基于云平台与气象预测的智慧养殖系统
技术领域
本实用新型专利涉及养殖技术领域、大数据分析领域、气象预报领域、通信领域、控制领域，具体涉及一种基于云平台与气象预测的智慧养殖系统。
背景技术
丹麦、日本等一些水产养殖业较为发达的国家，已实现对养殖水体中的温度、pH值、氨氮、COD、BOD等多项具有重要意义的水质参数进行在线检测，以计算机技术、控制技术、通信技术为基础，通过某种通信网络将分布在目标现场的智能设备和控制中心连接起来，以实现对现场设备分散控制和集中管理的一种先进控制方式。
从整体上看，西方经济发达国家水产养殖业已基本实现了水产养殖机械化、水产养殖品种良种化、水产养殖管理自动化、水产养殖技术专业化、水产养殖产品市场营销信息化。这标志着这些国家水产养殖业生产和装备的现代化水平相当高，如果不加快水产科技现代化的步伐，就有可能落后世界水产科技进步的进程。
我国的水产养殖自动化普及情况不理想，养殖基础条件落后，全国大多数采用的都是简单的增氧机、投饵机等设备，水质监控，循环养殖等应用较少，自动化程度低。
目前室内工厂化养殖需要采用自动化设备，室外大水面养殖场也需提高自动化养殖程度。实现鱼类养殖的机械化自动化，是我国目前水产生产的迫切需求。
发明内容
基于现有的技术不足，我们设计了一种基于云平台与气象预测的智慧养殖系统。所述系统包括环境检测模块，控制模块，无线传输模块，云平台。该系统能通过各种传感器检测出PH值，温度，湿度，溶氧量、水位等参数，并通过GPRS模块将数据传输至云平台。根据不同种鱼类养殖环境指标，所述系统在云平台实时获取鱼塘当前水质环境检测数据(pH值、温度、湿度、溶氧量、水位)，GPS定位模块传送的鱼塘的分布地以及鱼塘所在地未来天气指标预测情况(天气情况、风速等级、气压、湿度、降水量、降雨概率等)，优化计算给出鱼塘温度控制、pH值控制、水位控制、溶氧量控制、光照回路的最优设定值，通过调节加热棒、加料、进出水泵、增氧机、光照设备等实现鱼塘远程监控与自动控制。该实用新型利用气象预测和云平台技术，可以大大提升渔业养殖的自动化和智能化，根据鱼类养殖最佳环境指标实现鱼塘智慧化管理。
本实用新型系统包括环境检测模块，控制模块，无线传输模块，云平台。
所述环境检测模块包括溶氧量传感器、温湿度传感器、光强传感器、pH值传感器、水位测量传感器、摄像头，可以测出鱼塘水位、pH值、含氧量、鱼塘周围环境湿度、温度、光强，传送鱼塘的实时画面。
所述的控制模块包括继电器组、监测显示屏、手动控制按钮、环境控制设备。所述环境控制设备包括：加热棒、饲料控制阀、增氧机、水泵、光照设备。所述加热棒、饲料控制阀、增氧机、水泵、光照设备与继电器组相连。
所述的无线传输模块包括GPRS模块、GPS定位模块。
所述的云平台可以自动获取环境检测模块采集的各个参数、鱼塘的分布地点、鱼塘所在地未来天气指标预测情况，优化计算给出鱼塘温度控制、pH值控制、水位控制、溶氧量控制、光照回路的最优设定值。
所述的云平台可以根据计算出来的最优设定值，通过无线传输模块，对控制模块进行开启或者关闭的控制，实现鱼塘养殖的自动化和智能化。
本实用新型实例是一种基于云平台与气象预测的智慧养殖系统。其技术效果如下：
环境检测模块采用多种传感器，可以准确测出鱼塘水体参数及环境参数，拍摄鱼塘的实时图像并上传至云平台；通过根据不同鱼的种类、鱼塘种类调节参数，设备可实现对鱼塘全面有效的监控和控制；用户在任何时间，任何地点，使用手机、计算机、平板等移动设备进行登录，可以实时监控鱼塘的情况。
所述控制设备包含多种控制器，可以根据云平台优化计算结果或者用户自主设定的参数对鱼塘进行控制，其优先级高于系统计算结果的优先级。所述设备可以确保水体在用户所需范围内，保证鱼塘鱼类的健康生长。
云平台上可以自动采集用户鱼塘所在的地点以及所在地点的天气情况，并把未来的气象预测情况当作鱼塘环境系统的干扰量，带入自制算法并计算出各种鱼塘最优参数，计算结果将传送给目标用户并自动控制鱼塘中的环境控制设备。
该系统适用于各种大规模养殖型鱼塘、复合型养殖鱼塘或大数量养殖基地，并可通过参数的调节以适应中小规模鱼塘。
该系统的目标用户包括鱼塘管理人员，鱼塘安保人员，养殖操作工人等有关鱼塘养殖管理的人员。可以给不同的用户提供其最需要的鱼塘实时信息。一个目标客户可以同时添加、管理多个鱼塘。
附图说明
下面利用附图和实例为本新型系统进行进一步说明。
图1为本新型实例所提供一种基于云平台与气象预测的智慧养殖系统结构进行说明。
图中，各标号所示部件如下。
1.主控制器2.数据处理模块
3.执行单元4.GPRS
5.鱼塘养殖池6.云平台
10.水位检测传感器 11.温湿度传感器
12.pH传感器 13.溶氧量传感器
14.光强传感器 15.加热棒
16.饲料控制阀 17.增氧机
18.水泵 19.光照设备
20.摄像头模块 21.GPS定位器
图2为环境控制模块的具体结构。图3阐述了增氧机的工作条件。图4阐述了鱼塘环境pH值与执行机构之间关系。
具体实施方式
下面将结合本实用新型实例附图，对本实用新型实例技术进行说明。
图一中所示环境检测模块包括数据处理模块2、溶氧量传感器13、温湿度传感器11、光强传感器14、pH值传感器12、水位测量传感器10，摄像头模块20。数据处理模块 2对传感器接收到的数据做放大、转换成数字量、滤波等处理；摄像头模块20可以向云平台 6传送鱼塘的实时画面。
图一中所示的控制模块包括执行单元3、监测显示屏、手动控制按钮、环境控制设备。继电器组连接环境控制设备(加热棒15、饲料控制阀16、增氧机17、水泵18、光照设备19)，为之提供电源，使设备正常工作。
图一中所示的无线传输模块包括GPRS模块4、GPS定位模块21。所述GPRS模块4用于将处理后的数据上传至云平台，把从单片机发送过来的IP包或基站传来的分组数据进行相应的处理后再转发。所述GPS定位模块21用于将鱼塘的地理位置发送给卫星。
图一中所示云平台6可进行数据的获取、存储、优化和发送。通过GPS定位器21 自动获取智能设备的地点，并将分布在不同地点的智能设备连接起来，以实现对智能设备的分散控制和集中管理。
图一中所示云平台6可以将接收到的数据、计算出来的最佳优化控制值发送给用户。
图一中所示云平台6通过卫星获取未来天气指标预测情况。遇到极端天气、超出控制模块的控制范围、大批鱼类死亡的异常情况，会对用户发出警告。
云平台将根据环境检测数据(pH值、温度、湿度、溶氧量、水位)和所在地未来天气指标预测情况(天气情况、风速等级、气压、湿度、降水量、降雨概率等)进行计算，计算公式如下：
氧气调节：通过环境检测模块和无线模块获取鱼塘中当前的氧容量，与计算的最优值作对比。鱼塘中的氧气需满足：每天必须不少于16小时的水体溶氧量在5mg/L以上，其余时间不得低于3mg/L，即：
O2(t)＞＝5(mg/L)*[u(t-6)-u(t-22)]
O2(t)＞＝3(mg/L)*{[u(t)-u(t-24)]-[u(t-6)-u(t-22)]}
其中：O2为当前的氧气容量，t为一天中的时间(小时)，u(t)为阶跃函数；
当不满足以上的条件时，打开增氧机。
当天气预报检测到阴雨或天气骤变(天气由晴转阴雨或者由阴雨转晴)，打开增氧机。具体的开机时间如下：
晴天：下午2-3点
阴天：早上6-7点
阴雨连绵：晚上11-次日凌晨3点开机
夏季干旱季节：中午12-下午5点(可以适当延长开机时长)
大气压低于1000百帕：早上6-9点开机，晚上11-次日2点开机
湿度大于80％：早上6-10点开机(可以适当延长开机时长)
当鱼塘溶氧量低于2mg/L时，向用户发送报警信息。
pH调节：通过环境检测模块和无线模块获取鱼塘中当前的pH值，与计算的最优值作对比。
鱼塘中的pH需满足：pH在7.5～8.5之间；养殖生产期间，每10天～15天每亩施生石灰15公斤～20公斤，可保持池塘水质呈弱碱性，并带动有机质沉淀。
当pH＜7时，可根据情况施用适量的熟石灰或粉碎的石灰石，生石灰用量：
CaO＝1*666.667*A*B*J{J|15＜J＜20}单位：公斤
其中，J是每亩鱼塘所需的生石灰的质量，A鱼塘的长度，B是鱼塘的宽度；
当pH＞8.5时，可施用适量的石膏、无毒弱酸(如醋酸)等，培养适当丰富的藻类也有一定的作用。
pH＞9以上，打开水泵注水。
阴雨过后：鱼塘pH偏高，可以施用适量的石膏、无毒弱酸(如醋酸)等加料。
夏季遇到连续晴天：傍晚用纳米氧配合沸石粉泼洒。
当pH低于5.5或者pH高于10时，向用户发送报警信息。
水温调节：通过环境检测模块和无线模块获取鱼塘中当前的温度，与计算的最优值作对比。
不同的鱼类有不同的适应水温，以下罗列出常见鱼类的最适生活水温。
草鱼：20-32摄氏度，当T(T是温度传感器测量得的当前水温)＜20时，打开加热棒；当温度低于15摄氏度，向用户发送报警信息；当温度高于37摄氏度，向用户发送报警信息。
鲫鱼：25-30摄氏度，当T＜25时，打开加热棒；当温度低于20摄氏度，向用户发送报警信息；当温度高于35摄氏度，向用户发送报警信息。
鲤鱼：25-32摄氏度，当T＜25时，打开加热棒；当温度低于20摄氏度，向用户发送报警信息；当温度高于37摄氏度，向用户发送报警信息。
花白鲢：23-32摄氏度，当T＜23时，打开加热棒；当温度低于18摄氏度，向用户发送报警信息；当温度高于37摄氏度，向用户发送报警信息。
特殊季节的不同需求如下：
冬季：一天至少14小时打开加热棒。
春秋：当当天最高气温低于鱼类最适宜温度时，打开加热棒使鱼塘水温维持在最佳的温度。
夏季：如果阴雨且当天最高气温低于鱼塘的最适宜水温，则打开加热棒。
当连续七天气温高于37摄氏度，向用户发送报警信息；
当连续七天气温低于0摄氏度，向用户发送报警信息；
水位调节：通过环境检测模块和无线模块获取鱼塘中当前的水位，与计算的最优值作对比。
水位呈现出冬浅夏深的变化趋势。不同类型的鱼塘的水深各异，如下表所示：
常见类型鱼塘的水位调节如下：
鱼苗塘：当W＜1.5m，打开进水泵；当W＞2.0m，打开出水泵。
鱼种塘：当W＜2.0m，打开进水泵；当W＞2.5m，打开出水泵。
亲鱼塘：当W＜2.3m，打开进水泵；当W＞3.0m，打开出水泵。
成鱼塘：当W＜2.5m，打开进水泵；当W＞3.0m，打开出水泵。
越冬塘：3m左右。
特殊天气的水位控制要求：
阴雨天气降水量在25mm-38mm：提前1小时打开抽水泵
降水量在38mm-74.9mm：提前2小时打开抽水泵
夏季干旱：延长打开进水泵时间
晴朗：晴朗天气超过7天需要延长打开进水泵时间
当预报三天之内有大雨，暴雨或特大暴雨，向用户发送警报信息。
光照调节：通过环境检测模块和无线模块获取鱼塘中当前的光照强度，与计算的最优值作对比。
不同的鱼类适宜的光照不同，如真鲷稚鱼在10^1001x，仔鱼在1到1001x之间。
若一天的光照值有12小时没有到达适宜光照，打开光照设备。
在梅雨时节光照条件不充足，导致池塘内部藻类的生长相对比较缓慢，水产动物及其排泄物摄食量逐渐增加，水质会逐渐的恶化，甚至出现缺氧的状态，因此在梅雨季节要补充光源。光照设备给定额外光源的公式如下：
Light(t)＝(light0-light1)*K*{u(t-t1)-u(t-t4)-[u(t-t2)-u(t-t3)]}
其中，K＝1表示阴雨天气，K＝0表示晴朗天气；t1到t2，t3到t4是一天鱼类最适宜光照时间；light0是不同种类的鱼类最适宜生存光强，light1是光强传感器的测量值，Light是当前额外所需的鱼塘光照强度，W为水位传感器测量值。
特殊天气的光照控制要求：
多云：打开光照设备调节至鱼类最适宜的光照强度。
冬季：早上6-7点和晚上5-8点打开光照设备
春秋季：早上6点和晚上8点打开光照设备
使用者也可根据公式计算出的最优环境参数，直接实现鱼塘环境的自动控制。同时，若使用者如对平台的优化计算值另做调整，可对云平台上发送指令，通过无线传输模块将指令送至MCU，并控制环境控制模块控制鱼塘环境参数，使其达到使用者需要的状态。
通过采集鱼塘水质参数信息和鱼塘周围环境实时参数并通过云端转发至远端用户的移动设备上，用户可以在任何时间任意地点，通过互联网对鱼塘进行实时监测，与此同时用户也可以远程发送机械操作指令控制水体环境调节设备，对水体环境进行调节；或使用本系统提供的计算公式自动调节水体环境，并且用户还可以在现场通过人机交互设备对系统进行控制。
针对异常情况，本实用新型专利系统还具有报警短信发送功能，可以及时通知用户进行处理，避免异常情况影响正常养殖活动。
本实用新型具有功能全面、自动化程度高、易于操作等特点，能有效减少用户工作量、提高养殖活动管理精度、降低养殖风险。
上述的实施例仅为本实用新型专利的优选技术方案，而不应视为对于本实用新型的限制，本实用新型专利的保护范围应以权利要求记载的技术方案，包括权利要求记载的技术方案中技术特征的等同替换方案为保护范围。即在此范围内的等同替换改进，也在本实用新型的保护范围之内。
