第3章 智慧水產信息感知

智慧水產信息感知第3章3.1傳感器技術 3.2拉曼光譜技術 3.3智慧水產設備的可靠性 3.1傳感器技術3.1.1傳感器技術概述1.傳感器傳感器是檢測信息的裝置，負責把信息轉換成電信號，以便進行處理和分析。傳感器的內部結構中包含了敏感元件、轉換元件及信號調節(jié)與轉換電路，三者分別進行物體信息獲取、電信號轉換和電信號調制，最終輸出可供后續(xù)環(huán)節(jié)應用的電信號。傳感器的組成如圖3-1所示。圖3-1傳感器的組成3.1傳感器技術2.傳感器分類

傳感器種類豐富，分類方式多樣，其中較常用的分類方式如表所示。傳感器分類方式傳感器名稱按用途分力敏傳感器、氣敏傳感器、生物傳感器等按工作原理分電阻式傳感器、電壓式傳感器、光電式傳感器等按輸出信號分模擬傳感器、數字傳感器、開關傳感器按制造工藝分集成傳感器、薄膜傳感器、厚膜傳感器、陶瓷傳感器3.傳感器選擇傳感器性能主要包括靈敏度、一致性、準確性、可靠性、線性度和量程等指標。環(huán)境檢測對傳感器性能提出高要求，不同環(huán)境和區(qū)域對其性能產生差異。溫度、濕度、雷雨、空氣鹽霧、雷擊靜電等因素也會影響傳感器監(jiān)測結果。數據處理和校正是必要的，以應對外界因素引起的誤差。市場上存在許多未經專業(yè)處理的傳感器，它們的性能差異不大，因外界因素的干擾而導致數據不可靠，缺乏實際應用價值。3.1傳感器技術4.傳感器的數據處理傳感器將感知到的信息轉換為電信號，并由主控設備進行處理和分析。在使用過程中，受到設備質量、操作方法和外界干擾等因素的影響，傳感器容易出現(xiàn)誤差。誤差主要包括系統(tǒng)誤差、粗大誤差和隨機誤差。系統(tǒng)誤差是由傳感器本身問題或使用不當引起的，粗大誤差是由較大干擾引起的采樣數據突變，隨機誤差是由獨立、微小的偶然因素引起的。數字濾波和模擬濾波是常用的消除或減小誤差的方法。實驗中，智能氣象站與環(huán)境監(jiān)測站進行數據對比，結果顯示傳感器監(jiān)測數據經處理后準確性較高，與監(jiān)測站數據一致。圖示對比了大氣壓和溫度數據，說明傳感器數據經過處理后表現(xiàn)出明顯的準確性和一致性。3.1傳感器技術圖3-2智能氣象站和世紀公園監(jiān)測站大氣壓數據對比圖3-3智能氣象站和世紀公園監(jiān)測站溫度數據對比5.傳感器校準傳感器校準指的是在明確傳感器輸入與輸出關系的基礎上，使用標準儀器標定傳感器，其內容包括傳感器的工作特性、環(huán)境特性、物理與幾何參數等。將標準儀器產生的已知量作為被標定傳感器的輸入，將所得輸出量與輸入量作比較，即可了解傳感器的性能。傳感器的校準流程如圖所示。3.1傳感器技術3.1傳感器技術3.1.2傳感器產業(yè)1.傳感器產業(yè)現(xiàn)狀我國對傳感器的需求巨大，市場規(guī)模達數百億元。然而，國內自主生產的傳感器普遍存在靈敏度、準確性、穩(wěn)定性等問題，因傳感器及相關專業(yè)人才數量有限，研發(fā)進展緩慢，限制了其發(fā)展和應用。目前，市場上主要銷售美國、德國和日本制造的傳感器，這三個國家占據了絕大部分市場份額。國產傳感器存在可靠性、穩(wěn)定性方面的差距，缺少電子產品檢測標準和技術積累，亟需改進。在誤差校準方面，我國技術水平較低，未能采用先進技術處理誤差和壞值，導致性能差、感知不準確、穩(wěn)定性差。國內傳感器所使用的材料和工藝相對滯后，發(fā)達國家采用MEMS技術、納米技術，國內應用較少。此外，發(fā)達國家在通信技術領域的深入研究，如無線傳感器網絡，具有顯著優(yōu)勢，可推動我國傳感器產業(yè)發(fā)展。3.1傳感器技術2.傳感器產業(yè)化問題及解決策略目前傳感器產業(yè)發(fā)展存在的主要問題包括：（1）科技成果轉化率較低，產業(yè)化基礎薄弱。（2）對國外技術的依賴程度高。（3）市場競爭力不足。（4）成本優(yōu)勢不明顯。為改變傳感器產業(yè)相對落后的局面，需要加大對傳感器技術的研發(fā)力度，培養(yǎng)和聚集人才，進一步促進產學研結合。另外，政策引導、資金扶持等是促進傳感器研發(fā)成果轉化為現(xiàn)實生產力不可缺少的因素。傳感器行業(yè)發(fā)展整體戰(zhàn)略規(guī)劃和傳感器技術規(guī)范也應得到進一步明確。3.1.3傳感器在水產業(yè)中的應用傳感器技術在水產業(yè)領域主要用于水質監(jiān)測和養(yǎng)殖管理。在水質監(jiān)測方面，應用傳感器技術可以實時監(jiān)測水溫、pH值、溶解氧、氨氮、硝酸鹽等水質參數，幫助判斷水質條件是否符合水產生物生長需求，以便出現(xiàn)問題時及時采取措施進行調整。在養(yǎng)殖管理方面，應用傳感器技術可以監(jiān)測水產生物數量、重量、生長速度等參數，為控制養(yǎng)殖密度和投餌量提供依據，還可以監(jiān)控水泵、增氧機等設備的運行情況，輔助進行設備控制和維護。3.1傳感器技術3.2拉曼光譜技術3.2.1拉曼光譜技術原理拉曼光譜（RamanSpectroscopy，RS）技術基于拉曼散射原理進行分子光譜指痕鑒定，通過檢測光譜特性來分析物質特征。通過比對拉曼光譜間的差異可以辨別樣品中化學物質是否存在以及確定所包含化學物質的相對含量。不同拉曼光譜儀的系統(tǒng)結構大同小異，基本都由激光器、外光路系統(tǒng)、樣品控制系統(tǒng)、分光系統(tǒng)、光探測系統(tǒng)、計算機處理系統(tǒng)組成。

3.2拉曼光譜技術3.2.2拉曼光譜技術在水產領域的應用1.水產養(yǎng)殖有害物質檢測需求目前，水產養(yǎng)殖有害物質檢測主要采用液相色譜法、分光光度法、液相色譜-質譜聯(lián)用法、酶聯(lián)免疫法和毛細管電泳法等方法，通過抽樣檢測、對比判定限量值來確定產品是否符合標準，但這些方法在檢測成本、周期、精度等方面仍有所局限，因此，開發(fā)一套簡單、快速、準確的水產養(yǎng)殖有害物質檢測方法尤為重要。

2.拉曼光譜水產養(yǎng)殖有害物質定性檢測鑒于拉曼光譜技術的特點和水產養(yǎng)殖的生產需求，可將拉曼光譜儀作為智慧水產中的傳感器使用，完善水產養(yǎng)殖數據采集流程，結合數據網絡技術，可實現(xiàn)對水產生物生長質量的實時跟蹤監(jiān)測。使用拉曼光譜技術進行水產養(yǎng)殖有害物質檢測，以水產品或水產養(yǎng)殖投入品為檢測對象，檢測其中有害物質的殘留情況，具備普通有害物質檢測方法所無法比擬的優(yōu)越性。3.2拉曼光譜技術3.2.3拉曼光譜和神經網絡的智慧水產綜合應用拉曼光譜特征復雜，包括多個峰和波長范圍內的連續(xù)變化，使用傳統(tǒng)的分析方法很難捕捉到這些復雜的特征。神經網絡具有強大的模式識別、非線性處理能力以及泛化能力，可以識別、分類和定量化拉曼光譜數據，幫助確定樣品的成分、質量和安全性。因此，神經網絡成為了處理水產樣品拉曼光譜數據的一種有效工具。1.神經網絡在拉曼光譜數據處理中的應用神經網絡可用于處理拉曼光譜數據，包括預處理、分類和定量分析。通過神經網絡進行數據預處理，如使用主成分分析降維和小波變換去噪，提高了數據質量。在訓練和分類階段，神經網絡逐步調整參數以優(yōu)化分類性能，實現(xiàn)對不同樣本的識別和分類。此外，神經網絡還可用于將拉曼光譜數據與定量參數（如濃度）相關聯(lián)，實現(xiàn)對樣本的定量分析。2.智慧水產中的拉曼光譜和神經網絡應用將拉曼光譜和神經網絡應用于智慧水產中，可實現(xiàn)對水產品的快速、準確、非侵入性檢測和鑒別。例如，通過分析不同水產品的拉曼光譜特征，結合神經算法建立鑒別模型，可以快速鑒別水產品品種。此外，利用拉曼光譜技術檢測水產品的組成和含量，結合神經算法進行品質和營養(yǎng)價值評估。在養(yǎng)殖過程中，結合神經網絡分析水產品體內成分，實現(xiàn)對健康狀況的實時監(jiān)測和預警。還可應用于水質監(jiān)測和養(yǎng)殖加工中的質量控制和工藝優(yōu)化，促進水產養(yǎng)殖行業(yè)的發(fā)展。3.2拉曼光譜技術3.2.4拉曼光譜技術的水產業(yè)應用前景拉曼光譜檢測在水產業(yè)中應用廣泛，設備逐漸高精度、小型、便攜。目前技術仍需改進，主要問題有：1.定性與定量分析平衡：拉曼光譜技術主要用于物質的定性分析，而對于定量分析仍需深入研究建立模型，結合大量數據和人工智能算法。2.在線檢測技術發(fā)展：拉曼光譜檢測目前依賴人工采樣、檢測和識別，需研發(fā)具備實時在線檢測和數據分析功能的在線拉曼光譜儀，提高檢測效率和準確度。3.光譜信號處理：使用拉曼光譜技術檢測水產品時，需要采用曲線擬合、濾波去噪等方法對雜散光進行抑制，同時深入研究光譜信號提取技術，以優(yōu)化系統(tǒng)模型，確保檢測準確性。4.光學系統(tǒng)參數優(yōu)化：光學系統(tǒng)參數在影響拉曼光譜散射強度方面至關重要，需要設置合理的參數，進行系統(tǒng)模型優(yōu)化，以提高檢測結果準確性。5.數據庫更新與標準光譜圖：拉曼光譜數據庫的內容需要不斷更新，確保檢測時能夠找到相應的光譜圖進行比對。同時，豐富檢測方式和指標，優(yōu)化檢測穩(wěn)定性，以適應不同的檢測環(huán)境。6.設備研發(fā)與應用推廣：國內拉曼光譜技術在水產業(yè)應用仍處于起步階段，設備研發(fā)能力有限，需要結合國內外設計經驗，研發(fā)實用、低成本的拉曼光譜設備，推動技術應用在水產業(yè)的廣泛推廣。3.3智慧水產設備的可靠性

智慧水產是一個非常復雜的系統(tǒng)，不同領域、不同生產流程的環(huán)境差異大，較大的干濕度變化、溫度變化、腐蝕性氣體（鹽霧）等環(huán)境可靠性因素以及雷擊（Surge）、靜電放電（Electro-StaticDischarge，ESD）等電磁干擾因素都會對生產設備及其生產效率產生影響，因此電磁兼容、環(huán)境可靠性和安規(guī)的設計對于保障智慧水產設備穩(wěn)定性、可靠性和數據準確性具有重要意義。3.3智慧水產設備的可靠性3.3.1智慧水產設備的電磁兼容性智慧水產設備的可靠性和安全性受電磁兼容性能的影響。良好的電磁兼容性能要求設備既能抵抗外部電磁騷擾（EMD），也不會對其他設備造成電磁干擾（EMI）。電磁兼容性通過EMC測試進行評估，包括電磁敏感性（EMS）和電磁干擾（EMI）測試。電磁敏感性測試衡量設備對電磁影響的承受程度，低敏感性表示強大的電磁抗擾能力。測試項目包括靜電放電、射頻電磁場輻射、電快速瞬變脈沖群、雷擊浪涌等。電磁干擾分為傳導和輻射兩種傳播形式，對應不同測試方法。通過EMC測試，可以找出設備的電磁兼容薄弱點，指導改進設計以減少電磁干擾。電磁兼容設計的關鍵在于降低電磁干擾。這可以通過抑制騷擾源、破壞耦合機制、降低接收設備敏感度等方式實現(xiàn)。隨著智慧水產設備的廣泛應用，提升克服電磁干擾的技術手段是解決電磁兼容問題、確保系統(tǒng)正常運行的必要條件。3.3智慧水產設備的可靠性3.3.2設備的環(huán)境可靠性環(huán)境可靠性是智慧水產設備在特定環(huán)境下正常工作的概率。通過氣候和力學環(huán)境可靠性測試，以及綜合環(huán)境可靠性測試，可以了解設備的表現(xiàn)并進行可靠性改進。同時，采用環(huán)境適應性設計，包括消解環(huán)境影響和提高抗環(huán)境干擾能力，有助于應對不同環(huán)境條件。智慧水產設備的環(huán)境可靠性提高有助于降低事故風險，減少經濟損失，對行業(yè)規(guī)范的建立也至關重要。3.3智慧水產設備的可靠性3.3.3設備安規(guī)安規(guī)（ProductCompliance）是為了確保產品在設計、制造、使用等方面符合特定國家或地區(qū)的安全標準和法規(guī)的一系列規(guī)定。智慧水產設備的安規(guī)認證涉及電流、溫度、電磁兼容性等測試，確保設備在各個方面滿足法規(guī)要求，提高其安全性和競爭力。安規(guī)設計側重于防止人身傷害和設備損壞，與物聯(lián)網安全設計有所不同。通過安規(guī)認證，智慧水產設備可獲得證書和標志，證明其符合安全標準，提高可靠性和使用壽命。3.3智慧水產設備的可靠性3.3.4智慧水產系統(tǒng)故障診斷水產業(yè)智能化發(fā)展將推動智慧水產系統(tǒng)規(guī)模和復雜度的提升。為確保系統(tǒng)的可靠性和安全性，科學監(jiān)控和管理智慧水產系統(tǒng)是必要的。在故障發(fā)生時，及時