基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的魚菜共生系統(tǒng)研究進(jìn)展

楊 揚(yáng)

（北京中農(nóng)富通園藝有限公司，北京100089）

隨著農(nóng)業(yè)生產(chǎn)技術(shù)的不斷發(fā)展，一種新型的復(fù)合耕作模式應(yīng)運(yùn)而生——魚菜共生系統(tǒng)。近年來，針對魚菜共生技術(shù)的研究越來越多，雖然魚菜共生技術(shù)越來越成熟，但是大多數(shù)魚菜共生研究中環(huán)境監(jiān)測、管理等采用人工監(jiān)測管理或部分自動化監(jiān)測管理的方式，人工管理方式費(fèi)時費(fèi)力，環(huán)境參數(shù)調(diào)節(jié)全憑勞動經(jīng)驗，缺少精準(zhǔn)監(jiān)控環(huán)境參數(shù)管理，很難保證生態(tài)系統(tǒng)一直處于最佳狀態(tài)。隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在現(xiàn)代農(nóng)業(yè)中的應(yīng)用越來越廣泛，部分專家逐步開展物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在魚菜共生技術(shù)中的應(yīng)用研究[1-3]，基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的精準(zhǔn)監(jiān)控、環(huán)境參數(shù)監(jiān)測，通過信息感知模塊、信息傳輸模塊、信息處理模塊，監(jiān)測生態(tài)系統(tǒng)的溫度、濕度、光照強(qiáng)度、水溫、水溶氧量、pH 值等各種環(huán)境參數(shù)，實現(xiàn)環(huán)境信息自動化、智能化管理，為保持生態(tài)平衡提供數(shù)據(jù)支持，可有效解決人工勞力，提高科學(xué)化管理水平。因此，將魚菜共生相關(guān)技術(shù)研究與物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)相互結(jié)合，可有效提高研究結(jié)果的可控性、數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，為魚菜共生技術(shù)的進(jìn)一步完善提供更有效的理論和技術(shù)支撐。將物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)應(yīng)用于魚菜共生系統(tǒng)進(jìn)行環(huán)境監(jiān)測及智能管理能夠彌補(bǔ)傳統(tǒng)模式的管理局限，加速農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化發(fā)展，具有非常廣闊的應(yīng)用前景。鑒于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在魚菜共生系統(tǒng)的應(yīng)用研究較少，本文借鑒了物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在農(nóng)業(yè)領(lǐng)域其他方面的研究，探討了基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)精準(zhǔn)控制的魚菜共生系統(tǒng)研究現(xiàn)狀、問題與前景，為以后的生態(tài)農(nóng)業(yè)發(fā)展提供相應(yīng)的理論支持。

1 魚菜共生系統(tǒng)以及物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的研究現(xiàn)狀

1.1 魚菜共生系統(tǒng)研究現(xiàn)狀

魚菜共生系統(tǒng)（Aquaponics）是指融合水產(chǎn)養(yǎng)殖（Aquaculture）與水耕栽培（Hydroponics）這兩種農(nóng)業(yè)生產(chǎn)方式，通過科學(xué)合理的設(shè)計，利用蔬菜充分吸收魚類排泄物中的養(yǎng)分，起到凈化水體的作用，同時將凈化后的水再流回魚池中使用，達(dá)到魚菜科學(xué)協(xié)同共生的一種可持續(xù)發(fā)展的新型農(nóng)業(yè)系統(tǒng)。魚菜共生系統(tǒng)能夠高效環(huán)保地解決傳統(tǒng)水產(chǎn)養(yǎng)殖業(yè)中因飼料利用率低造成的水體富營養(yǎng)化與水質(zhì)惡化，甚至各種疾病爆發(fā)等問題。美國、以色列等國對魚菜共生技術(shù)的研究較多，也較為先進(jìn)，主要利用戶外大規(guī)模生產(chǎn)的深液流栽培以及溫室內(nèi)的固體基質(zhì)栽培；我國是近年來才開展的這方面研究，起步略晚，大多偏向于實現(xiàn)集約化生產(chǎn)，系統(tǒng)較易受到外界環(huán)境、魚菜配比、水體營養(yǎng)等條件的影響[4，5]。張明華等設(shè)計了國內(nèi)首套魚菜共生實驗裝置；探索了氨氮、酸堿度等因子對魚菜不同生長階段的影響，總結(jié)了不同密度魚菜之間的優(yōu)化配比以及論述了魚菜共生系統(tǒng)工程設(shè)計的模式，為城市園林建設(shè)及家庭園藝美化提供了借鑒經(jīng)驗[6]?；隰~菜共生理念，采用水培系統(tǒng)凈化養(yǎng)殖水體的同時，收獲高品質(zhì)魚菜具有較高的研究價值[7]。隨著科學(xué)技術(shù)的不斷快速發(fā)展，魚菜共生系統(tǒng)也日益完善，耗能較低、管理方便、污染較小，越來越受到人們青睞，充分發(fā)揮了生態(tài)農(nóng)業(yè)的潛力。

1.2 物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在農(nóng)業(yè)領(lǐng)域的研究現(xiàn)狀

物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)主要是指通過射頻識別、紅外感應(yīng)器、定位系統(tǒng)等信息傳感設(shè)備，以物聯(lián)網(wǎng)域名，將系統(tǒng)與互聯(lián)網(wǎng)相連接，進(jìn)行信息交換和通信，以實現(xiàn)智能化識別、定位、跟蹤、監(jiān)控和管理的一種技術(shù)。通過實時采集系統(tǒng)所處環(huán)境溫度、水體溫度、CO2濃度、濕度信號以及光照、葉面濕度、營養(yǎng)液濃度等參數(shù)，自動開啟或者關(guān)閉指定設(shè)備，實現(xiàn)遠(yuǎn)程控制，便于直觀地分析處理問題，為系統(tǒng)信息的自動監(jiān)測、環(huán)境的自動控制等智能提供科學(xué)依據(jù)，節(jié)約成本、提高效益的同時農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的應(yīng)用也為農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化注入了新的活力[8]。美國、日本等國農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)應(yīng)用較早且較為成熟，美國農(nóng)場的農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)覆蓋率超過80%，比如通過物聯(lián)網(wǎng)感應(yīng)病蟲害指揮無人噴藥機(jī)噴藥、利用物聯(lián)網(wǎng)控制節(jié)水灌溉、實時監(jiān)測農(nóng)作物生長狀態(tài)等[9]，不僅能夠避免資源浪費(fèi)、節(jié)約成本，還能夠?qū)崿F(xiàn)設(shè)備的精準(zhǔn)控制、提高產(chǎn)量等。日本主要由日立等大型科技公司進(jìn)行農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的研發(fā)，建立無線網(wǎng)絡(luò)，連接耕種監(jiān)控以及傳感器，應(yīng)用于作物耕種、食品安全等方面，實現(xiàn)異常感應(yīng)、自動警報、智能控制以及移動終端實時掌握監(jiān)測數(shù)據(jù)等情況，大大地提高了農(nóng)業(yè)生產(chǎn)效率。物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在我國經(jīng)過近20年的發(fā)展，已經(jīng)越來越廣泛地應(yīng)用于農(nóng)業(yè)領(lǐng)域，主要集中在環(huán)境監(jiān)測、精細(xì)作業(yè)、質(zhì)量溯源、智能控制等方面，基本上實現(xiàn)了節(jié)能增效等功能，極大地促進(jìn)了我國農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化進(jìn)程[10-12]。王萍等[13]研究了農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在大豆生產(chǎn)中的應(yīng)用，總結(jié)了物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)對大豆生長環(huán)境監(jiān)測、智能化生產(chǎn)等方面的作用，探討了存在的問題以及為我國大豆生產(chǎn)的信息化發(fā)展提供了理論依據(jù)。物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在農(nóng)業(yè)領(lǐng)域中的應(yīng)用，實現(xiàn)了農(nóng)業(yè)生產(chǎn)上數(shù)據(jù)的采集以及傳輸、分析處理等功能，對農(nóng)業(yè)生產(chǎn)進(jìn)行自動監(jiān)控以及智能管理，不同程度地改變了農(nóng)業(yè)對自然環(huán)境的依賴性，不僅提高了生產(chǎn)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性以及農(nóng)業(yè)生產(chǎn)效率，還加快了農(nóng)業(yè)發(fā)展方式的轉(zhuǎn)變以及轉(zhuǎn)型升級。

1.3 物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)應(yīng)用于魚菜共生系統(tǒng)的研究現(xiàn)狀

隨著信息科技的迅速發(fā)展，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)應(yīng)用于農(nóng)業(yè)領(lǐng)域越來越廣泛，食品安全、環(huán)境保護(hù)需求不斷提升，魚菜共生系統(tǒng)作為現(xiàn)代農(nóng)業(yè)的一個重要部分，越來越受到關(guān)注。通過安裝光溫水氣等各種傳感器、智能芯片對各儀器設(shè)備進(jìn)行魚菜的生長狀況、營養(yǎng)液濃度等的實時監(jiān)控，利用無線傳感（Zig-Bee/WiFi/Bluetooth、蜂窩移動/LPWAN 等）或有線傳感等技術(shù)手段將數(shù)據(jù)進(jìn)行傳輸，通過分析處理等保證魚菜獲得良好的生長環(huán)境，進(jìn)而提高魚菜的產(chǎn)量與品質(zhì)。孫劍等[14]開展了基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的魚菜共生環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)的研究，設(shè)計了環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)，通過傳感器感知采集空氣溫濕度、光照、水溫、溶氧量等信息，利用傳輸技術(shù)（ZigBee）將數(shù)據(jù)傳輸至監(jiān)測中心并進(jìn)行范圍比對，超出后報警提示用戶參數(shù)異常，甚至提出相應(yīng)的解決方案。馬子超等[15]設(shè)計了一種基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的魚菜共生系統(tǒng)，利用ZigBee傳輸特點(diǎn)，對系統(tǒng)內(nèi)溫濕度等進(jìn)行實時采集及控制，從而保證魚菜共生系統(tǒng)的最佳環(huán)境，可實現(xiàn)有效節(jié)水及廢物利用等價值。剛營營等[16]提出了一種基于PLC 和LabVIEW 的魚菜共生試驗系統(tǒng)控制的方法，在實驗室進(jìn)行了小型系統(tǒng)運(yùn)行，實現(xiàn)了對多種傳感器及設(shè)備的數(shù)據(jù)采集、自動控制、實時顯示、存儲查詢及分析處理等功能，最終實現(xiàn)了對魚菜共生系統(tǒng)的環(huán)境監(jiān)控，為進(jìn)一步推廣魚菜共生系統(tǒng)打下基礎(chǔ)。Harvey Harbach 等[17]研究了植物密度對魚菜共生系統(tǒng)中非洲鯰的影響，通過視頻等觀察分析發(fā)現(xiàn)，高密度羅勒對非洲鯰魚有積極影響。陳華等[18]研究設(shè)計了景觀式魚菜共生系統(tǒng)，通過增設(shè)自動過濾、光伏發(fā)電、環(huán)境監(jiān)測以及智能控制等功能，實現(xiàn)環(huán)境實時監(jiān)測以及基本不換水和無廢物化運(yùn)行，具有一定社會效益。趙月玲等[19]設(shè)計了一種基于STM32傳感器技術(shù)的低功耗的魚菜共生系統(tǒng)，依靠遠(yuǎn)程WIFI 傳輸數(shù)據(jù)，能夠?qū)崿F(xiàn)水溫、pH 值等參數(shù)的實時監(jiān)控與智能控制，對資源節(jié)約與生態(tài)農(nóng)業(yè)發(fā)展起到重要作用。依據(jù)不同魚菜品種的生長習(xí)性及生長規(guī)律，利用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)調(diào)控魚菜生長所需水溫、環(huán)境溫濕度、光照、CO2濃度、營養(yǎng)液比例等，實現(xiàn)魚菜的精細(xì)化管理。由此可以看出，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在魚菜共生系統(tǒng)中的應(yīng)用已經(jīng)迅速發(fā)展并日益成熟，對我國生態(tài)農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)化、規(guī)?；?、智能化進(jìn)程具有重要意義。

2 物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)應(yīng)用于魚菜共生系統(tǒng)上存在的問題

盡管我國不斷尋求農(nóng)業(yè)轉(zhuǎn)型升級以及大力支持研究物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，開發(fā)了多個獲得知識產(chǎn)權(quán)的計算機(jī)軟、硬件以及這些技術(shù)在魚菜共生系統(tǒng)上得到了不同程度的應(yīng)用，實現(xiàn)了魚菜共生系統(tǒng)的智能管控、監(jiān)督預(yù)警、數(shù)據(jù)查詢、種養(yǎng)殖分析等功能，打破了傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)模式，產(chǎn)生了較好的智能監(jiān)控效果及經(jīng)濟(jì)社會效益，不同程度提高了魚菜的生產(chǎn)效率及產(chǎn)量品質(zhì)，但從物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)本身來說，我國魚菜共生系統(tǒng)中的農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)應(yīng)用開發(fā)仍處于較低水平，并且對應(yīng)用前景缺乏足夠認(rèn)識。

2.1 物聯(lián)網(wǎng)關(guān)鍵技術(shù)缺乏以及產(chǎn)品開發(fā)標(biāo)準(zhǔn)低

由于國內(nèi)目前對魚菜共生系統(tǒng)中農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)應(yīng)用設(shè)備仍未進(jìn)行有效管理以及精準(zhǔn)要求，導(dǎo)致系統(tǒng)中物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的應(yīng)用主要集中在魚菜生長的環(huán)境監(jiān)控與數(shù)據(jù)傳輸上，生產(chǎn)廠家雖然眾多，富含關(guān)鍵技術(shù)的識別魚菜生命信息的專用傳感器類型少、產(chǎn)品多樣但不統(tǒng)一、質(zhì)量良莠不齊、標(biāo)準(zhǔn)化程度低、數(shù)據(jù)模型缺乏、網(wǎng)速差以及不穩(wěn)定使得無法形成有效互聯(lián)融合及共享，這樣就難以保證數(shù)據(jù)的精準(zhǔn)與可靠，難以實現(xiàn)魚菜共生系統(tǒng)的精準(zhǔn)控制，大大降低了物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)應(yīng)用效果，制約了物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)發(fā)展和農(nóng)業(yè)資源的共享。

2.2 物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用成本較高，使得大多數(shù)企業(yè)望而卻步

眾所周知，物聯(lián)網(wǎng)傳感器的精準(zhǔn)度影響著整個技術(shù)的應(yīng)用效果，而傳感器的精準(zhǔn)度越高、穩(wěn)定性越好，相應(yīng)的設(shè)備價格就會越高，且后期管理及運(yùn)營維護(hù)成本也會越高。我國農(nóng)業(yè)企業(yè)中大部分靠政府財政補(bǔ)貼，而相關(guān)惠農(nóng)政策較少，農(nóng)戶更是難以為繼，自主資金來源緊縮，而以小規(guī)模魚菜共生系統(tǒng)進(jìn)行生產(chǎn)為主的企業(yè)及農(nóng)戶致力于降低生產(chǎn)成本，系統(tǒng)中的物聯(lián)網(wǎng)入門、安裝使用、核心技術(shù)掌控、設(shè)備運(yùn)營維護(hù)、數(shù)據(jù)傳輸?shù)榷夹枰罅康馁Y金支持，而目前魚菜共生系統(tǒng)以及物聯(lián)網(wǎng)盈利能力較為低下，這無疑則會成為企業(yè)及農(nóng)戶的負(fù)累，投資風(fēng)險提升的同時，使得大面積普及推廣難度加大。

2.3 物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)專業(yè)人才及高素質(zhì)職業(yè)農(nóng)民缺乏

物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)是近些年新興的一種綜合性網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，技術(shù)學(xué)習(xí)難度略大以及管理不方便，無法有效掌握大多關(guān)鍵技術(shù)，因此我國并未真正普及，雖然目前農(nóng)業(yè)從業(yè)者超過2億，然而嚴(yán)重缺乏物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)專業(yè)復(fù)合型人才，并且物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)操作人員文化水平參差不齊、專業(yè)背景單一、操作規(guī)范程度低、使用設(shè)備故障率高，專門的物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)人才及高素質(zhì)農(nóng)業(yè)從業(yè)人員仍與發(fā)達(dá)國家差距較大，并且物聯(lián)網(wǎng)使用中存在網(wǎng)絡(luò)設(shè)備與數(shù)據(jù)傳輸?shù)陌踩珕栴}等，都極大地阻礙了物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在農(nóng)業(yè)中魚菜共生領(lǐng)域的應(yīng)用和發(fā)展[20，21]。

3 物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)應(yīng)用于魚菜共生系統(tǒng)上的發(fā)展對策

3.1 加大農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)關(guān)鍵技術(shù)研發(fā)與投入，制定與完善農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)相關(guān)技術(shù)產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)

加大農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)關(guān)鍵技術(shù)研發(fā)與投入，深入開展物聯(lián)網(wǎng)相關(guān)技術(shù)和產(chǎn)品的研發(fā)，打造擁有自主知識產(chǎn)權(quán)的產(chǎn)品和配套技術(shù)，建立和完善適合本國國情以及農(nóng)業(yè)魚菜共生系統(tǒng)的物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展模式、運(yùn)行機(jī)制以及技術(shù)體系標(biāo)準(zhǔn)，鼓勵科研院所及企業(yè)單位等社會力量參與物聯(lián)網(wǎng)及魚菜共生基礎(chǔ)建設(shè)與研發(fā)，注重創(chuàng)新與實用性能，突破關(guān)鍵技術(shù)瓶頸，實現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)與魚菜共生技術(shù)的全面融合與發(fā)展。

3.2 提高對農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)基礎(chǔ)建設(shè)的政府投入及引導(dǎo)力度，增強(qiáng)企業(yè)與農(nóng)戶使用積極性

政府方面提高對農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)以及魚菜共生系統(tǒng)基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的投入及引導(dǎo)力度，統(tǒng)籌規(guī)劃及重點(diǎn)支持，制定相關(guān)扶持發(fā)展政策，嚴(yán)格執(zhí)行專款專用，推行集約化、規(guī)?；?biāo)準(zhǔn)化、服務(wù)社會化生產(chǎn)，不斷擴(kuò)大魚菜共生領(lǐng)域的環(huán)境監(jiān)測、施肥管理、智能監(jiān)控等方面的物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)研發(fā)應(yīng)用，適當(dāng)降低物聯(lián)網(wǎng)基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的安裝、使用以及維護(hù)成本，不斷增強(qiáng)魚菜共生企業(yè)與農(nóng)戶對物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的使用積極性。

3.3 深入開展農(nóng)業(yè)領(lǐng)域物聯(lián)網(wǎng)從業(yè)者的技術(shù)培訓(xùn)與素質(zhì)提升

逐步加強(qiáng)對魚菜共生領(lǐng)域物聯(lián)網(wǎng)從業(yè)者的知識培訓(xùn)與素養(yǎng)提升，使越來越多的人才掌握物聯(lián)網(wǎng)關(guān)鍵技術(shù)以及現(xiàn)代農(nóng)業(yè)科學(xué)技術(shù)，同時制定培訓(xùn)計劃，加強(qiáng)信息化、經(jīng)營管理等方面的技能培訓(xùn)，聯(lián)合科研院所進(jìn)行專業(yè)培訓(xùn)，不斷提高相關(guān)領(lǐng)域研發(fā)能力，有效解決物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用中的關(guān)鍵性難題，逐步減輕對國外農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的依賴，并且要培訓(xùn)職業(yè)農(nóng)民，使其能夠管理并逐步應(yīng)用物聯(lián)網(wǎng)相關(guān)技術(shù)。

4 物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)應(yīng)用于魚菜共生系統(tǒng)上的發(fā)展前景

隨著科技社會的日新月異，現(xiàn)代農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展模式已經(jīng)逐步取代傳統(tǒng)生產(chǎn)模式，人們對于綠色飲食、有機(jī)環(huán)保等的需求不斷增強(qiáng)，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)也在迅速適應(yīng)農(nóng)業(yè)中的魚菜共生領(lǐng)域。想要獲得魚菜共生雙贏效益，就必須應(yīng)用科技手段以及科學(xué)管理，實現(xiàn)資源利用最大化。魚菜共生系統(tǒng)物聯(lián)網(wǎng)工程是一項能夠?qū)崿F(xiàn)數(shù)據(jù)監(jiān)控、智能控制、提高效率、優(yōu)質(zhì)高產(chǎn)、節(jié)能環(huán)保等綜合性很強(qiáng)的高科技系統(tǒng)工程體系，提高了魚菜生產(chǎn)中數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性與可靠性，發(fā)展前景廣闊，必將成為發(fā)展現(xiàn)代可持續(xù)農(nóng)業(yè)的趨勢。但由于物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的穩(wěn)定性與安全性有待進(jìn)一步提升，這是今后的研究重點(diǎn)。因此，要加大投入，積極研發(fā)應(yīng)用農(nóng)業(yè)中魚菜共生領(lǐng)域物聯(lián)網(wǎng)關(guān)鍵技術(shù)與智能產(chǎn)品，不斷推動我國魚菜共生技術(shù)應(yīng)用與促進(jìn)農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化進(jìn)程。