物联网与现代渔业发展

物联网与现代渔业发展李道亮中国农业大学中欧农业信息技术研究中心北京市农业物联网工程技术研究中心先进农业传感北京市工程研究中心Email:[e-mail]2012.12.22于北京2主要内容现代渔业内涵物联网内涵物联网支撑现代渔业主要进展123推进举措4一、现代渔业1.现代渔业的本质高产；高效；优质；生态；安全。一、现代渔业2.现代渔业的特征养殖装备化经营集约化操作自动化作业数字化物流信息化技术集成化生产标准化生产装备化操作自动化作业数字化一、现代渔业3.现代渔业需要物联网技术的支撑养殖环境信息的全面感知养殖个体行为的实时监测装备工作状态的实施监控现场作业的自动化操作物流信息化与可追溯的质量管理9主要内容现代渔业内涵物联网内涵物联网支撑现代渔业主要进展123推进举措4一、物联网内涵物联网（TheInternetofThings）是具有全面感知、可靠传输、智能处理特征的连接物理世界的网络；是互联网和通信网的拓展应用和网络延伸,它通过感知识别、网络传输互联、计算处理等三层架构，实现了人们任何时间、任何地点及任何物体的连接；使人类可以以更加精细和动态的方式管理生产和生活，提升人对物理世界实时控制和精确管理能力，从而实现资源优化配置和科学智能决策。物联网架构—三层架构：感知/网络/应用层（前端感知，后端智能，网络双向延伸和优化改造）—两类模式：后台网络智能决策（深度智能）、现场终端智能决策（浅度智能）—本质：人对物理世界的实时感知、精确管理、智能控制—目标：智能科学决策。传感器网络（末端感知）物联网（人-物）（物-物）泛在网（人-人）（人-物）（物-物）物联网、传感器网络/传感网、泛在网络的关系1应用集成云计算解析服务网络管理Web服务物联网应用应用基础设施/中间件传感器执行器RFID二维码智能装置通信模块信息处理电信网/互联网专用网络物联网网关延伸网络渔业物联网在渔业领域中，可概括为渔业信息（环境、装备、动物行为）的全面感知、可靠传输和智能处理，以实现渔业生产精准化、自动化、智能化、标准化。1全面感知2可靠传输3智能处理利用二维码、RFID、农业专用传感器、GPS等感知、探测、遥感等技术在任何时间与任何地点对渔业领域物体进行信息采集和获取通过感知设备接入传输网络中，借助有线或无线的通信网络，随时随地进行高可靠的信息交互和共享利用云计算、数据融合与数据挖掘、优化决策等各种智能计算技术，对渔业感知数据和信息进行融合、分析和处理，实现智能化的决策和控制农业物联网—感知层感知层是让物品对话的先决条件，即以RFID、二维码、多媒体信息采集、传感器和实时定位等技术，采集物理世界中发生的物理事件和数据，包括各类物理量、身份标识、情境信息、音频、视频等数据，实现“物”的识别。感知层实时定位多媒体信息采集器RFID二维码传感器叶绿素传感器溶解氧传感器盐度传感器水位传感器洋流传感器智能酸碱度传感器空气温湿度传感器太阳辐射传感器温度传感器渔业物联网—感知层渔业智能传感器传输层完成大范围的信息传输与广泛的互联功能，即借助于现有的广域网技术(如SMDS网络、3G/4GLTE移动通信网、Internet等)与感知层的传感网技术相融合，把感知到的农业生产信息无障碍、快速、高安全、高可靠地传送到所需的各个地方，使物品在全球范围内能够实现远距离、大范围的通信。传输层广域网技术传感网技术局域网技术农业物联网—传输层SMC1600系列无线测控终端SMC1800系列无线测控终端SMC4600系列无线测控终端MC6200机井智能控制器SMC3200经济型便携仪表SMC2000增强型便携仪表农业物联网—传输层渔业物联网终端设备农业物联网—应用层应用层是将物联网技术与渔业领域技术相结合,通过云计算、数据挖掘、人工智能、模式识别、预测、预警、决策、控制等智能信息处理平台，最终实现养殖环境监控的实时化、投饵、渔船作业、收获捕捞的自动化、行为监测的数字化化。云计算数据挖掘知识本体模式识别预测预警决策控制渔业物联网—应用层渔业物联网主要领域19主要内容现代渔业内涵物联网内涵物联网支撑现代渔业主要进展123推进举措4渔业物联网总体架构水产养殖智能信息处理关键技术研究水产养殖先进传感关键技术研究及产品水产养殖无线传输关键技术及产品三、物联网推进现代渔业进展渔业物联网网络传输2渔业物联网智能信息处理3渔业物联网技术系统集成4渔业物联网信息感知1渔业物联网的具体应用5渔业先进传感技术（1）发明了适用于水产养殖水质监测电化学传感器低功耗智能变送方法，工作电压低至3V，采用IEEE1451智能网络接口模型，实现智能变送器的自校正、自标定、自补偿、自诊断、即插即用功能。PH智能传感器结构框图四环电导率检测原理EC智能传感器PH智能传感器信号调理模块微处理器总线接口模块电导率传感器温度传感器电源模块电源管理模块TEDSABCDRaRbRc交变电流10kHzReReuBC渔业先进传感技术（2）基于光学检测原理，发明了水产养殖水质信息智能感知方法，开发了光学溶解氧、叶绿素、浊度传感器，发明了传感器自清洗方法，有效提高了水产养殖水质信息监测的可靠性和稳定性。121314151619202122232529121329143019251616151820212223242627281浊度传感器蓝色LED蓝色滤光片传感器壳体传感膜（荧光膜）感光窗口带红色滤光片的光电管参考红色LED（诊断标定用）光学溶氧传感器结构渔业先进传感技术（3）发明了水产养殖多传感器集成与信息融合方法，提高水质检测技术及设备的智能化水平和测量的精度，减少误差，降低了水质传感器的生产成本。氨氮传感器多传感器集成一体化探头结构设计多传感器信息融合渔业先进传感技术（3）本研究成果国内同类技术国外同类技术工作电压工作电压低至3V，系统响应时间在溶解氧、PH在30秒以内，电导率、浊度、叶绿素在5秒以内国内养殖水质检测大多以实验室化验分析为主，少数便携式仪表存在着使用维护校正困难等问题工作电压在5-12V，检测精度溶解氧±2%FSCpH±3%FSC电导率±2%FSC浊度±2%FSC叶绿素±5%FSC溶解氧±2%FSCpH±2%FSC电导率±2%FSC浊度±2%FSC叶绿素±3%FSC环境温度-5～50℃-5～50℃价格单个节点成本控制在1000-2000元以溶氧为例，单个探头2万元左右特点实现了水质传感器低功耗、低成本，自清洗、自补偿、自校正，使用维护简单国外产品相对价格昂贵，难以满足我国渔业生产需求与国内外同类技术比较渔业-先进传感技术（4）渔业无线测控网络（1）发明了一种用于水产养殖的水质远程动态监测系统，实现了水质多参数实时动态、远程无线化监测，组建了大规模、分布式的水质远程动态监测网络。（获发明专利1项，申请实用新型专利4项，其中已获得实用新型专利2项）渔业无线测控网络（2）发明了自组织、低功耗无线传感器网络构建方法，有效解决了无线传感网络能耗约束瓶颈。发明了无线节点自适应功率增强方法，发送功率从标准10mW提高到100mW，接收灵敏度从-96DBm提高到-102DBm；提出了集中式路由算法和UniNet协议，可靠路由达到10级，覆盖范围半径10Km。发明了智能能量管理模型，采用多模式供电，突破了能量供应瓶颈；发明了无线传感器故障诊断方法及系统，有效解决传感器网络故障诊断难题；渔业无线测控网络（3）发明了基于无线网络的水产集约养殖无线监控关键技术，有效解决了多元水质数据在线监控问题。开发了系列无线采集节点、无线传输节点、无线路由节点、无线汇聚节点，有效解决了水产养殖信息无线采集、传输问题；针对水产养殖现场小气候信息低成本采集需求，设计了一种无线气象站，可以实现气象参数的测量采集和无线传输，为水质环境变化规律研究提供了必要的监测手段。渔业-无线测控网络（3）与国内外同类技术比较本研究成果国内同类技术国外同类技术工作电压工作电压低至1.8V或3V，系统响应时间在5秒以内，故障率在3%以下国内在线采集技术大多是以现场布线等方式为主，受制于养殖环境，难以实现远程在线监控工作电压在5-12V，故障率在3-5%传输距离射频通信距离达到1000米，采用多跳技术，可靠路由达到10级，最大传输半径10KM国外产品一般传输距离在300-500米，发射功率无线节点发送功率达到100mW，接收灵敏度-102DBm发射功率在100mW左右成本单个节点成本控制在500元国外产品5000特点实现了水质及环境参数的全天候、数字化在线采集、存储、传输与控制等问题，系统具有较好的稳定性和可靠性，成本低，便于维护。国外产品相对价格昂贵，维护困难渔业无线测控网络（4）无线气象站渔业智能信息处理围绕水产养殖的水质管理、增氧、营养与饲料和病害防治等养殖技术的信息化，重点开展了水质的精准化预测和预警、饲料投喂精细化决策、疾病预警与远程诊断模型研究，为水产集约养殖信息化提供了理论模型和方法。水温预测结果23.423.623.82424.224.424.624.825时间1:002:203:405:006:207:409:0010:2011:4013:0014:2015:4017:0018:2019:4021:0022:2023:40时间水温(℃)预测值实测值渔业智能信息处理（1）发明了水质实时在线智能预测预警模型，提出了基于模糊PID的智能控制方法，开发了水产养殖水质智能管理系统。2小时预测效果7.67.77.87.988.18.22009-8-614:242009-8-619:122009-8-70:002009-8-74:482009-8-79:362009-8-714:24时间DO(mg/L)观测值BP-ANN预测AR模型预测渔业智能信息处理（2）发明了水产品饲料配方优化和智能投喂决策技术，解决了水产品精细化喂养决策问题。摄食率与环境参数关系渔业-智能信息处理（3）发明了水产养殖疾病预警与疾病远程快速诊断技术，解决了面向不同用户的疾病诊断系统普适性问题。渔业物联网系统集成（1）集成水产养殖先进传感技术、无线传感网络技术、智能处理技术，研发了一套集约化水产养殖智能管理系统。渔业物联网系统集成（2）渔业物联网初步应用系统开发了水产养殖专用溶解氧、PH、电导率等7种传感器，5种无线节点，一个水产养殖智能管理系统平台，手机、电脑、触摸屏3种终端；成果应用于天津、江苏、山东等国内15省市；养殖品种涵盖从海水养殖到淡水养殖的半滑舌鳎、牙鲆、东方红鳍豚、河蟹、海参、南美白对虾、白鲳、罗非鱼等；累计推广工厂化养殖面积16.7万平方米，池塘养殖面积9.5万亩。渔业物联网初步应用渔业物联网应用改变了水产养殖行业单位产量低、效益低的现状，有力提升了我国水产养殖企业的信息化管理水平，改变了传统水产养殖模式；研究成果注重成本控制，价格是国外产品价格的1/6到1/10，产品价格更切近中国国情；通过整套技术的推广应用，成活率提高了5%，促进生长7%，饲料利用率提高7%，节省人工、节约资源，年经济效益可增长10%-20%。应用CCTV-1[焦点访谈](20120222、20120922)、人民日报“走基层转文风改作风”专栏（20110909）、CCTV-7科学时报、江苏省电视台等先后对课题研究成果进行了专题报道，引起了极大社会反响渔业物联网应用农业物联网是农业生产方式变革的重要支撑，是现代农业发展的重要方向，要让农业物联网更好地促进生产、走进生活、造福百姓。--习近平渔业物联网—存在的问题3、标准规范缺失2、产业化程度低1、关键技术不成熟4、政策不到位农业物联网—存在的问题关键技术不成熟。农业信息感知（获取）是农业物联网的基础，作为农业物联网的神经末梢，将会是整个农业物联网链条上需求总量最大和最基础的环节。但由于渔业环境的复杂性、严酷性以及渔业装备基础薄弱等原因，使我国信息获取方面的仪器发展缓慢，目前我国农业智能信息获取装备主要依赖进口。渔业物联网—存在的问题产业化程度