基于物聯(lián)網的小型太陽能浮標式水質監(jiān)測系統(tǒng)在海參池塘養(yǎng)殖中的應用

劉毅 房景輝 鄒健 王軍威 張義濤 藺凡 張繼紅

摘要：我國未來水產養(yǎng)殖模式的發(fā)展方向是工業(yè)化、集約化，在線水質監(jiān)控系統(tǒng)是實現(xiàn)水產養(yǎng)殖現(xiàn)代化的關鍵技術。本研究通過小型太陽能浮標式水質監(jiān)測系統(tǒng)在海參池塘中的應用，對海參養(yǎng)殖過程中幾項重要的水質指標進行了監(jiān)測與分析。結果表明，浮標式監(jiān)控系統(tǒng)可以直觀地反映養(yǎng)殖池塘水體中各項水環(huán)境指標的變化規(guī)律，有效降低了工作強度、工作風險、人工和管理成本，同時提高了監(jiān)測結果的精確性、可靠性，可有效預防和避免突發(fā)情況，節(jié)約能源，具有較好的實際應用價值和推廣前景，同時也為實現(xiàn)現(xiàn)代化養(yǎng)殖模式以及相關的科學研究奠定了良好基礎。

關鍵詞：物聯(lián)網；水質監(jiān)測；海參；水產養(yǎng)殖

中圖分類號：S126文獻標識號：A文章編號：1001-4942（2016）09-0136-06

AbstractIndustrial and intensive culture models are the future trends for aquaculture and online water quality monitoring system is one of the key factors to realize the modernization of aquaculture. In this paper， a small scale solar buoy type water quality monitoring system was introduced， and some important water quality indicators in sea cucumber aquaculture were monitored and analyzed. The results showed that online buoy type monitoring system could directly reflect the variation of water quality indicators in the pond， reduce the working strengths and risks， labor and administrative costs， promote the accuracy and reliability of monitoring results， thus it could effectively prevent and avoid the occurrence of unexpected situations and reduce cost. This system showed a good practical application value and promotion prospect. Meanwhile， it provided a solid foundation for related scientific researches and modernized aquaculture model.

Keywords IOT； Water quality monitoring； Sea cucumber； Aquaculture

水質是水產養(yǎng)殖行業(yè)的重要物質基礎和技術指標，良好的水質可以為養(yǎng)殖生物提供天然餌料和適宜的生長環(huán)境，是養(yǎng)殖生物健康生長和發(fā)育的基礎[1]。傳統(tǒng)的養(yǎng)殖模式已無法滿足我國水產養(yǎng)殖現(xiàn)代化的生產要求，集約化養(yǎng)殖模式在水產養(yǎng)殖產業(yè)中的地位越來越突出。作為先進的養(yǎng)殖模式，其最為關鍵的環(huán)節(jié)就是水質環(huán)境調控[1，2]。在傳統(tǒng)養(yǎng)殖模式中，大部分采用人工進行水質監(jiān)測，時效性差，難以及時發(fā)現(xiàn)水質問題，以致影響經濟收益。隨著物聯(lián)網技術的發(fā)展，水質監(jiān)測系統(tǒng)的技術得到了發(fā)展和應用，實現(xiàn)了遠程化、智能化的監(jiān)測和管理[3-8]。應用于水產養(yǎng)殖的水質監(jiān)測系統(tǒng)在國外的研究應用已較為成熟，日本、美國等發(fā)達國家在20世紀末率先把水環(huán)境因子監(jiān)測裝置應用在水產養(yǎng)殖領域，實現(xiàn)了水產養(yǎng)殖的智能化管理[9]。我國對應用于水產養(yǎng)殖過程中的水質監(jiān)測系統(tǒng)的研究與應用起步較晚，對水質監(jiān)控的技術和管理手段相對落后。

小型太陽能浮標式水質監(jiān)測系統(tǒng)是采用太陽能供電，運用現(xiàn)代傳感器、自動控制、自動測量、無線傳輸?shù)雀咝录夹g及相關分析軟件和通訊網絡構成的一套綜合性的水質在線監(jiān)測系統(tǒng)[10]。可通過手機或電腦終端實時監(jiān)控水質情況，及時獲取異常情況的提醒及警報，幫助養(yǎng)殖人員快速有效地采取應對措施。該系統(tǒng)通過水質信息智能感知、信息智能處理和控制以及可靠的信息傳輸系統(tǒng)等成熟的物聯(lián)網技術使水產養(yǎng)殖行業(yè)更加科學、先進、穩(wěn)定、可靠，其運行成本的經濟性、使用操作的方便性可以促使水產養(yǎng)殖行業(yè)有效擴大養(yǎng)殖規(guī)模，增加產品產量，降低養(yǎng)殖成本，減少養(yǎng)殖風險，減輕勞動強度，最終實現(xiàn)綠色環(huán)保、增產增收、節(jié)能減排的現(xiàn)代化水產養(yǎng)殖模式[11-13]。

20世紀80年代以來海參的營養(yǎng)價值被廣泛認可，國內對海參需求量的增加以及海參養(yǎng)殖行業(yè)的高利潤使海參逐漸成為北方沿海地區(qū)的主要養(yǎng)殖品種[14]。據(jù)資料統(tǒng)計，超過80%的海參養(yǎng)殖病害是由水質問題導致的[15]，因此，對池塘水質科學管理是減少海參病害發(fā)生、提高海參質量和產量的主要措施?；谖锫?lián)網技術的水質監(jiān)測系統(tǒng)在水產養(yǎng)殖中的應用，可以提高水產養(yǎng)殖的管理和技術水平，使管理人員能夠及時監(jiān)控水質變化情況，根據(jù)養(yǎng)殖環(huán)境變化及時調整控制措施。本研究將基于物聯(lián)網技術的小型太陽能浮標式水質監(jiān)測系統(tǒng)應用于海參養(yǎng)殖池塘的水質監(jiān)測和調控，并通過對實驗過程中監(jiān)測數(shù)據(jù)的跟蹤與比對，選取具有代表性的海參養(yǎng)殖周期（3月15日至5月15日）進行水質變化規(guī)律分析；同時選取5月4-6日的數(shù)據(jù)，探討不同氣候條件下養(yǎng)殖池塘水質的日變化情況，以及如何及時采取措施應對惡劣天氣條件導致的水質變化，以期為該系統(tǒng)在水產養(yǎng)殖生產中的推廣應用提供科學依據(jù)，促使水產養(yǎng)殖行業(yè)更好更快地發(fā)展。

1小型太陽能浮標式水質監(jiān)測系統(tǒng)工作原理及架構1.1工作原理

該系統(tǒng)采用太陽能板供電，可24小時連續(xù)不間斷進行水質監(jiān)測。CPU模塊對系統(tǒng)傳感器所采集的溶解氧（DO）、pH值、水溫（T）、鹽度（S）等水質指標分析和處理之后，通過GPRS無線傳輸?shù)绞謾C或電腦終端，工作人員可以利用系統(tǒng)軟件進行數(shù)據(jù)的觀測、查詢及生成曲線圖形，并根據(jù)走勢規(guī)律預測相關水質變化趨勢。CPU模塊中同時集成了自動增氧機控制設備，可通過遠程操作或鍵入相關指令在溶氧較低時自動啟動增氧機工作。系統(tǒng)工作原理見圖1。

1.2系統(tǒng)架構

本實驗所用小型太陽能浮標式水質監(jiān)測系統(tǒng)采用標準Modbus協(xié)議的數(shù)字信號傳輸傳感器，通訊可集成到PLC（可編程邏輯控制器）或SCADA（數(shù)據(jù)采集與監(jiān)視控制系統(tǒng)），并能夠通過指令對傳感器及相關模塊進行控制。溶解氧傳感器采用第二代動態(tài)熒光淬滅法傳感器并內置鹽度校準程序，可通過輸入現(xiàn)場海水鹽度對其進行鹽度補償，鹽度值基于電導率法測量；pH傳感器采用氧化還原電極測量原理，同時具有溫度補償功能；溫度傳感器可自動實時進行溫度補償。

2該系統(tǒng)在海參池塘養(yǎng)殖中的應用試驗

2.1監(jiān)測指標

利用該系統(tǒng)進行養(yǎng)殖水體在線監(jiān)測的主要指標是溶解氧（DO）、pH值、水溫（T）以及鹽度（S）。DO是水體養(yǎng)殖生物進行呼吸代謝及其它維持生長活動的重要參數(shù)，也是水質評價的重要指標。高濃度DO可氧化分解水體中的有毒有害物質，抑制厭氧性有害菌繁殖，減少病害的發(fā)生[9]。結合實際生產，海參養(yǎng)殖池塘的DO要求最低為5 mg/L，過低則會導致海參死亡。pH值除可以直接反映水體的酸堿度外，也能間接反映水體中浮游植物群落的濃度及其光合作用強度，還可以根據(jù)pH值的高低判斷水體中DO含量等情況。海參養(yǎng)殖對pH值的要求為7.6～8.5。水溫也是影響水產養(yǎng)殖生物生理代謝活動的重要因子，海參最適宜的生長水溫為10～16℃，當水溫超過20℃時，海參將逐漸進入夏眠狀態(tài)，養(yǎng)殖過程中水溫應維持在5～28℃之間。海參屬于狹鹽性海洋生物，海水鹽度超出適宜范圍將會影響其正常的生長和發(fā)育，并最終導致疾病的發(fā)生，所以養(yǎng)殖水鹽度應該穩(wěn)定在28～34之間[16]。

2.2實驗方法

2015年9月將小型太陽能浮標式水質監(jiān)測系統(tǒng)（型號：KLD-FB-01，廈門吉龍德環(huán)境工程有限公司）投放到榮成東楮島海洋科技有限公司位于山東榮成東楮島附近的海參池塘中，經過系統(tǒng)調試和數(shù)據(jù)校準并正常運行后，于2016年3月開始進行實驗，實驗周期為3月15日至5月15日，每分鐘測定一次各指標值，并通過GPRS進行傳輸。同時，根據(jù)海參養(yǎng)殖水質要求設置各指標最低報警值，其中，DO最低報警值設置為5 mg/L，并設置當DO下降到5 mg/L時充氧機自動開啟進行工作，當DO恢復到5 mg/L以上時充氧機停止工作。

3結果與分析

3.1海參養(yǎng)殖周期水質月變化情況

3月15日-5月15日的主要參數(shù)變化情況見圖2。3月間，由于榮成冷空氣較多，水溫波動較大，4月份水溫變化相對平緩，5月份受降雨等春季天氣多變的影響，水溫波動也較大。受養(yǎng)殖周期溫度持續(xù)升高的影響，浮游植物大量繁殖，光合作用逐漸增強，DO逐漸增加；但受天氣的影響，3月中下旬和5月上中旬DO波動較大，在半夜或清晨出現(xiàn)了多次低于預警值的時間段。pH值和鹽度S的變化較為平緩，但5月上旬由于雨水增多，大量雨水進入養(yǎng)殖池，使鹽度S和pH值下降，池內酸性升高，當雨水減少后受養(yǎng)殖池內浮游植物等的影響pH又重新升高。總體來說，本次實驗養(yǎng)殖池塘水體的pH值在正常范圍內波動。

3.2水質日變化情況

選取5月4-6日進行水質日變化情況分析，其中5月4日為晴天，5日陰天，6日當?shù)亻_始降溫并伴隨強降雨天氣。結果（圖3）顯示，5月4日水溫為15.0～17.4℃，溫差2.4℃；5月5日水溫為16.0～16.5℃，溫差0.5℃；5月6日水溫為15.6～18.1℃，溫差2.5℃。日間水溫高，夜間水溫低。

5月4-6日，各天的溶解氧變化范圍分別為4.60～7.37、5.83～6.87、4.73～7.48 mg/L，平均值分別為（5.92±1.01）、（6.36±0.33）、（6.27±0.79） mg/L。DO的變化均呈日間高夜間低的趨勢，無論天氣狀況如何，峰值一般出現(xiàn)在12-16時，而低值出現(xiàn)在0-5時。4-6日共出現(xiàn)兩次DO過低預警，分別為4日凌晨1時以及6日5時許，兩次預警后自動增氧機都正常開啟工作，且均在1～2 h后DO開始逐漸恢復正常。

pH值的變化較為穩(wěn)定，3天內的變化范圍為7.9～8.3，平均值為8.17±0.08；只在6日降雨時由于雨量的增加出現(xiàn)一定程度的下降，當降雨停止后在浮游植物的調節(jié)下pH又重新升高。鹽度S的變化范圍為26.73～28.97，平均值為28.13±0.43，變化幅度也較小，同樣由于降雨的影響6日10時至16時有所下降。

4討論與結論

使用基于物聯(lián)網的小型太陽能浮標式監(jiān)測系統(tǒng)可以及時有效地獲取養(yǎng)殖池塘的水質環(huán)境指標，了解各項指標的全天候變化特征，可以為調節(jié)水質狀況、了解池塘水質變化規(guī)律、預測水質變化趨勢、提高監(jiān)測水平的精確性和可靠性以及為日后研究池塘養(yǎng)殖水體環(huán)境因子變化的影響因素提供有效的基礎信息。通過預警系統(tǒng)，針對突發(fā)事件及時反應，采取有效措施，避免造成嚴重后果。另外，使用該系統(tǒng)可以有效降低勞動成本和工作強度，提高勞動效率，實現(xiàn)節(jié)能減排，提高水產品質量。

通過對小型太陽能浮標式水質監(jiān)測系統(tǒng)的監(jiān)測數(shù)據(jù)進行分析，可以直觀反映出養(yǎng)殖池塘水體中各項水環(huán)境指標的變化規(guī)律，能夠有效指導海參池塘養(yǎng)殖與水質調控。正常天氣條件下，溫度和DO日間高夜間低，遇到惡劣氣候條件時，如降雨、降溫，DO、pH、S等指標均會不同程度的降低。在本次實驗周期（3月15日-5月15日）內，溫

各水質監(jiān)測指標的日變化度和DO逐日升高，受天氣影響，當天氣惡劣時，如冷空氣較多的3月份和雨季中的波動較大。但值得注意的是，在天氣晴朗的條件下，受光照的影響下午升溫較快，造成水溫溫差較大；陰天條件下，由于水體的保溫作用，溫差反而較小。所以在今后的生產過程中，除關注極端天氣外，晴朗天氣下造成的水溫差異也需引起關注。pH和S在雨季時有明顯降低的趨勢。降雨持續(xù)時間過長或極端天氣帶來的暴雨會導致養(yǎng)殖池內水體分層，不利于DO的交換，造成底層DO較低；同時大量雨水的進入還會導致S和pH值出現(xiàn)較大幅度下降。因此，在海參池塘養(yǎng)殖過程中，雨季來臨時除關注DO外，還需著重關注S和pH值的變化情況。相較于傳統(tǒng)養(yǎng)殖模式，基于物聯(lián)網的水質監(jiān)測系統(tǒng)能夠及時、準確地監(jiān)測到水質變化，可以有效避免因此導致的海參大面積死亡。

結合實際生產分析本次實驗日變化中兩次出現(xiàn)低氧情況的原因發(fā)現(xiàn)：第一次低氧發(fā)生在養(yǎng)殖池塘換水前夕；第二次低氧出現(xiàn)時正值降雨期間，氣壓低加之浮游植物的光合作用減弱，導致DO過低。因此，智能化的物聯(lián)網控制系統(tǒng)可以有效避免突發(fā)性缺氧造成的危害，并且管理者可以根據(jù)數(shù)據(jù)結果采取合理的管理措施。本次實驗中設置啟動自動增氧機的DO濃度為5 mg/L，通過實驗發(fā)現(xiàn)當養(yǎng)殖水池中DO低于5 mg/L之后，雖然增氧機馬上開始工作，但要使DO上升到正常范圍內有時間延遲，所以今后應將增氧機自動開啟的DO設置值相應提高，可更加有效地避免養(yǎng)殖生物因缺氧而死；另外在實際生產中，不同養(yǎng)殖密度、養(yǎng)殖規(guī)模也會對水質產生一定影響，因此，應根據(jù)實際需要設置和監(jiān)控水質情況，從而有效提高此類小型水質監(jiān)測系統(tǒng)的工作效率和效果。參考文獻：

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