一種用於水產養殖的水質遠程動態監測系統的製作方法

2023-09-20 07:43:10 2

專利名稱：一種用於水產養殖的水質遠程動態監測系統的製作方法
技術領域：
本實用新型涉及養殖水體的水質綜合調控技術，尤其涉及一種用 於對水產養殖的養殖水域的多參數水質指標進行實時動態與遠程無 線監測的水質遠程動態監測系統。
背景技術：
近十年來，隨著工農業生產的發展和人民生活水平的不斷提高， 以消耗資源、犧牲環境為代價的傳統養殖模式已不能滿足水產養殖業 的生產需求與可持續性發展。高密度養殖與循環式養殖代表著水產養 殖行業在國際水產養殖行業的高科技，因此，如何挖掘資源潛力、提 高水產品質量和經濟效益使得工廠化養殖勢在必行，而水質自動監測 作為工廠化水產養殖中必不可少的組成部分在漁業現代化中將發揮
重要的作用。
水質自動監測是以在線式自動分析儀器為核心，運用現代傳感器 技術、自動測量技術、計算機應用技術以及相關的專用分析軟體和通 信網絡組成的一套在線自動監測體系。與常規方式相比，水質自動監 測不但減少了取樣、運輸、分析的工作量，其連續取樣，現場進行參 數分析的性能還能避免因運輸、放置時間較長而造成水樣發生物理化 學變化，水質監測的準確性得以提高。
國外的水質自動監測系統的搭建依賴於水質自動監測儀器，其研 究與生產主要集中在德國、法國、美國、日本、澳大利亞等發達國家，
主要廠商有德國的WTW和LAR、美國的HACH和YSI、日本的島 津製作所等。我國的水質監測長期以來一直釆用人工釆樣到實驗室分 析的辦法，隨著國家對水質的日益重視，水質自動監測儀器和監測系 統在近IO年來才開始研製和發展。目前，水質自動監測技術及裝置存在的主要問題有1)水質監測設備自動化程度低，同時監測的參
數少、實時性差，不能對水質情況進行全天候的監控；2)水質監測 系統的網絡化程度不高、適應惡劣環境的能力差、設備故障率高，或 者建設費用過高導致不宜大範圍安裝應用；3)系統組網技術單一， 通常只釆用無線區域網技術構成總線型結構，新興的自組網技術方案 沒有得到應用和體現，很難實現遠距離的數據傳輸；4)網絡速度及 數據傳輸的安全性難以保障。除此之外，水質自動監測大多採用國外 進口的設備和技術，價格昂貴，運行費用高，而且由於監測的水質參 數少，系統集成化、微型化、智能化、網絡化的實時動態遠程還不成 熟，很少用於工廠化水產養殖。
目前已有一些涉及水質自動監控的專利，例如，公開號為 CN1566958A的中國專利"一種多參數水質監測方法及設置"，通過離 子敏電極和傳感器釆集到的模擬信號經A/D轉換電路轉變為數字信 號，傳送至液晶顯示屏顯示。該專利可以同時在線監測水產養殖環境 水質多項理化指標，攜帶方便，操作簡單，檢測快速，成本低廉，但 針對偏遠地區的水產養殖必須人工介入，數據無法實現遠程傳輸，各 養殖單位之間的水質信息不能互訪，自動化程度低。另外，公開號為 CN1625110A的中國專利"環保水質遠程監控報警系統"，通過中心計 算機、基站計算機和在線監測儀聯網，提供了一個耗資低廉、切實可 行，且能同步實時、靈活介入地監測水質參數的一種無線解決方案， 但是使用通用的無線區域網，組網的形式簡單，不能很好地實施長遠 距離和大範圍的數據傳輸，數據傳輸的安全性也難以保障。

實用新型內容
針對現有水質自動監測技術及裝置的不足，本實用新型的目的是 提供一種用於水產養殖的水質遠程動態監測系統。通過該系統，可以 實時動態地遠程監測水質參數。
本實用新型的另 一種目的是提供一種基於嵌入式網絡技術和WiFi無線通信的水質動態監測裝置。
因此，本實用新型的一種用於水產養殖的水質遠程動態監測系
統，包括
多個設有無線通信模塊的水質動態監測裝置，分布在水質監測目 標區域，通過無線通信模塊構成區域網，用於實時動態監測水產養殖 中水質參數與環境參數變化情況；
CDMA通信裝置，用於將水質動態監測裝置與信息伺服器進行無 線通信；
虛擬專用網路由器，設置在本地或異地，用於在CDMA通信裝置 和信息伺服器之間建立構建虛擬專用網，從而進行無線通信； 所述多個水質動態監測裝置，構成星型或樹型的區域網。 所述的水質動態監測裝置，包括
傳感器模塊，用於驅動多個水質參數傳感器和環境參數傳感器， 用於採集檢測目標區域內水樣的水質和環境參數；
執行模塊，用於對檢測目標區域內的水質和環境進行水質和環境 處理；
監測模塊，基於WEB伺服器，將傳感器模塊釆集到的水質和環 境參數轉換為數位訊號並以動態網頁形式顯示，同時根據釆集到的水 質和環境參數控制執行模塊進行水質和環境處理；
無線通信模塊，有線連接監測模塊，並將所述多個水質動態監測 裝置通過無線連接方式構建成區域網；
電源模塊，用於對水質動態監測裝置的各個模塊進行電源供應。
所述水質參數包括水溫、溶解氧、酸鹼度、電導率，所述環境參 數包括溫度、溼度、光照、臭氧濃度。
所述無線通信模塊為WiFi模塊。
所述監測模塊具有乙太網接口、 A/D接口和I/0接口，其中A/D 接口用於將傳感器模塊採集的信息轉變為數位訊號上傳到監測晶片，I/O接口用於控制執行機構，乙太網接口用於連接無線通信模塊。
所述的水質動態監測裝置，還包括
變送器模塊，用於將傳感器模塊釆集到的信號轉變為電信號，並 將所述電信號傳輸給監測模塊；
繼電器模塊，用於控制執行模塊在各任務處理中進行切換。 本實用新型具有以下優點
1) 該實用新型釆用水質遠程動態監測系統實現了水溫、酸鹼度、 電導度、溶解氧、氧化還原電位、鹽度、濁度、光照度為主的多水質 參數的實時動態、遠程無線化監測，同時可以擴展到更多水質參數的 同時監測，並在不同區域內組建大規模、分布式的水質遠程動態監測 網絡。與其他水質在線監測系統相比，該水質遠程動態監測系統的監 測參數容易擴展、測量精度較高、兼容性好、成本比國外進口同類產 品降低了一半以上。
2) 該水質遠程動態監測系統是針對水產養殖槽中連續流動的養 殖水體進行流動式動態監測，這種設計方式既可保護傳感器、又可直 接過濾異物，易於維護和保養。該系統的流通式傳感器模塊設計不僅 保證了穩定、準確地測量養殖槽內的真實的水質變化，還能簡化系統 維護程序，提高了系統使用壽命。
3 )利用嵌入式網絡技術直接將水質傳感器的信息基於TCP/IP協 議進行網絡化獲取和傳輸，解決了傳統裝置中固件更新問題，也為網 絡化水質控制提供了硬體基礎，其系統基於TCP/IP協議的人機接口 使得系統不收任何作業系統的限制，只要有瀏覽器就可進行基於 HTTP動態網頁的存取，具有良好的系統兼容性和可操作性。
4)在養殖場內部基於802.11b/llg進行WiFi無線通訊，釆用樹
型或星型拓撲結構進行無線區域網組建以節約系統構建成本。遠程通 訊釆用了城巿蜂窩無線的CDMA數據增值服務與遠程的VPN路由器 建立基於IPsec的VPN連接，從而保證了水質信息的高度安全化的遠程無線連接。
5) 該水質遠程動態監測系統具有良好的通用性，通過合理的傳 感器校正不僅可以應用於淡水養殖和海水養殖，亦可在水質監測、廢 水處理中得到利用。
6) 本實用新型運用現代傳感器技術、嵌入式網絡技術、無線通
信技術和計算機技術，提供了一種水產養殖中水質遠程動態監測的裝 置和方法，形成一整套養殖車間水質遠程動態監測系統，克服了傳統 水質監測中參數少、自動化程度低、網絡化足足的不足，具有良好的 實用性和先進性，可為現代化水產養殖中網絡化、智能化的水質監測 提供硬體設備和技術支持。


圖i是本實用新型的一種水質動態監測裝置的結構示意圖2是本實用新型的水質遠程動態監測系統的結構示意圖； 圖3是本實用新型的分布式水質遠程動態監測網絡的示意原理圖。
其中B為帶有CDMA模塊的水質動態監測裝置；Sl,S2,…Sn為 水質動態監測裝置B; Sll,S12…Snn為水質動態監測裝置A。
具體實施方式
以下實施例用於說明本實用新型，但不用來限制本實用新型的範圍。
本實用新型基於嵌入式網絡和WiFi無線通信技術開發多檢測參 數的水質動態無線監測裝置，實現對水溫、溶解氧、酸鹼度、電導率 等水產養殖中水質參數與環境參數的實時動態監測，同時利用城巿蜂 窩無線數據服務與虛擬專用網技術，實現對水產養殖現場的水質動態 無線監測裝置的遠程無線化的實時動態數據的自動釆集與高可靠性 的信息遠程安全傳輸。
圖1為本實用新型的不帶有CDMA (Code Division MultipleAccess,碼分多址)模塊的水質動態監測裝置的結構示意圖，如圖1
所示，水質動態監測裝置設有用於檢測水質參數傳感器模塊和變送器 模塊、監測模塊、無線通信模塊、繼電器模塊、電源模塊以及執行機
構。所述水質動態監測裝置其外殼封裝由防水、防腐蝕的密封性PVC (polyvinyl chloride,聚氯乙烯塑料)材料構成，避免其內部電路受 高溼環境、腐蝕性物質或其它汙染物質的損壞。該裝置外部設有水樣 流通池，所述的水樣流通池，為PVC材質，設置有各種水質傳感器、 專用連接卡具，各接口都釆用帶有密封元件的螺紋式連接。
其中所述的傳感器模塊，包括水溫、酸鹼度、溶解氧、電導率等 水質傳感器，還包括溫度、溼度、光照度、臭氧濃度等環境傳感器， 用來獲得養殖槽的水質參數和環境參數。上述水質傳感器利用密封式 螺紋連接固定到水樣流通池中，用於實時動態釆集通過流通池中的水 樣的水質參數。並且上述傳感器模塊中的每個傳感器都設有相應的變 送器，通過相應的變送器使傳感器採集到的測量信號轉換為標準的電 信號，然後再通過監測晶片的A/D接口上傳到監測晶片中，使電信 號轉換為數位訊號。
其中所述的監測模塊，用於使傳感器模塊釆集到的數據以動態網 頁形式顯示，並且根據傳感器模塊採集到的數據控制執行機構的操 作，釆用PICNIC監測晶片，該晶片基於嵌入式WEB伺服器，併集
模數轉化和微處理於一體，使傳感器釆集的水質參數和環境參數數據 以動態網頁形式進行自動獲取和網絡化傳輸，只要有任意網絡瀏覽器 都可以瀏覽傳感器模塊釆集到的信息，以及瀏覽到執行機構的狀態。 該監測晶片直接嵌入了 WEB伺服器，同時具有乙太網接口(也即TCP 接口)、串行接口、 A/D接口和I/0接口，其中A/D接口用於通過變 送器模塊將傳感器模塊釆集的信息上傳到監測晶片，I/O接口用於通 過繼電器模塊控制執行機構。所述PICNIC監測晶片具有5個A/D接 口， 8個I/0接口，因此該晶片可以同時監測4個水質和環境參數的釆集，並控制8個執行機構的操作。根據監測項目的多少，來添加
PICNIC監測晶片的數量，比如說，可以使用2片PICNIC監測晶片， 共計有8個A/D通道來監測水溫、酸鹼度、溶解氧、電導率、大氣 溫度、大氣溼度、光照度等水質和環境要素。PICNIC監測晶片由曰 本TriState有限公司提供，其晶片中內置一個溫度傳感器用於實時監 測裝置內部的工作溫度。該監測晶片為了節約晶片資源不帶存儲器， 由於不需要作業系統從而解決了傳統數據釆集裝置的固件更新問題。
其中所述的執行機構，通常指進行養殖水域換水或增氧等的增氧 機、換水泵、循環泵、投餌機等，所述的執行機構被監測晶片控制其 操作，通過連接到監測晶片I/O接口的繼電器模塊來被監測晶片控制。
其中所述的電源模塊，包括12V直流電源、220V/12V開關電源 和電源分配器，電源分配器用於向裝置內各模塊或設備進行電源分 配。水質動態監測裝置可以使用220V商業交流供電或12V的直流供 電，在下面的實施例中。水質動態監測裝置的各模塊都採用了 12V 直流供電，在具體使用時把220V商業交流供電轉換成了 12V直流供 電再供給到各模塊。同時，為了防止水質動態監測裝置箱體內各電子 設備運行發熱並保持箱體內乾燥，在箱體邊緣頂部設置一個散熱風扇 使箱體內空氣形成一個固定循環流向。
所述的無線通信模塊，採用WiFi (Wireless Fidelity, 802.11b標 準)模塊，WiFi模塊用於在該水質動態監測裝置與其他水質監測裝 置之間進行無線通信，同時利用WiFi模塊自身帶有的集線器功能將 裝置內的各監測模塊連接起來。WiFi模塊在此裝置中採用 IEEE802.11b/llg標準，其通信速度為11M/54M,開放性區域的通信 距離為300-500米，封閉性區域的通信距離為50~100米。該WiFi 模塊還帶有4個乙太網接口的集線器功能用於有線連接其他嵌入式 WEB伺服器的PICNIC監測模塊。所述水質監測裝置通過WiFi模塊 與其它的水質監測裝置組成星型或樹型的區域網。在組成區域網內的多個水質動態監測裝置中，每個水質動態監測 裝置作為一個無線節點，除了具有上述的各個模塊外，其中的某個節
點的水質動態監測裝置還設有CDMA模塊，所述CDMA模塊，用於 與本地或異地的虛擬專用網(Virtual Private Network, VPN)路由器 建立基於IPsec的VPN連接。
通過使用上述水質動態監測裝置和無線網絡，構建一種水質遠程 動態監測系統，在該系統中，現場的每個水質監測裝置都可以作為無 線網絡的一個節點，利用WiFi無線技術構建無線區域網，再通過局 域網內某個節點的水質監測裝置內的CDMA模塊接入城巿蜂窩無線 CDMA網絡連接到網際網路上。只要CDMA模塊能夠接入網際網路，就 能與遠程的伺服器建立基於虛擬專用網VPN通道，從而實現現場的 水質動態監測裝置與本地或異地的遠程伺服器之間TCP/IP的遠程無 線通信。
下面結合圖2來說明本實用新型的水質遠程動態監測系統的組 建結構。在圖2中，水質動態監測裝置A表示為其內部不帶有CDMA 模塊，水質動態監測裝置B表示為其內部帶有CDMA模塊。
圖2為設置在某個養殖場的水質動態監測裝置B的系統結構示意 圖和水質遠程動態監測系統的組建示意圖。水質動態監測裝置B由 電源模塊、WiFi模塊、CDMA模塊、PICNIC監測晶片、變送器模塊 和傳感器模塊、繼電器模塊和執行機構組成，圖中實線代表電源連接， 虛線代表乙太網連接。水質動態監測裝置B與圖1中的水質動態監 測裝置A的不同之處在於增加了 CDMA模塊，該CDMA模塊用於 與本地或異地的VPN路由器建立基於IPsec的VPN連接，其他模塊 的功能與圖1中的水質動態監測裝置A相同。設置在本地或異地的 信息伺服器可以通過現場裝置的CDMA模塊和VPN路由器的VPN 通道成為該水質遠程監測網絡的一個節點，對現場設備的水質信息進 行實時動態、遠程無線化訪問。作為 一個實施例，水質動態監測裝置A設置在養殖槽的出水口 ，
水質動態監測裝置B設置在養殖槽的入水口 ，裝置A和裝置B之間 通過WiFi通信建立無線區域網，設置在某地(如北京)的VPN路由 器與裝置B的CDMA模塊建立VPN連接後，設置在北京的信息服 務器就可以作為虛擬區域網中的一個節點對裝置A和裝置B的水質 信息進行實時動態與遠程無線存取，信息伺服器利用專用的JAVA AGENT程序實現該水質遠程動態監測系統內的實時動態數據的自動 獲取和遠程無線化安全傳輸。
利用水質動態監測裝置A和裝置B作為現場水質監測裝置可以 在不同區域或不同養殖場之間建立大規模、分布式的水質遠程動態監 測網絡，如圖3所示。每個區域或養殖場的水質監測網絡的組建方式 可以是星型的，亦可是樹型的，每個現場水質監測裝置都是該無線傳 感器網絡的一個節點。不同區域或養殖場之間也可作為無線傳感器網 絡的一個節點來為與異地的VPN路由器和信息伺服器之間建立VPN 連接。利用上述拓撲結構組網就可以建立縣、巿、省、國家級水質監 測網絡，從而實現網絡化、智能化水質監測。
本實用新型的水質動態監測裝置採用了國產水質傳感器和變送 器降低生產成本，通過基於嵌入式WEB伺服器的監測晶片使數據以 動態網頁的形式進行自動獲取和網絡化傳輸，從而實現水質多參數的 實時在線動態釆集。該監測晶片不帶數據存儲器節省了晶片資源以用 於嵌入式WEB伺服器，不需要固件解決了作業系統更新等傳統水質 自動監測裝置的固件更新問題。現場的每套水質監測裝置都可以作為 無線傳感器網絡的一個節點，利用WiFi無線技術構建無線區域網， 再通過CDMA模塊接入城巿蜂窩無線CDMA網絡連接到網際網路。遠 程信息伺服器能利用各種寬帶或專用網模式接入網際網路，與現場的水 質檢測裝置建立基於IPsec的虛擬專用網(Virtual Private Network, VPN)通道實基於TCP/IP協議傳輸的遠程通信。上述這種監測裝置的組網方式解決了現場布線難及監測設備的擴充等問題，較易於實現 大規模、分布式、低成本化的水質遠程自動監測系統的構建。利用星 型或樹型拓樸網絡結構使得該水質遠程自動監測系統適應惡劣環境 的能力強、易於維護，通過無線方式連接到網際網路可以實現任意地點 的遠程無線化數據傳輸。現場監測設備與遠程信息伺服器之間利用
CDMA設備與VPN路由器之間建立的基於IPsec的VPN通道形成虛 擬區域網，從而保障數據傳輸的高度安全性。
本實用新型的水質動態監測裝置成本少，運行費用低，適合水產 養殖的發展現狀，該技術與系統的利用可以縮短養殖周期、降低生產 成本、提高水產養殖的技術水平與品質控制能力，同時可以減輕工人 勞動強度、擴大生產規模、提供生產管理的自動化程度，為水產養殖 信息化管理提供硬體設備和技術支持,使水產養殖向數位化、信息化、 智能化方向推進。
權利要求1、一種用於水產養殖的水質遠程動態監測系統，其特徵在於，包括多個設有無線通信模塊的水質動態監測裝置，分布在水質監測目標區域，通過無線通信模塊構成區域網，用於實時動態監測水產養殖中水質參數與環境參數變化情況；CDMA通信裝置，用於將水質動態監測裝置與信息伺服器進行無線通信；虛擬專用網路由器，設置在本地或異地，用於在CDMA通信裝置和信息伺服器之間建立構建虛擬專用網，從而進行無線通信；信息伺服器，用於實現自動獲取和遠程訪問來自水質動態監測裝置的實時動態數據，並可同時控制水質動態監測裝置的監測過程。
2、 如權利要求1所述的水質遠程動態監測系統，其特徵在於， 所述多個水質動態監測裝置，構成星型或樹型的區域網。
3、 如權利要求1所述的水質遠程動態監測系統，其特徵在於， 所述的水質動態監測裝置，包括傳感器模塊，包括多個水質參數傳感器和環境參數傳感器，用於 釆集檢測目標區域內水樣的水質和環境參數；執行模塊，用於對檢測目標區域內的水質和環境進行水質和環境 處理；監測模塊，基於WEB伺服器，將傳感器模塊釆集到的水質和環境參數轉換為數位訊號並以動態網頁形式顯示，同時根據釆集到的水質和環境參數控制執行模塊進行水質和環境處理；無線通信模塊，有線連接監測模塊，並將所述多個水質動態監測裝置通過無線連接方式構建成區域網；電源模塊，用於對水質動態監測裝置的各個模塊進行電源供應。
4、 如權利要求1或3所述的水質遠程動態監測系統，其特徵在於，所述水質參數包括水溫、溶解氧、酸鹼度、電導率，所述環境參 數包括溫度、溼度、光照度、臭氧濃度。
5、 如權利要求1或3所述的水質遠程動態監測系統，其特徵在於，所述無線通信模塊為WiFi模塊。
6、 如權利要求3所述的水質遠程動態監測系統，其特徵在於， 所述監測模塊具有乙太網接口、 A/D接口和I/0接口，其中A/D接口 用於將傳感器模塊釆集的信息轉變為數位訊號上傳到監測晶片，I/O 接口用於控制執行機構，乙太網接口用於連接無線通信模塊。
7、 如權利要求3所述的水質遠程動態監測系統，其特徵在於， 所述的水質動態監測裝置，還包括變送器模塊，用於將傳感器模塊釆集到的信號轉變為電信號，並 將所述電信號傳輸給監測模塊；繼電器模塊，用於控制執行模塊在各任務處理中進行切換。
專利摘要本實用新型涉及一種用於水產養殖的水質遠程動態監測系統。本實用新型採用水質遠程動態監測系統實現了水溫、酸鹼度、電導度、溶解氧、氧化還原電位、鹽度、濁度、光照度為主的多水質參數的實時動態、遠程無線化監測，同時可以擴展到更多水質參數的同時監測，並在不同區域內組建大規模、分布式的水質遠程動態監測網絡。與其他水質在線監測系統相比，該水質遠程動態監測系統的監測參數容易擴展、測量精度較高、兼容性好、成本比國外進口同類產品降低了一半以上。
文檔編號H04B7/00GK201242545SQ200820110030
公開日2009年5月20日 申請日期2008年8月14日 優先權日2008年8月14日
發明者李道亮, 賀冬仙 申請人:中國農業大學