基于物联网技术的水产养殖机器人开发与应用

2021-11-22汪兆栋

无线互联科技 2021年17期

汪兆栋

（景德镇学院机械电子工程学院，江西景德镇 333000）

0 引言

水产养殖主要包括在海水和淡水环境下饲养、繁殖及获取动植物。我国水产养殖业发展速度较快，当前面临的竞争环境越来越激烈，需要掌握准确可靠的养殖数据，采取科学的养殖方法，提升水产品的品质。水产养殖环境有多样性和多边形的特点，借助物联网技术、数据采集技术获取数据信息，并通过云分析软件进行智能化处理，能提升运营效率。

1 水产养殖机器人物联网平台开发的必要性

1.1 传统水产养殖存在不足

水产养殖中，要全面掌握养殖环境等数据信息，需要信息化技术的支持。传统的水产养殖多是采用粗放式的养殖方式，难以适应新时期的发展。首先，人工作业占比多，一些规模较小的养殖，可以进行人工操作，而对一些面积较大的如湖泊、海洋养殖，如果依靠船舶机器人工实地测量，获取数据信息，增加了养殖难度。其次，监测作业中，人工监测不能做到实时动态化，同时人为监测过多，监测数据质量控制难度大，存在数据误差，影响数据的准确性[1]。最后，采用人工方式获取数据信息，这些数据相对散乱，还需要人工整理分析，效率低下。此外，传统水产品养殖管理工作多是用眼睛观察来判断清洁度等，采用人工投喂方式，在水产品分类工作中也是依靠经验判断，具有主观性。

1.2 水产养殖机器人的设计目标

智能水产养殖机器人的设计，主要是对水产品养殖环境、周边环境温度等进行监测，实现日常喂养的自动化管理等。利用物联网机器人技术，对水产品养殖与育苗进行监控，形成具有良好规模效应的良种体系[2]。通过系统设计研发和应用，在水产品育苗过程中实现对水环境中浮游生物的实时监测，对水质状况进行分析并调节，做好水产品养殖中的病虫害防治工作，还要积极构建水面围网监控云平台。

2 水产养殖机器人的设计实现

2.1 系统构成

数字化发展时代，新的技术如大数据技术、云计算技术、人工智能技术等都得到了一定程度的应用，为水产养殖的智能化和自动化提供了技术条件。我国智能水产养殖机器人技术仍处于研究阶段，单项技术还需要完善，不同技术之间的衔接和利用还存在一些问题。物联网技术的融入，在提升水产品的品质和质量方面有积极意义。数据分析中，根据机器人分布的地点，数据具有分散性，系统的时效性较强，采用集散控制系统对养殖机器人进行管理控制，从而增强整个平台的实用性，确保养殖企业获取更好的效益。

为实现节能发展的目标，在水产养殖机器人的供电系统设计中，利用太阳能储存能量为单片机系统供电，白天太阳能板给蓄电池储存电能，夜间蓄电池可以给机器人供电，不需要外部电源的连接，可直接实现供电[3]。

整个控制平台包括硬件和软件两部分。硬件部分中，其一是传感器模块，主要是采用溶氧量传感器，温度、pH值、氨氮传感器等，对水产养殖环境的温度、pH值和氨氮等因素进行自动监测，获取对应的数据信息。其二是GPRS模块。智能水产养殖机器人中，借助GPS定位，并运用GSM系统实现平台与服务器端通信。操作中运用标的AT指令，模块能收发短信和GPRS数据信息。其三是单片机控制模块，采用高性能低能耗的8位微控制器，其中包括电源、振荡电路等元器件，这是整个系统的主要控制核心。软件系统主要包括数据接口程序、数据库、云服务平台及控制设备等。

2.2 关键技术分析

水产养殖机器人硬件部分主要包括GSM短信模块、单片机和传感器等；软件部分包括数据通信程序、数据库接口及智能终端系统。

2.2.1 GMS短信模块

将GMS手机短信与计算机终端数据有效结合，设计中主要采用STC89C52单机片及GSM系统模块。在系统运行中，TC35通信模块电路由IGT启动电流、知识等点库及SIM卡组成，单片机和TC35通信模块接受AT指令，进行呼叫和数据业务的处理控制，AT指令包括了安全性、控制及网络业务等命令。

2.2.2 数据通信

通过服务器终端IP地址和端口的设置，并安装JDK运行环境，服务器终端设置数据接口，接受GSM信息数据，并对数据处理后发送到GSM模块。

2.2.3 数据库接口

通信程序收到数据信息之后，将接收的数据传输到数据库中，并编写通用的MySQL数据库，实现数据库数据读写操作。

2.3 优势分析

基于物联网的水产养殖机器人平台设计，发挥物联网无线传感器技术、射频识别技术等优势，能实现自动化的监控管理。在应用中，通过“平台＋智能传感器＋控制器”的模式，能节省人力操作的时间和精力，在水产品质量、疾病防控等方面有重要价值，进行长期的动态化监控作业，对调节水质、增加养殖产量等有重要作用。

2.3.1 安全稳定性强

水产养殖机器人物联网平台借助计算机信息处理技术等，在数据传输中采用数据加密的方式，能避免数据被窃取。同时，硬件设计、服务器、数据库结构等，可以通过计算机与手机设备连接，实现24小时实时在线；当监控中数据发生异常，GPRS技术与故障报警系统能自动发出报警信号，平台将报警信息及时发送到管理人员的手机上。此外，用户通过电脑、手机App实行远程监控，操作方便，且实时性比较强，能同时接收和处理多个监测点的数据，更好地满足系统数据采集及传输的要求。

2.3.2 成本较低

借助GPRS公网平台，系统运行中不需要重新建设网络和搭建服务器，也不需要专业的工程师编程，设备安装好后对平台系统进行简单的设置就可运行，因此建设成本相对较低。同时，系统设计中预留了接口，能根据设计需求增加和减少硬件软件设备，系统只需要改动就可以完成，提升了系统的效率，且灵活性较强。

3 系统平台的具体应用

3.1 对水产养殖环境的监控

在物联网水产养殖系统中，通过不同的水环境指标传感器对环境进行监测，如水温传感器测试水的温度、pH传感器监测水的pH值，含氧量传感器对水域环境的含氧量进行监测等。根据不同养殖物的生活特性，提前设定好合适的标准，如果传感器监测环境的相关指标超出正常指标范围，系统会发出警报，并通知子系统对相应的水环境指标进行调整。如水含氧量较少时，平台会给增氧机发送信息，系统进行智能化增氧操作，如果水位相对较高，系统则会自动打开出水口，对水位进行智能化调节。

3.2 对动植物状况进行监控

物联网平台与射频识别技术等结合，对不同的水产动植物赋予其可识别的身份，且可以借助医疗检测设备对水产动物的生命体征进行定期监测。如借助导引设备，确保水产物能定期经过医疗监测设备；通过识别水产动物的标签，对其生命特征的参数进行监测，并将监测数据传送给云平台，将收到的数据与原有的水产动植物的数据信息进行比对分析，判断其生产情况。

3.3 自动投喂

自动投喂主要是平台根据监测的数据信息，对饵料投放机进行控制。操作比较简单的是手动控制，人工开启关闭饵料投放机器，一般是如果系统出现故障不能自动控制，可采用人工的方式。还可以利用手机和电脑端自动控制和定时控制。借助物联网技术，确保养殖机器人物联网平台与饵料投放之间实现通信，能对饵料投放机进行自动化控制，也可以根据需要设定好投放的时间。操作比较方便的是管理人员在手机端登录养殖管理系统，点击按钮操作，对饵料投放机进行管理控制。