【畢業(yè)學(xué)位論文】（Word原稿）水產(chǎn)養(yǎng)殖中水質(zhì)遠(yuǎn)程動(dòng)態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)的開發(fā)-農(nóng)業(yè)生物環(huán)境與能源工程

分類號： 單位代碼： 10019 密 級： 學(xué) 號： 士學(xué)位論文 水產(chǎn)養(yǎng)殖中水質(zhì)遠(yuǎn)程動(dòng)態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)的開發(fā) 家科技支撐項(xiàng)目“養(yǎng)殖業(yè)生產(chǎn)過程信息化關(guān)鍵技術(shù)與產(chǎn)品研發(fā)”（ 2006助 研究 生 ： 指導(dǎo)教 師 ： 副教授 申請學(xué)位門類級 別 ： 工學(xué)碩士 專業(yè)名 稱 ： 農(nóng)業(yè)生物環(huán)境與能源工程 研究方 向 ： 數(shù)字設(shè)施農(nóng)業(yè)與環(huán)境 所在學(xué) 院 ： 水利與土木工程學(xué)院 2009 年 6 月 獨(dú) 創(chuàng) 性 聲 明 本人聲明所呈交的論文是我個(gè)人在導(dǎo)師指導(dǎo)下 進(jìn)行的研究工作及取得的研究成果。盡我所知，除了文中特別加以標(biāo)注和致謝的地方外，論文中不包含其他人已經(jīng)發(fā)表或撰寫過的研究成果，也不包含為獲得中國農(nóng)業(yè)大學(xué)或其它教育機(jī)構(gòu)的學(xué)位或證書而使用過的材料。與我一同工作的同志對本研究所做的任何貢獻(xiàn)均已在論文中作了明確的說明并表示了謝意。 研究生簽名： 時(shí)間： 年 月 日 關(guān)于論文使用授權(quán)的說明 本人完全了解中國農(nóng)業(yè)大學(xué)有關(guān)保留、使用學(xué)位論文的規(guī)定，即：學(xué)校有權(quán)保留送交論文的復(fù)印件和磁盤 ，允許論文被查閱和借閱，可以采用影印、縮印或掃描等復(fù)制手段保存、匯編學(xué)位論文。同意中國農(nóng)業(yè)大學(xué)可以用不同方式在不同媒體上發(fā)表、傳播學(xué)位論文的全部或部分內(nèi)容。 (保密的學(xué)位論文在解密后應(yīng)遵守此協(xié)議 ) 研究生簽名： 時(shí)間： 年 月 日 導(dǎo)師簽名： 時(shí)間： 年 月 日 I 摘 要 近年來，水產(chǎn)品需求的逐年增加和食品安全惡性事件的影響使得各水產(chǎn)養(yǎng)殖場越來越重視水質(zhì)監(jiān)測技術(shù)。針對水 產(chǎn)品安全溯源系統(tǒng)和水產(chǎn)養(yǎng)殖品質(zhì)控制對水質(zhì)監(jiān)測的多參數(shù)、動(dòng)態(tài) 化 、網(wǎng)絡(luò)化監(jiān)測需求，本研究基于嵌入式網(wǎng)絡(luò)和無線通訊技術(shù)，開發(fā)了能夠?qū)Χ喾N水質(zhì)參數(shù)如水溫、酸堿度、溶解氧、電導(dǎo)率、氧化還原電位同時(shí)進(jìn)行實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)采集和遠(yuǎn)程安全傳輸?shù)乃|(zhì)遠(yuǎn)程動(dòng)態(tài)監(jiān)測系統(tǒng) ，并在 水產(chǎn)養(yǎng)殖中 進(jìn)行了實(shí)際測試 。該水質(zhì)遠(yuǎn)程動(dòng)態(tài) 監(jiān)測 系統(tǒng)由水質(zhì)動(dòng)態(tài)監(jiān)測裝置的現(xiàn)場設(shè)備和遠(yuǎn)程信息服務(wù)器組成 。 水質(zhì)動(dòng)態(tài)監(jiān)測裝置由 傳感模塊、數(shù)采模塊 、通訊模塊 和 電源模塊組成，用來動(dòng)態(tài)監(jiān)測水產(chǎn)養(yǎng)殖現(xiàn)場的水質(zhì)參數(shù)信息。遠(yuǎn)程信息服務(wù)器由接入因特網(wǎng) 的 調(diào)制解調(diào)器、虛擬專用網(wǎng)路由器和信息服務(wù)器 組成，用來實(shí)現(xiàn)與現(xiàn)場設(shè)備的遠(yuǎn)程安全通訊與信息采集。 通過 在山東東營水產(chǎn)養(yǎng)殖場 2年的實(shí)證實(shí)驗(yàn)表明：該水質(zhì)動(dòng)態(tài)監(jiān)測裝置的水質(zhì)參數(shù)監(jiān)測誤差小于 5%，遠(yuǎn)程通訊的丟包率小于 3%， 系統(tǒng)功耗在 13此，該水質(zhì)動(dòng)態(tài)監(jiān)測裝置可作為無線傳感器 網(wǎng)絡(luò) 的節(jié)點(diǎn) 硬件 用于大型水產(chǎn)養(yǎng)殖場的分布式水質(zhì)網(wǎng)絡(luò)化動(dòng)態(tài)監(jiān)測， 也可用于 組建異地多點(diǎn)的大規(guī)模分布式水質(zhì)動(dòng)態(tài)監(jiān)測網(wǎng)絡(luò) ，從而 為大型養(yǎng)殖場的水質(zhì)控制和 水產(chǎn)養(yǎng)殖管理部門的水產(chǎn)養(yǎng)殖水質(zhì)監(jiān)測提供基礎(chǔ) 設(shè)備 和技術(shù)支撐 。 關(guān)鍵詞 ： 溶解氧，電導(dǎo)率，網(wǎng)絡(luò)安全 ， 酸堿度，氧化還原電位，嵌入式網(wǎng)絡(luò)技術(shù)， 無線通訊 a in of of In to of in a to as in a of of to a an to of As of a of by %, of %, 3W. as a of be to in a to a in of 中國農(nóng)業(yè)大學(xué)碩士學(xué)位論文 目錄 錄 第一章 緒論 . 1 究背景 . 1 內(nèi)外研究現(xiàn)狀 . 2 究內(nèi)容與技術(shù)路線 . 6 第二章 水產(chǎn)養(yǎng)殖中水質(zhì)監(jiān)測參數(shù)的確定 . 7 質(zhì)參數(shù)與水產(chǎn)生物之間的動(dòng)態(tài) 關(guān)系 . 7 質(zhì)監(jiān)測參數(shù)的確定 . 15 第三章 水質(zhì)遠(yuǎn)程動(dòng)態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)的開發(fā) . 16 質(zhì)在線傳感器的選擇 . 16 質(zhì)動(dòng)態(tài)監(jiān)測裝置的開發(fā) . 20 程信息服務(wù)器的構(gòu)成 . 26 質(zhì)動(dòng)態(tài)監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)的組建 . 29 第四章 水質(zhì)遠(yuǎn)程動(dòng)態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)的應(yīng)用實(shí)例 . 32 場設(shè)備的安裝條件 . 32 質(zhì)參數(shù)的監(jiān)測結(jié)果 . 34 程動(dòng)態(tài)網(wǎng)絡(luò)通訊狀況 . 40 統(tǒng)運(yùn)行狀況分析 . 43 第五章 結(jié)論與建議 . 45 論 . 45 題及建議 . 45 參考文獻(xiàn) . 46 致謝 . 50 作者簡介 . 51 中國農(nóng)業(yè)大學(xué)碩士學(xué)位論文 圖表 目錄 表目錄 圖 1術(shù)路線 6 圖 2質(zhì)主要參數(shù)與水產(chǎn)生物之間的動(dòng)態(tài)關(guān)系 7 圖 3溫傳感器與變送器 16 圖 3-2 感器 18 圖 3解氧傳感器 18 圖 3導(dǎo)率傳感器 19 圖 3化還原電位傳 感器 20 圖 3質(zhì)動(dòng)態(tài)監(jiān)測裝置 21 圖 3質(zhì)動(dòng)態(tài)監(jiān)測裝置的結(jié)構(gòu)示意圖 22 圖 3通池的實(shí)體照片 23 圖 3于 24 圖 3陸界面 25 圖 3備的 置 26 圖 3程信息服務(wù)器端 陸主界面 27 圖 3態(tài)域名綁定 28 圖 3質(zhì)遠(yuǎn)程動(dòng)態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖 29 圖 3布式水質(zhì)遠(yuǎn)程動(dòng)態(tài)監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)示意圖 30 圖 4東 東營海水養(yǎng)殖場的總體平面布置圖 32 圖 4質(zhì)動(dòng)態(tài)監(jiān)測裝置的布置示意圖 33 圖 4產(chǎn)養(yǎng)殖水質(zhì)遠(yuǎn)程動(dòng)態(tài)監(jiān)測系統(tǒng) 33 圖 4質(zhì)傳感器檢測的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù) 34 圖 4據(jù)存儲(chǔ)過程 35 圖 4儲(chǔ)的原始數(shù)據(jù) 35 圖 4質(zhì)參數(shù)監(jiān)測結(jié)果數(shù)據(jù) 36 圖 4感器的校準(zhǔn)曲線 38 圖 4解氧的系統(tǒng)測量值與便攜儀測量值的對比 39 圖 4接的監(jiān)測狀態(tài) 40 圖 4備路由表 40 圖 4 接狀態(tài) 41 圖 4備的網(wǎng)絡(luò)狀態(tài) 41 表 2種魚蝦鱉需溶解氧量 9 表 2離子氨對魚蝦鱉的安全濃度 13 表 4統(tǒng)監(jiān)測值與對照監(jiān)測值的比較 39 表 4訊質(zhì)量的測試 43 表 4統(tǒng)能耗測試 43 中國農(nóng)業(yè)大學(xué)碩士學(xué)位論文 圖表 目錄 V 1on 6 2he of 3T .16 3pH .18 3O .18 3C .19 3RP .20 3 . .21 3he of 22 3he of .23 3IC 2 4 32 5 3PN 2 6 3PN of 2 7 3he of 2 8 3he of 2 9 3he of 30 4he of a 32 4he in 33 4he in 33 4by 34 4he 35 4he 35 4he 36 4he of 3 8 4O by by 39 4he 40 4he 40 4he 4 1 441 he of 9 he of to 13 of by by 39 43 of 43 中國農(nóng)業(yè)大學(xué)碩士學(xué)位論文 第一章 緒論 1 第一章 緒論 究背景 80 年代以來，在全球范圍內(nèi)，以陸地為基礎(chǔ)的傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)正面臨著日益加劇的人口膨脹、水土資源緊張和氣候條件惡化等危機(jī)，今后糧食不足特別是動(dòng)物食品不足的矛盾將特別突出 1。根據(jù)2008 國家統(tǒng)計(jì)年鑒報(bào)告：我國于 2007 年的豬、牛、羊肉總產(chǎn)量為 噸，水產(chǎn)品產(chǎn)量達(dá) 產(chǎn)品在農(nóng)產(chǎn)品中具有舉足輕重的地位； 2001 到 2007 年期間的水產(chǎn)品消費(fèi)逐年增加，農(nóng)村居民的水產(chǎn)品消費(fèi)支出增長了 城鎮(zhèn)居民的支出增長了 在購買的主要食品中增長率均據(jù)首位 2。我 國在 2005 年的水產(chǎn)品產(chǎn)量已達(dá) 噸，噸，占水產(chǎn)品總量的 2。因此，水產(chǎn)養(yǎng)殖業(yè)已經(jīng)成為為大農(nóng)業(yè)中的重要產(chǎn)業(yè)。 根據(jù)聯(lián)合國糧農(nóng)組織（ 計(jì) ， 依目前每人每年平均水產(chǎn)品食用量計(jì)算 ， 預(yù)計(jì) 20 年后（ 2030 年 ） 全球的水產(chǎn)品供應(yīng)量至少需再增加 4000 萬噸，而其中一半來自水產(chǎn)養(yǎng)殖業(yè) 3 。近年來，世界范圍內(nèi)出現(xiàn)的水荒以及相當(dāng)多的水源不同程度的污染，使很多漁場已達(dá)到了最大生產(chǎn)能力 ， 僅僅依靠捕撈漁業(yè)已經(jīng)無法滿足逐年增長的全球水產(chǎn)品需求。因此，水產(chǎn)養(yǎng)殖業(yè)在未 來的 30年來之內(nèi)將成為全球范圍內(nèi)最具發(fā)展?jié)摿Φ霓r(nóng)業(yè)新型產(chǎn)業(yè)。 改革開放以來，我國水產(chǎn)養(yǎng)殖業(yè)發(fā)展迅速，但是大多數(shù)的養(yǎng)殖模式都是以消耗資源、犧牲環(huán)境為代價(jià)的，這種發(fā)展模式嚴(yán)重阻礙了漁業(yè)現(xiàn)代化的進(jìn)程，也很難滿足國內(nèi)外對水產(chǎn)品發(fā)展的需求 4。水產(chǎn)養(yǎng)殖業(yè)的發(fā)展應(yīng)以滿足市場需求，提高人民生活質(zhì)量，同時(shí)保護(hù)資源與環(huán)境為目標(biāo)。為了實(shí)現(xiàn)上述目標(biāo)，一方面需大力挖掘資源潛力，增加水資源利用率和再利用率；另一方面要提高養(yǎng)殖密度從而提高單產(chǎn)和經(jīng)濟(jì)效益。高密度集約化的水產(chǎn)養(yǎng)殖技術(shù)代表國家水產(chǎn)科技在世界發(fā)展的水平和地位，反映一個(gè)國家的 實(shí)力，也是實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化的重要組成部分 1。為此，大力發(fā)展高科技水產(chǎn)養(yǎng)殖，推出適合我國國情的高密度集約化水產(chǎn)養(yǎng)殖配套技術(shù)和設(shè)備刻不容緩，其中水產(chǎn)養(yǎng)殖的水質(zhì)監(jiān)控是制約水產(chǎn)養(yǎng)殖業(yè)發(fā)展的技術(shù)瓶頸之一。 隨著我國水產(chǎn)品需求的不斷增加，水產(chǎn)品質(zhì)量安全問題成為制約水產(chǎn)養(yǎng)殖業(yè)進(jìn)一步發(fā)展的瓶頸。多年來，由于人們過度關(guān)注水產(chǎn)品數(shù)量而忽略其品質(zhì)控制，致使很多水產(chǎn)品品質(zhì)達(dá)不到國際標(biāo)準(zhǔn)給養(yǎng)殖業(yè)者造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失 5。例如： 1988 年我國出口到日本的鰻魚由于 被 檢測 出 惡喹酸超標(biāo)而遭索賠，價(jià)格從每噸 20000 元降 至 5000 元，使我 國的養(yǎng)鰻業(yè)遭受重創(chuàng) ； 我國出口 的 水產(chǎn)品 多次經(jīng) 歐盟 檢測發(fā)現(xiàn) 含沙門氏菌、創(chuàng)傷弧菌和霍亂弧菌 ，由此 嚴(yán)重制約了我國水產(chǎn) 品的 出口 ，影響了我國海水養(yǎng)殖業(yè)的健康可持續(xù)發(fā)展。 在我國 ， 由于食用不安全的水產(chǎn)品引起食源性中毒的事件也有不少報(bào)道 。 1988 年上海 30 萬人患甲肝病就是 由 食用被甲肝污染而 未 充分加熱的毛蚶引發(fā)的 6。因此，利用水質(zhì)監(jiān)測技術(shù)保障水產(chǎn)養(yǎng)殖的水質(zhì)環(huán)境，使其適宜水生物生長，及時(shí)有效地防治各種病害，最終才能生產(chǎn)出優(yōu)質(zhì)無公害的水產(chǎn)品，這也是建立水產(chǎn)品安全溯源系統(tǒng)的技術(shù)支撐。 中國農(nóng)業(yè)大學(xué)碩士學(xué)位論文 第一章 緒論 2 內(nèi)外研究現(xiàn)狀 水產(chǎn)養(yǎng)殖業(yè)在國內(nèi)外起 步不一，發(fā)展模式不同，總體而言國外水產(chǎn)養(yǎng)殖業(yè)發(fā)展比國內(nèi)快。水產(chǎn)養(yǎng)殖場水質(zhì)監(jiān)控系統(tǒng)的研究涉及到水產(chǎn)養(yǎng)殖系統(tǒng)、水質(zhì)自動(dòng)監(jiān)測技術(shù)、智能控制模型等幾個(gè)方面的內(nèi)容。就此進(jìn)行文獻(xiàn)檢索和分析，了解了相關(guān)領(lǐng)域的研究現(xiàn)狀，借鑒先進(jìn)研究技術(shù)。 外研究現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢 1）水產(chǎn)養(yǎng)殖技術(shù)介紹 工廠化水產(chǎn)養(yǎng)殖是通過生物、物理及化學(xué)方法的有機(jī)結(jié)合，進(jìn)行適當(dāng)?shù)乃幚硎沟盟a(chǎn)養(yǎng)殖水域達(dá)到適宜的狀態(tài)，形成不受自然條件影響的半循環(huán)式或循環(huán)式的較高密度養(yǎng)殖方式。與傳統(tǒng)的池塘、流水、網(wǎng)箱等養(yǎng)殖方式相比，工廠化水產(chǎn)養(yǎng)殖有效利用了機(jī)、電、 化工、儀表自動(dòng)化、計(jì)算機(jī)等現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)，對養(yǎng)殖環(huán)境的主要因子或主要過程如水溫、水流、溶解氧、消毒、污水處理及應(yīng)急反應(yīng)等進(jìn)行人工控制，并進(jìn)行合理的生產(chǎn)管理，使水產(chǎn)對象能夠在適宜的環(huán)境中生長。 自六十年代初期日本在群馬縣開始進(jìn)行工廠化養(yǎng)魚以來，世界各國特別是加拿大、美國、德國等也紛紛開發(fā)了工業(yè)化養(yǎng)殖技術(shù)，使得工廠化水產(chǎn)養(yǎng)殖在近幾十年來逐漸發(fā)展成為一種高效的規(guī)?；a(chǎn)模式 7。近年來，水產(chǎn)養(yǎng)殖的自動(dòng)化技術(shù)獲得了很大的進(jìn)展，在水體消毒、凈化、池底排污、增氧及控溫方面都能實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制，使得工廠化水產(chǎn)養(yǎng)殖達(dá)到了相當(dāng)高 的自動(dòng)化程度 8。例如，液態(tài)純氧增氧技術(shù)在西歐工廠化養(yǎng)魚業(yè)中開始應(yīng)用，增加水體中的溶氧量可以提高養(yǎng)殖密度，降低餌料系數(shù)；美國和瑞典等國研制了壓力震蕩吸收系統(tǒng)進(jìn)行制氧，用于魚類養(yǎng)殖生產(chǎn)使得養(yǎng)殖水域中的含氧量達(dá)到飽和值的 85 98%9。 最近幾年，美國、丹麥、日本和我國等國家在水產(chǎn)養(yǎng)殖業(yè)中發(fā)展了魚菜 /魚藻共生系統(tǒng)。魚菜/魚藻共生系統(tǒng)利用養(yǎng)殖肥水培育蔬菜、花卉、水果、藻類，既能最大限度地提高水產(chǎn)品和蔬菜等的產(chǎn)量，又能凈化水質(zhì)，把污染降至最低程度，從而形成小環(huán)境生態(tài)系統(tǒng)的良性循環(huán)。美國布林漢揚(yáng)大學(xué)的 S克萊教 授曾對商業(yè)性水產(chǎn)養(yǎng)殖系統(tǒng)與魚菜共生系統(tǒng)作了經(jīng)濟(jì)比較，認(rèn)為魚菜共生系統(tǒng)不僅在技術(shù)上而且在經(jīng)濟(jì)上都是可行的，具有很大的開發(fā)價(jià)值，因此，魚菜 /魚藻共生系統(tǒng)將成為未來養(yǎng)殖業(yè)的發(fā)展趨勢 10。 2）水產(chǎn)養(yǎng)殖的水質(zhì)監(jiān)控 國外的工廠化水產(chǎn)養(yǎng)殖擁有完善的水質(zhì)監(jiān)控系統(tǒng)，對養(yǎng)殖水體中的溫度、酸堿度、溶解氧等具有重要意義的水質(zhì)參數(shù)進(jìn)行在線監(jiān)測，并進(jìn)行自動(dòng)控制?？梢哉f，水質(zhì)監(jiān)控是工廠化水產(chǎn)養(yǎng)殖必不可少的組成部分。 德國、法國、丹麥等國代表世界高密度集約化養(yǎng)殖的先進(jìn)水平，工廠化水產(chǎn)養(yǎng)殖場一般都能利用物理、化學(xué)和生物的手段對水質(zhì)進(jìn)行 自動(dòng)采集、調(diào)控從而達(dá)到利用 危害分析的臨界控制點(diǎn)（ 作規(guī)程來組織生產(chǎn) 11。美國和日本從 80年代起就開始使用多參數(shù)的水質(zhì)連續(xù)測定儀，使水質(zhì)監(jiān)測完全實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化。 中國農(nóng)業(yè)大學(xué)碩士學(xué)位論文 第一章 緒論 3 挪威的水產(chǎn)養(yǎng)殖經(jīng)過數(shù)十年的發(fā)展己成為一個(gè)新型的蓬勃發(fā)展的產(chǎn)業(yè)，尤其是蛙的養(yǎng)殖已經(jīng)處于世界領(lǐng)先水平。蛙養(yǎng)殖場的孵化場完全實(shí)現(xiàn)了科學(xué)管理，水溫控制與餌料施用都是配合起來進(jìn)行監(jiān)測、控制 12。 日本日立制作所研制 的 魚池水質(zhì)監(jiān)視系統(tǒng) 不僅可以自動(dòng)監(jiān)測 水質(zhì) ，還能利 用 人工智能 來 監(jiān)視和 分析魚的變化 13。 該系統(tǒng) 能 夠 準(zhǔn)確 地 測定水的 溶解 氧、 酸堿度 和溫度，并及時(shí)查出是否混入 了氰、農(nóng)藥、硫酸銅和苯酚等有毒物質(zhì) ；同時(shí)利用 由攝像機(jī)和微機(jī)追蹤魚群，根據(jù)水質(zhì)惡化或缺氧時(shí)魚會(huì)浮頭的特性 分析魚的變化 。 美國提出了可用于高密度水產(chǎn)養(yǎng)殖系統(tǒng)的基于微機(jī)的程序控制技術(shù)進(jìn)行海水魚的生長環(huán)境控制 14。美國 物設(shè)備公司研制了一種水產(chǎn)養(yǎng)殖專用 便攜式微電腦，用于自動(dòng)記錄魚池內(nèi)水溫變化、水體溶解氧、鹽度以及各魚類的增長分級等數(shù)據(jù)資料 15。 16提 出的水質(zhì)在線監(jiān)測系統(tǒng)通過一種離子選擇性場效應(yīng)管的智能陣列來檢測離子濃度信號，智能傳感器通過盲信源分離算法從上述智能陣列的輸出混合信號中監(jiān)測出離子濃度。 3）水質(zhì)監(jiān)控技術(shù)的發(fā)展趨勢 近年來，發(fā)展集成化、智能化、網(wǎng)絡(luò)化的水質(zhì)傳感器或在線監(jiān)測系統(tǒng)已經(jīng)成為如今的技術(shù)主流和發(fā)展方向。多參數(shù)水質(zhì)監(jiān)測裝置不僅要求保證測量精度，擴(kuò)大測量范圍，還要求經(jīng)濟(jì)實(shí)用，易于實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)化監(jiān)測與管理。以傳感器、計(jì)算機(jī)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、自動(dòng)控制等領(lǐng)域交叉和技術(shù)融合為基礎(chǔ)的多參數(shù)水質(zhì)監(jiān)測技術(shù)應(yīng)用已經(jīng)成為水產(chǎn)養(yǎng)殖發(fā)展的必然趨勢，各水質(zhì)參數(shù)信息的綜合利用不僅直接關(guān)系到生產(chǎn)管理與決策支持系統(tǒng)，還直接影響到水產(chǎn)品的品質(zhì)管理和經(jīng)濟(jì)效益 17 內(nèi)研究現(xiàn)狀 1）水質(zhì)監(jiān)控技術(shù) 郭小青等（ 2001）提出了基于 線和 水質(zhì)參數(shù)在線監(jiān)測系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對酸堿度、氧化還原電位、濁度、電導(dǎo)率、溶解氧、余氯等水質(zhì)參數(shù)的實(shí)時(shí)監(jiān)測 19 。宋德敬等（ 2002）開發(fā)出一種多點(diǎn)在線水質(zhì)監(jiān)測系統(tǒng)，該系統(tǒng)集多路數(shù)據(jù)采集、測量、轉(zhuǎn)換、計(jì)算、儲(chǔ)存、顯示、打印、報(bào)警等功能于一體，可同時(shí)在線監(jiān)測 6 個(gè)不同監(jiān)測點(diǎn)的水質(zhì)情況；對每一個(gè)監(jiān)測點(diǎn)，可同時(shí)監(jiān)測其溶解氧、溫度、電導(dǎo)率 、酸堿度、氧化還原電位、鹽度等 6 個(gè)參數(shù) 20。 李欣等（ 2002）開發(fā)了基于 水質(zhì)監(jiān)測虛擬儀器對水質(zhì)的氟離子、氯離子、溶解氧、化學(xué)需氧量、生物需氧量等參數(shù)進(jìn)行監(jiān)測 21。黃志敏等（ 2003）對基 水質(zhì)在線監(jiān)測虛擬儀器進(jìn)行了研究，該系統(tǒng)采用具有虛擬儀器面板的工控計(jì)算機(jī)儀器 （ 簡稱虛擬儀器 ） 的設(shè)計(jì)模式，改變傳統(tǒng)化學(xué)測試儀器的設(shè)計(jì)思想，成功研制了水質(zhì)在線監(jiān)測虛擬儀器 22。陳志聰?shù)龋?2007）根據(jù)未知溶液的濃度與熒光信號強(qiáng)度數(shù)值的關(guān)系，設(shè)計(jì)了一款基于 片機(jī)的在線熒光水質(zhì)監(jiān)測儀 ，快速準(zhǔn)確的測定及調(diào)節(jié)水中待測物質(zhì)的濃度 23。 董甲彬等（ 2007）提出一種基于 術(shù)的水質(zhì)監(jiān)測系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)水質(zhì)信息（金屬有機(jī)物、無機(jī)物等）的采集、傳輸和處理的自動(dòng)化 24。趙靜等（ 2008）對無線傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用于水質(zhì)監(jiān)測中國農(nóng)業(yè)大學(xué)碩士學(xué)位論文 第一章 緒論 4 系統(tǒng)進(jìn)行研究，介紹了為其實(shí)現(xiàn)提供保證的 術(shù) 25。 杜治國等（ 2008）在研究無線傳感器網(wǎng)絡(luò)及 議標(biāo)準(zhǔn)的基礎(chǔ)上，對遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)水質(zhì)監(jiān)測系統(tǒng)進(jìn)行了分析，提出了基于 線傳感器網(wǎng)絡(luò)與互聯(lián)網(wǎng)結(jié)合的遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)水質(zhì)監(jiān)測系統(tǒng)架構(gòu)，設(shè)計(jì)了基于無線傳感器的水質(zhì)監(jiān)測網(wǎng) 絡(luò)體系結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)了水溫、酸堿度、溶解氧、濁度、電導(dǎo)率、氨氮、化學(xué)需氧量、生物需氧量等水質(zhì)監(jiān)測參數(shù)的獲取及傳輸 26。 中國專利“一種多參數(shù)水質(zhì)監(jiān)測方法及裝置” (審定公告日為 2005 年 1 月 19 日、公開號為過離子敏電極和傳感器采集到的模擬信號經(jīng) A/D 轉(zhuǎn)換電路轉(zhuǎn)變?yōu)閿?shù)字信號，可以實(shí)現(xiàn)水溫、溶解氧、酸堿度等水質(zhì)多項(xiàng)理化指標(biāo)的在線監(jiān)測 27。中國專利“環(huán)保水質(zhì)遠(yuǎn)程監(jiān)控報(bào)警系統(tǒng)” (審定公告日為 2005 年 6 月 8 日、公開號 過中心計(jì)算機(jī)、基站計(jì)算機(jī)和在線監(jiān)測儀進(jìn)行聯(lián) 網(wǎng)，提供了水質(zhì)監(jiān)測的一種無線解決方案。使用該專利技術(shù)組建無線局域網(wǎng)不能進(jìn)行實(shí)施長遠(yuǎn)距離和大范圍的數(shù)據(jù)傳輸，其數(shù)據(jù)安全性也難以保障 28。 2）水產(chǎn)養(yǎng)殖的水質(zhì)監(jiān)控技術(shù) 我國水產(chǎn)養(yǎng)殖業(yè)起始于 70 年代，從 80 年代開始逐步從傳統(tǒng)的池塘養(yǎng)殖走向工廠化養(yǎng)殖。 1979年作為科研攻關(guān)項(xiàng)目的“中國對蝦工廠化人工育苗技術(shù)的研究”，開發(fā)對蝦養(yǎng)殖的控溫、充氣與攪拌技術(shù)，餌料商業(yè)化與營養(yǎng)供給技術(shù)，較為全面地形成我國水產(chǎn)養(yǎng)殖工廠化的基礎(chǔ)模式 29。目前工廠化水產(chǎn)養(yǎng)殖之所以發(fā)展較慢，主要因?yàn)閲鴥?nèi)發(fā)展工廠化水產(chǎn)養(yǎng)殖配套技術(shù)和設(shè)施少， 而國外設(shè)備能耗大，投資高、進(jìn)口一套國外的工廠化水產(chǎn)養(yǎng)殖系統(tǒng)約需 1200 萬人民幣 30。 水產(chǎn)養(yǎng)殖的水質(zhì)監(jiān)測的研究近年才起步，過去一般只能對流量、水溫和溶解氧三項(xiàng)進(jìn)行監(jiān)測，采用閾值法進(jìn)行水質(zhì)控制。工廠化水產(chǎn)養(yǎng)殖水質(zhì)監(jiān)測的技術(shù)瓶頸之一是自動(dòng)監(jiān)控的傳感器質(zhì)量問題。我國水化學(xué)儀表和傳感器比較落后，對于水質(zhì)自動(dòng)監(jiān)測系統(tǒng)中使用的傳感器，國產(chǎn)傳感器除了溫度、酸堿度、溶解氧方面質(zhì)量較好外，多數(shù)傳感器性能不穩(wěn)定、質(zhì)量較差、使用壽命低、標(biāo)定校準(zhǔn)操作復(fù)雜。 我國的水產(chǎn)養(yǎng)殖業(yè)中對水質(zhì)的監(jiān)測多半停留在使用監(jiān)測儀定期采樣上，在線監(jiān)測 系統(tǒng)很少。早期開發(fā)的水產(chǎn)養(yǎng)殖水質(zhì)自動(dòng)監(jiān)測系統(tǒng)和裝置也存在一些問題，主要體現(xiàn)在水質(zhì)環(huán)境的監(jiān)控還處于一種單傳感器、單參數(shù)的分析基礎(chǔ)上，水質(zhì)監(jiān)測設(shè)備自動(dòng)化程度低，同時(shí)監(jiān)測的參數(shù)少、實(shí)時(shí)性差，不能對水質(zhì)情況進(jìn)行全天候的監(jiān)控；水質(zhì)監(jiān)測系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)化程度不高、主要的采集網(wǎng)絡(luò)還是采用簡單的 485 總線技術(shù)為主，適應(yīng)惡劣環(huán)境的能力差、設(shè)備故障率高，或者代價(jià)費(fèi)用較高致使不宜大范圍內(nèi)安裝應(yīng)用；系統(tǒng)組網(wǎng)技術(shù)單一，通常只采用無線局域網(wǎng)技術(shù)構(gòu)成總線型結(jié)構(gòu)，新興的自組網(wǎng)技術(shù)方案沒有得到應(yīng)用和體現(xiàn)，不能實(shí)現(xiàn)長遠(yuǎn)距離的數(shù)據(jù)傳輸；網(wǎng)絡(luò)速度及數(shù)據(jù) 傳輸?shù)陌踩噪y以保障。目前，水質(zhì)監(jiān)測系統(tǒng)大多采用國外的設(shè)備和技術(shù)，國外進(jìn)口的價(jià)格十分昂貴，一套監(jiān)控氨氮的裝置的價(jià)格需要人民幣 55 萬元 31，即使引進(jìn)到水產(chǎn)養(yǎng)殖方面，也無法推廣使用。目前的養(yǎng)殖水平要求全套的監(jiān)控設(shè)施價(jià)格不能超過 10 萬元。 針對水產(chǎn)養(yǎng)殖中水質(zhì)監(jiān)測系統(tǒng)存在的這些問題，以及環(huán)保、水利領(lǐng)域所應(yīng)用的水質(zhì)監(jiān)測技術(shù)的研究現(xiàn)狀，國內(nèi)不少科研單位對水產(chǎn)養(yǎng)殖的水質(zhì)自動(dòng)監(jiān)測和調(diào)控進(jìn)行了大量的研究，取得了很多階段性成果。 中國農(nóng)業(yè)大學(xué)碩士學(xué)位論文 第一章 緒論 5 我國國家級羅非魚原種場廣東羅非魚良種漁場安裝水質(zhì)自動(dòng)監(jiān)控系統(tǒng)，對酸堿度、溶解氧、濁度、溫度進(jìn)行 測量監(jiān)控。上海水產(chǎn)大學(xué)李季冬等（ 1999）對工廠化水產(chǎn)育苗溫室技術(shù)進(jìn)行了研究，并采用多路轉(zhuǎn)換技術(shù)減少水質(zhì)參數(shù)傳感器的使用，大大降低了儀器設(shè)備費(fèi)用 32。河南省水產(chǎn)科學(xué)研究所朱文錦等（ 2001）對水產(chǎn)養(yǎng)殖環(huán)境參數(shù)的監(jiān)控也進(jìn)行了研究，開發(fā)了一套監(jiān)控系統(tǒng)，該系統(tǒng)具有監(jiān)測、運(yùn)算、預(yù)測、圖形顯示、打印、自動(dòng)與手動(dòng)功能 33。 盧文華等（ 2002）利用 列 89片機(jī)開發(fā)了 6 參數(shù)的水質(zhì)在線采集儀，利用一臺(tái) 1 的 進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，通過對水質(zhì)參數(shù)的在線監(jiān)測調(diào)整養(yǎng)殖水域的管理，提高了水產(chǎn) 養(yǎng)殖的經(jīng)濟(jì)效益 34。吳滄海等（ 2002）開發(fā)了一套漁業(yè)水質(zhì)自動(dòng)監(jiān)控系統(tǒng)，解決漁業(yè)生產(chǎn)過程中增氧、投飼、污水零排放和水質(zhì)自動(dòng)調(diào)理等環(huán)節(jié)的控制技術(shù) 35。 中國水產(chǎn)科學(xué)研究院漁業(yè)機(jī)械研究所（ 2003）完成了“廣東羅非魚良種場育苗車間”的設(shè)計(jì)建造。該車間分為親魚池、孵化池、魚種暫養(yǎng)池等生產(chǎn)區(qū)域，全部采用玻璃鋼水池和循環(huán)水系統(tǒng)，研制有先進(jìn)的脈沖式生物過濾器，具有水溫設(shè)定控制、水質(zhì)多參數(shù)檢測、生產(chǎn)過程監(jiān)控等功能 36。張如通、劉星橋（ 2005）提出了一種基于 經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的水產(chǎn)養(yǎng)殖水質(zhì)監(jiān)控系統(tǒng)。利用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)所具 有的任意非線性表達(dá)能力，建立自學(xué)習(xí)的 制算法來控制水環(huán)境溶解氧的含量，通過對系統(tǒng)性能的學(xué)習(xí)，從而實(shí)現(xiàn)具有最佳組合的 制。同時(shí)采用移動(dòng) 線通訊技術(shù)進(jìn)行遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)采集和監(jiān)控，在遠(yuǎn)程和現(xiàn)場監(jiān)控的 2 臺(tái)工控機(jī)上設(shè)計(jì)了功能豐富的監(jiān)控軟件，方便了用戶在不同地方進(jìn)行遠(yuǎn)距離監(jiān)控，性能穩(wěn)定 37。 江蘇大學(xué)秦云等（ 2006） 利用 件在 議基礎(chǔ)上建立的網(wǎng)絡(luò)化水產(chǎn)養(yǎng)殖監(jiān)控系統(tǒng)。該系統(tǒng)采用服務(wù)器 /客戶機(jī)模式。以實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫為核心，利用 現(xiàn)眾多功能模塊之間的數(shù)據(jù)通信，從而構(gòu)成 了一個(gè)功能豐富、操作靈活方便的系統(tǒng) 38。 中國水產(chǎn)科學(xué)研究院黑龍江水產(chǎn)研究所（ 2006），主要研究水產(chǎn)養(yǎng)殖的監(jiān)控，目前能比較成功有效的進(jìn)行水體中溫度、酸堿度、溶解氧的控制 39。江蘇大學(xué)電氣信息工程學(xué)院崔玉玲（ 2006）等設(shè)計(jì)的工廠化水產(chǎn)養(yǎng)殖監(jiān)控系統(tǒng)，基于 采用移動(dòng) 線通訊技術(shù)和互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)進(jìn)行遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)采集和基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的水質(zhì)監(jiān)控系統(tǒng) 40。 利用嵌入式網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和傳感器節(jié)點(diǎn)技術(shù)實(shí)現(xiàn)集約化水產(chǎn)養(yǎng)殖的數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化、分布式的本地或遠(yuǎn)程的實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)水質(zhì)調(diào)控是未來的發(fā)展趨勢。養(yǎng)殖水質(zhì)監(jiān)控系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)采 用有線和無線相結(jié)合的方法 ， 實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的數(shù)字化運(yùn)行是發(fā)展趨勢。 不管是在環(huán)保還是水產(chǎn)養(yǎng)殖領(lǐng)域，許多科研單位在水質(zhì)監(jiān)測方面取得巨大成就。但在水產(chǎn)養(yǎng)殖方面，建立區(qū)域化大規(guī)模水質(zhì)監(jiān)測系統(tǒng)，而且真正用于水產(chǎn)養(yǎng)殖生產(chǎn)管理的很少。但很少能實(shí)時(shí)在線進(jìn)行多參數(shù)同時(shí)監(jiān)測；對于偏遠(yuǎn)山區(qū)，需要使現(xiàn)場傳感器的數(shù)據(jù)能夠通過無線鏈路直接在網(wǎng)絡(luò)上傳輸、發(fā)布和共享數(shù)據(jù)并傳到遠(yuǎn)程監(jiān)測站，而目前實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程動(dòng)態(tài)傳輸?shù)南到y(tǒng)很少；傳感器技術(shù)的發(fā)展需要對更多的水質(zhì)因子監(jiān)測，如何實(shí)現(xiàn)在原有系統(tǒng)的基礎(chǔ)上增加監(jiān)測參數(shù)；規(guī)?；B(yǎng)殖監(jiān)測點(diǎn)的不斷增加，對于系統(tǒng)的可擴(kuò)展 性也提出要求。同時(shí)也提出如何針對需要方便增加各種I/O 設(shè)備，怎樣提高網(wǎng)絡(luò)的通信性能等一系列問題。 中國農(nóng)業(yè)大學(xué)碩士學(xué)位論文 第一章 緒論 6 究內(nèi)容與技術(shù)路線 本研究基于嵌入式網(wǎng)絡(luò)技術(shù)開發(fā)多參數(shù)的水質(zhì)動(dòng)態(tài)監(jiān)測裝置，實(shí)現(xiàn)對水溫、酸堿度、電導(dǎo)度、溶解氧、氧化還原電位、室溫、相對濕度、光照度等水質(zhì)和環(huán)境參數(shù)的實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)監(jiān)測；利用基于裝置和技術(shù)可以直接用于水產(chǎn)養(yǎng)殖場的水質(zhì)監(jiān)測，為水質(zhì)控制和食品安全溯源系統(tǒng)提供硬件設(shè)備和數(shù)據(jù)支持。用該水質(zhì)動(dòng)態(tài)監(jiān) 測裝置作為無線傳感器節(jié)點(diǎn)設(shè)置到各大型養(yǎng)殖場的監(jiān)測現(xiàn)場，利用樹型或星型網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)組建多區(qū)域、大范圍、分布式的水質(zhì)遠(yuǎn)程動(dòng)態(tài)監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)，為水產(chǎn)養(yǎng)殖業(yè)的生產(chǎn)者和管理者提供基礎(chǔ)設(shè)備和技術(shù)支持。 圖 1術(shù)路線 1on 確定目標(biāo) 水產(chǎn)養(yǎng)殖中水質(zhì)監(jiān)測參數(shù)的確定 水產(chǎn)養(yǎng)殖中水質(zhì)遠(yuǎn)程動(dòng)態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)的組建和實(shí)證實(shí)驗(yàn) 水質(zhì)動(dòng)態(tài)監(jiān) 測裝置的開發(fā) 遠(yuǎn)程信息服 務(wù)器的構(gòu)成 水產(chǎn)養(yǎng)殖監(jiān) 測網(wǎng)絡(luò)的組建 結(jié)論與建議 中國農(nóng)業(yè)大學(xué)碩士學(xué)位論文 第二章 水產(chǎn)養(yǎng)殖中水質(zhì)監(jiān)測參數(shù)的確定 7 第二章 水產(chǎn)養(yǎng)殖中水質(zhì)監(jiān)測參數(shù)的確定 為了“防止和控制漁業(yè)水域水質(zhì)污染，保證魚蝦、貝、藻類正常生長，繁殖和水產(chǎn)品的質(zhì)量”，國家環(huán)境保護(hù)部于 2005 年 6 月頒布了漁業(yè)水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)，提出了漁業(yè)水 質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)的各項(xiàng)指標(biāo)和監(jiān)測方法 41。經(jīng)過漁業(yè)工作者和養(yǎng)殖專業(yè)人員的努力，我國水產(chǎn)養(yǎng)殖業(yè)在農(nóng)業(yè)產(chǎn)值結(jié)構(gòu)中的比例在不斷提升，并逐漸成為農(nóng)業(yè)中的支柱產(chǎn)業(yè)之一。但是，農(nóng)業(yè)化肥、農(nóng)藥的使用，工業(yè)污水、廢氣的大量排放，對環(huán)境產(chǎn)生重大影響，特別是對江河湖海水域水質(zhì)的污染，對水產(chǎn)養(yǎng)殖環(huán)境造成很大的破壞。在水產(chǎn)養(yǎng)殖生產(chǎn)過程中，水生生物與水體的光照、溫度、溶解氧、浮游生物、有機(jī)耗氧量、酸堿度、氨氮、磷酸鹽等水環(huán)境因子之間的相互作用關(guān)系，直接關(guān)系到水產(chǎn)動(dòng)物魚、蝦、蟹、鱉的生長和發(fā)育，從而關(guān)系到水產(chǎn)養(yǎng)殖業(yè)的產(chǎn)量、質(zhì)量和經(jīng)濟(jì)效益。 質(zhì)參數(shù)與水產(chǎn)生物之間的動(dòng)態(tài)關(guān)系 水生物系統(tǒng)包括水生環(huán)境和水生物兩大部分。組成水生環(huán)境的成分種類繁多，大體上包括無機(jī)鹽、碳素、氨鹽、磷鹽，以及溫度、溶解氧、 。水生物分成水生植物和水生動(dòng)物：水生植物主要是指各種藻類；水生動(dòng)物則包括了水中的魚類、貝類和無脊椎類動(dòng)物。 圖注： (-)表示負(fù)相關(guān)， (+)表示正相關(guān) 圖 2質(zhì)主要參數(shù)與水產(chǎn)生物之間的動(dòng)態(tài)關(guān)系 2he of 影響水生動(dòng)物生長與發(fā)育的主要因子為電導(dǎo)率、濁度、酸堿度、溶解氧及水溫（圖 2電導(dǎo)率、濁度、酸堿度、水溫均與水生動(dòng)物呈負(fù)對應(yīng)關(guān)系，值越高對動(dòng)物越不利。水中的溶解氧則與水生動(dòng)物數(shù)量呈正對應(yīng)關(guān)系，隨著溶解氧的提高，水生動(dòng)物的呼吸作用加強(qiáng)，新陳代謝變得旺盛，因而數(shù)量就會(huì)越多。水中溶解氧含量又與溫度有關(guān)，溫度升高，溶解氧含量反而變少，溫度通過溶解氧這一間接因素對水生動(dòng)物起到的作用也呈負(fù)對應(yīng)關(guān)系。 鹽度 水生動(dòng)物 藻 類 濁 度 溶解氧 度 銨 鹽 磷酸 鹽 電導(dǎo)率 碳素 氮素 磷源 (-) (+) (-) (-) (-) (-) (+) (+) (-) (+) (+) (+) (+) (-) (-) (+) 中國農(nóng)業(yè)大學(xué)碩士學(xué)位論文 第二章 水產(chǎn)養(yǎng)殖中水質(zhì)監(jiān)測參數(shù)的確定 8 水中溶解氧 及濁度的變化很大程度上取決藻類的數(shù)量。藻類屬于生產(chǎn)者，其工作效率依藻類所含的葉綠素多少而定，藻類的工作能力則是效率和數(shù)量的乘積確定的。隨著水中藻類數(shù)量的不斷增多，水的 會(huì)升高，同時(shí)水中的懸浮物明顯增加，濁度也因此不斷提高。藻類對水中溶解氧的影響分兩種情況討論：白天