一种基于物联网的智能化养殖系统

技术领域

本发明涉及智能养殖技术领域，具体为一种基于物联网的智能化养殖系统。

背景技术

自从六十年代初期日本在群马县开始进行智能化养鱼以来，世界各国，特别是美国、加拿大、德国等纷纷设计工业化养鱼装置，经过近二十年的发展逐步形成了高效的规模化生产，20世纪80年代,我国开始初步尝试循环式工厂化水养殖模式，以引进欧洲国家循环水养殖设施为主，鉴于过高的成本而搁置，但是伴随着水产养殖业的发展,一方面传统的池塘养殖全程质量控制困难，病害频发；另一方面水资源的浪费惊人和环境污染严重，这些严重影响了现代水产养殖业的可持续健康发展，实际上这也是目前制约我国水产养殖业快速高效发展的瓶颈问题，因此，设计实用性强和养殖环境可控性高的一种基于物联网的智能化养殖系统是很有必要的。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于物联网的智能化养殖系统，以解决上述背景技术中提出的问题。

为了解决上述技术问题，本发明提供如下技术方案：一种基于物联网的智能化养殖系统，所述智能化养殖系统包括有人机交互系统、水质在线监测系统、循环水养殖系统、过滤杀菌模块和异常报警系统；

所述人机交互系统可实时显示现场设备中的运行状态及参数，并可以设定关键点的运行阈值，所述水质在线监测系统采用检测不同参数的传感器，用于对养殖生物的生长进行实时观察，所述循环水养殖系统按照水质参数进行调整，所述人机交互系统对受控设备进行逻辑控制，所述异常报警系统实际分为预警、报警、应急三大部分，采用现场声光报警、可远程短信电话通知及带有断电报警功能，针对系统设定实时通知用户。

根据上述技术方案，所述人机交互系统包括有水电表智能模块和人机操作单元，所述水电表智能模块用于采集和监控电压、电流值和计算电流消耗量，所述人机操作单元用于养殖场工作人员对整个养殖场的监测，所述人机操作单元的工作方法为：

S21.打开人机操作单元的界面；

S22.观察界面上的数据，判定数据是否在保护范围内，数据超过或者低于保护范围则表示异常；

S23.前往养殖池现场观察，养殖场内的水量是否异常，水质是否达标；

S24.现场观察情况相符则回到操作室登录界面继续操作。

所述水质在线监测系统包括液位传感模块、水面光感模块、氧气传感模块和ORP传感模块，所述液位传感模块判定水位的位置，所述水面光感模块安装在养殖池的侧壁顶口处，用于观察水质的清澈度，所述氧气传感模块用于测定养殖池中水的氧气含量，所述ORP传感模块用于测定养殖池中水的氧化还原电位。

根据上述技术方案，所述液位传感模块包括水面波动监控单元和流量监控单元，所述流量监控单元实时监测鱼池和系统主管路的换水量、流速、总流量，作为循环水调速系统反馈依据，并联动进水电动阀自动调节阀门开度，流量监控单元连接人机交互系统，所述流量监控单元设定为自动和手动两种调节方式，所述水面波动监控单元控制养殖池中的波浪上下运动幅度，所述波动监控单元的防误差方法如下：

S41.建立常用的水波运动数据库，所述常用的水波运动数据库用于存储水流运动的波动路径和侧壁撞击力度；

S42.采集天气温和时期间段的水波上下起伏波纹图，设定高点为a1,低点为a2,测量获得波纹图的多个a1和a2之间的差值，计算出平均值b，平均值b为温和天气时水面液位波动幅度，筛选出波纹图中的最低点设定为a21，最高点设定为a11，波动幅度b1=a11-a21，温和天气的时候水面幅度超过b1则触发液位传感模块；

S43.采集天气恶劣时间段的水波上下起伏图，设定高点为c1，低点为c2，计算出平均值d，平均值d为恶劣天气时水面液位波动幅度，将平均值d输入进人机交互系统中，为循环水养殖系统提供数据支撑，当水面波动幅度超过c1-c2值则触发液位传感模块，此处c1-c2值为恶劣天气期间的水面波动幅度，恶劣天气时水面波动较大；

S44.人机交互系统中设定水面液位波动幅度z=d，若是波动幅度值超过z，则液位传感模块发出信号输送温和天气期间一半量的水，保证恶劣天气期间养殖池内的水不会溅射外面，若是波动幅度值在z的范围内则输入正常量的水。

根据上述技术方案，所述循环水养殖系统包括有供氧模块、循环水调速系统和内外循环模块；

所述循环水调速系统：可改变循环水泵运行频率、转速及流量，根据水质在线监测系统和流量监测系统的反馈，结合养殖策略实现循环水量的自动调节功能，满足当前所需的水体循环量；

通过判定氧气含量控制供氧模块的运行，所述判定氧气含量的步骤如下：

S51.在养殖池侧壁顶端安装红外扫描仪，红外扫描仪的数据库与人机交互系统连接；

S52.利用红外扫描仪以固定频率进行扫描，第一次扫描得出的鱼头数量为n1，第二次扫描得出的鱼头数量为n2......数据使用截止前的最后一次鱼头数量为nn；

鱼头计算公式为

式中，鱼头为鱼浮出水面并被红外扫描仪扫描到为准，A为鱼头平均数值，n为扫描的次数；

S53.将每一个养殖池的面积记录输入进去记为s,计算参考鱼头偏差量m，其中m=A/s，事先在人机交互系统中输入警戒值y，当my时，则判定养殖池中氧气含量不充足；

根据上述技术方案，所述供氧模块包括正常供氧单元、紧急供氧单元和臭氧单元，所述正常供氧单元用于满足养殖系统正常养殖的供氧含量，系统会设定一个满足养殖系统的阈值，当系统检测到低于该阈值时，会自动启动正常供氧单元对养殖池进行供氧，例如喂食投饵期间使用，喂食期间水生物的运动量大，消耗氧气量多，则正常供氧单元就会多供氧氧气，所述紧急供氧单元用于断电期间使用，直接触发储氧桶，将氧气注入水中用于紧急供氧，所述臭氧单元用于净化养殖池内的水质，所述S53的步骤还包括：

S61.判定养殖池中氧气含量不足时还需多少供氧量h，并存者为养殖异类，养殖池面积为s，鱼苗数量为n，并存者数量为q， y为当养殖池中能够进行养殖的最低供氧量时浮在水面的鱼头数量，v1为主养鱼类耗氧值，v2为并存者耗氧值；

如果存在水面上的鱼头还有并存者，则所需输入的供氧量为h，

其中，h=（（n/s）-y）*v1+q*v2；

如果水面没有并存者，所需输入的供氧量为h，

其中，h=（（n/s）-y）*v1。

根据上述技术方案，所述过滤杀菌模块包括有排泄物监测单元和温控单元，所述排泄物监测单元连接光感模块监测水质，所述供氧模块的判定过程：

S71.根据养殖池的需求设定总水体；

S72.通过温度传感器及温控设备配置传感器反馈，将设定值写入调温设备，温控设备采用变频技术，将系统水温稳定在设定范围之内；

S73.供氧模块根据人机交互系统设定的氧气含量的阈值，开关正常供氧单元和紧急供氧单元中的任意一种或两种；

S74.供氧模块根据人机交互系统设定的氧化还原电位的阈值，开关臭氧单元。

根据上述技术方案，所述内外循环模块分为内循环水单元和外循环水单元，所述内循环水单元始终开启，所述外循环水单元的判定步骤为：

S81.利用液位传感模块判定水面高度；

S82.到达最低养殖水位值时将从外界注入干净水，水面高度由液位传感模块决定，当液位传感模块判定到液位最低时传递信号给外循环水单元；

S83.利用水面光感模块与液位传感模块共同判定注入的水量，保证水质达标的同时能保证水量在固定范围内。

根据上述技术方案，所述步骤S82中，水量注入量的公式为：

式中，

所述步骤S83中，养殖池内的供应水量公式为：

式中，

根据上述技术方案，所述预警系统，一是通过以上多参数监测系统，实时监测系统内水质变化趋势，二是监测各养殖设备运行状态，所述报警系统其最根本在于提醒用户系统的自我调控无法达到预计的正常范围，需要人为介入，所述应急系统是针对突发状况所设定，应对水质、设备、人为失误状况的发生。

附图说明

附图用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本发明的实施例一起用于解释本发明，并不构成对本发明的限制。在附图中：

图1是本发明的系统结构示意图；

图2是本发明的水池能见度对应的养殖池加水量的曲线图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

请参阅图1-2，本发明提供一种基于物联网的智能化养殖系统，智能化养殖系统包括有人机交互系统、水质在线监测系统、循环水养殖系统、过滤杀菌模块和异常报警系统；

人机交互系统可实时显示现场设备中的运行状态及参数，并可以设定关键点的运行阈值，所述水质在线监测系统采用多种参数检测传感器，用于对养殖生物的生长环境进行实时观察，所述循环水养殖系统按照水质参数进行调整，所述人机交互系统对受控设备进行逻辑控制，所述异常报警系统实际分为预警、报警、应急三大部分，采用现场声光报警、可远程短信电话通知及带有断电报警功能，针对系统设定实时通知用户。

人机交互系统包括有水电表智能模块和人机操作单元，所述水电表智能模块用于采集和监控电压、电流值和计算电流消耗量，人机操作单元用于养殖场工作人员对整个养殖场的监测，人机操作单元的工作方法为：

S21.打开人机操作单元的界面；

S22.观察界面上的数据，判定数据是否在保护范围内，数据超过或者低于保护范围则表示异常；

S23.前往养殖池现场观察，养殖场内的水量是否异常，水质是否达标；

S24.现场观察情况相符则回到操作室登录界面继续操作。

水质在线监测系统可实时监测水质参数，包括溶氧、温度、PH、ORP、电导率（盐度）、浊度、氨氮、亚硝酸盐、硬度、总碱度等，为控制系统提供调控反馈依据，模块采用标准Modbus RTU协议，易于扩展，抗干扰。

所述水质在线监测系统包括液位传感模块、水面光感模块、氧气传感模块和ORP传感模块，液位传感模块判定水位的位置，水面光感模块安装在养殖池的侧壁顶口处，用于观察水质的清澈度，用以连接人机交互系统方便操作人员观察，水面光感模块借由监测探头进行监控，循环水养殖系统中水质参数对养殖物生长有较大的影响，因此对监测探头的精度、寿命要求较高，并且养殖监测系统并不是单一针对某一特定参数的监测，从而触发的报警，是针对多种参数综合评定的结果，是经过多参数综合运算之后得出的结论，若超出养殖物预警范围，才会真正触发预警状态，并联动调控设备进行反馈调节，多参数优化，所述氧气传感模块用于测定养殖池中水的氧气含量，所述ORP传感模块用于测定养殖池中水的氧化还原电位；

例如监测水中溶解氧会受到水体温度影响，而针对不同养殖物所需最佳温度有所不同，同时不同水质因子包括碱度、溶解氧和固体总悬浮颗粒物(TSS)水平的高低,观察养殖物最后对水体和鱼体重金属含量的影响。其结果显示：碱度对水中Cu、Zn浓度及试验鱼肌肉中Zn含量有显著影响，溶解氧对水中Cu浓度及试验鱼肌肉中Cu、Zn含量有显著影响。

液位传感模块包括水面波动监控单元和流量监控单元，流量监控单元连接人机交互系统，流量监控单元设定为自动和手动两种调节方式，水面波动监控单元控制养殖池中的波浪上下运动幅度，波动监控单元的防误差方法如下：

S41.建立常用的水波运动数据库，常用的水波运动数据库用于存储水流运动的波动路径和侧壁撞击力度；

S42.采集天气温和时期间段的水波上下起伏波纹图，设定高点为a1,低点为a2,测量获得波纹图的多个a1和a2之间的差值，计算出平均值b，平均值b为温和天气时水面液位波动幅度，筛选出波纹图中的最低点设定为a21，最高点设定为a11，波动幅度b1=a11-a21，温和天气的时候水面幅度超过b1则触发液位传感模块；

S43.采集天气恶劣时间段的水波上下起伏图，设定高点为c1，低点为c2，计算出平均值d，平均值d为恶劣天气时水面液位波动幅度，将平均值d输入进人机交互系统中，为循环水养殖系统提供数据支撑，当水面波动幅度超过c1-c2值则触发液位传感模块，此处c1-c2值为恶劣天气期间的水面波动幅度，恶劣天气时水面波动较大；

S44.人机交互系统中设定水面液位波动幅度z=d，若是波动幅度值超过z，则液位传感模块发出信号输送温和天气期间一半量的水，保证恶劣天气期间养殖池内的水不会溅射外面，若是波动幅度值在z的范围内则输入正常量的水。

循环水养殖系统包括有供氧模块、循环水调速系统和内外循环模块；

所述循环水调速系统：可改变循环水泵运行频率、转速及流量，根据水质在线监测系统和流量监测系统的反馈，结合养殖策略实现循环水量的自动调节功能，满足当前所需的水体循环量；

通过判定氧气含量控制供氧模块的运行，判定氧气含量的步骤如下：

S51.在养殖池侧壁顶端安装红外扫描仪，红外扫描仪的数据库与人机交互系统连接；

S52.利用红外成像仪以固定频率进行扫描，根据显示的鱼头图像数量相加得到鱼头数量，成像第一次扫描得出的鱼头数量为n1，第二次扫描得出的鱼头数量为n2......数据使用截止前的最后一次鱼头数量为nn；

如果是恶劣天气可以启用多台红外成像仪同时扫描，取同一时刻多台红外成像仪扫描的鱼头图像数量计算得到的平均值作为成像每一次扫描得出的鱼头数量，从而提高恶劣天气的检测准确率；

鱼头的判断标准以能在红外成像仪检测到并显示在成像仪中为准，鱼类体温一般高于所在环境水温0.5-1摄氏度，鱼露出水面即会被红外成像仪扫描到，以此来计算鱼头的数量；

鱼头计算公式为

式中，鱼头为鱼浮出水面并被红外扫描仪扫描到为准，A为鱼头平均数值，n为扫描的次数；

S53.将每一个养殖池的面积记录输入进去记为s,计算参考鱼头偏差量m，其中m=A/s，事先在人机交互系统中输入警戒值y，当my时，则判定养殖池中氧气含量不充足；

调速系统输出结果是针对泵的水流量的变换，但是实际上其介入调控是根据以上水质多参数监测系统综合反馈测定，配合其他养殖设备接入后而实现的智能化调控，并非单纯意义上增加和减小泵流量，调速的介入要根据考虑多方面参数，包括液位、水质参数、视觉化监测与养殖物的生长模型等；

例如：自动投饵前后时间段内，水质变化会有一个突变，为解决此种状况，系统会联动增氧系统、臭氧系统、调速系统同时调控，维持水质变化率不会太快，而系统根据监测结果评定，再适当调节会稳定状态，整个过程是持续不停变化的。

供氧模块包括正常供氧单元、紧急供氧单元和臭氧单元，所述正常供氧单元用于喂食投饵期间使用，喂食期间水生物的运动量大，消耗氧气量多，正常供氧单元最常用的可以是依靠220V电压工作的制氧机，所述紧急供氧单元一般用于断电期间使用，其将氧气注入水中用于紧急供氧，紧急供养单元可以是储养罐或者备用发电机供电的制氧机，所述臭氧单元用于净化养殖池内的水质，S53的步骤还包括：

S61.判定养殖池中氧气含量不足时还需多少供氧量h，并存者为养殖异类，养殖池面积为s，鱼苗数量为n，并存者数量为q， y为当养殖池中能够进行养殖的最低供氧量时浮在水面的鱼头数量，v1为主养鱼类耗氧值，v2为并存者耗氧值；

如果存在水面上的鱼头还有并存者，则所需输入的供氧量为h，

其中，h=（（n/s）-y）*v1+q*v2；

如果水面没有并存者，所需输入的供氧量为h，

其中，h=（（n/s）-y）*v1。

过滤杀菌模块包括有排泄物监测单元和温控单元，排泄物监测单元连接光感模块监测水质，供氧模块的判定过程：

S71.根据养殖池的需求设定总水体；

S72.通过温度传感器及温控设备配置传感器反馈，将设定值写入调温设备，温控设备采用变频技术，将系统水温稳定在设定范围之内；

S73.供氧模块根据人机交互系统设定的氧气含量的阈值，开关正常供氧单元和紧急供氧单元中的任意一种或两种，当氧气传感模块检测的水中氧含量低于设定的阈值时，启动正常供氧单元，当发生停电时，启动紧急供氧单元；

S74.供氧模块根据人机交互系统设定的氧化还原电位的阈值，开关臭氧单元，当ORP传感模块检测到的水中氧化还原电位值低于系统设定的阈值时，启动紧急供氧单元。

内外循环模块分为内循环水单元和外循环水单元，内循环水单元始终开启，外循环水单元的判定步骤为：

S81.利用液位传感模块判定水面高度；

S82.到达最低养殖水位值时将从外界注入干净水，水面高度由液位传感模块决定，当液位传感模块判定到液位最低时传递信号给外循环水单元；

S83.利用水面光感模块与液位传感模块共同判定注入的水量，保证水质达标的同时能保证水量在固定范围内。

步骤S82中，水量注入量的公式为：

式中，

步骤S83中，养殖池内的供应水量公式为：

式中，

本系统如果应用于室内养殖则可以不予考虑恶劣天气带来的影响，系统运行将更加高效稳定。

图1是整个系统的框架图，包括5个一级框架结构系统：人机交互系统、水质在线监测系统、循环水养殖系统、过滤杀菌模块和异常报警系统以及5个一级框架结构系统每个包括的子系统，各个系统共同协作，完成本发明的智能化控制。本系统的水质在线监测系统可实时监测水质参数，包括溶氧、温度、PH、ORP、电导率（盐度）、浊度、氨氮、亚硝酸盐、硬度、总碱度等，为控制系统提供调控反馈依据，结合系统设定的阈值调控养殖系统中的各个参数，使整个系统做到高效、低能和安全的运行，大大提高了养殖效率，降低了养殖成本，减少了养殖的突发性风险给养殖带来的重大损失。

图2是水池能见度对应的养殖池加水量的曲线图，由图2可看出，通过水池的能见度参数智能调控加入干净水，使水体保持在适宜的能见度范围内，从而保证水体的水质，降低了水质的污染度，从而提高了养殖的质量。

预警系统，一是通过以上多参数监测系统，实时监测系统内水质变化趋势，根据水质波动做出变化曲线预测，同时联动整体养殖配套设备，及时修正养殖水体参数偏差，达到养殖物的最佳生长环境，二是监测各养殖设备运行状态，绘制设备运行状态曲线和列表，提醒用户设备使用状况建议检修或维护，预警系统是一个超前调控的过程，若提前调控无法修正回正常状态才会进入下一步报警系统，报警系统其最根本在于提醒用户系统的自我调控无法达到预计的正常范围，需要人为介入，其运行表现为现场或远程的声光报警，并且运用物联网技术进行终端推送，人为修改部分参数来协助系统的调控；或提醒用户设备的使用寿命和性能出现了问题，应急系统是针对突发状况所设定，应对水质、设备、人为失误状况的发生，目的是将生产危害降低，并最大限度减少损失。

通过本实施例中多种单元例如：水面光感模块、液位传感模块、水池能见度等多种设备和参数共同配合系统调控，在节约成本的前提下，既保证水质达标又可以保证水量在恒定范围内，提高了养殖的质量，提高了养殖效率。

需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。

最后应说明的是：以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。