水質(zhì)智能監(jiān)控技術(shù)在南美白對(duì)蝦養(yǎng)殖中的應(yīng)用

崔 迪，袁思平

（1.寧波工程學(xué)院，浙江 寧波 315201；2.寧波市鄞州區(qū)漁業(yè)技術(shù)管理服務(wù)站，浙江 寧波 315100）

水質(zhì)智能監(jiān)控技術(shù)在南美白對(duì)蝦養(yǎng)殖中的應(yīng)用

崔 迪1，袁思平2

（1.寧波工程學(xué)院，浙江 寧波 315201；2.寧波市鄞州區(qū)漁業(yè)技術(shù)管理服務(wù)站，浙江 寧波 315100）

針對(duì)傳統(tǒng)水產(chǎn)養(yǎng)殖缺乏對(duì)水質(zhì)的有效動(dòng)態(tài)監(jiān)控，導(dǎo)致易缺氧、易發(fā)病及投喂、用藥不合理等問題，開展了應(yīng)用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)對(duì)南美白對(duì)蝦養(yǎng)殖的水質(zhì)智能化監(jiān)控試驗(yàn)與研究。本文采用多參數(shù)傳感器、無線網(wǎng)自動(dòng)監(jiān)測(cè)方法，研究分析了對(duì)蝦生長(zhǎng)階段的水溫、溶解氧、pH等基本水質(zhì)因子的全天候、全生長(zhǎng)期的動(dòng)態(tài)變化，結(jié)果顯示了其日、月變化規(guī)律和養(yǎng)殖周期變化趨勢(shì)。研究表明，采用在線水質(zhì)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，能晝夜感知養(yǎng)殖水質(zhì)變化情況，及時(shí)采取相應(yīng)措施，以避免缺氧、發(fā)病等危害，同時(shí)有效降低工作強(qiáng)度、勞動(dòng)風(fēng)險(xiǎn)及管理成本，在養(yǎng)殖管理上具有重要指導(dǎo)意義和推廣前景。

物聯(lián)網(wǎng)；對(duì)蝦；水質(zhì)；智能監(jiān)測(cè)；調(diào)控

水產(chǎn)養(yǎng)殖自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)在國(guó)外的研究應(yīng)用已有較長(zhǎng)歷史，日本、美國(guó)等發(fā)達(dá)國(guó)家在20世紀(jì)末率先把水環(huán)境因子自動(dòng)化監(jiān)控裝置應(yīng)用在水產(chǎn)養(yǎng)殖領(lǐng)域，實(shí)現(xiàn)了水產(chǎn)養(yǎng)殖的工廠化、集約化生產(chǎn)與智能化管理。我國(guó)水產(chǎn)養(yǎng)殖環(huán)境因子監(jiān)控系統(tǒng)的研究與應(yīng)用起步較晚，水產(chǎn)養(yǎng)殖過程中存在水質(zhì)監(jiān)控及管理手段相對(duì)落后，大多采用人工監(jiān)控和經(jīng)驗(yàn)化管理，導(dǎo)致投餌、用藥不夠合理，用工成本上升，水產(chǎn)品質(zhì)量安全難以得到保障等問題。為了建立水產(chǎn)養(yǎng)殖中水質(zhì)主要因子的動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)，本文對(duì)水質(zhì)在線傳感器的選配及水質(zhì)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)集成的同時(shí)，對(duì)基于物聯(lián)網(wǎng)的水質(zhì)智能化監(jiān)測(cè)與調(diào)控進(jìn)行了試驗(yàn)研究，利用數(shù)據(jù)的無線傳輸、存儲(chǔ)、發(fā)布與智能預(yù)警等功能，使得養(yǎng)殖管理人員能夠及時(shí)感知水質(zhì)變化情況，根據(jù)南美白對(duì)蝦的生長(zhǎng)要求，做出相應(yīng)調(diào)控措施，確保對(duì)蝦健康安全的生長(zhǎng)環(huán)境，也為將來推廣應(yīng)用水產(chǎn)養(yǎng)殖智能化調(diào)控與管理提供科學(xué)依據(jù)。

1 養(yǎng)殖水體環(huán)境與動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)概要

1.1 養(yǎng)殖水體主要環(huán)境因子

水質(zhì)是水產(chǎn)養(yǎng)殖中最重要的基礎(chǔ)條件。養(yǎng)殖水體的DO（溶解氧）不僅是水質(zhì)的重要指標(biāo)，也是維持養(yǎng)殖生物生長(zhǎng)的最重要指標(biāo)之一，它主要供養(yǎng)殖生物呼吸之用，同時(shí)可氧化分解有毒有害物質(zhì)，抑制厭氧性有害菌繁殖，減少水產(chǎn)病害發(fā)生。養(yǎng)殖水體的pH值是衡量水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)的一個(gè)基本參數(shù)，能夠間接反映水體中水生植物群體繁殖密度和植物光合作用強(qiáng)度，若養(yǎng)殖水體中pH值偏低，且無外來特殊污染時(shí)，則可以判斷該水體有可能硬度偏低，腐殖質(zhì)過多，CO2濃度偏高或溶氧量不足，同時(shí)也可判斷該水體植物光合作用不強(qiáng)、養(yǎng)殖密度過大或微生物受抑制，整個(gè)物質(zhì)代謝系統(tǒng)緩慢；若養(yǎng)殖水體中pH值偏高，可能是水生植物繁殖過于旺盛，光合作用過強(qiáng)或腐殖質(zhì)不足等。此外，水溫也是影響水產(chǎn)生物生長(zhǎng)繁育的重要環(huán)境因子，它一方面直接影響著其生理代謝活動(dòng)，同時(shí)通過改變其他養(yǎng)殖水環(huán)境因子而間接影響水產(chǎn)生物的生長(zhǎng)發(fā)育。使用物聯(lián)網(wǎng)水質(zhì)在線檢測(cè)系統(tǒng)，可以較好地對(duì)這些關(guān)鍵性水質(zhì)指標(biāo)進(jìn)行實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)和控制，及時(shí)采取應(yīng)急措施，減少病害發(fā)生，提高養(yǎng)殖效益。

1.2 物聯(lián)網(wǎng)水質(zhì)在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

該系統(tǒng)可連續(xù)24h不間斷在線監(jiān)測(cè)養(yǎng)殖水體中的DO（溶解氧）、pH值、水溫等水質(zhì)指標(biāo)，并對(duì)所得數(shù)據(jù)進(jìn)行分析與調(diào)控決策。系統(tǒng)以數(shù)據(jù)采集終端為中心，通過現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)自動(dòng)收集、中控室遠(yuǎn)程控制，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集和監(jiān)控；數(shù)據(jù)采集點(diǎn)設(shè)置靈活方便，采用成熟的GPRS無線數(shù)據(jù)傳輸通信方式，突破了傳統(tǒng)的有線通信方式，傳輸數(shù)據(jù)安全且成本低廉；監(jiān)控平臺(tái)以數(shù)據(jù)觀測(cè)與分析為主，可實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)查詢、排序及曲線圖形顯示，并可通過建立相關(guān)數(shù)學(xué)模型預(yù)測(cè)水質(zhì)變化趨勢(shì)。

2 材料與方法

2.1 架構(gòu)與原理

水質(zhì)在線監(jiān)控系統(tǒng)可分為數(shù)據(jù)采集、GPRS數(shù)據(jù)傳輸和檢測(cè)控制中心三部分。其中數(shù)據(jù)采集部分主要有數(shù)據(jù)采集終端、GPRS數(shù)據(jù)傳輸設(shè)備、供電設(shè)備等。其中，pH值采用具有溫度補(bǔ)償功能的氧化還原電極法監(jiān)測(cè)；溫度測(cè)量采用熱敏電阻電極法；溶解氧的測(cè)定采用極譜電極法。所有測(cè)量結(jié)果均通過數(shù)據(jù)量化并協(xié)議編碼后傳輸?shù)紾PRS傳輸模塊。GPRS數(shù)據(jù)傳輸部分發(fā)送數(shù)據(jù)到GPRS網(wǎng)絡(luò)，再經(jīng)服務(wù)器進(jìn)入Internet網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)綉?yīng)用服務(wù)器，實(shí)現(xiàn)客戶端軟件與遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)點(diǎn)之間的無線數(shù)據(jù)通信。監(jiān)測(cè)控制中心配置一臺(tái)數(shù)據(jù)接收服務(wù)器和一臺(tái)普通計(jì)算機(jī)，利用網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)或客戶端軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)觀察與相關(guān)操作，也可將有效數(shù)據(jù)顯示于LED外掛屏幕。

圖1 水質(zhì)在線監(jiān)控系統(tǒng)中的結(jié)構(gòu)

2.2 試驗(yàn)方法

首先對(duì)供試傳感器選型、控制設(shè)備布置及其他配套輔件進(jìn)行集成，構(gòu)建一套水質(zhì)自動(dòng)化監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。供試地點(diǎn)：寧波市鄞州區(qū)丹艷水產(chǎn)養(yǎng)殖基地，于2015年4月10日在美南白對(duì)蝦設(shè)施養(yǎng)殖塘進(jìn)行集成調(diào)試，4月20日開始測(cè)試觀察，在南美白對(duì)蝦養(yǎng)殖期間，進(jìn)行全程自動(dòng)監(jiān)測(cè)，實(shí)時(shí)觀測(cè)養(yǎng)殖水體的相關(guān)指標(biāo)，及時(shí)分析水質(zhì)環(huán)境因子的動(dòng)態(tài)變化，做出相關(guān)研判與調(diào)控。

3 結(jié)果與分析

通過應(yīng)用試驗(yàn)，獲知了對(duì)蝦養(yǎng)殖池塘水溫、溶解氧、pH值等水質(zhì)指標(biāo)的全天候變化特性，為養(yǎng)殖水質(zhì)調(diào)節(jié)提供了有效信息。現(xiàn)以不同氣候條件下的智能監(jiān)測(cè)結(jié)果，分析對(duì)蝦養(yǎng)殖池塘中水質(zhì)的日、月及一個(gè)養(yǎng)殖周期的變化規(guī)律。

3.1 水質(zhì)指標(biāo)日變化情況

由圖2可見，在對(duì)蝦養(yǎng)殖中，天氣晴朗時(shí) （6月30日），則一天內(nèi)水質(zhì)指標(biāo)變化情況為：水溫變化在30.2～34.4℃，在14：00—18：00較高，夜間0：00—6：00較低；溶氧量白天高夜間低，含量日變化在5.8～11.3mg·L-1，11：00—16：00較高，15：00—16：00出現(xiàn)高峰，夜間 0：00—6：00較低；pH值穩(wěn)定。試驗(yàn)表明，白天隨著陽光輻射的增強(qiáng)，氣溫水溫隨之升高，溶氧量在12：00—14：00出現(xiàn)峰值，早晨6：00前呈低點(diǎn)，可見，白天溶氧量隨著浮游植物光合作用增強(qiáng)而提高，夜間因水中生物呼吸等原因，導(dǎo)致溶解氧降低，至0：00—6：00達(dá)低谷，因此，在生產(chǎn)上此時(shí)段應(yīng)特別注意缺氧危害。

圖2 對(duì)蝦養(yǎng)殖池塘水質(zhì)指標(biāo)6月30日（晴天）的變化

由圖3可見，在對(duì)蝦養(yǎng)殖中，遇到雨天時(shí)，一天內(nèi)水質(zhì)指標(biāo)變化情況為：水溫變化基本不大，中午到下午略高些，夜間偏低，由于雨天沒有陽光直接照射，溫度變化不如晴天明顯，溶氧量是白天高夜間低，但變化稍顯平緩，這是因?yàn)橛晏旄∮沃参锏墓夂献饔貌蝗缜缣?，即使到午后，水中含氧量仍然不?huì)有明顯提高，pH值一天內(nèi)幾乎穩(wěn)定不變。

圖3 對(duì)蝦養(yǎng)殖池塘水質(zhì)指標(biāo)6月18日（雨天）的變化

3.2 水質(zhì)指標(biāo)月變化與對(duì)蝦養(yǎng)殖周期總變化情況（4—7月）

每到6月是對(duì)蝦生長(zhǎng)最快，管理較為關(guān)鍵的時(shí)期。由圖4可見，6月水質(zhì)指標(biāo)月變化情況為：隨著水溫逐漸升高，對(duì)蝦生長(zhǎng)加快，底層餌料、糞便沉積，水體富營(yíng)養(yǎng)化加重，引起溶解氧緩慢下降，而pH值逐漸升高。

圖4 對(duì)蝦養(yǎng)殖池塘水質(zhì)指標(biāo)6月各日的變化

對(duì)蝦設(shè)施養(yǎng)殖一年養(yǎng)二茬，頭茬生長(zhǎng)期為4—7月，養(yǎng)殖較為成功。由圖5可見，在一個(gè)對(duì)蝦養(yǎng)殖周期 （4—7月）內(nèi)，水質(zhì)指標(biāo)變化情況為：水溫逐月明顯升高；溶解氧總體略有下降，而這可能隨著對(duì)蝦個(gè)體的增大，呼吸需氧量增加，以及底質(zhì)耗氧量升高所致。對(duì)蝦塘藻類因隨著溫度升高，生長(zhǎng)逐漸旺盛，也引起了pH值的明顯升高。

4 小結(jié)與討論

圖5 對(duì)蝦養(yǎng)殖池塘水質(zhì)指標(biāo)4—7月的變化

通過應(yīng)用試驗(yàn)，在線水質(zhì)監(jiān)控系統(tǒng)能有效指導(dǎo)水產(chǎn)養(yǎng)殖與水質(zhì)調(diào)控。水質(zhì)智能化監(jiān)測(cè)分析結(jié)果顯示了水體溶氧量的晝夜變化具有一定規(guī)律性，一般每天的峰值出現(xiàn)在下午 15：00—16：00，在夜間0：00—6：00出現(xiàn)低谷段，在晴天氣溫高時(shí)溶氧量變化更為明顯，故在生產(chǎn)上應(yīng)注意溶氧量出現(xiàn)低谷時(shí)間段，尤其當(dāng)對(duì)蝦生長(zhǎng)到中后期時(shí)，更應(yīng)注意及時(shí)提早增氧，即在低谷出現(xiàn)之前1～2h開機(jī)增氧或啟動(dòng)自動(dòng)增氧設(shè)備，可避免對(duì)蝦因缺氧而死亡。此外，不同對(duì)蝦養(yǎng)殖密度及其生長(zhǎng)期對(duì)水體溶解氧的變化強(qiáng)弱也有差異，養(yǎng)殖密度越高，個(gè)體越大，溶氧量驟降速度會(huì)加快。因此，根據(jù)養(yǎng)殖品種及密度，需適時(shí)調(diào)控增氧。

水質(zhì)采用無線監(jiān)測(cè)能有效降低工作強(qiáng)度 （高溫，風(fēng)雨天等）、勞動(dòng)風(fēng)險(xiǎn) （暴風(fēng)雨天及夜間操作）及管理成本，改變了采集數(shù)據(jù)量少，誤差大等缺陷，可隨時(shí)隨地通過電腦和手機(jī)端，獲得養(yǎng)殖塘的水體環(huán)境情況，并能全天候獲知水質(zhì)動(dòng)態(tài)變化，降低人工監(jiān)測(cè)成本，具有較好的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值和推廣前景。

近年，農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的研究開發(fā)與試驗(yàn)應(yīng)用正在逐漸展開，本文通過物聯(lián)網(wǎng)智能監(jiān)測(cè)技術(shù)在水產(chǎn)養(yǎng)殖上的試驗(yàn)研究，探明了南美白對(duì)蝦養(yǎng)殖環(huán)境因子 （溶氧量、pH值、水溫等）的晝夜變化規(guī)律及月變化特征，實(shí)現(xiàn)了養(yǎng)殖水質(zhì)因子的全天候感知與調(diào)控決策管理，促進(jìn)了以水產(chǎn)養(yǎng)殖全程智能化管理為標(biāo)志的現(xiàn)代漁業(yè)發(fā)展。

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（責(zé)任編輯：張 韻）

S951.2

A

0528-9017（2016）05-0797-03

2015-12-26

寧波市科技局科研攻關(guān)項(xiàng)目 （2014C10045）；國(guó)家星火計(jì)劃項(xiàng)目 （2014GA701012）

崔 迪 （1985—），女，浙江寧波人，講師，在職博士生，主要從事物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在農(nóng)業(yè)上的應(yīng)用研究工作，E-mail：sukey1006@126.com。

文獻(xiàn)著錄格式：崔迪，袁思平.水質(zhì)智能監(jiān)控技術(shù)在南美白對(duì)蝦養(yǎng)殖中的應(yīng)用 ［J］.浙江農(nóng)業(yè)科學(xué)，2016，57（5）：797-799.

10.16178/j.issn.0528-9017.20160555