基于物聯網的海洋生產大數據云計算系統(tǒng)

1、基于物聯網的海洋生產大數據云計算分析系統(tǒng) 目錄一、前言11、引言12、系統(tǒng)概述3三、 物聯網部分41、傳感器部分42、系統(tǒng)架構43、系統(tǒng)硬件功能64、所需設備9四、云計算部分111、系統(tǒng)構架112、系統(tǒng)功能113、所需設備12五、大數據部分141、系統(tǒng)構架142、系統(tǒng)功能143、所需設備17六、經濟效益17七、綜述17一、前言1、引言在漁業(yè)發(fā)展中，傳統(tǒng)的養(yǎng)殖模式曾對我國水產品產量的快速增長起了重大作用。但隨著人們消費水平和環(huán)保意識的增強，群眾的飲食習慣和結構已發(fā)生了很大變化，綠色水產品越來越受到消費者的青睞。傳統(tǒng)的養(yǎng)殖模式在生產實踐中卻存在種種弊端，所生產的水產品難以滿足市場需求。具體表現在如

2、下幾方面：1）、基礎設施簡陋、陳舊、經濟基礎脆弱傳統(tǒng)養(yǎng)殖企業(yè)缺乏現代化、高層次養(yǎng)殖生產所必需的物質條件和綜合經營規(guī)模，導致經濟效益低下。企業(yè)缺乏技術儲備，無技術改造和擴大再生產資金，只能維持現狀，在市場競爭中處于劣勢。圖一：節(jié)蝦養(yǎng)殖場2）、產品養(yǎng)殖風險 水產養(yǎng)殖屬于精細養(yǎng)殖產業(yè)，稍有不慎，死亡率會達到99%，由于惡劣天氣、節(jié)氣溫度、水質、鹽度等指標需要坐待非常精準，導致養(yǎng)殖業(yè)的風險增加，稍有不慎損失在40萬元左右每畝。3）、養(yǎng)殖水域環(huán)境條件不斷惡化我國人口稠密地區(qū)的水域絕大部分都富營養(yǎng)化，例如全國有水質監(jiān)測的1200多條河流中，就有850條受到污染。海洋方面，自2000年以來，我國海域多次發(fā)生

3、規(guī)模巨大、毒性極強的赤潮，給我國的海水養(yǎng)殖業(yè)造成巨大的損失。在大中城市的郊區(qū)也由于種種原因，養(yǎng)殖水域污染日趨嚴重。如全國著名的池塘養(yǎng)魚高產區(qū)無錫河厥口的池塘養(yǎng)魚業(yè)，因為梁溪河嚴重污染等原因正逐步萎縮。4）、養(yǎng)殖水域的二次污染十分嚴重在淡水養(yǎng)殖方面，據測算，養(yǎng)殖1 t淡水魚的排污量相當于20頭肥豬的糞便量。以北京密云水庫網箱養(yǎng)鯉為例，畝產在20 t以上，似乎經濟效益可觀。但是其后果卻導致水庫水質轉肥，其中氨態(tài)氮增加了7.3倍，活性磷酸鹽增加了10.3倍，不得已而禁止網箱養(yǎng)魚。而且其后的治理費用，超過了網箱養(yǎng)魚的利潤。在海水養(yǎng)殖方面，人類過度開發(fā)養(yǎng)殖業(yè)已經大大超過了海水的自凈能力，對蝦病的泛濫就是

4、最典型的事例。5）、水產資源遭到嚴重的破壞，不少水域生態(tài)失衡水域的過度開發(fā)，導致原有的水草資源破壞，原有的優(yōu)良品種種質退化，直接危害到水產養(yǎng)殖業(yè)的生存與發(fā)展。例如，陽澄湖原來水草的覆蓋率很高，水質清晰，所產的蟹個大肉美。如今陽澄湖水草稀少，水質渾濁，蟹種早熟，品質退化。圖二：污染水域所謂病害防治系統(tǒng)，是指將工程技術、機械設備、監(jiān)控儀表、管理軟件和無線傳感等現代技術手段用于漁業(yè)生產，明顯的優(yōu)勢是：機械化、自動化程度較高，能迅速運用先進的養(yǎng)殖技術;二是準確的知道養(yǎng)殖環(huán)境的變化，是一種環(huán)保型、節(jié)水型、高產值的養(yǎng)殖系統(tǒng);三是提高漁業(yè)的生產效率高，企業(yè)的經營管理水平也較高，對促進我國漁業(yè)產業(yè)結構調整和技

5、術進步發(fā)揮更大的作用。圖三：青蟹2、系統(tǒng)概述1）、發(fā)展云計算和物聯網的應用在各個領域都起著重要的作用。具有環(huán)境感知能力的各類終端、基于泛在技術的計算模式、移動通信等不斷融入到不同行業(yè)的各個環(huán)節(jié)，可大幅度提高各領域的不同效率，改善質量，降低成本和資源消耗。近些年隨著人們生活水平提高，水產品需求量逐年遞增，傳統(tǒng)的養(yǎng)殖模式無法滿足大密度高產量的養(yǎng)殖模式，水產品產量和質量都無法滿足社會需求。基于物聯網的智能化漁業(yè)是專門為人工水產品養(yǎng)殖設計開發(fā)的，采用無線傳感技術、網絡化管理等先進管理方法對養(yǎng)殖環(huán)境、水質、魚類生長狀況、藥物使用、廢水處理等進行全方位管理、監(jiān)測，具有數據實時采集及分析、食品溯源、生產基地

6、遠程監(jiān)控等功能。在保證質量的基礎上大大提高了產量。2）、系統(tǒng)功能概述系統(tǒng)由三大部分組成：a) 物聯網部分這個部分由：數據采集、數據傳輸、設備控制3個部分組成，由物聯網的傳感器實時采集數據、通過無線網絡傳輸到云計算數據平臺；再由大數據部分進行深度分析處理，下達指令到設備控制部分，控制相關的生產設備投料機、增氧機、水泵等。b) 云計算部分這個部分由：云計算操作系統(tǒng)、云計算管理系統(tǒng)、海洋生產虛擬系統(tǒng)3個部分組成，這3個系統(tǒng)承載所有的系統(tǒng)框架，包括物聯網數據、生產實時監(jiān)控系統(tǒng)、設備控制系統(tǒng)、是整個項目的系統(tǒng)級組成部分。c) 大數據部分這個部分由：大數據存儲B-Nebula、大數據引擎B-Engine、

7、大數據分析HyperCube、3大部分組成，由物聯網傳感器采集回來的數據放入大數據存儲中的Nosql數據庫中，然后通過大數據引擎，將數據分發(fā)到云計算系統(tǒng)中的虛擬系統(tǒng)部分，通過大數據引擎的分布式系統(tǒng)進行預處理、分類、比對等分析，在把處理后的數據交給大數據分析系統(tǒng)，從而得到我們想要的數據，在下達指令控制相關設備。三、 物聯網部分 這個部分由：數據采集、數據傳輸、設備控制3個部分組成1、傳感器部分l 水質監(jiān)測水質監(jiān)測主要包括溶解氧監(jiān)測、PH值監(jiān)測、鹽度含量監(jiān)測、溫度檢測等等一些列養(yǎng)殖有關的傳感器。l 災害預警收集傳感器數據，對養(yǎng)殖數據進行動態(tài)檢測，對可能產生的災害做出預警，并給出相關解決方案。l 智

8、能化控制系統(tǒng)智能化控制系統(tǒng)主要包括增氧泵控制，自動給排水控制，鹽度控制，溫度控制。2、系統(tǒng)架構手機、電腦等查詢設備增氧機等設備反控設備采集節(jié)點匯集節(jié)點設備圖四：架構圖1） 前端數據采集部分前端數據的采集是整套系統(tǒng)的前沿部分，是整個系統(tǒng)的基礎。系統(tǒng)將前端的魚類生長環(huán)境參數等與食品消費的所有信息搜集。2） 網絡傳輸部分網絡傳輸主要負責將前端數據采集部分傳送給服務器，并提供遠程終端訪問主服務器，是整個系統(tǒng)數據的傳輸通道。3） 監(jiān)控展示部分采集到的數據通過終端設備展示給用戶，使用戶能夠了解生產基地、生態(tài)園實時的信息。用戶可以通過各種終端如個人電腦、手機、手持終端、觸摸式一體機等實時了解養(yǎng)殖場地信息。4

9、） 智能控制部分采集到的數據通過與系統(tǒng)設置的閥值進行對比，參數超出閥值后自動打開相應設備。圖五：系統(tǒng)示意圖3、系統(tǒng)硬件功能3.1水質監(jiān)測1) 溫度監(jiān)測點：溫度是影響水產養(yǎng)殖的重要物理因子之一。水溫不僅影響水體水質狀況，還影響?zhàn)B殖對象的生長發(fā)育，通過水溫的觀測實驗，我們的粗話一下結論：水溫與溶解氧含量符合等比級曲線模型水溫與氨氮總量總體呈負相關關系；不同水產生物對水溫不同適應性，在適合溫度范圍，水溫越高，養(yǎng)殖對象攝食量越大，并且餌料系數越??；一般水溫越高，水產生物生長速度越快。通過計算養(yǎng)殖對象長期活動積溫即可推斷某一品種從育苗到商品上市所需時間；水溫高低直接決定受精卵的孵化時間，在適合溫度范圍內

10、，水溫越高孵化時間越短。以上數據表明水溫是影響水產養(yǎng)殖產量和品質的重要因素。傳統(tǒng)室內養(yǎng)殖的大多使用附近的江河作為循環(huán)水源，江河水溫受氣候影響很大，大部分養(yǎng)殖場使用人工測溫，數據的準確性和監(jiān)控力度都難以得到保證。本系統(tǒng)采用工業(yè)級在線溫度傳感器，24小時全天候監(jiān)測養(yǎng)殖水體溫度。采集溫度包括進水口溫度，池內溫度，養(yǎng)殖場空氣溫度。系統(tǒng)可根據不同季節(jié)、養(yǎng)殖品種、養(yǎng)殖密度等信息進行系統(tǒng)報警閥值設定。當溫度超出閥值時，系統(tǒng)報警：自動打開現場聲光報警器；通過手機給管理員發(fā)送報警短信；監(jiān)測界面彈出報警信息。在一段時間內（可設定），溫度參數持續(xù)超標，系統(tǒng)自動打開溫控設備，溫度參數恢復到標準值后，溫控設備自動關閉。

11、2) 鹽度度監(jiān)測點鹽度的高低，直接影響到養(yǎng)殖對象的繁殖周期和體表樣色，繁殖周期決定產量，體表顏色和品質關系密切。系統(tǒng)可根據不同季節(jié)、養(yǎng)殖品種、天氣情況等信息自動計算養(yǎng)殖對象所需鹽度從而判斷是否增加淡水、或通過換水、加藥等措施來控制鹽度。3）溶解氧監(jiān)測點溶解氧不就是水生生物正常生理功能和健康生長的必須物質，溶解氧高可以增進水產生物的食欲，提高飼料利用率，加快生長發(fā)育。同時溶解氧也是水質改良的必需物質，是維持氮循環(huán)順利進行的關鍵因素。本系統(tǒng)采用高精度溶解氧探頭實時采集水體溶解氧含量，當水體溶氧量過低時自動打開增氧泵。4）PH值監(jiān)測點pH值過低，酸性水體容易致使魚類感染寄生蟲病，如纖毛蟲病、鞭毛蟲病

12、；其次水體中磷酸鹽溶解度受到影響，有機物分解率減慢，天然餌料的繁殖減慢；再者，魚鰓會受到腐蝕，魚血液酸性增強，利用氧的能力降低，盡管水體中的含氧量較高，還是會導致魚體缺氧浮頭，魚的活動力減弱，對餌料的利用率大大降低，影響魚類正常生長。PH值過高會增大氨的毒性，同時腐蝕魚類鰓部組織，引起大批死亡。PH異常在傳統(tǒng)養(yǎng)殖模式里不易發(fā)現，往往造成的損害比低溫、缺氧更大。系統(tǒng)采用進口PH探頭，監(jiān)測水體PH值，PH值異常時，系統(tǒng)自動打開進出水口電磁閥進行換水，保證水生生物生長在恒定PH環(huán)境內。例如：品種溫度藻類鹽度PH值容氧密度節(jié)蝦最適溫度為2532硅藻最適鹽度為1020ph值8.08.55毫克/升以上40

13、00-10000青蟹最適水溫1825°C江籬512.826.2（比重1.0101.021）7.88.54毫克/升17.6毫克/升4000-60003.2防災系統(tǒng)通過傳感器的數據采集，養(yǎng)殖過程中，可以實時監(jiān)控關鍵數據指標，在特殊季節(jié)、環(huán)境多變等情況下，可以預先做出相應的處理，把損失降到最低。傳統(tǒng)的養(yǎng)殖方法，憑經驗處理，準確度不高。無法提升產量、降低損失；品種常見災害節(jié)蝦溫度過低，不生長；首次出節(jié)，環(huán)境不好，整塘死亡；鹽度過高，蛻殼早，容易死亡青蟹白露季節(jié)，水溫過高，環(huán)境降雨導致溫度驟降，容易得病，失望率達到80%。鹽度高，蛻殼塊，容易死亡；3.3智能化控制系統(tǒng)1) 給排水控制傳統(tǒng)養(yǎng)殖模

14、式里，換水全部有人工完成，費時費力。本系統(tǒng)可根據水質需要進行自動換水，管理員也可以根據系統(tǒng)提供的實時參數判斷養(yǎng)殖池是否需要換水，并通過遠程控制系統(tǒng)進行換水。2) 增氧泵控制一般養(yǎng)殖場養(yǎng)殖珍貴魚種時都是24小時長時間供氧，這樣養(yǎng)殖池內雖然不會出現缺氧現象，缺造成了能源的浪費。將增氧泵與本系統(tǒng)對接后，可根據水生物實際需求開啟和關閉增氧泵即保證水生生物健康生長也節(jié)約了能源。3) 溫度控制溫度過高和過低都會影響水生生物的生長狀況，為了保證養(yǎng)殖場水溫恒定，可在進水口建立水溫緩沖池，通過與系統(tǒng)對接的溫控設備調節(jié)水溫，之后在將緩沖池內恒溫水送入養(yǎng)殖池內。當養(yǎng)殖池溫度過高時，系統(tǒng)自動打開進出水口，更換池水，達

15、到降溫目的。3.3設備控制3.3.1控制形式設置自動控制手動控制管理員可根據實際需求靈活選擇控制方式，手動控制模式下管理員可通過手機、電腦等工具對養(yǎng)殖場設備進行遠程控制，自動模式下系統(tǒng)根據采集的實時參數判斷設備開啟、關閉。3.3.2控制時間設置自動控制下，也可以對設備進行定時自動開啟功能。4、所需設備物聯網監(jiān)測系統(tǒng)120wPH值傳感器節(jié)點*4溫度傳感器節(jié)點*4溶解氧傳感器節(jié)點 *4氨氮傳感器節(jié)點*4光照傳感器節(jié)點 *4水位傳感器節(jié)點 *1濁度傳感器節(jié)點 *1風力傳感器節(jié)點 *1土壤鹽度傳感器節(jié)點 *1微生物傳感器節(jié)點 *1風速儀 *1消防報警系統(tǒng)防火設備增氧機 *2投料機 *2魚苗 *1批飼料

16、 *5藥品 *5水泵 *2網箱 *10水管 *1雜項 *1式數據接收網關*1數據采集器*16RFID數據讀寫器*1RFID手持終端*1遠程GPRS/4G傳輸網關 *1Wifi模塊 *1反向控制網關 *10條碼打印機*1條形碼讀寫器*1二維碼讀寫器*1PC機*3高清晰攝像頭 *10監(jiān)控錄像機 *1監(jiān)控專業(yè)顯示器 *4監(jiān)控控制臺 *1UPS *1中心管理軟件*1Zigbee平板*1四、云計算部分 1、系統(tǒng)構架 云計算部分由：云計算操作系統(tǒng)、云計算管理系統(tǒng)、海洋生產虛擬系統(tǒng)3個部分組成 2、系統(tǒng)功能 A）云計算操作系統(tǒng)，是支撐所有系統(tǒng)的系統(tǒng)級底層部分，包括系統(tǒng)所有需要的硬件設備、操作系統(tǒng)設備等，這個

17、部分主要是把所有的硬件整合，用戶不需要關注系統(tǒng)的硬件部分。B）云計算中心的優(yōu)勢 大規(guī)模的養(yǎng)殖場存在數據量大、信息傳輸緩慢、資源浪費、設備分散不利于管理等問題。鑒于這些問題我們采用了近年比較流行的云計算技術，構建一個數據中心統(tǒng)籌管理所有的服務器，把所有的服務器納入一個虛擬資源池，根據我們的需求虛擬出符合我們需要的虛擬服務器。云計算的數據中心相對傳統(tǒng)的多臺實體機模式有著以下優(yōu)點：1、將所有服務器納入資源池，按需分配，避免的資源的浪費2、根據我們的需求動態(tài)調整服務器資源3、服務器集中易于管理4、冗余備份、數據遷移更加簡單5、復用性強 3、所需設備云計算平臺的構建云計算數據中心150w云平臺服務器 *

18、8千兆NIC *2千兆交換機 *21.9T磁盤陣列組 *2防火墻 *1負載均衡器 *1NAS存儲設備 *2UPS *4Vmware ESX云操作系統(tǒng)*1Vmware Vcenter云管理系統(tǒng)*2Openstack 虛擬系統(tǒng)Windows 2003操作系統(tǒng)管理PC *1五、大數據部分 1、系統(tǒng)構架通過物聯網部分的數據采集，然后上傳至云平臺，在云計算系統(tǒng)上的大數據核心模塊：大數據存儲B-Nebula、大數據引擎B-Engine、大數據分析HyperCube。 2、系統(tǒng)功能A）大數據存儲B-Nebula 基于 Hadoop 的大數據處理和存儲的優(yōu)勢，應用范圍覆蓋各種規(guī)模和不同數據量。專家?guī)欤篘ebu

19、la 基于Nosql的高頻數據庫，可以存儲大規(guī)模養(yǎng)殖數據以及大跨度的數據，同時，融合了科學養(yǎng)殖技術、病害防治技術、自然災害數據、病理數據等。A/B testing 技術，是可用性測試的一個方法，其核心為：同時實驗兩個元素或版本（A和B），確定哪個更好。B）大數據引擎B-Engine基于流化的數據處理流程，可自動實現實時的數據提取、轉換和加載過程，從而保障快速變化的數據處理要求。通過長年積累的數據分析模型，實現數據的校驗和運算，還原市場的真實情況。C）大數據分析B-HyperCube基于C-Engine大數據處理分析平臺，集成了搜索引擎、云計算、大數據等領先技術，為品牌企業(yè)提供豐富的數據查詢、分

20、析與預測功能。D）數據的分類與采集 監(jiān)測數據包括水溫、光照、溶氧，氨氮，硫化物、亞硝酸鹽、ph等，這些監(jiān)測因子由數據采集終端使用不同的方法進行測量獲得一個非常準確的測量數據，此結果通過數據處理轉換后經由zigbee網絡向在線監(jiān)測數據平臺傳輸數據，在線監(jiān)測數據傳輸平臺來實現數據的接收、過濾、存儲、處理、統(tǒng)計分析。E）數據的處理 數據的處理分為幾個方面信息的收集與存儲、監(jiān)控、數據的計算與統(tǒng)計、Web服務。l 信息收集與存儲：負責信息和存儲服務器實時24小時連續(xù)的采集和記錄監(jiān)測點位的水溫、光照、溶氧，氨氮，硫化物、亞硝酸鹽、ph等各項參數情況，以數字、圖形和圖像等多種形式存儲到云計算的虛擬數據庫服務

21、器中，此虛擬服務器需要較強的存儲資源。l 監(jiān)控：監(jiān)控的虛擬服務器安裝的監(jiān)控軟件可隨時打印每時刻的水溫、光照、溶氧，氨氮，硫化物、亞硝酸鹽、ph等數據及運行報告可設定各監(jiān)控點位的水溫、光照、溶氧，氨氮，硫化物、亞硝酸鹽、ph等報警限值，當出現被監(jiān)控點位數據異常時可自動發(fā)出報警信號，報警方式包括：現場多媒體聲光報警、網絡客戶端報警、電話語音報警、手機短信息報警等。上傳報警信息并進行本地及遠程監(jiān)測，系統(tǒng)可在不同的時刻通知不同的值班人員。另外可以根據現場安裝的攝像頭進行實時監(jiān)控，此虛擬服務器需要較強的運算資源和網絡帶寬。l 數據的計算與統(tǒng)計：系統(tǒng)可擴充多種記錄數據分析處理軟件，能進行繪制棒圖、餅圖，進

22、行曲線擬合等處理，可按TEXT格式輸出，也能進入EXCEL電子表格等office的軟件進行數據處理。l Web服務：Web服務器建立WWW/WAP服務可以使用戶通過電腦、手機、pad等終端通過互聯網和短信服務瀏覽和查詢所需要的數據。 3、所需設備大數據中心80w大數據存儲B-Nebula大數據引擎B-Engine大數據分析B-HyperCubeWEB端展示系統(tǒng)移動端大數據查詢APP移動端設備控制系統(tǒng)六、經濟效益中國產業(yè)洞察網數據顯示，2013年中國近海海水養(yǎng)殖1551萬噸，是世界主要漁業(yè)生產國中，海水養(yǎng)殖產量超過海洋捕撈的唯一國家。其中，海水養(yǎng)殖占全國海水產品總產量的53.35%，占世界海水養(yǎng)殖總量的80%。數據顯示，當前國家耕地資源日益緊缺，糧食安