水產(chǎn)養(yǎng)殖水質(zhì)檢測(cè)與控制技術(shù)研究進(jìn)展

蔣新花

（泉州臺(tái)商投資區(qū)管理委員會(huì)環(huán)境與國(guó)土資源局，福建 泉州 362100）

中國(guó)一直以來(lái)都是非常大的水產(chǎn)品消費(fèi)國(guó)以及生產(chǎn)國(guó)，在水產(chǎn)養(yǎng)殖的過(guò)程中，影響到水產(chǎn)養(yǎng)殖環(huán)境的關(guān)鍵參數(shù)包括了水中的溶解氧含量、水溫、pH、氨氮含量、鹽度等一系列內(nèi)容，其中水溫、溶解氧含量以及水中所含有的pH值是最為關(guān)鍵的幾個(gè)環(huán)節(jié)。養(yǎng)殖不同種類的產(chǎn)品對(duì)水中各式各樣不同參數(shù)的要求也有著一定的區(qū)別，需要根據(jù)不同國(guó)家以及地區(qū)對(duì)養(yǎng)殖水產(chǎn)品水質(zhì)參數(shù)范圍進(jìn)行一定的了解，并且劃分出相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)。

1 水產(chǎn)養(yǎng)殖水質(zhì)檢測(cè)參數(shù)

1.1 水溫

在水產(chǎn)養(yǎng)殖水質(zhì)檢測(cè)的過(guò)程中，水溫是十分重要的參數(shù)。水溫的變化不僅僅影響到了與魚類在進(jìn)食時(shí)的食欲和新陳代謝，同時(shí)也直接影響到了魚類在開展繁殖活動(dòng)時(shí)的效果。水溫中包括了水中的溶解氧，有毒物質(zhì)的化學(xué)反應(yīng)以及氨和毒性等。如果水溫不斷上升，水中的溶解氧就會(huì)越來(lái)越少，魚類的呼吸速度會(huì)加快，直接加大了魚類的耗氧量，而溶解氧進(jìn)一步的減少則會(huì)導(dǎo)致魚類出現(xiàn)死亡，而如果水溫過(guò)低，則魚類會(huì)進(jìn)入一種休眠的狀態(tài)中會(huì)停止生長(zhǎng)。為此，一定要及時(shí)檢測(cè)水體的溫度，并且采取相應(yīng)的措施將水體溫度穩(wěn)定在一定范圍內(nèi)，這是十分必要的一點(diǎn)。

1.2 溶解氧含量

溶解氧含量是指在水中或者是在其他液體中分子氧的含量，這也是魚類在呼吸、廢物分解以及藻類呼吸中的必需產(chǎn)品。溶解氧是水代謝的指標(biāo)，更是現(xiàn)階段水產(chǎn)養(yǎng)殖水質(zhì)監(jiān)測(cè)過(guò)程中最重要的指標(biāo)之一。有利于監(jiān)測(cè)水中的有機(jī)污染物以及營(yíng)養(yǎng)污染物，溶解氧過(guò)低會(huì)導(dǎo)致魚類的生存出現(xiàn)問(wèn)題，而如同時(shí)也會(huì)導(dǎo)致水中的厭氧菌迅速繁殖，直接導(dǎo)致水質(zhì)變差。而如果水中的溶解氧過(guò)高，則會(huì)出現(xiàn)水中出現(xiàn)大量的幼蟲和卵，對(duì)這兩種發(fā)育有著非常顯著的影響，容易導(dǎo)致魚塘富氧化以及氣泡病等災(zāi)害。目前常用的溶解氧含量測(cè)量方法幫包括碘量法、電化學(xué)法及熒光淬滅法等。其中碘量法屬于化學(xué)檢測(cè)的方法，所消耗的時(shí)間較長(zhǎng)，并且步驟非常的繁瑣，并不適用于現(xiàn)場(chǎng)對(duì)其進(jìn)行測(cè)定。而電化學(xué)法的整體技術(shù)則更加成熟，儀器價(jià)格則相對(duì)較低，檢測(cè)的過(guò)程中非常方便快捷，屬于我國(guó)的標(biāo)準(zhǔn)檢測(cè)方法。熒光淬滅法在檢測(cè)溶解氧時(shí)，主要是通過(guò)氧分子本身對(duì)于熒光物質(zhì)所產(chǎn)生的淬滅效果，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)檢測(cè)的需求。熒光淬滅法檢測(cè)精度高，并且速度快，但是在使用時(shí)存在一個(gè)問(wèn)題就是價(jià)格相對(duì)較為昂貴。

1.3 pH

pH同樣是衡量水中酸堿度的重要指標(biāo)，pH也可以將其稱酸堿度，是檢測(cè)水環(huán)境中化學(xué)生物反應(yīng)的最重要指標(biāo)之一。p同樣也影響到了魚類在生存和養(yǎng)殖過(guò)程中的整體效果，多數(shù)情況下，魚類適宜生存在中性或微堿性的水體中，而如果當(dāng)水中pH過(guò)低，魚類自身的自身維持酸堿的平衡能力就會(huì)受到非常明顯的影響，而血液中的載氧量也會(huì)迅速的降低，很有可能會(huì)出現(xiàn)魚類窒息的現(xiàn)象，而如果ph過(guò)高，魚類可能會(huì)出現(xiàn)腮出血的現(xiàn)象。

2 水產(chǎn)養(yǎng)殖水質(zhì)控制系統(tǒng)通信技術(shù)

2.1 水質(zhì)控制系統(tǒng)通信技術(shù)分類

在水產(chǎn)養(yǎng)殖水質(zhì)控制的過(guò)程中，由于受到了應(yīng)用環(huán)境的獨(dú)特性影響，傳統(tǒng)的有線控制方式需要鋪設(shè)電纜器，并不利于水產(chǎn)養(yǎng)殖水質(zhì)的監(jiān)控。為此，在針對(duì)水產(chǎn)養(yǎng)殖領(lǐng)域進(jìn)行水質(zhì)監(jiān)控的過(guò)程中，其主要的監(jiān)控通訊方式是以無(wú)線監(jiān)控為主，無(wú)線監(jiān)控本身具有成本低，并且功耗相對(duì)較低等一系列特點(diǎn)，需要著重分析無(wú)線監(jiān)控的通信技術(shù)。通訊技術(shù)可以根據(jù)其覆蓋的距離以及通信覆蓋的范圍兩個(gè)不同點(diǎn)進(jìn)行分析。

無(wú)線傳感網(wǎng)可以將其分為無(wú)線廣域網(wǎng)技術(shù)以及無(wú)線局域網(wǎng)技術(shù)兩種不同的內(nèi)容。而其中局域網(wǎng)包括了Wi-Fi，藍(lán)牙等，其通訊距離相對(duì)短，在當(dāng)前應(yīng)用在前端無(wú)線傳感器的組網(wǎng)形式上。而ZigBee相比于Wi-Fi和藍(lán)牙等技術(shù)，其功率消耗更低、成本更低。同時(shí)ZigBee具有多跳、自組織等一些特點(diǎn)，每一個(gè)節(jié)點(diǎn)均可以作為相鄰范圍內(nèi)傳輸節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)中轉(zhuǎn)站，并且利用ZigBee可以在短時(shí)間內(nèi)不斷拓寬無(wú)線網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用時(shí)的覆蓋范圍，廣泛的應(yīng)用在目前我國(guó)水產(chǎn)養(yǎng)殖水質(zhì)監(jiān)測(cè)的傳感網(wǎng)絡(luò)中。無(wú)線廣域網(wǎng)技術(shù)包括的較多，無(wú)論是常見的移動(dòng)通信網(wǎng)，2G，3G，4G，5G網(wǎng)或是GPRS等，也包括了低功耗的廣域網(wǎng)WAN等。

2.2 ZigBee通信技術(shù)

2.2.1 優(yōu)勢(shì)

通過(guò)現(xiàn)階段對(duì)我國(guó)水產(chǎn)物聯(lián)網(wǎng)的遠(yuǎn)程通信技術(shù)效果使用進(jìn)行分析發(fā)現(xiàn)仍舊以GPRS為主。在水產(chǎn)養(yǎng)殖水質(zhì)檢測(cè)的過(guò)程中，其實(shí)傳感器和路由節(jié)點(diǎn)的部署，可以在水產(chǎn)養(yǎng)殖監(jiān)測(cè)的區(qū)域內(nèi)利用ZigBee形成自組織形式構(gòu)成獨(dú)特的網(wǎng)絡(luò)。而網(wǎng)絡(luò)本身也具有節(jié)點(diǎn)和路由的雙重功能。該傳感器的節(jié)點(diǎn)既負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)的采集，同時(shí)也負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)的處理，能夠?qū)⑺械臄?shù)據(jù)以融合的方式形成多跳的網(wǎng)絡(luò)，直接傳送到匯聚的節(jié)點(diǎn)，通過(guò)匯聚節(jié)點(diǎn)能夠?qū)崟r(shí)的接收并且處理網(wǎng)絡(luò)中所含有的一系列節(jié)點(diǎn)信息。利用GPRS可以直接地傳輸?shù)竭h(yuǎn)端控制中心進(jìn)行使用。ZigBee通信技術(shù)是現(xiàn)階段我國(guó)水產(chǎn)養(yǎng)殖水質(zhì)控制系統(tǒng)通信技術(shù)中的重點(diǎn)內(nèi)容之一。由于ZigBee技術(shù)本身是比本身所需要消耗的成本低、功率低、速率低，并且是一種無(wú)線通信技術(shù)，符合現(xiàn)階段水產(chǎn)養(yǎng)殖水質(zhì)檢測(cè)的相關(guān)使用標(biāo)準(zhǔn)機(jī)，主要應(yīng)用在能耗要求較低，并且數(shù)據(jù)吞吐量并不高的地區(qū)。

2.2.2 特點(diǎn)

ZigBee技術(shù)具有非常強(qiáng)大的組網(wǎng)能力，能夠形成三種不同的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，其中包括了星型、網(wǎng)狀以及樹型三種，而其中新型的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和樹狀的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)本身具有相對(duì)于簡(jiǎn)單并且能耗低等特點(diǎn)，適用一些規(guī)模較小并且復(fù)雜程度較低，距離相對(duì)近的場(chǎng)景進(jìn)行使用。而Mesh網(wǎng)則具有容錯(cuò)率較高，自適應(yīng)性能較好，適用于傳輸距離相對(duì)較長(zhǎng)并且大范圍通信距離較廣的復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)組網(wǎng)方案中。在目前我國(guó)的水產(chǎn)養(yǎng)殖水質(zhì)監(jiān)控系統(tǒng)中，大多數(shù)情況下所選擇的是Mesh網(wǎng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，這是一個(gè)非常常見的一種方式。

3 水產(chǎn)養(yǎng)殖水質(zhì)智能控制技術(shù)

水產(chǎn)養(yǎng)殖水質(zhì)智能控制技術(shù)的機(jī)理和系統(tǒng)、模型預(yù)測(cè)等，具體分析如下：

3.1 控制中心智能控制機(jī)理

3.1.1 水產(chǎn)養(yǎng)殖智能控制系統(tǒng)

當(dāng)前，水產(chǎn)養(yǎng)殖智能控制系統(tǒng)包括了控制中心養(yǎng)殖、養(yǎng)殖現(xiàn)場(chǎng)的設(shè)備控制兩個(gè)不同的部分。而控制中心除了對(duì)可以對(duì)現(xiàn)場(chǎng)的水質(zhì)參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)的分析監(jiān)控，還可以在現(xiàn)場(chǎng)直接采集相應(yīng)的數(shù)據(jù)，預(yù)測(cè)該模型的走向以及模型的整體使用效果。專家也可以結(jié)合自己的知識(shí)庫(kù)對(duì)水質(zhì)的參數(shù)進(jìn)行及時(shí)的分析和預(yù)測(cè)，并且根據(jù)報(bào)警規(guī)則輔助用戶在短時(shí)間內(nèi)做出相應(yīng)的決策，能夠提高水質(zhì)控制的整體效果。通過(guò)目前的發(fā)展?fàn)顟B(tài)進(jìn)行分析，其水質(zhì)自動(dòng)控制系統(tǒng)仍舊沒(méi)有完全脫離出實(shí)驗(yàn)環(huán)境，并且其控制方式也存在著閾值控制、定時(shí)控制、PID控制等簡(jiǎn)單的算法。例如，溶解氧含量的參數(shù)變化，由于控制因素較多，參數(shù)變化會(huì)受到了各種不同控制因素影響，受制于閾值控制、定時(shí)控制等簡(jiǎn)單算法的控制。當(dāng)監(jiān)測(cè)到了參數(shù)值低于閾值時(shí)，很難在短時(shí)間內(nèi)找到相應(yīng)地采取措施。為此，在養(yǎng)殖水質(zhì)智能控制技術(shù)時(shí)需要根據(jù)水質(zhì)參數(shù)預(yù)測(cè)算法對(duì)水質(zhì)的變化預(yù)測(cè)作出實(shí)時(shí)的分析，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)的自動(dòng)控制設(shè)備實(shí)現(xiàn)對(duì)水質(zhì)的智能控制，提高預(yù)測(cè)的整體使用效果，可以通過(guò)傳感器采集到的do、pH值、水溫、鹽度等一系列水質(zhì)參數(shù)，直接通過(guò)GPRS傳送到控制中心。

3.1.2 模型預(yù)測(cè)

控制中心所形成的監(jiān)控系統(tǒng)也可以利用已經(jīng)建立好的預(yù)測(cè)模型，對(duì)所有的等待檢測(cè)和控制的參數(shù)進(jìn)行預(yù)測(cè)和分析，并且根據(jù)水產(chǎn)養(yǎng)殖過(guò)程中所養(yǎng)殖的品種不同，其生產(chǎn)生長(zhǎng)的周期不同進(jìn)行分析，了解到養(yǎng)殖信息庫(kù)貨，獲取該時(shí)期在養(yǎng)殖水產(chǎn)時(shí)應(yīng)正常的參數(shù)標(biāo)準(zhǔn)以及報(bào)警歸報(bào)警規(guī)則庫(kù)。如果預(yù)測(cè)的參數(shù)已經(jīng)超出了限制，則需要在最短時(shí)間內(nèi)報(bào)警。而設(shè)置的報(bào)警方式較多，可以通過(guò)語(yǔ)音、電話或短信等形式，應(yīng)該在報(bào)警時(shí)展現(xiàn)出預(yù)警的等級(jí)以及正常的標(biāo)準(zhǔn)參數(shù)，并且進(jìn)入到報(bào)警記錄中，如果預(yù)測(cè)值超出限制，沒(méi)有達(dá)到需要報(bào)警的情況則需要直接計(jì)入日志，并且向用戶進(jìn)行信息的提醒。除此之外，在控制中心需要配備專家知識(shí)庫(kù)，在報(bào)警后隨時(shí)隨地的直接向用戶提供針對(duì)當(dāng)下的狀況，選擇應(yīng)對(duì)措施，同時(shí)控制中心也具有傳感器數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)控制庫(kù)，歷史數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)查詢，趨勢(shì)分析以及多傳感器的數(shù)據(jù)比較等方式，能夠根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)的設(shè)備以及實(shí)際情況開展遠(yuǎn)程控制等一系列的功能。

3.2 現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備控制

現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備控制也應(yīng)該具有控制以及遠(yuǎn)程控制兩種模式，其目的是為了提高對(duì)水產(chǎn)養(yǎng)殖、水質(zhì)監(jiān)測(cè)的整體質(zhì)量，也能夠提高控制的整體效果，讓我國(guó)不同地區(qū)的水產(chǎn)養(yǎng)殖水質(zhì)質(zhì)量更佳?，F(xiàn)場(chǎng)直接對(duì)所有的設(shè)備進(jìn)行調(diào)控的就地模式也可以分為手動(dòng)模式以及自動(dòng)模式。而手動(dòng)模式和自動(dòng)模式的區(qū)別就是利用現(xiàn)場(chǎng)控制裝置進(jìn)行控制開關(guān)或是按鈕，以人工手動(dòng)的方式對(duì)設(shè)備進(jìn)行啟動(dòng)和停止的控制，而自動(dòng)控制則是利用控制流程或是簡(jiǎn)單的算法，比如說(shuō)閾值、定時(shí)、PID等，直接實(shí)現(xiàn)設(shè)備的自動(dòng)運(yùn)行以及停止。而遠(yuǎn)方控制則是由控制中心的控制軟件通過(guò)GPRS現(xiàn)場(chǎng)控制裝置來(lái)，直接實(shí)時(shí)的制定發(fā)生控制命令，其最終的目的是實(shí)現(xiàn)對(duì)所有調(diào)控裝置的遠(yuǎn)程控制，提高調(diào)控裝置在設(shè)計(jì)時(shí)的整體設(shè)計(jì)質(zhì)量。

4 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，通過(guò)對(duì)我國(guó)現(xiàn)階段水產(chǎn)養(yǎng)殖水質(zhì)在使用時(shí)的使用效果進(jìn)行分析，能發(fā)現(xiàn)漁船養(yǎng)殖區(qū)往往都處于一種相對(duì)較為偏遠(yuǎn)的地區(qū)，并且其環(huán)境相對(duì)較為惡劣，特別是隨著海洋水產(chǎn)養(yǎng)殖業(yè)的進(jìn)一步擴(kuò)大，逐步向著深海方向轉(zhuǎn)移，使得水產(chǎn)養(yǎng)殖水質(zhì)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)不同于陸地上的物聯(lián)系統(tǒng)，其在使用的過(guò)程中需要考慮到方便部署、低功耗、無(wú)人操作、少維護(hù)等一系列的內(nèi)容。