張 洲 查 吉 祁樹亮

（江蘇農林職業(yè)技術學院信息工程學院，江蘇 鎮(zhèn)江 212400）

0 引言

中國水產養(yǎng)殖占世界水產養(yǎng)殖總量的60%以上。水產品年產值超過1萬億元。然而，中國仍處于初級階段，尤其是傳統(tǒng)的人工捕魚和人工與機械相結合的捕魚技術。隨著我國水產養(yǎng)殖業(yè)的快速發(fā)展，環(huán)境污染、水資源質量差、水資源浪費等一系列問題逐漸顯現。這些問題直接導致水產養(yǎng)殖的低質量、低產量、水體富營養(yǎng)化。水產養(yǎng)殖業(yè)每年都面臨巨大損失。為了解決長期困擾水產養(yǎng)殖業(yè)的疾病多、養(yǎng)殖方法不科學、技術問題多、水產養(yǎng)殖知識缺乏、技術服務滯后、產品質量差、養(yǎng)殖過程缺乏監(jiān)測、產品溯源困難等問題?；谥悄芡评砑爸R獲取、數據處理模型以及物聯網水產品安全預警方法和溯源系統(tǒng)，有效監(jiān)測水產養(yǎng)殖、物流和營銷的環(huán)境參數。人工飼料和藥物使用超標時，系統(tǒng)會自動報警，保持水環(huán)境無污染，實現全程無紙化和低碳環(huán)保。

1 市場中的水產養(yǎng)殖現狀

為了解決傳統(tǒng)水產養(yǎng)殖在污染、食品安全、自然災害和常見疾病等方面存在的問題，水產養(yǎng)殖的產業(yè)化、機械化和產業(yè)化已成為水產養(yǎng)殖的新模式之一。采用先進的農業(yè)技術，可實現機械化、自動化、工廠化循環(huán)水產養(yǎng)殖，通過循環(huán)水和廢水處理，實現高密度種植。消除養(yǎng)殖池中的飼料和糞便等有害顆粒物，創(chuàng)造良好水質的健康養(yǎng)殖環(huán)境，對節(jié)約水資源也有重要作用。

21世紀初，我國一些高校和科研院所逐步開始將智能物聯網技術應用于漁業(yè)研究領域。中國農業(yè)大學開發(fā)的“網絡化魚病診斷專家系統(tǒng)”和中國農業(yè)大學開發(fā)的“網絡化淡水蝦養(yǎng)殖系統(tǒng)”采用正向推理方法開發(fā)了疾病診斷和安全預警技術。然而，該系統(tǒng)沒有充分考慮疾病診斷的不確定性，人機界面相對簡單。福建省相關水產養(yǎng)殖機構也建立了以魚蝦為主的水產養(yǎng)殖疾病在線診斷咨詢系統(tǒng)，以圖像的形式顯示水產疾病，但這只是對數據庫的簡單查詢，沒有完整的疾病評估和證明機制。無法提前分析、生成和處理適當的醫(yī)療記錄。

傳統(tǒng)水產養(yǎng)殖和水產養(yǎng)殖的大數據應用將有助于發(fā)展智能化水產養(yǎng)殖設施，彌補傳統(tǒng)水產養(yǎng)殖的不足。基于智能系統(tǒng)的理論和技術，研究了水產養(yǎng)殖疾病診斷、預防和治療以及全過程管理的各種思維機制和知識表示策略。將數據、信息和知識納入水產養(yǎng)殖疾病的診斷、預防和治療以及整個過程管理，并設計和開發(fā)水動物專家系統(tǒng)。

2 設計的技術服務

基于物聯網與大數據相結合的水產養(yǎng)殖服務新理念，利用互聯網、人工智能與專家系統(tǒng)、無線傳感器、物聯網等技術，構建完整的智能水產養(yǎng)殖服務平臺。以解決長期困擾水產養(yǎng)殖行業(yè)問題，如養(yǎng)殖方法不科學、常見病多、技術推廣問題多、技術服務不成熟、產品質量低、產品可追溯性差等。基于無線傳感器網絡、RFID、Web服務的水產品全過程質量跟蹤方法。信息管理、決策支持和其他技術確保了農民在水產養(yǎng)殖生產中的質量控制。

2.1 基于專家系統(tǒng)技術的水產品質量安全預警

基于智能系統(tǒng)的理論和技術，開發(fā)了各種推理機制，并利用大量數據進行知識匯總，為策略研究服務。與此同時，水產養(yǎng)殖專家系統(tǒng)正在利用區(qū)域數據進行開發(fā)，如水產養(yǎng)殖過程中的生物疾病診斷，以及在大數據環(huán)境下對整個水產養(yǎng)殖過程進行實時監(jiān)測和管理。在現有技術的基礎上拓展與兼容漁業(yè)知識，以便有效表達和有機融合有關漁業(yè)的知識；知識融合、技術協作和主從論證推理的結合解決了魚病診斷過程中的不確定性問題，顯著提高了智能系統(tǒng)的可解性。

2.2 基于物聯網技術的水產品溯源技術

Arduino軟硬件平臺結合了無線傳感器網、RFID、Web service、信息管理和輔助決策等功能，可以對水產品的全過程質量進行跟蹤。該系統(tǒng)不僅能自動監(jiān)測水產養(yǎng)殖水質、物流、營銷等環(huán)境數據參數，而且能耗低，穩(wěn)定性強，數據采集終端節(jié)點和采集節(jié)點主控板均基于Arduino開源電子原型平臺。以可以實現水質數據、物流、銷售環(huán)境和水產養(yǎng)殖監(jiān)測點位置信息的采集、存儲、處理和傳輸。通過網絡服務實現水產品供應鏈各個環(huán)節(jié)數據信息的傳輸、集成和傳播；主控板采用基于Arduino的開源電子平臺。采集終端主板主要由四個功能模塊組成：ZigBee模塊、SD卡存儲模塊、GPS模塊和水質儀表模塊；匯聚節(jié)點主板主要由ZigBee模塊、SD卡存儲模塊、GPRS模塊和GPS模塊組成。ZigBee模塊使用XBee Pro S2以提高通信距離，用于無線傳感器網絡的無線通信。采集終端與匯集節(jié)點結構圖如圖1、圖2所示。

圖1 采集終端

圖2 匯聚節(jié)點

在這一系列過程中，不僅可以通過智能數據采集快速有效地采集所有相關數據，還可以實現零污染信息的采集。在水產養(yǎng)殖過程中，水產品安全預警系統(tǒng)用于實時監(jiān)測養(yǎng)殖池塘的水質參數。如果人工飼料和藥物超標，系統(tǒng)會自動報警并結合當前的水質參數做出相應處理，以保持水環(huán)境清潔、無污染。

將水產品從育苗、繁育、加工、包裝、營銷等相關過程信息和數據，收集、傳輸和匯總到水產養(yǎng)殖可追溯系統(tǒng)平臺上，每個水產品通過平臺獨特的加密算法進行唯一標識。標識與水產品相關聯，實現與水產品相對應的標識，確保水產品的質量和安全。溯源系統(tǒng)中的數據分析不僅滿足了溯源信息的要求，而且保證了溯源系統(tǒng)的可移植性、通用性和可擴展性。一方面可以監(jiān)控水產品供應鏈的各個環(huán)節(jié)，及時發(fā)現和消除安全隱患，實現從魚塘到餐桌的全過程管理。另一方面，它也使得養(yǎng)殖戶們足不出戶就可以獲得關于養(yǎng)殖池的各種信息。同時，還增加了漁業(yè)領域的知識表示策略、知識融合的推理機制、多技術協作和主從論證推理、集成的智能控制人工知識獲取環(huán)境以及基于數據挖掘的自動和半自動知識獲取，基于數據庫和知識庫的知識發(fā)現集成機制，最終可有效地解決了漁業(yè)信息處理系統(tǒng)中知識獲取的瓶頸問題。溯源結構圖如圖3所示。

圖3 溯源結構圖

3 服務平臺使用成效

3.1 研發(fā)水產養(yǎng)殖智能服務平臺

經項目團隊研究，利用現代主流計算機軟件和網絡技術，開發(fā)了水產養(yǎng)殖智能服務平臺。它采用B/S結構的多層設計：客戶級、Web服務級、應用服務級和數據源級。多層體系結構減輕了Web服務器的負擔，有創(chuàng)建和管理連接的緩沖池的技術功能、事務操作和安全服務，并提高了Web應用程序的可伸縮性、可靠性、可管理性和靈活性。這種多層結構將現有的Web服務器物理上分為兩層：Web由Java servlet、ASP或JSP組成。等待執(zhí)行用戶的請求，分析任務，將邏輯層任務發(fā)送到應用服務器進行處理，等待結果，形成相應的HTML文本并返回給用戶；應用服務器（邏輯層）必須執(zhí)行會話層任務，在這種情況下，它包含操作所有邏輯構件以有效運行、與數據層交互協作并返回結果的必要條件。

3.2 水質數據采集系統(tǒng)的設計和實現

本研究開發(fā)了安裝在浮標上的智能無線傳感節(jié)點，并利用ZigBee、GPRS等通信技術建立了能實時、連續(xù)獲取、記錄一定范圍內監(jiān)測水質參數的無線傳感網，將水質、天氣等環(huán)境數據參數傳輸傳送到數據庫服務器，監(jiān)控數據可以在個人或移動終端上顯示。

4 結語

以智能水產養(yǎng)殖為目標，利用人工智能、專家系統(tǒng)、無線傳感器網絡、RFID、Web service等技術，設計并構建了一個新型的水產養(yǎng)殖智能綜合服務平臺。平臺采用自動數據采集裝置，實現零污染信息采集。水產品安全預警系統(tǒng)實時監(jiān)測影響水產品質量的水質參數。在水產養(yǎng)殖過程中，當人工飼料和藥物的使用超過標準時，系統(tǒng)會自動報警并實施相應的規(guī)劃措施，以保持水環(huán)境清潔，解決養(yǎng)殖方法不科學、疾病頻發(fā)和污染嚴重的問題。筆者還建立了供應鏈系統(tǒng)和可追溯性查詢系統(tǒng)，以確保對水產養(yǎng)殖過程和水產品質量安全進行全面追溯。