，不具备的被标注为浮力装置浮力装置从体。以图2为例，Pn0为浮力装置浮力装置主体，Pn1、Pn2、Pn3及Pn4均为浮力装置浮力装置从体。

图2 鲍鱼养殖用浮力装置所组系统工作结构图

3 结论

该文涉及的有水质监测及视频监控功能的鲍鱼养殖用浮力装置，这种方式可以减少人力资源的损耗，同时实现了智能化养殖，采用太阳能供电模式更好的做到了节能减排。通过养殖装置上安装的智能化设备，实现对养殖现场的实时监控，一旦出现问题及时报警，控制中心可以及时发现问题并做好相应处理措施。相对于传统的养殖方式，此种养殖方式可以在较少劳动力的情况下实现最优智能控制。