第3章 智慧水產(chǎn)信息感知

智慧水產(chǎn)信息感知第3章3.1傳感器技術(shù) 3.2拉曼光譜技術(shù) 3.3智慧水產(chǎn)設(shè)備的可靠性 3.1傳感器技術(shù)3.1.1傳感器技術(shù)概述1.傳感器傳感器是檢測(cè)信息的裝置，負(fù)責(zé)把信息轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，以便進(jìn)行處理和分析。傳感器的內(nèi)部結(jié)構(gòu)中包含了敏感元件、轉(zhuǎn)換元件及信號(hào)調(diào)節(jié)與轉(zhuǎn)換電路，三者分別進(jìn)行物體信息獲取、電信號(hào)轉(zhuǎn)換和電信號(hào)調(diào)制，最終輸出可供后續(xù)環(huán)節(jié)應(yīng)用的電信號(hào)。傳感器的組成如圖3-1所示。圖3-1傳感器的組成3.1傳感器技術(shù)2.傳感器分類

傳感器種類豐富，分類方式多樣，其中較常用的分類方式如表所示。傳感器分類方式傳感器名稱按用途分力敏傳感器、氣敏傳感器、生物傳感器等按工作原理分電阻式傳感器、電壓式傳感器、光電式傳感器等按輸出信號(hào)分模擬傳感器、數(shù)字傳感器、開關(guān)傳感器按制造工藝分集成傳感器、薄膜傳感器、厚膜傳感器、陶瓷傳感器3.傳感器選擇傳感器性能主要包括靈敏度、一致性、準(zhǔn)確性、可靠性、線性度和量程等指標(biāo)。環(huán)境檢測(cè)對(duì)傳感器性能提出高要求，不同環(huán)境和區(qū)域?qū)ζ湫阅墚a(chǎn)生差異。溫度、濕度、雷雨、空氣鹽霧、雷擊靜電等因素也會(huì)影響傳感器監(jiān)測(cè)結(jié)果。數(shù)據(jù)處理和校正是必要的，以應(yīng)對(duì)外界因素引起的誤差。市場(chǎng)上存在許多未經(jīng)專業(yè)處理的傳感器，它們的性能差異不大，因外界因素的干擾而導(dǎo)致數(shù)據(jù)不可靠，缺乏實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。3.1傳感器技術(shù)4.傳感器的數(shù)據(jù)處理傳感器將感知到的信息轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，并由主控設(shè)備進(jìn)行處理和分析。在使用過(guò)程中，受到設(shè)備質(zhì)量、操作方法和外界干擾等因素的影響，傳感器容易出現(xiàn)誤差。誤差主要包括系統(tǒng)誤差、粗大誤差和隨機(jī)誤差。系統(tǒng)誤差是由傳感器本身問(wèn)題或使用不當(dāng)引起的，粗大誤差是由較大干擾引起的采樣數(shù)據(jù)突變，隨機(jī)誤差是由獨(dú)立、微小的偶然因素引起的。數(shù)字濾波和模擬濾波是常用的消除或減小誤差的方法。實(shí)驗(yàn)中，智能氣象站與環(huán)境監(jiān)測(cè)站進(jìn)行數(shù)據(jù)對(duì)比，結(jié)果顯示傳感器監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)經(jīng)處理后準(zhǔn)確性較高，與監(jiān)測(cè)站數(shù)據(jù)一致。圖示對(duì)比了大氣壓和溫度數(shù)據(jù)，說(shuō)明傳感器數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)處理后表現(xiàn)出明顯的準(zhǔn)確性和一致性。3.1傳感器技術(shù)圖3-2智能氣象站和世紀(jì)公園監(jiān)測(cè)站大氣壓數(shù)據(jù)對(duì)比圖3-3智能氣象站和世紀(jì)公園監(jiān)測(cè)站溫度數(shù)據(jù)對(duì)比5.傳感器校準(zhǔn)傳感器校準(zhǔn)指的是在明確傳感器輸入與輸出關(guān)系的基礎(chǔ)上，使用標(biāo)準(zhǔn)儀器標(biāo)定傳感器，其內(nèi)容包括傳感器的工作特性、環(huán)境特性、物理與幾何參數(shù)等。將標(biāo)準(zhǔn)儀器產(chǎn)生的已知量作為被標(biāo)定傳感器的輸入，將所得輸出量與輸入量作比較，即可了解傳感器的性能。傳感器的校準(zhǔn)流程如圖所示。3.1傳感器技術(shù)3.1傳感器技術(shù)3.1.2傳感器產(chǎn)業(yè)1.傳感器產(chǎn)業(yè)現(xiàn)狀我國(guó)對(duì)傳感器的需求巨大，市場(chǎng)規(guī)模達(dá)數(shù)百億元。然而，國(guó)內(nèi)自主生產(chǎn)的傳感器普遍存在靈敏度、準(zhǔn)確性、穩(wěn)定性等問(wèn)題，因傳感器及相關(guān)專業(yè)人才數(shù)量有限，研發(fā)進(jìn)展緩慢，限制了其發(fā)展和應(yīng)用。目前，市場(chǎng)上主要銷售美國(guó)、德國(guó)和日本制造的傳感器，這三個(gè)國(guó)家占據(jù)了絕大部分市場(chǎng)份額。國(guó)產(chǎn)傳感器存在可靠性、穩(wěn)定性方面的差距，缺少電子產(chǎn)品檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)和技術(shù)積累，亟需改進(jìn)。在誤差校準(zhǔn)方面，我國(guó)技術(shù)水平較低，未能采用先進(jìn)技術(shù)處理誤差和壞值，導(dǎo)致性能差、感知不準(zhǔn)確、穩(wěn)定性差。國(guó)內(nèi)傳感器所使用的材料和工藝相對(duì)滯后，發(fā)達(dá)國(guó)家采用MEMS技術(shù)、納米技術(shù)，國(guó)內(nèi)應(yīng)用較少。此外，發(fā)達(dá)國(guó)家在通信技術(shù)領(lǐng)域的深入研究，如無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)，具有顯著優(yōu)勢(shì)，可推動(dòng)我國(guó)傳感器產(chǎn)業(yè)發(fā)展。3.1傳感器技術(shù)2.傳感器產(chǎn)業(yè)化問(wèn)題及解決策略目前傳感器產(chǎn)業(yè)發(fā)展存在的主要問(wèn)題包括：（1）科技成果轉(zhuǎn)化率較低，產(chǎn)業(yè)化基礎(chǔ)薄弱。（2）對(duì)國(guó)外技術(shù)的依賴程度高。（3）市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力不足。（4）成本優(yōu)勢(shì)不明顯。為改變傳感器產(chǎn)業(yè)相對(duì)落后的局面，需要加大對(duì)傳感器技術(shù)的研發(fā)力度，培養(yǎng)和聚集人才，進(jìn)一步促進(jìn)產(chǎn)學(xué)研結(jié)合。另外，政策引導(dǎo)、資金扶持等是促進(jìn)傳感器研發(fā)成果轉(zhuǎn)化為現(xiàn)實(shí)生產(chǎn)力不可缺少的因素。傳感器行業(yè)發(fā)展整體戰(zhàn)略規(guī)劃和傳感器技術(shù)規(guī)范也應(yīng)得到進(jìn)一步明確。3.1.3傳感器在水產(chǎn)業(yè)中的應(yīng)用傳感器技術(shù)在水產(chǎn)業(yè)領(lǐng)域主要用于水質(zhì)監(jiān)測(cè)和養(yǎng)殖管理。在水質(zhì)監(jiān)測(cè)方面，應(yīng)用傳感器技術(shù)可以實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)水溫、pH值、溶解氧、氨氮、硝酸鹽等水質(zhì)參數(shù)，幫助判斷水質(zhì)條件是否符合水產(chǎn)生物生長(zhǎng)需求，以便出現(xiàn)問(wèn)題時(shí)及時(shí)采取措施進(jìn)行調(diào)整。在養(yǎng)殖管理方面，應(yīng)用傳感器技術(shù)可以監(jiān)測(cè)水產(chǎn)生物數(shù)量、重量、生長(zhǎng)速度等參數(shù)，為控制養(yǎng)殖密度和投餌量提供依據(jù)，還可以監(jiān)控水泵、增氧機(jī)等設(shè)備的運(yùn)行情況，輔助進(jìn)行設(shè)備控制和維護(hù)。3.1傳感器技術(shù)3.2拉曼光譜技術(shù)3.2.1拉曼光譜技術(shù)原理拉曼光譜（RamanSpectroscopy，RS）技術(shù)基于拉曼散射原理進(jìn)行分子光譜指痕鑒定，通過(guò)檢測(cè)光譜特性來(lái)分析物質(zhì)特征。通過(guò)比對(duì)拉曼光譜間的差異可以辨別樣品中化學(xué)物質(zhì)是否存在以及確定所包含化學(xué)物質(zhì)的相對(duì)含量。不同拉曼光譜儀的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)大同小異，基本都由激光器、外光路系統(tǒng)、樣品控制系統(tǒng)、分光系統(tǒng)、光探測(cè)系統(tǒng)、計(jì)算機(jī)處理系統(tǒng)組成。

3.2拉曼光譜技術(shù)3.2.2拉曼光譜技術(shù)在水產(chǎn)領(lǐng)域的應(yīng)用1.水產(chǎn)養(yǎng)殖有害物質(zhì)檢測(cè)需求目前，水產(chǎn)養(yǎng)殖有害物質(zhì)檢測(cè)主要采用液相色譜法、分光光度法、液相色譜-質(zhì)譜聯(lián)用法、酶聯(lián)免疫法和毛細(xì)管電泳法等方法，通過(guò)抽樣檢測(cè)、對(duì)比判定限量值來(lái)確定產(chǎn)品是否符合標(biāo)準(zhǔn)，但這些方法在檢測(cè)成本、周期、精度等方面仍有所局限，因此，開發(fā)一套簡(jiǎn)單、快速、準(zhǔn)確的水產(chǎn)養(yǎng)殖有害物質(zhì)檢測(cè)方法尤為重要。

2.拉曼光譜水產(chǎn)養(yǎng)殖有害物質(zhì)定性檢測(cè)鑒于拉曼光譜技術(shù)的特點(diǎn)和水產(chǎn)養(yǎng)殖的生產(chǎn)需求，可將拉曼光譜儀作為智慧水產(chǎn)中的傳感器使用，完善水產(chǎn)養(yǎng)殖數(shù)據(jù)采集流程，結(jié)合數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，可實(shí)現(xiàn)對(duì)水產(chǎn)生物生長(zhǎng)質(zhì)量的實(shí)時(shí)跟蹤監(jiān)測(cè)。使用拉曼光譜技術(shù)進(jìn)行水產(chǎn)養(yǎng)殖有害物質(zhì)檢測(cè)，以水產(chǎn)品或水產(chǎn)養(yǎng)殖投入品為檢測(cè)對(duì)象，檢測(cè)其中有害物質(zhì)的殘留情況，具備普通有害物質(zhì)檢測(cè)方法所無(wú)法比擬的優(yōu)越性。3.2拉曼光譜技術(shù)3.2.3拉曼光譜和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的智慧水產(chǎn)綜合應(yīng)用拉曼光譜特征復(fù)雜，包括多個(gè)峰和波長(zhǎng)范圍內(nèi)的連續(xù)變化，使用傳統(tǒng)的分析方法很難捕捉到這些復(fù)雜的特征。神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)具有強(qiáng)大的模式識(shí)別、非線性處理能力以及泛化能力，可以識(shí)別、分類和定量化拉曼光譜數(shù)據(jù)，幫助確定樣品的成分、質(zhì)量和安全性。因此，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)成為了處理水產(chǎn)樣品拉曼光譜數(shù)據(jù)的一種有效工具。1.神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)在拉曼光譜數(shù)據(jù)處理中的應(yīng)用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)可用于處理拉曼光譜數(shù)據(jù)，包括預(yù)處理、分類和定量分析。通過(guò)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行數(shù)據(jù)預(yù)處理，如使用主成分分析降維和小波變換去噪，提高了數(shù)據(jù)質(zhì)量。在訓(xùn)練和分類階段，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)逐步調(diào)整參數(shù)以優(yōu)化分類性能，實(shí)現(xiàn)對(duì)不同樣本的識(shí)別和分類。此外，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)還可用于將拉曼光譜數(shù)據(jù)與定量參數(shù)（如濃度）相關(guān)聯(lián)，實(shí)現(xiàn)對(duì)樣本的定量分析。2.智慧水產(chǎn)中的拉曼光譜和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用將拉曼光譜和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用于智慧水產(chǎn)中，可實(shí)現(xiàn)對(duì)水產(chǎn)品的快速、準(zhǔn)確、非侵入性檢測(cè)和鑒別。例如，通過(guò)分析不同水產(chǎn)品的拉曼光譜特征，結(jié)合神經(jīng)算法建立鑒別模型，可以快速鑒別水產(chǎn)品品種。此外，利用拉曼光譜技術(shù)檢測(cè)水產(chǎn)品的組成和含量，結(jié)合神經(jīng)算法進(jìn)行品質(zhì)和營(yíng)養(yǎng)價(jià)值評(píng)估。在養(yǎng)殖過(guò)程中，結(jié)合神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)分析水產(chǎn)品體內(nèi)成分，實(shí)現(xiàn)對(duì)健康狀況的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和預(yù)警。還可應(yīng)用于水質(zhì)監(jiān)測(cè)和養(yǎng)殖加工中的質(zhì)量控制和工藝優(yōu)化，促進(jìn)水產(chǎn)養(yǎng)殖行業(yè)的發(fā)展。3.2拉曼光譜技術(shù)3.2.4拉曼光譜技術(shù)的水產(chǎn)業(yè)應(yīng)用前景拉曼光譜檢測(cè)在水產(chǎn)業(yè)中應(yīng)用廣泛，設(shè)備逐漸高精度、小型、便攜。目前技術(shù)仍需改進(jìn)，主要問(wèn)題有：1.定性與定量分析平衡：拉曼光譜技術(shù)主要用于物質(zhì)的定性分析，而對(duì)于定量分析仍需深入研究建立模型，結(jié)合大量數(shù)據(jù)和人工智能算法。2.在線檢測(cè)技術(shù)發(fā)展：拉曼光譜檢測(cè)目前依賴人工采樣、檢測(cè)和識(shí)別，需研發(fā)具備實(shí)時(shí)在線檢測(cè)和數(shù)據(jù)分析功能的在線拉曼光譜儀，提高檢測(cè)效率和準(zhǔn)確度。3.光譜信號(hào)處理：使用拉曼光譜技術(shù)檢測(cè)水產(chǎn)品時(shí)，需要采用曲線擬合、濾波去噪等方法對(duì)雜散光進(jìn)行抑制，同時(shí)深入研究光譜信號(hào)提取技術(shù)，以優(yōu)化系統(tǒng)模型，確保檢測(cè)準(zhǔn)確性。4.光學(xué)系統(tǒng)參數(shù)優(yōu)化：光學(xué)系統(tǒng)參數(shù)在影響拉曼光譜散射強(qiáng)度方面至關(guān)重要，需要設(shè)置合理的參數(shù)，進(jìn)行系統(tǒng)模型優(yōu)化，以提高檢測(cè)結(jié)果準(zhǔn)確性。5.數(shù)據(jù)庫(kù)更新與標(biāo)準(zhǔn)光譜圖：拉曼光譜數(shù)據(jù)庫(kù)的內(nèi)容需要不斷更新，確保檢測(cè)時(shí)能夠找到相應(yīng)的光譜圖進(jìn)行比對(duì)。同時(shí)，豐富檢測(cè)方式和指標(biāo)，優(yōu)化檢測(cè)穩(wěn)定性，以適應(yīng)不同的檢測(cè)環(huán)境。6.設(shè)備研發(fā)與應(yīng)用推廣：國(guó)內(nèi)拉曼光譜技術(shù)在水產(chǎn)業(yè)應(yīng)用仍處于起步階段，設(shè)備研發(fā)能力有限，需要結(jié)合國(guó)內(nèi)外設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，研發(fā)實(shí)用、低成本的拉曼光譜設(shè)備，推動(dòng)技術(shù)應(yīng)用在水產(chǎn)業(yè)的廣泛推廣。3.3智慧水產(chǎn)設(shè)備的可靠性

智慧水產(chǎn)是一個(gè)非常復(fù)雜的系統(tǒng)，不同領(lǐng)域、不同生產(chǎn)流程的環(huán)境差異大，較大的干濕度變化、溫度變化、腐蝕性氣體（鹽霧）等環(huán)境可靠性因素以及雷擊（Surge）、靜電放電（Electro-StaticDischarge，ESD）等電磁干擾因素都會(huì)對(duì)生產(chǎn)設(shè)備及其生產(chǎn)效率產(chǎn)生影響，因此電磁兼容、環(huán)境可靠性和安規(guī)的設(shè)計(jì)對(duì)于保障智慧水產(chǎn)設(shè)備穩(wěn)定性、可靠性和數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性具有重要意義。3.3智慧水產(chǎn)設(shè)備的可靠性3.3.1智慧水產(chǎn)設(shè)備的電磁兼容性智慧水產(chǎn)設(shè)備的可靠性和安全性受電磁兼容性能的影響。良好的電磁兼容性能要求設(shè)備既能抵抗外部電磁騷擾（EMD），也不會(huì)對(duì)其他設(shè)備造成電磁干擾（EMI）。電磁兼容性通過(guò)EMC測(cè)試進(jìn)行評(píng)估，包括電磁敏感性（EMS）和電磁干擾（EMI）測(cè)試。電磁敏感性測(cè)試衡量設(shè)備對(duì)電磁影響的承受程度，低敏感性表示強(qiáng)大的電磁抗擾能力。測(cè)試項(xiàng)目包括靜電放電、射頻電磁場(chǎng)輻射、電快速瞬變脈沖群、雷擊浪涌等。電磁干擾分為傳導(dǎo)和輻射兩種傳播形式，對(duì)應(yīng)不同測(cè)試方法。通過(guò)EMC測(cè)試，可以找出設(shè)備的電磁兼容薄弱點(diǎn)，指導(dǎo)改進(jìn)設(shè)計(jì)以減少電磁干擾。電磁兼容設(shè)計(jì)的關(guān)鍵在于降低電磁干擾。這可以通過(guò)抑制騷擾源、破壞耦合機(jī)制、降低接收設(shè)備敏感度等方式實(shí)現(xiàn)。隨著智慧水產(chǎn)設(shè)備的廣泛應(yīng)用，提升克服電磁干擾的技術(shù)手段是解決電磁兼容問(wèn)題、確保系統(tǒng)正常運(yùn)行的必要條件。3.3智慧水產(chǎn)設(shè)備的可靠性3.3.2設(shè)備的環(huán)境可靠性環(huán)境可靠性是智慧水產(chǎn)設(shè)備在特定環(huán)境下正常工作的概率。通過(guò)氣候和力學(xué)環(huán)境可靠性測(cè)試，以及綜合環(huán)境可靠性測(cè)試，可以了解設(shè)備的表現(xiàn)并進(jìn)行可靠性改進(jìn)。同時(shí)，采用環(huán)境適應(yīng)性設(shè)計(jì)，包括消解環(huán)境影響和提高抗環(huán)境干擾能力，有助于應(yīng)對(duì)不同環(huán)境條件。智慧水產(chǎn)設(shè)備的環(huán)境可靠性提高有助于降低事故風(fēng)險(xiǎn)，減少經(jīng)濟(jì)損失，對(duì)行業(yè)規(guī)范的建立也至關(guān)重要。3.3智慧水產(chǎn)設(shè)備的可靠性3.3.3設(shè)備安規(guī)安規(guī)（ProductCompliance）是為了確保產(chǎn)品在設(shè)計(jì)、制造、使用等方面符合特定國(guó)家或地區(qū)的安全標(biāo)準(zhǔn)和法規(guī)的一系列規(guī)定。智慧水產(chǎn)設(shè)備的安規(guī)認(rèn)證涉及電流、溫度、電磁兼容性等測(cè)試，確保設(shè)備在各個(gè)方面滿足法規(guī)要求，提高其安全性和競(jìng)爭(zhēng)力。安規(guī)設(shè)計(jì)側(cè)重于防止人身傷害和設(shè)備損壞，與物聯(lián)網(wǎng)安全設(shè)計(jì)有所不同。通過(guò)安規(guī)認(rèn)證，智慧水產(chǎn)設(shè)備可獲得證書和標(biāo)志，證明其符合安全標(biāo)準(zhǔn)，提高可靠性和使用壽命。3.3智慧水產(chǎn)設(shè)備的可靠性3.3.4智慧水產(chǎn)系統(tǒng)故障診斷水產(chǎn)業(yè)智能化發(fā)展將推動(dòng)智慧水產(chǎn)系統(tǒng)規(guī)模和復(fù)雜度的提升。為確保系統(tǒng)的可靠性和安全性，科學(xué)監(jiān)控和管理智慧水產(chǎn)系統(tǒng)是必要的。在故障發(fā)生時(shí)，及時(shí)