寶坻區(qū)水產(chǎn)養(yǎng)殖數(shù)字化智能增氧技術(shù)

劉 朔

（天津市寶坻區(qū)農(nóng)機(jī)化技術(shù)學(xué)校，天津 301800）

天津市寶坻區(qū)是農(nóng)業(yè)大區(qū)，水產(chǎn)養(yǎng)殖業(yè)在農(nóng)業(yè)發(fā)展中占有很大的比重，目前養(yǎng)殖水面面積有8萬畝之多，在水產(chǎn)養(yǎng)殖業(yè)發(fā)展中需要面臨多方風(fēng)險要素，其中由于養(yǎng)殖水體缺氧所致養(yǎng)殖魚類大面積死亡的情況更要加大重視。想要預(yù)防此種現(xiàn)象需要人工觀察，有效控制增氧機(jī)何時啟動和暫停就十分必要，如果增氧機(jī)長期啟動，就會不可避免地導(dǎo)致人力與能耗。再加上增氧機(jī)長期處于啟動狀態(tài)，極易造成養(yǎng)殖水體的含氧量過高，造成魚類氣泡病的發(fā)生。因此急需一種既節(jié)約人力又節(jié)省電能，同時又能很好控制養(yǎng)殖環(huán)境的技術(shù)來改變現(xiàn)狀。

1 水產(chǎn)養(yǎng)殖應(yīng)用數(shù)字化智能增氧技術(shù)的意義

1.1 降低養(yǎng)殖戶養(yǎng)殖風(fēng)險的重要措施

導(dǎo)致“翻坑”的主要原因是水體溶解氧含量超出魚類生存的最低限。為了避免“翻坑”現(xiàn)象的發(fā)生，本項(xiàng)目擬引進(jìn)智能化的魚塘溶解氧實(shí)時監(jiān)測系統(tǒng)，本系統(tǒng)通過溶解氧傳感器實(shí)時采集魚塘內(nèi)的溶解氧信息，建立人與魚類的對話，并大面積示范數(shù)字化無線智能監(jiān)測技術(shù)、無線傳輸控氧技術(shù)及結(jié)合移動通信網(wǎng)實(shí)現(xiàn)魚塘溶解氧含量實(shí)時查詢和無線傳輸技術(shù)，當(dāng)水體溶解氧含量低于設(shè)定值時，系統(tǒng)一方面通過射頻通訊技術(shù)將信息通過手機(jī)短信方式告知養(yǎng)殖戶，另一方面系統(tǒng)自動啟動增氧設(shè)備，給水體自動增氧。本系統(tǒng)綜合應(yīng)用生物工程技術(shù)和計算機(jī)技術(shù)，根據(jù)指標(biāo)的變化規(guī)律做出適當(dāng)?shù)恼{(diào)整，為魚類生產(chǎn)提供適宜的環(huán)境條件，以便充分發(fā)揮其生產(chǎn)潛力，提高生產(chǎn)效率，達(dá)到安全、健康養(yǎng)殖和節(jié)能增效的目的。

1.2 開辟高效節(jié)能養(yǎng)殖新途徑

通過使用水產(chǎn)養(yǎng)殖增氧控制系統(tǒng)，實(shí)時控制池塘的增氧情況，根據(jù)池塘的溶氧量啟動或暫停增氧設(shè)施。試驗(yàn)實(shí)測表明，利用增氧控制系統(tǒng)每天平均可節(jié)省2 h電量，與傳統(tǒng)增氧方式相比可節(jié)省用電量約1/3。因此通過成立此項(xiàng)目，有利于在發(fā)展水產(chǎn)養(yǎng)殖業(yè)形成可持續(xù)發(fā)展觀念，利用合理的資源開發(fā)與增長模式，為本地乃至全國實(shí)現(xiàn)節(jié)能高效水產(chǎn)養(yǎng)殖開辟新途徑。

1.3 大大提高水產(chǎn)養(yǎng)殖業(yè)科技含量

巧妙利用現(xiàn)代科技，在水產(chǎn)養(yǎng)殖監(jiān)控系統(tǒng)中，應(yīng)用了無線通信技術(shù)及物理量數(shù)字化技術(shù)，通過建立多個水質(zhì)無人監(jiān)測基站，用于監(jiān)測記錄沿線各點(diǎn)的水質(zhì)變化。這樣在有效監(jiān)管水產(chǎn)養(yǎng)殖環(huán)境的同時，可以節(jié)省不必要的人力資源，也在一定程度上提高了水產(chǎn)養(yǎng)殖業(yè)的科技含量。

2 水產(chǎn)養(yǎng)殖數(shù)字化智能增氧技術(shù)

2.1 魚塘溶解氧含量檢測與曝氣增氧控制技術(shù)

應(yīng)用魚塘溶解氧含量檢測與曝氣增氧控制裝置，系統(tǒng)可實(shí)時檢測水中的溶解氧值，并根據(jù)水產(chǎn)養(yǎng)殖戶所設(shè)定的溶解氧的上下限，自動完成增氧系統(tǒng)的啟停。當(dāng)溶解氧含量低于設(shè)定值時，則啟動增氧系統(tǒng)，給水體自動增氧，當(dāng)溶解氧含量高于設(shè)定值時，則停止增氧系統(tǒng)，從而達(dá)到節(jié)能增效的目的。

2.2 基于GSM技術(shù)的無線傳輸技術(shù)

以魚塘的溶解氧為主要技術(shù)指標(biāo)，應(yīng)用GSM技術(shù)實(shí)現(xiàn)魚塘溶解氧檢測數(shù)據(jù)信息的無線傳輸，此技術(shù)能夠采集溶解氧含量數(shù)據(jù)，根據(jù)所采集的數(shù)據(jù)，如果魚塘含氧量過低，則以手機(jī)短信的形式，將實(shí)時溶解氧情況發(fā)送給養(yǎng)殖戶。對于系統(tǒng)主站在業(yè)主設(shè)定的時間范圍內(nèi)沒有接收到從站的應(yīng)答數(shù)據(jù)的情況，系統(tǒng)可以主動判定故障，GSM模塊則自動向業(yè)主發(fā)送短信，通知業(yè)主維修，這樣形成了系統(tǒng)與養(yǎng)殖戶之間的信息互動，豐富了人機(jī)交互技術(shù)體驗(yàn)。

3 數(shù)字化智能增氧技術(shù)系統(tǒng)設(shè)計

3.1 設(shè)備選型

該項(xiàng)目引進(jìn)天津科技大學(xué)生產(chǎn)的水產(chǎn)養(yǎng)殖數(shù)字化智能增氧系統(tǒng)。該產(chǎn)品獲得了魚塘溶解氧含量檢測與曝氣增氧控制裝置、基于GSM技術(shù)的魚塘溶解氧檢測與無線傳輸系統(tǒng)兩項(xiàng)國家專利，專利號分別為：ZL 2010 20171145.5；ZL 2010 0171844.X。

在試驗(yàn)魚池，系統(tǒng)設(shè)置1個主站，2個基站。分別將溶解氧傳感器放置在相應(yīng)的2個魚塘，經(jīng)信號線傳給基站1和基站2。數(shù)據(jù)經(jīng)打包后由各自無線數(shù)據(jù)傳輸單元將信息發(fā)送到主站控制系統(tǒng)。主站每5 s更新1次數(shù)據(jù)，2個基站的數(shù)據(jù)輪流采集，并將實(shí)時溶氧等數(shù)據(jù)顯示在屏幕上。

3.2 系統(tǒng)組成

系統(tǒng)主要組成部分包括：溶解氧傳感器、信號調(diào)理單元、AVR單片機(jī)、無線數(shù)傳模塊（RF模塊）、GSM（Global System for Mobile Communications）模塊以及液晶屏等。系統(tǒng)的硬件部分主要完成信號調(diào)理和信號采集。整個硬件電路以Atmega16L AVR單片機(jī)為控制核心。通信方式采用主從結(jié)構(gòu)，整個系統(tǒng)有1個主站，多個從站。主站與從站之間采用無線射頻的方式進(jìn)行通信，這樣，相對于每個魚塘都設(shè)置1個GSM模塊來說可以節(jié)省大量資金。而主站和業(yè)主之間采用GSM網(wǎng)進(jìn)行通信，只要是GSM網(wǎng)覆蓋的范圍都能進(jìn)行通信，這樣既擴(kuò)大了通信范圍和空間，又保證了通信質(zhì)量。只要業(yè)主的手機(jī)帶在身邊就隨時都可以知道自己魚塘中的氧含量。

4 系統(tǒng)應(yīng)用

4.1 工藝流程

2012年，我區(qū)農(nóng)機(jī)中心引進(jìn)了魚塘溶解氧檢測與控制系統(tǒng)，并在鯉魚養(yǎng)殖池進(jìn)行了試驗(yàn)檢測，完成了在室溫18～25℃的情況下水中溶解氧含量的檢測，得出了溶解氧含量、溫度和A/D轉(zhuǎn)換值之間單因子相關(guān)關(guān)系和統(tǒng)計規(guī)律，并能在溶解氧含量低于給定值時啟動增氧設(shè)備，在溶氧含量高于設(shè)定的上限時停止增氧設(shè)備，如圖1所示。

圖1 魚塘溶解氧檢測與控制工藝流程圖

4.2 作業(yè)標(biāo)準(zhǔn)

（1）根據(jù)養(yǎng)殖戶需要，8 s內(nèi)自動啟停增氧機(jī)系統(tǒng)。

（3）針對單獨(dú)抗-HBc陽性，而抗-HBs、HBsAg陰性人群，建議在注射1劑次乙型肝炎疫苗1月后復(fù)查 如抗-HBs，如抗-HBs滴度小于 100 IU/mL，則需按照 0、1、2、6 個月 4 次方法接種乙型肝炎疫苗。

（2）測控精度達(dá)到0.01 mg/L。

（3）下位機(jī)與主機(jī)之間無線數(shù)據(jù)傳輸距離2 km。

在對氧脅迫產(chǎn)生的變化信號的檢測方面，以24 h為1個周期；在早上、白天、傍晚等特殊時間點(diǎn)的變化情況檢測方面，以增氧機(jī)開啟前后做詳細(xì)的記錄。

4.3 應(yīng)用情況記錄

2012-06-02，天氣報道：陰，東南風(fēng)3～4級。最高氣溫：25℃左右。最低氣溫：21℃。

2012-06-08，天氣報道：晴，東南風(fēng)3～4級。最高氣溫：31℃左右。最低氣溫：19℃。

將溫度、溶解氧傳感器放置在魚池投料點(diǎn)位置（投料點(diǎn)溶氧含量較低），傳感器距離投料點(diǎn)平板大概3 m的距離，放置好主站和基站，檢驗(yàn)各處接線是否插對或插緊，一切準(zhǔn)備就緒后開始上電檢測。

在系統(tǒng)工作中，選擇幾個時間點(diǎn)的溶解氧含量，基本上在誤差范圍之內(nèi)。重新設(shè)置檢測參數(shù)限值，開始監(jiān)測，尋求最佳閾值。并在程序中設(shè)定默認(rèn)閾值，以便根據(jù)天氣溫度適應(yīng)不同用戶的使用。

根據(jù)溫度求得當(dāng)前飽和溶解氧含量，如果當(dāng)前溶解氧含量小于飽和溶解氧含量的30%，則閉合繼電器進(jìn)行增氧工作；如果大于40%，則打開繼電器，停止增氧設(shè)備。從而精確控制增氧機(jī)的開啟與關(guān)閉。

試驗(yàn)過程中做好了完備的試驗(yàn)記錄，包括試驗(yàn)時水中溫度的變化情況，溶解氧含量變化的情況，特殊時間段的詳細(xì)變化規(guī)律，試驗(yàn)過程中由于異常情況（如斷電或振動等）引起信號的變化等。

4.4 應(yīng)用效益

通過一年來對試驗(yàn)鯉魚池的生長環(huán)境監(jiān)測發(fā)現(xiàn)，鯉魚適宜生長在水溫20～28℃，水中溶氧量5～8 mg/L，pH值6～8.5的環(huán)境中。應(yīng)用該系統(tǒng)，可確保100畝養(yǎng)魚池中的環(huán)境因子長期保持在適宜生長條件下。

2012年6月2日和6月8日兩天的溫度、溶氧量檢測結(jié)果見表1、表2。，通過檢測結(jié)果可以看到溶解氧含量在夜間較低，而白天，特別是晴朗的氣候條件下溶氧含量相對要高一些，而通過本系統(tǒng)的自動增氧功能可實(shí)時控制魚塘中水的溶解氧含量。

表1 溫度、溶氧量日變化（2012-06-02，系統(tǒng)溶氧量設(shè)定范圍：6～8 mg/L，風(fēng)力：3級，陰）

表2 溫度、溶氧量日變化（2012-06-08，系統(tǒng)溶氧量設(shè)定范圍：6～8 mg/L，風(fēng)力：3級，晴）

一般50畝的水場一年用電2.8萬度，每度電0.6元，需花費(fèi)1.68萬元，應(yīng)用該技術(shù)后，每天平均可節(jié)省2 h的用電量，即與傳統(tǒng)增氧方式相比可節(jié)省用電1/3左右。使用水產(chǎn)養(yǎng)殖智能增氧系統(tǒng)還能提高魚蝦的抗病力，減少魚蝦缺養(yǎng)死亡，降低餌料系數(shù)，每畝平均增加經(jīng)濟(jì)效益1 050元。

5 結(jié)論

水產(chǎn)養(yǎng)殖數(shù)字化智能增氧技術(shù)的應(yīng)用，使魚塘的溶解氧能夠長時期地保持合理狀態(tài)，浮游生物也能正常存活，并能加速有機(jī)物的分解，無機(jī)物的氧化，抑制氨、亞硝酸鹽和硫化氫產(chǎn)生，轉(zhuǎn)化和降低其含量。有效地改善了池塘水質(zhì)，為魚類生產(chǎn)提供適宜的環(huán)境條件，提高生產(chǎn)效率，降低養(yǎng)殖戶的養(yǎng)殖風(fēng)險，達(dá)到安全、健康養(yǎng)殖和節(jié)能增效的目的。