CN106069958A - 面向物联网的水产品养殖环境多用途装置和方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及机械领域，尤其涉及面向物联网的水产品养殖环境多用途装置和方法。多用途浮动式养殖结构位于不同的水层高度上，该多用途浮动式养殖结构包含安装腔体，所述安装腔体中包含传感器安装凹槽，其中的经线或者纬线中包含一条为气管，该气管通向用途浮动式养殖结构的腔体内部，腔体上包含开口。渔网能够作为固定结构，同时也能够作为分散结构，将多用途浮动式养殖结构固定在渔网上，传感器安装凹槽能安装各种传感器，比如水温传感器或者重金属离子探测的装置，或者摄像头，能够对多个区域进行信息获取，同时，气管能够打气进入腔体，将压缩空气或者空气打入到各个局部的水体中，实现分散式布氧气。
Description
技术领域
本发明涉及机械领域，尤其涉及面向物联网的水产品养殖环境多用途装置和方法。
背景技术
现有技术的缺陷在于：
水文环境是流动的，不同的部分的重金属含量是不同的；
渔网孔眼无法改变；
水下传感器容易被复杂的环境带走；
现有渔场都是集中融氧，氧气含量分布不均匀；
传感器时间长了容易被杂物覆盖。
发明内容
发明的目的：为了提供一种效果更好的面向物联网的水产品养殖环境多用途装置和方法，具体目的见具体实施部分的多个实质技术效果。
为了达到如上目的，本发明采取如下技术方案：
面向物联网的水产品养殖环境多用途装置，其特征在于，包含经线和纬线必须构成的渔网系统，所述渔网系统彼此将渔场分隔为多个区域，渔网上分布有多用途浮动式养殖结构，所述多用途浮动式养殖结构位于不同的水层高度上，该多用途浮动式养殖结构包含安装腔体，所述安装腔体中包含传感器安装凹槽，其中的经线或者纬线中包含一条为气管，该气管通向用途浮动式养殖结构的腔体内部，腔体上包含开口。
本发明进一步技术方案在于，所述开口上包含吹气口，吹气口指向传感器安装凹槽。
本发明进一步技术方案在于，所述传感器为重金属检测传感器。
本发明进一步技术方案在于，还包含网孔孔径调整结构，所述网孔孔径调整结构包含转轴，转轴上方为转动结构，转动结构固定在水面且转动结构能够带动转轴转动，转轴缠绕能够使得纬线缠绕在转轴上，纬线穿过经线上的穿过环，当纬线缠绕在转轴上的时候，能够使得经线和纬线交织的孔径大小改变。
本发明进一步技术方案在于，所述渔网边侧包含边侧转动结构和边侧转轴，边侧转动结构能够带动边侧转轴转动。
本发明进一步技术方案在于，所述转轴上包含凹槽，凹槽能够容纳纬线。
本发明进一步技术方案在于，所述气管还连接容器，容器中包含泵。
本发明进一步技术方案在于，所述多用途浮动式养殖结构上包含浮力提供装置和/或者动力提供装置，所述浮力提供装置为充气气囊；所述动力提供结构为喷射结构或者螺旋桨。
面向物联网的水产品养殖环境多用途方法，其特征在于，利用如上任意所述的装置，包含如下步骤，
该装置能直接用气管朝向多个水域进行喷气，将氧气均匀溶解到整个鱼塘中；
同时，利用传感器安装平台安装的重金属检测传感器监测环境中的重金属含量，及时监测水中各个部位的重金属含量。
本发明进一步技术方案在于，还包含根据需求调整渔网孔眼大小的方法，转动结构能够带动转轴转动，进一步带动纬线缠绕，将其缠绕在转轴上，纬线缠绕，穿过穿过环后能够缩小渔网孔眼。
采用如上技术方案的本发明，相对于现有技术有如下有益效果：渔网能够作为固定结构，同时也能够作为分散结构，将多用途浮动式养殖结构固定在渔网上，传感器安装凹槽能安装各种传感器，比如水温传感器或者重金属离子探测的装置，或者摄像头，能够对多个区域进行信息获取，同时，气管能够打气进入腔体，将压缩空气或者空气打入到各个局部的水体中，实现分散式布氧气。
附图说明
为了进一步说明本发明，下面结合附图进一步进行说明：
图1为渔场布置的结构示意图；
图2为渔场布置变网孔结构的结构示意图；
图3为渔网经纬布置的经线和穿过环的结构示意图；
图4为多用途浮动式养殖结构示意图；
图5为传感器自组织节点结构图；
图6为数据采集和传输结构示意图；
图7为水产品重金属危害感知预警与决策平台图；
图8为技术路线示意图。
其中：1.经线；2.纬线；3.转轴；4.转动结构；5.延伸面；6.多用途浮动式养殖结构；7.边侧转动结构；8.边侧转轴；9.凹槽；10.边侧板孔；11.边侧板；12.穿过环；13.气管；14.线；15.传感器；16.吹气口。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的实施例进行说明，实施例不构成对本发明的限制：
面向物联网的水产品养殖环境多用途装置，其特征在于，包含经线和纬线必须构成的渔网系统，所述渔网系统彼此将渔场分隔为多个区域，渔网上分布有多用途浮动式养殖结构，所述多用途浮动式养殖结构位于不同的水层高度上，该多用途浮动式养殖结构包含安装腔体，所述安装腔体中包含传感器安装凹槽，其中的经线或者纬线中包含一条为气管，该气管通向用途浮动式养殖结构的腔体内部，腔体上包含开口。本处的技术方案所起到的实质的技术效果及其实现过程为如下：渔网能够作为固定结构，同时也能够作为分散结构，将多用途浮动式养殖结构固定在渔网上，传感器安装凹槽能安装各种传感器，比如水温传感器或者重金属离子探测的装置，或者摄像头，能够对多个区域进行信息获取，同时，气管能够打气进入腔体，将压缩空气或者空气打入到各个局部的水体中，实现分散式布氧气。
所述开口上包含吹气口，吹气口指向传感器安装凹槽。本处的技术方案所起到的实质的技术效果及其实现过程为如下：开创性的，原来的渔场环境中，水中的污垢会沉积在传感器表面，时间长了会造成失效，比如鱼粪，鱼食等积累在传感器表面，采用吹气口能够吹气，使得出传感器表面随时保持干净的状态，气流和水流会冲击沉积物，防止沉淀。该吹气口同时在融氧的过程中吹气。
作为优选，所述传感器为重金属检测传感器。
作为优选，还包含网孔孔径调整结构，所述网孔孔径调整结构包含转轴，转轴上方为转动结构，转动结构固定在水面且转动结构能够带动转轴转动，转轴缠绕能够使得纬线缠绕在转轴上，纬线穿过经线上的穿过环，当纬线缠绕在转轴上的时候，能够使得经线和纬线交织的孔径大小改变。本处的技术方案所起到的实质的技术效果及其实现过程为如下：采用本种结构，能够调整整体的渔网的孔眼的大小，原来要是换网眼大小，都是要直接换网，采用本结构后，直接就能调整网眼大小，针对不同大小的鱼，能选择性捕捞。
所述渔网边侧包含边侧转动结构和边侧转轴，边侧转动结构能够带动边侧转轴转动。本处的技术方案所起到的实质的技术效果及其实现过程为如下：边侧转动结构带动边侧转轴转动，能够从边侧改变网眼大小，其要是和中部的转轴转动方向不一致，就能够增大网眼。
所述转轴上包含凹槽，凹槽能够容纳纬线。本处的技术方案所起到的实质的技术效果及其实现过程为如下：本处的结构能够防止纬线乱糟糟成为一团，容纳效果更好。
所述气管还连接容器，容器中包含泵。本处的技术方案所起到的实质的技术效果及其实现过程为如下：采用泵能够打入各种营养液，比如，还能打进去防疫药粉等。
所述多用途浮动式养殖结构上包含浮力提供装置和/或者动力提供装置，所述浮力提供装置为充气气囊；所述动力提供结构为喷射结构或者螺旋桨。本处的技术方案所起到的实质的技术效果及其实现过程为如下：采用本种结构，如果采用浮力提供结构，则能够使得整体的网的浮力和位置能够调整，多个多用途浮动式养殖结构能够将整个网的位置带高；如果采用喷射结构，则使得多用途浮动式养殖结构能够成为游弋式样的传感器。
面向物联网的水产品养殖环境多用途方法，其特征在于，利用如上任意所述的装置，包含如下步骤，
该装置能直接用气管朝向多个水域进行喷气，将氧气均匀溶解到整个鱼塘中；
同时，利用传感器安装平台安装的重金属检测传感器监测环境中的重金属含量，及时监测水中各个部位的重金属含量。
本发明进一步技术方案在于，还包含根据需求调整渔网孔眼大小的方法，转动结构能够带动转轴转动，进一步带动纬线缠绕，将其缠绕在转轴上，纬线缠绕，穿过穿过环后能够缩小渔网孔眼。
需要说明的是，本专利还可以包含以下保护内容。
面向物联网的水产品养殖环境防止传感器失灵的方法，其特征在于，包含经线和纬线必须构成的渔网系统，所述渔网系统彼此将渔场分隔为多个区域，渔网上分布有多用途浮动式养殖结构，所述多用途浮动式养殖结构位于不同的水层高度上，该多用途浮动式养殖结构包含安装腔体，所述安装腔体中包含传感器安装凹槽，其中的经线或者纬线中包含一条为气管，该气管通向用途浮动式养殖结构的腔体内部，腔体上包含开口；所述开口上包含吹气口，吹气口指向传感器安装凹槽；采用吹气口能够吹气，使得出传感器表面随时保持干净的状态，气流和水流会冲击沉积物，防止沉淀。
面向物联网的水产品养殖环境改变渔网孔径的方法，其特征在于，包含经线和纬线必须构成的渔网系统，所述渔网系统彼此将渔场分隔为多个区域，渔网上分布有多用途浮动式养殖结构，所述多用途浮动式养殖结构位于不同的水层高度上，还包含网孔孔径调整结构，所述网孔孔径调整结构包含转轴，转轴上方为转动结构，转动结构固定在水面且转动结构能够带动转轴转动，转轴缠绕能够使得纬线缠绕在转轴上，纬线穿过经线上的穿过环，当纬线缠绕在转轴上的时候，能够使得经线和纬线交织的孔径大小改变。采用本结构后，直接就能调整网眼大小，针对不同大小的鱼，能选择性捕捞。
面向物联网的水产品养殖环境的传感器固定方法，其特征在于，包含经线和纬线必须构成的渔网系统，所述渔网系统彼此将渔场分隔为多个区域，渔网上分布有多用途浮动式养殖结构，所述多用途浮动式养殖结构位于不同的水层高度上，该多用途浮动式养殖结构包含安装腔体，所述安装腔体中包含传感器安装凹槽，传感器固定在传感器安装凹槽中。
多用途浮动式养殖结构， 其特征在于，包含安装腔体，所述安装腔体中包含传感器安装凹槽，安装腔体内部的空腔连接一个气管。
需要说明的是，本专利需要的电源线直接顺着渔网布置即可，通信可以采用无线通信也可以采用有线通信。
开创性地，以上各个效果独立存在，还能用一套结构完成上述结果的结合。
以上结构实现的技术效果实现清晰，如果不考虑附加的技术方案，本专利名称还可以是一种水产养殖结构。图中未示出部分细节。
需要说明的是，本专利提供的多个方案包含本身的基本方案，相互独立，并不相互制约，但是其也可以在不冲突的情况下相互组合，达到多个效果共同实现。
作为非必须的和本专利可能选用的进一步实施方案的拓展；
本项目拟以烟台市水产品养殖环境为研究对象，针对水产品养殖的水体环境，以重金属传感器为数据采集仪器，利用无线传感器网络(WSN)和智能信息技术为数据获取与处理手段，研究一套基于水产品养殖环境的物联网液体场传感系统，构建面向物联网的水产品养殖重金属危害感知平台，实现水产品养殖水体环境的重金属含量实时监测、预警与决策支持。
第一部分 水产品养殖环境重金属属性与权重的多参数群体决策模型
对水产品养殖环境进行重金属离子类型识别，利用外源性生物富集作用算法对重金属危害进行识别与权重分析。在水产品养殖环境中通过对多相介质（表层海水、生物体）中重金属（Cr、Cu、Zn、As、Cd、Hg 和 Pb）的富集特征、在主干食物链（网）上的传递和生物放大作用及其生态风险等进行建模。综合水产品对重金属离子的酶促反应与代谢程度，利用多参数群体决策算法建立水产品养殖环境重金属危害数学模型。
第二部分 水产品养殖重金属液体场环境的游弋式传感器研发
研发游弋式传感器系统包括机械结构和控制系统两部分设计，如图1所示。机械结构由浮力调节装置、推进装置、平衡系统、传感器安装系统以及防水设备等组成，前三项由运动控制单元控制直流电机来实现各自的功能。浮力调节通过活塞机构实现，利用活塞的伸缩实现游弋式传感器排水体积的变化来调节浮力，从而实现竖直方向的移动；助力推进装置拟采用微控制器控制的螺旋桨实现水平推进，使游弋式传感器能够在液态环境中进行水平方向的移动；稳定平衡装置通过动力装置控制传感器的姿态。控制系统拟采用自组织系统来实现，主要包括数据采集模块和无线通讯模块。重金属传感器通过定位模块，近距离采集重金属离子信息，将采集的数据通过无线模块实时传输至重金属危害监测平台，从而可被中央处理单元进行实时监控。
第三部分 基于Zigbee协议的自组织WSN系统开发
WSN系统以数据为中心，主要包括硬件部分和软件部分，如图2所示。中心监测站和传感器自组织节点组成硬件系统；软件部分基于Zigbee协议，由控制模块和数据处理模块组成。游弋式传感器作为WSN系统中各节点采集重金属数据，具有独立的编号，拟采用TI公司的内置Zigbee协议CC2530芯片，各节点动态运作相互之间通过联合协作方式，共同对重金属含量进行感知，以获取完整信息。各节点通过拓扑控制机制自动进行配置和管理，利用网络协议传输检测数据。数据处理模块对来自各节点的数据进行定位、融合、去冗余和管理，通过分析游弋式传感器采集到的数据，得到水产品养殖液体环境的重金属分布特征，从而利用WSN架构实现水产品养殖环境重金属危害感知体系的建立。
第四部分 水产品重金属危害感知预警与决策平台
针对游弋传感器采集的重金属含量数据，利用数据挖掘算法进行分析，结合数据融合理论对冗余、异构数据进行特征自动识别，并进行去冗余化、结构归一化处理，建立样本提取规则，提取重金属类型和浓度。利用群体决策模型，采用富集算法，分析各重金属权重系数，通过双箱动力学模型得出重金属危害数据。根据分析结果进行预警与决策，包括设定预警级别以及决策支持，通过群体决策模型以及预警机制，建立重金属危害预警与决策系统，根据重金属危害感知数据形成面向物联网的水产品养殖环境重金属危害实时监测感知平台。
目前，关于国内水产品养殖环境重金属危害与物联网技术相结合方面的研究，主要集中于理论与层次架构方面，缺乏针对物联网感知层深层次的建模与实际应用。本研究具有以下理论与应用创新：
l利用多参数游弋式传感器对水产品养殖环节的重金属危害进行数据的实时采集与综合分析。在构建水产品养殖环境重金属属性与权重的多参数群体决策模型的基础上，采用游弋式传感器对液体介质中的重金属含量进行游离分析。在现有的空间内形成了对水产品养殖环境的安全性液体场分析。
l利用自组织节点系统建立WSN传输层的感知模型。在ZigBee协议的应用基础上，采用自适应加权算法，对传感器采集的冗余、异构数据进行结构化处理，为面向物联网的水产品养殖环境重金属危害感知与决策建立了实时、准确的数据采集、传输与处理平台。
本研究涉及到水产品重金属危害分析、无线通信技术、系统建模、人工智能等多学科。因此，拟采用多种方法与手段综合集成和相互验证，确保研究工作的科学性及研究结论的可靠性，按照“需求分析－>重金属危害因素识别－>重金属危害信息感知－>重金属危害处理与决策”思路进行研究。整体技术路线如图8所示。
第一步，根据重金属危害权重建立多群体危害决策模型。
通过理论学习、文献分析、实地考察、专家访谈等数据收集的方法调查影响水产品养殖环境的关键重金属危害，利用数据挖掘等方法从大量的调查样本、案例及数据中挖掘规律，分析重金属种类之间的互相影响及制约关系。根据多相介质参数，利用生物富集双箱动力学模型测定富集系数(BCF)，重金属属性值分析与权重贡献方法，构建多参数群体决策模型，对水产品养殖环节的关键重金属种类进行识别，并分析重金属对水产品的污染作用。
| (1) |
| (2) |
第二步，根据液体场模型构建基于Zigbee协议的游弋式传感器网络系统。
游弋式传感器基于物联网概念，可以对液体场环境的多参数进行测量。拟设计游弋式传感器系统，包括浮力调节、助力推进和稳定平衡装置，选取针对重金属含量进行检测的传感器，放置在水下自由移动的载体中，形成游弋式传感器，可游动到需要检测的位置进行近距离检测，减小环境的干扰，获得更准确的测量数据。将大量游弋式传感器构建成WSN系统，各自组织节点通过拓扑控制机制自动进行配置和管理，利用网络协议进行无线数据传输，实现水产品养殖环境重金属危害感知体系的建立。
第三步，建立基于WSN网络的水产品养殖环境重金属危害预警与决策平台。
对于从WSN系统获取的数据，利用数据挖掘和融合技术进行分析，去除冗余和异构数据，利用群体决策理论分析重金属类型和浓度，计算其权重系数，利用双箱动力学模型提取出危害数据，根据分析结果评定预警级别以及决策支持，建立重金属危害预警与决策系统，形成面向物联网的水产品养殖环境重金属危害实时监测感知平台。
以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和本发明的优点。本领域的技术人员应该了解本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的范围内。
Claims (10)
1.在面向物联网的水产品养殖环境多用途装置，其特征在于，包含经线和纬线必须构成的渔网系统，所述渔网系统彼此将渔场分隔为多个区域，渔网上分布有多用途浮动式养殖结构，所述多用途浮动式养殖结构位于不同的水层高度上，该多用途浮动式养殖结构包含安装腔体，所述安装腔体中包含传感器安装凹槽，其中的经线或者纬线中包含一条为气管，该气管通向用途浮动式养殖结构的腔体内部，腔体上包含开口。
2.如权利要求1所述的面向物联网的水产品养殖环境多用途装置，其特征在于，所述开口上包含吹气口，吹气口指向传感器安装凹槽。
3.如权利要求1所述的面向物联网的水产品养殖环境多用途装置，其特征在于，所述传感器为重金属检测传感器。
4.如权利要求3所述的面向物联网的水产品养殖环境多用途装置，其特征在于，还包含网孔孔径调整结构，所述网孔孔径调整结构包含转轴，转轴上方为转动结构，转动结构固定在水面且转动结构能够带动转轴转动，转轴缠绕能够使得纬线缠绕在转轴上，纬线穿过经线上的穿过环，当纬线缠绕在转轴上的时候，能够使得经线和纬线交织的孔径大小改变。
5.如权利要求4所述的面向物联网的水产品养殖环境多用途装置，其特征在于，所述渔网边侧包含边侧转动结构和边侧转轴，边侧转动结构能够带动边侧转轴转动。
6.如权利要求4所述的面向物联网的水产品养殖环境多用途装置，其特征在于，所述转轴上包含凹槽，凹槽能够容纳纬线。
7.如权利要求1所述的面向物联网的水产品养殖环境多用途装置，其特征在于，所述气管还连接容器，容器中包含泵。
8.如权利要求1所述的面向物联网的水产品养殖环境多用途装置，其特征在于，所述多用途浮动式养殖结构上包含浮力提供装置和/或者动力提供装置，所述浮力提供装置为充气气囊；所述动力提供结构为喷射结构或者螺旋桨。
9.面向物联网的水产品养殖环境多用途方法，其特征在于，利用权利要求1-8任意所述的装置，包含如下步骤，
该装置能直接用气管朝向多个水域进行喷气，将氧气均匀溶解到整个鱼塘中；
同时，利用传感器安装平台安装的重金属检测传感器监测环境中的重金属含量，及时监测水中各个部位的重金属含量。
10.如权利要求9所述的面向物联网的水产品养殖环境多用途方法，其特征在于，还包含根据需求调整渔网孔眼大小的方法，转动结构能够带动转轴转动，进一步带动纬线缠绕，将其缠绕在转轴上，纬线缠绕，穿过穿过环后能够缩小渔网孔眼。
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