基于无人船的水产养殖物联系统的制作方法

1.本实用新型属于水产养殖技术领域，具体涉及一种基于无人船的水产养殖物联系统。


背景技术：

2.传统的水产养殖户多为小户养殖和经验养殖，在实际养殖过程中盲目投放饵料，造成饵料沉积、水质富营养化，既污染了水体，同时又存在较高的养殖风险。目前我国在水产信息化和智能化方面，几乎是空白的。从市面上出现的无人智能养殖设备来看，大多只能是定点监控，监控范围十分有限，且监测器容易损坏，维修也较麻烦，对于流动的水生动物的分类不能准确判定，无法准确分析某一水域的水生动植物及其适应环境。


技术实现要素：

3.本实用新型针对现有技术中的不足，提供一种基于无人船的水产养殖物联系统，将智能监测与水产养殖无人船、智能物料投放无人船和一些水产养殖设备(如投料机、增氧泵等)通过无限传输技术实现互联，形成一个智能化水产养殖物联网系统。其中，智能监测与水产养殖无人船能够在指定水域巡航监测水体温度、 ph值和溶氧值等参数，并将数据传回云端，投料机、增氧泵等其他物联设备可以根据传输回来的信息进行增氧及自动喂食等工作，智能物料投放无人船能够实现定点定深度的物料投放。同时所有设备均为模块化，便于故障排查和维修，增加系统的稳定性。
4.为实现上述目的，本实用新型采用以下技术方案：
5.基于无人船的水产养殖物联系统，包括智能监测与水产养殖无人船、云端服务器、客户端、执行端及设备联动控制器；
6.智能监测与水产养殖无人船、客户端及执行端分别与云端服务器通信连接；
7.智能监测与水产养殖无人船上设有中央控制器、水质监测传感器、高清夜视摄像头、无线通信模块、超声波避障模块、电机、锂电池及太阳能板；
8.云端服务器用于接收和存储智能监测与水产养殖无人船上传的监测数据和水面监拍图像，并对数据进行分析处理，将处理后的图像和数据传输到客户端；
9.客户端包括上位机、人机互动界面及数据库查询网页，能够根据数据分析结果向其他设备发送控制指令；
10.执行端包括带有无线通讯模块的物料投放装置及水产养殖设备；
11.设备联动的控制器为智能远程控制插座，包括wifi模块及继电器模块，继电器模块根据wifi模块收到的上位机的指令进行开闭，控制执行端设备的工作。
12.为优化上述技术方案，采取的具体措施还包括：
13.进一步地，智能监测与水产养殖无人船包括船体，设置在船体内的无线通信模块与中央控制器相连接；无线通信模块还与高清夜视摄像头、航速航向控制模块、超声波避障模块相连接；中央控制器与水质监测传感器相连；上位机与无线通信模块无线通信连接。
14.进一步地，智能监测与水产养殖无人船的水质监测传感器包括采用rs485 通信协议并联设置的高精度的ph值、温度、氨氮、溶解氧、浊度、盐度常规六参数传感器，并与中央控制器上的rs485接口相连接；水温传感器通过ad转换直接与中央控制器连接；水质监测传感器还包括与中央控制器连接的采样装置。
15.进一步地，工作人员通过上位机发出采样指令，上位机发送给无限基站/无线网桥节点，节点通过网络与中央控制器通信，中央控制器控制电机转动，释放采样装置进行采样。
16.进一步地，中央控制器将数据进行处理后通过无线基站或网桥与上位机进行通信，完成多要素水质监测与传输。
17.进一步地，执行端的水产养殖设备包括增氧泵、排灌机、净化器、投饲机、智能物料投放船。
18.进一步地，物料投放装置包括智能物料投放无人船，用于将物料投放到指定的深度。
19.进一步地，人机互动界面包括水质监测和实时监控界面。
20.进一步地，数据库查询网页包括设备管理、信息日志、用户管理页面。
21.本实用新型的有益效果是：本实用新型的所有设备通过物联网互联，能够对水产养殖实现实时的在线监测和监测预警，第一时间掌握到科学合理的监测数据，并及时就水生态环境和水产作物的情况做出反应，如增氧、投食、问题治理等。本实用新型通过对各功能模块的高度系统集成与多要素传感器的模块化整合，使本技术具有低成本、小型化、便携性高的特点。
附图说明
22.图1是本实用新型的水产养殖物联系统结构示意图。
23.图2是本实用新型的智能监测与水产养殖无人船结构示意图。
24.图3是本实用新型的多要素水质监测与数据传输结构示意图。
25.图4是本实用新型的自主巡航系统结构示意图。
26.图5是本实用新型的设备联动控制器结构示意图。
27.图6是本实用新型实施例的智能物料投放无人船。
28.图7是本实用新型实施例的物料投放流程图。
29.附图标记：1
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智能监测与水产养殖无人船；2
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云端服务器；3
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客户端；4
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执行端；5
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设备联动控制器。
具体实施方式
30.现在结合附图对本实用新型作进一步详细的说明。
31.针对传统养殖依靠经验监测、人工巡航、缺乏实时预警等问题以及现有的智能渔业养殖无人船成本过高、运行范围有限、投放物料有限等问题。本实用新型提出了以无人船为核心的水产智能养殖物联系统，本系统包含但不限于智能监测与水产养殖无人船、智能物料投放船、投饲设备、增氧设备、排灌设备、净化设备等，以及实现数据存储与处理的云服务器和人机交互的客户端3。其中，客户端3是该系统的控制中枢，实现监测信息的接收、存
储和分析，通过界面显示实现人机交互，根据分析结果向其他设备发送控制指令；智能监测与水产养殖无人船1作为感知端，进行水质状态监测，并通过视频方式抓取水面信息，随之将监测数据发送到云端存储并进行分析；其他水产养殖设备如增氧泵、排灌机和投料泵等作为执行端4，根据客户端3发送的指令自动进行工作。该系统实现了水产养殖的数字化、信息化，每一项设备作业均是在实时数据的指导下进行，具有着科学性、精确性以及时效性。这种全新的养殖方式不仅降低养殖的人工成本，屏蔽了人工养殖经验误差问题，还能够有效预防养殖生态环境的恶化，对于当前水产养殖行业具有良好的促进和补充作用。
32.如附图所示，智能监测与水产养殖无人船1、客户端3及执行端4分别与云端服务器2通信连接。
33.智能监测与水产养殖无人船1作为物联系统的感知端，包括船体，设有中央控制器、水质监测传感器、高清夜视摄像头、无线通信模块、超声波避障模块、电机、锂电池及太阳能板；搭载的多种水质监测传感器包括：高精度的ph值、温度、氨氮、溶解氧、浊度、盐度常规六参数传感器。设置在船体内的无线通信模块与中央控制器相连接；无线通信模块还与高清夜视摄像头、航速航向控制模块、超声波避障模块相连接；中央控制器与水质监测传感器相连；上位机与无线通信模块无线通信连接。在本实用新型的一个实施例中，中央控制器采用单片机 stm32。
34.通过基于深度学习的机器视觉算法、高清夜视摄像头、gps模块、超声波避障模块实现监测无人船在河道内的智能化航行与主动避障。
35.采用无限基站和网桥双路通信，完成服务器、无人船和客户端3之间的信息交互。
36.使用一对无刷直流电机搭配双h桥电机驱动模块为无人船航行提供动力。双h桥电机驱动模块是驱动芯片l298n的内部模块；stm32发送pwm信号给 l298n，驱动芯片控制电机旋转。
37.采用锂电池与太阳能板组合方式为无人船提供能源动力，同时提高了续航能力。
38.云端服务器2和客户端3作为物联系统的中枢，采用c#语言编写上位机系统，实时显示船体运动数据和位置信息、采集画面、水质信息等，并能实现远程操控。
39.采用mysql制作可查询数据库网页，实现设备管理、信息日志、用户管理等功能。
40.搭建云服务器，使用sobel边缘监测算法实现河岸分离(引用论文余加俊, 骆文韬,徐飞鸿,魏长赟.智能清漂船河道边界图像识别算法.电子设计工程.2018,26(13),132
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136)，采用基于改进的yolo v3算法实现水面异物监测(引用专利cn111723657a)，采用基于蚁群算法实现航线规划(引用专利 cn107816999a)。
41.水产养殖设备联动控制器5作为物联系统的执行端4，以继电器改接到原有设备电源中，无线通信模块并入物联系统，使增氧泵、排灌机、净化器、投饲机等设备根据无人船巡航监测数据，精准开启运行与关闭，满足严苛的水产养殖环境条件要求，减少不必要的损失，同时节省用电，降低生产成本。
42.将实用新型专利名为带有液体物料投放装置的无人船作为执行端4，通过4g dtu模块实现船体信息与上位机指令之间的远程交互，根据上位机的指令定点定深地投放物料。
43.智能监测与水产养殖无人船1将监测数据和和水面监拍画面的发送给云端服务器2，云端服务器2进行数据的处理，然后将处理后的画面和数据传输到客户端3，客户端3采用
远程控制技术对执行端4进行操控。
44.智能监测与水产养殖无人船1，搭载多种传感器，是一种能够对江河湖泊及近海水质数据进行采集、监测信息并综合监控与评估，并且结合了自动投放等功能的智能化系统设备。该设备其总体结构示意图如图2，通过无人船系统设计方法和水质监测系统设计方法的结合，对河道水质进行无人监测，并在此基础上与地面监控站数据综合分析。该设备的多要素水质监测与数据传输结构如图3，该设备搭载了ph传感器、氨氮、溶解氧、浊度和盐度传感器采用rs485通信协议并联在一起，并与中央控制器上的rs485接口相连接。水温传感器通过ad转换直接与中央控制器连接。中央控制器将数据进行处理后通过无线基站或者网桥与上位机进行通信，完成多要素水质监测与传输。采样装置与中央控制器连接，工作人员通过上位机发出采样指令，上位机发送给无限基站/无线网桥节点，节点通过网络与中央控制器通信，中央控制器控制电机转动，释放采样装置进行采样。该设备的自主巡航系统结构如图4，采用蚁群算法和sobel边缘监测算法、高清夜视摄像头、gps模块、超声波避障模块实现监测无人船在河道内的智能化航行与主动避障并且结合了改进的yolo v3算法实现水面异物监测(引用专利 cn111723657a)。当遇到水面障碍物时，无人船根据具体情况进行避障，如果不能顺利通过则向上位机监控平台发送警报信息并上报自己所在位置，请求岸基监控上位机重新发送导航指令并进行相应的路径规划，继续驶向目的地。自主巡航系统是通过gps全球卫星定位系统将无人船的当前位置和岸基监控上位机发送的目的地进行比较，并根据存储在存储器里面的电子地图进行计算比较，从而规划出合理的路线。无人船开始自主导航时，首先在上位机上进行目的地设定，并根据无人船返回的当前所在的经纬度信息，计算出无人船自主航行的速度和角度，将速度和角度等指令通过基站接入/无线网桥通信模块传输到无人船的下位机主控制中心stm32集成控制板，当接收到相应的指令后，将速度和角度转化为 pwm数据，从而驱动无人船的驱动器运转，驶向终点，其中无人船的驱动模块使用一对无刷直流电机搭配双h桥电机。无人船在运动中，不断的更新所在的位置，经过不断调整当前位置和终点的映像关系，实现无人船的自主导航。采用无限基站和网桥双路通信，完成服务器、无人船和客户端3之间的信息交互。
45.云端服务器2和客户端3是该系统的控制中枢，实现监测数据和水面监拍画面的接受和存储，同时为减轻上位机的负载，部分数据在云服务器进行计算分析，然后将处理后的画面和数据传输到客户端3。上位机采用采用c#语言编写上位机系统，实时显示船体运动数据和位置信息、采集画面、水质信息等，并能实现远程操控。搭建云服务器，使用sobel边缘监测算法实现河岸分离(引用论文余加俊,骆文韬,徐飞鸿,魏长赟.智能清漂船河道边界图像识别算法.电子设计工程.2018,26(13),132
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136)，采用基于改进的yolo v3算法实现水面异物监测(引用专利cn111723657a)，采用基于蚁群算法实现航线规划(引用专利 cn107816999a)。客户端3分为实时界面和数据库查询网页两部分，实时界面显示实时监测信息、水面实时状况、其他设备工作状况和简单的人工操作指令等；数据库查询网页采用mysql制作，主要是通过网页登陆的方式查询数据库中存储的历史数据，其中包括水质监测数据和其他设备作业数据，显示设备管理、信息日志、用户管理等界面。
46.其他水产养殖设备如增氧泵、排灌机和智能物料投放船等作为执行端4，根据客户端3发送的指令自动进行工作。本实用新型设计了一种智能远程控制插座作为设备联动控制器5，插座的系统结构如图5。实现物联系统自动远程控制设备工作。智能远程控制插座主
要由wifi模块和继电器模块组成，根据wifi模块接收到的上位机的指令，决定继电器开闭，从而实现控制执行端设备的工作。智能物料投放无人船如图6，主要实现将特定数目的物料投放到指定的深度。其投放流程图如图7所示，第一步上位机对无人船进行初始化，所有电磁阀处于关闭状态、水泵关闭、牵引电机将投放绳收紧；第二步不同液体物料分仓填装，并按顺序编号；第三步在上位机设置相应编号物料需要投放的位置坐标、深度和剂量，并将深度和剂量信息分别换算成牵引电机转动圈数和水泵工作时间，并将指令传送到无人船；第四步无人船收到指令后，自主航行到第一个物料投放位置，牵引电机工作，将弹簧水管下放到指定深度，第一仓室电磁阀打开，水泵工作，工作到相应投放剂量对应的时间后电磁阀关闭，水泵关闭；第五步水泵再次打开，外置管电磁阀打开，工作预设时间后电磁阀关闭，水泵关闭，抽取该水域中水清洗多仓连接管，防止物料混淆污染，然后牵引电机收紧投放绳收回弹簧水管；第六步其他仓室物料投放方式均同第一仓室；第七步完成投放工作，无人船返航到出发位置或指定位置。
47.本实用新型提供的基于无人船的水产养殖物联系统具有如下优点：
48.(1)该系统能够实现实时的在线监测、养殖智能化管理和监测预警。
49.其中客户端实现人性化人机交互，云端数据自动分析，感知端自动巡航监测，且集成了深度学习、无线通信和嵌入式技术等，执行段可自动化或半自动化工作。
50.(2)基于同样的船体构架，将无人船内舱改造成物料仓，经过独特的舱体设计，无人船能够搭载不同的物料，实现自动巡航，定点定深定量定样的物料投放。
51.(3)所有设备通过物联网互联，能够第一时间掌握到科学合理的监测数据，并及时就水生态环境和水产作物的情况做出反应，如增氧、投食、问题治理等。
52.(4)通过大数据技术，对不同水产的养殖环境进行分析，方便用户选择合适的物种进行养殖，帮助没有经验的水产用户能够简单快捷地得到收益。
53.(5)通过对各功能模块的高度系统集成与多要素传感器的模块化整合，实现本实用新型低成本、小型化、便携性高、吃水浅、转向灵活、应用场景广等优势，不受暗礁、渔网影响，能自主避开礁石、渔船等障碍物，实现全水域无死角探测。
54.以上仅是本实用新型的优选实施方式，本实用新型的保护范围并不仅局限于上述实施例，凡属于本实用新型思路下的技术方案均属于本实用新型的保护范围。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型原理前提下的若干改进和润饰，应视为本实用新型的保护范围。