農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)在水產(chǎn)養(yǎng)殖中的應用方案

孫剛　房巖　金丹丹　陳野夫　王雪純　吳蘇歡　杜娟　劉聰　王薇

摘要：農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)是智慧農(nóng)業(yè)和綠色農(nóng)業(yè)的核心組成部分之一。水產(chǎn)養(yǎng)殖智能物聯(lián)網(wǎng)集在線采集、智能組網(wǎng)、無線傳輸、智能分析、預警發(fā)布、決策支持、遠程控制等功能于一體，主要由傳感、遙測、傳輸、控制、終端、預警等子系統(tǒng)組成，可以有效提高水產(chǎn)養(yǎng)殖的生產(chǎn)效率、資源利用率和產(chǎn)品競爭力，符合綠色、集約、高效、安全的現(xiàn)代農(nóng)業(yè)發(fā)展方向。

關鍵詞：水產(chǎn)養(yǎng)殖;智慧農(nóng)業(yè);綠色農(nóng)業(yè);農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng);智能管理

中圖分類號：S959

文獻標識碼：A

DOI：10.19754/j.nyyjs.20191115004

引言

智慧農(nóng)業(yè)是人工智能理論和技術在農(nóng)業(yè)領域的擴展。作為智慧經(jīng)濟體系中至關重要的組成部分，智慧農(nóng)業(yè)充分運用現(xiàn)代科學技術，尤其是信息技術最新成果，實現(xiàn)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的智能感知、遠程診斷、遠程控制、智能預警、智能分析、智能決策、智能管理。將感應器嵌入農(nóng)田、公路、電網(wǎng)、橋梁、鐵路、隧道、建筑、市場、供水系統(tǒng)、油氣管道等構成物聯(lián)網(wǎng)，與互聯(lián)網(wǎng)和移動互聯(lián)網(wǎng)有機整合，實現(xiàn)人工系統(tǒng)與物理系統(tǒng)的協(xié)同。現(xiàn)代農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)通過生產(chǎn)領域的智能化、經(jīng)營領域的差異性、服務領域的全覆蓋，推動農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)鏈改造升級，實現(xiàn)精準、綠色、高效農(nóng)業(yè)，確保農(nóng)產(chǎn)品安全、農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展和農(nóng)業(yè)競爭力提升[1]。除了精準感知、定位、監(jiān)測、分析、調控外，廣義的農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)還包括信息服務、追蹤溯源、流通銷售、電子商務、冷鏈物流、休閑旅游、采摘加工等。隨著智慧農(nóng)業(yè)的快速發(fā)展，農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)正在向越來越多的領域擴展，在水產(chǎn)養(yǎng)殖中的應用方案可為科學管理和決策提供可靠支持。

1 系統(tǒng)組成

1.1 系統(tǒng)概述

物聯(lián)網(wǎng)是互聯(lián)網(wǎng)的延伸和擴展，目的是對物理系統(tǒng)進行智能化管理和控制，提高生產(chǎn)效率和資源利用率。隨著世界物聯(lián)網(wǎng)技術和信息技術不斷發(fā)展、現(xiàn)代農(nóng)業(yè)自動化需求的不斷增長，農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)在遙測感知、數(shù)據(jù)傳輸、智能處理、應用服務等領域取得重要突破，使智慧養(yǎng)殖成為可能。水產(chǎn)養(yǎng)殖智能物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)面向集約、高產(chǎn)、有效、生態(tài)、安全的發(fā)展需求，集水質環(huán)境參數(shù)在線采集、智能組網(wǎng)、無線傳輸、智能分析、預警信息發(fā)布、決策支持、遠程自動控制等功能于一體，主要由傳感器子系統(tǒng)、傳輸子系統(tǒng)、控制子系統(tǒng)、軟件監(jiān)控平臺等組成[2]。

1.2 系統(tǒng)成分

1.2.1 傳感子系統(tǒng)

傳感器子系統(tǒng)由服務器、遠程數(shù)據(jù)采集器（RTU）、PC終端、網(wǎng)關、傳感器、基站、手機終端等組成，可以實時監(jiān)測水質的各項信息（光照、水溫、pH值、溶解氧、氨氮含量、亞硝酸鹽含量等）。RTU采集各監(jiān)測站位的目標數(shù)據(jù)后，完成組網(wǎng)、暫存、傳輸、中轉等一系列任務。根據(jù)距離的不同，RTU可以通過GPRS或Radio 2種方式傳輸，遙測數(shù)采之間可以自組網(wǎng)，承擔數(shù)據(jù)采集、緩存、傳輸、中繼的任務，增加有效傳輸距離[3]。用戶終端為手機或PC機，可以不限時間、不限地點登錄服務器，隨時了解、統(tǒng)計、處理、分析數(shù)據(jù)。最新的濁度數(shù)字傳感器支持MODBUS串行通信，采用散射光原理，抗干擾能力強;采用光纖技術進行可重復的檢測，不受環(huán)境光線和色度影響，可以有效消除氣泡、懸浮物等對測量結果造成的偏差。溶解氧傳感器內置溫度傳感器，自動溫度補償;無需消耗氧，不受流速和硫化物等化學物質干擾;無需電解液，不會凝華;反應快速，測量精準;免于維護，適用周期較長，使用成本更低[3]。pH值傳感器配有快速電纜接頭，具有防水功能、超長使用壽命和多種安裝方式;抗化學腐蝕能力強，整體密封，在有毒離子水溶液中性能良好。

1.2.2 遙測子系統(tǒng)

軟件平臺具有展示實時數(shù)據(jù)的功能，以滿足生產(chǎn)單位大屏幕信息顯示的需求。分布式監(jiān)控子系統(tǒng)通過IP網(wǎng)絡和監(jiān)控中心軟件進行連接和數(shù)據(jù)交互。在大型應用場景中，可以組建二級監(jiān)控分中心，將現(xiàn)場微環(huán)境測控器與監(jiān)控分中心連接，多個監(jiān)控分中心再與總監(jiān)控中心軟件進行連接和交互。這種智能監(jiān)控平臺具有多路輸入輸出、以太網(wǎng)接口和通訊串口，便于與其他儀器設備集成使用。

1.2.3 傳輸子系統(tǒng)

提供有線（RS232/RS485）、無線（GPRS/GSM/ZIGBEE）、北斗衛(wèi)星傳輸?shù)榷喾N方式，支持web瀏覽和配置，同時支持TCP、SNMP等接口方式，通過IP網(wǎng)絡與中心軟件交互通訊，方便使用和管理[3]。

1.2.4 控制子系統(tǒng)

根據(jù)傳感器采集的環(huán)境因子數(shù)據(jù)，設置相關的發(fā)生條件后，可以對增氧機、水泵、電磁閥、風機等設備進行聯(lián)動開啟和關閉，實現(xiàn)遠程自動化控制。以增氧機控制器為例，用戶能夠根據(jù)水質參數(shù)和現(xiàn)場視頻，通過手機APP進行遠程啟停。

1.2.5 終端子系統(tǒng)

終端子系統(tǒng)為用品提供多種選擇，包括移動應用APP（Andriod、IOS）、標準電商平臺、微商城、小程序、中小企業(yè)全渠道電子商務云平臺（Saas模式、B2B&B2C模式等）、區(qū)塊鏈溯源及農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)綜合解決方案等[4]。PC端采用統(tǒng)一的實時在線人機界面、靈活方便的操作方式。

1.2.6 預警子系統(tǒng)

針對相關監(jiān)測指標，以及基于一級監(jiān)測指標計算的二級指標，進行條件設置，當一項或多項指標達到閾值時，系統(tǒng)發(fā)出警報，以短信、微信、電子郵件、網(wǎng)絡電話等形式通報目標人群[4]。從業(yè)者可及時采取預防應對措施，減少水產(chǎn)養(yǎng)殖災害損失。

2 系統(tǒng)功能

2.1 光照監(jiān)控

光照時間長短、強弱決定著魚類的繁殖周期、生長狀況和生產(chǎn)品質。輸入相關模型和算法，光照系統(tǒng)可以自動計算養(yǎng)殖水體中魚類需要的光照強度，決定天窗的開閉。

2.2 溫度監(jiān)控

溫度是水產(chǎn)養(yǎng)殖中的重要環(huán)境參數(shù)之一，包括進水口溫度、池內溫度、養(yǎng)殖區(qū)域空氣溫度等。智慧物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)全天候監(jiān)測養(yǎng)殖水體溫度，當溫度高于或低于設定區(qū)間時，系統(tǒng)將現(xiàn)場的情況通過短信發(fā)到用戶手機上，監(jiān)控界面彈出報警信息。用戶可通過遠程設置，自動開啟水溫控制設備，當水溫恢復正常值時，系統(tǒng)自動關閉。

2.3 溶解氧監(jiān)控

溶解氧含量與水生動物食量、餌料利用率、生長發(fā)育速率等密切相關，當水中溶解氧濃度降低時，智慧物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)自動打開增氧泵，保證水生動物必需的溶解氧含量。

2.4 pH值監(jiān)控

過低的pH值使水體呈酸性狀態(tài)，極易引發(fā)魚類病變（如魚鰓病變等）。同時會造成溶解氧利用率降低，水中有害微生物大量繁殖，影響魚類健康。當pH值傳感器探測到水體pH值超過正常范圍時，自動開啟進水口閥門，進行換水。

2.5 氨氮含量監(jiān)控

養(yǎng)殖池塘中的氨氮來源于水生動物排泄物、餌料、肥料、底泥等。當水體中的氨氮濃度過高時，幾乎所有水生動物的生長、發(fā)育、繁殖都會受到影響，嚴重時可能造成魚類、貝類、甲殼類等大范圍死亡，使?jié)O業(yè)生產(chǎn)產(chǎn)生重大損失。根據(jù)氨氮傳感器的實時監(jiān)測數(shù)據(jù)，及時對養(yǎng)殖水體進行清潔或換水。

3 智慧物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展方向

在現(xiàn)代農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展中，大量運用新原理、新技術、新材料，突出移動性、微型化、多樣化，注重應用性、標準化、產(chǎn)業(yè)化。納米傳感器不僅能促進農(nóng)作物生長，還能大大延長包裝食品的保存時間，幫助滿足世界人口快速增長對糧食的迫切需求。美國普渡大學研制的新型生物傳感器能夠檢測最低濃度達0.3μmoL的葡萄糖，且不需要昂貴的成本投入和復雜的生產(chǎn)程序，有望用于農(nóng)產(chǎn)品中葡萄糖含量的精確測定。納米科學領域涌現(xiàn)的新發(fā)現(xiàn)、新技術，不斷應用于包裝行業(yè)，研發(fā)防止氧氣侵入、微生物污染的新型飲料或食品容器。美國科羅拉多大學研制出類似夾式耳環(huán)的智能微芯片，置于農(nóng)作物葉片上，當植物需水時，向農(nóng)戶的手機發(fā)送信息。采用此法可以省水省力省時，灌溉用水減少10%～40%，每個用戶每年節(jié)省數(shù)千美元。農(nóng)業(yè)大數(shù)據(jù)、農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)等農(nóng)業(yè)市場創(chuàng)新商業(yè)模式持續(xù)涌現(xiàn)，大大降低信息搜索、經(jīng)營管理的成本[5]。創(chuàng)新型的經(jīng)營主體將進一步得到發(fā)展，相關產(chǎn)業(yè)的聯(lián)合和鏈接將更加緊密，農(nóng)業(yè)核心資源的配置和利用將更加高效。第一產(chǎn)業(yè)與第二、第三產(chǎn)業(yè)交叉滲透、融合發(fā)展，進一步提升農(nóng)業(yè)競爭力。

4 結語

現(xiàn)代物聯(lián)網(wǎng)是農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化和智能化水平最重要的標志之一，將有效改變傳統(tǒng)的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和經(jīng)營模式，向以軟件和信息為中心、大量運用自動化、遠程化設備的方向發(fā)展。智慧農(nóng)業(yè)將生產(chǎn)活動、產(chǎn)品流通、追蹤溯源與生態(tài)保護融為一體，將顯著提高農(nóng)業(yè)環(huán)境質量，推動精準、綠色、優(yōu)質、高效農(nóng)業(yè)，確?！吧嗉馍系陌踩?，盡快形成信息資源共享、生產(chǎn)環(huán)境穩(wěn)定、監(jiān)控網(wǎng)絡健全、可持續(xù)發(fā)展的現(xiàn)代農(nóng)業(yè)新格局。

參考文獻

[1] 羅彥婷，陸俊百. 淺談智慧農(nóng)業(yè)的內涵與發(fā)展路徑[J]. 農(nóng)業(yè)與技術，2017，37（11）：148-149.

[2]李卓然. 基于嵌入式Linux的水產(chǎn)養(yǎng)殖物聯(lián)網(wǎng)監(jiān)測系統(tǒng)設計[J]. 農(nóng)機化研究，2019，41（11）：229-233.

[3]徐連偉. 物聯(lián)網(wǎng)技術在我國水產(chǎn)養(yǎng)殖上的應用發(fā)展對策[J]. 農(nóng)業(yè)與技術，2018，38（23）：117-118.

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[5]唐珂. 國外農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)技術發(fā)展及對我國的啟示[J]. 中國科學院院刊，2013，28（6）：700-707.

作者簡介：

孫剛（1969-），男，博士，教授。研究方向：生物/生態(tài)界面和環(huán)境科學研究;

房巖（1965-），女，博士，教授。研究方向：生物學和仿生學研究。