水质智能监控技术在南美白对虾养殖中的应用

崔 迪，袁思平

（1.宁波工程学院，浙江 宁波 315201；2.宁波市鄞州区渔业技术管理服务站，浙江 宁波 315100）

水质智能监控技术在南美白对虾养殖中的应用

崔 迪1，袁思平2

（1.宁波工程学院，浙江 宁波 315201；2.宁波市鄞州区渔业技术管理服务站，浙江 宁波 315100）

针对传统水产养殖缺乏对水质的有效动态监控，导致易缺氧、易发病及投喂、用药不合理等问题，开展了应用物联网技术对南美白对虾养殖的水质智能化监控试验与研究。本文采用多参数传感器、无线网自动监测方法，研究分析了对虾生长阶段的水温、溶解氧、pH等基本水质因子的全天候、全生长期的动态变化，结果显示了其日、月变化规律和养殖周期变化趋势。研究表明，采用在线水质监测系统，能昼夜感知养殖水质变化情况，及时采取相应措施，以避免缺氧、发病等危害，同时有效降低工作强度、劳动风险及管理成本，在养殖管理上具有重要指导意义和推广前景。

物联网；对虾；水质；智能监测；调控

水产养殖自动监测系统在国外的研究应用已有较长历史，日本、美国等发达国家在20世纪末率先把水环境因子自动化监控装置应用在水产养殖领域，实现了水产养殖的工厂化、集约化生产与智能化管理。我国水产养殖环境因子监控系统的研究与应用起步较晚，水产养殖过程中存在水质监控及管理手段相对落后，大多采用人工监控和经验化管理，导致投饵、用药不够合理，用工成本上升，水产品质量安全难以得到保障等问题。为了建立水产养殖中水质主要因子的动态监测，本文对水质在线传感器的选配及水质监测系统集成的同时，对基于物联网的水质智能化监测与调控进行了试验研究，利用数据的无线传输、存储、发布与智能预警等功能，使得养殖管理人员能够及时感知水质变化情况，根据南美白对虾的生长要求，做出相应调控措施，确保对虾健康安全的生长环境，也为将来推广应用水产养殖智能化调控与管理提供科学依据。

1 养殖水体环境与动态监测概要

1.1 养殖水体主要环境因子

水质是水产养殖中最重要的基础条件。养殖水体的DO（溶解氧）不仅是水质的重要指标，也是维持养殖生物生长的最重要指标之一，它主要供养殖生物呼吸之用，同时可氧化分解有毒有害物质，抑制厌氧性有害菌繁殖，减少水产病害发生。养殖水体的pH值是衡量水质标准的一个基本参数，能够间接反映水体中水生植物群体繁殖密度和植物光合作用强度，若养殖水体中pH值偏低，且无外来特殊污染时，则可以判断该水体有可能硬度偏低，腐殖质过多，CO2浓度偏高或溶氧量不足，同时也可判断该水体植物光合作用不强、养殖密度过大或微生物受抑制，整个物质代谢系统缓慢；若养殖水体中pH值偏高，可能是水生植物繁殖过于旺盛，光合作用过强或腐殖质不足等。此外，水温也是影响水产生物生长繁育的重要环境因子，它一方面直接影响着其生理代谢活动，同时通过改变其他养殖水环境因子而间接影响水产生物的生长发育。使用物联网水质在线检测系统，可以较好地对这些关键性水质指标进行实时动态监测和控制，及时采取应急措施，减少病害发生，提高养殖效益。

1.2 物联网水质在线监测系统

该系统可连续24h不间断在线监测养殖水体中的DO（溶解氧）、pH值、水温等水质指标，并对所得数据进行分析与调控决策。系统以数据采集终端为中心，通过现场数据自动收集、中控室远程控制，实现数据采集和监控；数据采集点设置灵活方便，采用成熟的GPRS无线数据传输通信方式，突破了传统的有线通信方式，传输数据安全且成本低廉；监控平台以数据观测与分析为主，可实现数据查询、排序及曲线图形显示，并可通过建立相关数学模型预测水质变化趋势。

2 材料与方法

2.1 架构与原理

水质在线监控系统可分为数据采集、GPRS数据传输和检测控制中心三部分。其中数据采集部分主要有数据采集终端、GPRS数据传输设备、供电设备等。其中，pH值采用具有温度补偿功能的氧化还原电极法监测；温度测量采用热敏电阻电极法；溶解氧的测定采用极谱电极法。所有测量结果均通过数据量化并协议编码后传输到GPRS传输模块。GPRS数据传输部分发送数据到GPRS网络，再经服务器进入Internet网络传输到应用服务器，实现客户端软件与远程监测点之间的无线数据通信。监测控制中心配置一台数据接收服务器和一台普通计算机，利用网络平台或客户端软件进行数据观察与相关操作，也可将有效数据显示于LED外挂屏幕。

图1 水质在线监控系统中的结构

2.2 试验方法

首先对供试传感器选型、控制设备布置及其他配套辅件进行集成，构建一套水质自动化监测系统。供试地点：宁波市鄞州区丹艳水产养殖基地，于2015年4月10日在美南白对虾设施养殖塘进行集成调试，4月20日开始测试观察，在南美白对虾养殖期间，进行全程自动监测，实时观测养殖水体的相关指标，及时分析水质环境因子的动态变化，做出相关研判与调控。

3 结果与分析

通过应用试验，获知了对虾养殖池塘水温、溶解氧、pH值等水质指标的全天候变化特性，为养殖水质调节提供了有效信息。现以不同气候条件下的智能监测结果，分析对虾养殖池塘中水质的日、月及一个养殖周期的变化规律。

3.1 水质指标日变化情况

由图2可见，在对虾养殖中，天气晴朗时 （6月30日），则一天内水质指标变化情况为：水温变化在30.2～34.4℃，在14：00—18：00较高，夜间0：00—6：00较低；溶氧量白天高夜间低，含量日变化在5.8～11.3mg·L-1，11：00—16：00较高，15：00—16：00出现高峰，夜间 0：00—6：00较低；pH值稳定。试验表明，白天随着阳光辐射的增强，气温水温随之升高，溶氧量在12：00—14：00出现峰值，早晨6：00前呈低点，可见，白天溶氧量随着浮游植物光合作用增强而提高，夜间因水中生物呼吸等原因，导致溶解氧降低，至0：00—6：00达低谷，因此，在生产上此时段应特别注意缺氧危害。

图2 对虾养殖池塘水质指标6月30日（晴天）的变化

由图3可见，在对虾养殖中，遇到雨天时，一天内水质指标变化情况为：水温变化基本不大，中午到下午略高些，夜间偏低，由于雨天没有阳光直接照射，温度变化不如晴天明显，溶氧量是白天高夜间低，但变化稍显平缓，这是因为雨天浮游植物的光合作用不如晴天，即使到午后，水中含氧量仍然不会有明显提高，pH值一天内几乎稳定不变。

图3 对虾养殖池塘水质指标6月18日（雨天）的变化

3.2 水质指标月变化与对虾养殖周期总变化情况（4—7月）

每到6月是对虾生长最快，管理较为关键的时期。由图4可见，6月水质指标月变化情况为：随着水温逐渐升高，对虾生长加快，底层饵料、粪便沉积，水体富营养化加重，引起溶解氧缓慢下降，而pH值逐渐升高。

图4 对虾养殖池塘水质指标6月各日的变化

对虾设施养殖一年养二茬，头茬生长期为4—7月，养殖较为成功。由图5可见，在一个对虾养殖周期 （4—7月）内，水质指标变化情况为：水温逐月明显升高；溶解氧总体略有下降，而这可能随着对虾个体的增大，呼吸需氧量增加，以及底质耗氧量升高所致。对虾塘藻类因随着温度升高，生长逐渐旺盛，也引起了pH值的明显升高。

4 小结与讨论

图5 对虾养殖池塘水质指标4—7月的变化

通过应用试验，在线水质监控系统能有效指导水产养殖与水质调控。水质智能化监测分析结果显示了水体溶氧量的昼夜变化具有一定规律性，一般每天的峰值出现在下午 15：00—16：00，在夜间0：00—6：00出现低谷段，在晴天气温高时溶氧量变化更为明显，故在生产上应注意溶氧量出现低谷时间段，尤其当对虾生长到中后期时，更应注意及时提早增氧，即在低谷出现之前1～2h开机增氧或启动自动增氧设备，可避免对虾因缺氧而死亡。此外，不同对虾养殖密度及其生长期对水体溶解氧的变化强弱也有差异，养殖密度越高，个体越大，溶氧量骤降速度会加快。因此，根据养殖品种及密度，需适时调控增氧。

水质采用无线监测能有效降低工作强度 （高温，风雨天等）、劳动风险 （暴风雨天及夜间操作）及管理成本，改变了采集数据量少，误差大等缺陷，可随时随地通过电脑和手机端，获得养殖塘的水体环境情况，并能全天候获知水质动态变化，降低人工监测成本，具有较好的实际应用价值和推广前景。

近年，农业物联网技术的研究开发与试验应用正在逐渐展开，本文通过物联网智能监测技术在水产养殖上的试验研究，探明了南美白对虾养殖环境因子 （溶氧量、pH值、水温等）的昼夜变化规律及月变化特征，实现了养殖水质因子的全天候感知与调控决策管理，促进了以水产养殖全程智能化管理为标志的现代渔业发展。

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（责任编辑：张 韵）

S951.2

A

0528-9017（2016）05-0797-03

2015-12-26

宁波市科技局科研攻关项目 （2014C10045）；国家星火计划项目 （2014GA701012）

崔 迪 （1985—），女，浙江宁波人，讲师，在职博士生，主要从事物联网技术在农业上的应用研究工作，E-mail：sukey1006@126.com。

文献著录格式：崔迪，袁思平.水质智能监控技术在南美白对虾养殖中的应用 ［J］.浙江农业科学，2016，57（5）：797-799.

10.16178/j.issn.0528-9017.20160555