工厂化水产养殖水质监测系统

肖瑞超，位耀光，他旭翔，张龙

（中国农业大学，北京市农业物联网工程技术研究中心，北京 100083）

工厂化水产养殖水质监测系统

肖瑞超，位耀光，他旭翔，张龙

（中国农业大学，北京市农业物联网工程技术研究中心，北京 100083）

工厂化水产养殖的密度高、风险大，养殖对象对pH、溶解氧、温度、氨氮、亚硝酸盐等水质参数的变化敏感，受影响严重，监测水质参数极为重要。本文针对工厂化水产养殖水质监测特点和需求，研发了工厂化水产养殖水质监测系统。分析研究pH、溶解氧、温度、亚硝酸盐等水质参数的阈值，设计水质监测数据无线采集节点和基于Zigbee的无线监测网络，建立水质监测系统软件平台。结果表明，该系统能够实现工厂化水产养殖水质实时监测，保证生产安全，提高水产养殖生产效率。

工厂化水产养殖；水质监测；无线传感网络

“养鱼先养水”，养殖水体是养殖鱼类赖以生存的生活环境，直接关系到鱼类的生长和发育，也决定着养殖生产的效率和产品安全。近年来，随着水产养殖规模的扩大和集约化程度的不断提高，养殖密度不断增加，养殖水域环境不断恶化，病害发生率越来越高，引发水产品质量安全问题。因此，构建水产养殖水质监测系统，及时掌握养殖鱼类的生存环境，采取有效调控养殖水质，对于保障养殖生产安全、高效和产品质量安全具有重要意义[1]。

水质参数监测是工厂化水产养殖的重要组成部分，是工厂化养殖向自动化、大规模、高密度和高质量发展的关键环节。工厂化水产养殖采用行高密度循环水鱼类养殖的生产方式，高密度、高投入、高产出。工厂化水产养殖集现代工业工程技术、水处理技术、生物技术于一体，是水产养殖业的发展方向[2]。

欧美等发达国家工厂化水产养殖起步较早，已基本进入全封闭循环，“零”排放的标准阶段，水循环利用率达90%以上，年单产最高达200～500kg/m3，现在已是产品化的水产养殖监控系统，但是成本比较高，推广较难。我国的工厂化水产养殖技术虽然起步较晚，但是作为未来水产养殖业的发展趋势，近年来发展迅速。与发达国家技术密集型的封闭式循环水养鱼相比，我国的工厂化水产养殖方式还处于初级阶段，绝大部分工厂化水产养殖场的设备简陋，技术含量低，病害发生呈蔓延趋势[3]。

为满足工厂化水产养殖中水质参数监测的需要，本研究采用无线数据采集节点和基于Zigbee的无线监测网络等，提出并且开发了工厂化水产养殖水质监测系统，可以实现现场和远程实时监测和调控水质参数，满足了日常养殖活动的智能化需求管理，以及在水体循环系统中，对水质参数的监测，并且引入无线传感网络方便现场养殖员的管理，提高养殖自动化、信息化水平，使工厂化水产养殖符合“资源节约、环境友好型”的可持续发展战略[4,5]。

1 工厂化水产养殖的水质要求

在工厂化水产养殖过程中，影响鱼类生长的主要水质参数有pH、溶解氧、温度、氨氮、亚硝酸盐等。根据颁布的GBll601.89规定，淡水鱼类水体的pH应在6.5～8.5之间。氨氮是水产养殖中蛋白质消化的副产物，每100kg的饲料可以产生2.2kg左右的氨氮，而非离子态氨氮对鱼类毒性极大。当pH=7时，绝大部分的总氨氮处以离子状态；当pH＜7时，硝化菌的活性降低；当pH＜6时，硝化菌将不再转化氨氮，为保证氨氮转化效率，水体pH应保持在7以上。鱼类生理活动和硝化反应都是产酸耗碱的过程，水体pH呈降低趋势，所以要监测和控制水体pH，确保水体pH能满足以鱼生长的酸碱环境[6,7]。

溶解氧是鱼类赖以生存和生长的生命要素，鱼虾蟹类养殖水域溶解氧应保持在5～8mg/L，至少要保持在4mg/L以上，冷水性鱼类一般要求高于5mg/L或是在水体饱和溶解氧的60%以上[8,9]。在工厂化水产养殖过程中，鱼类的生理活动需要氧，溶解氧不断被消耗[10]。石斑鱼在适当的高氧下，食欲旺盛，消化酶功能强，生长快。持续不断地为鱼类提供充足的溶解氧是工厂化水产养殖水质监测系统正常运行的必要条件。

水温上升，不同鱼类的的代谢有所加强。如果温度过高则会抑制鱼类的正常生活，甚至死亡；如果温度急剧下降，鱼类就会陷入休眠，降到冰点以下，鱼类会因体液冻结而死[11]。所以，温度对鱼类的生长环境至关重要，控制温度是生产安全的重要方面。

亚硝酸盐含量是引发鱼病的关键因素。亚硝酸盐是氨转化为硝酸盐的中间产物，氨转化为硝酸盐到阻，水体中就会积累中间产物—亚硝酸盐。养殖水域中的亚硝酸盐可使鱼的血液中的亚铁血红蛋白被氧化成为高铁血红蛋白，抑制血液的载氧能力。鱼长期处于高浓度的亚硝酸盐水中，就会发生黄血病，一般水中的亚硝酸盐应该控制在0.1mg/L以下[8,9]。

2 硬件总体设计

本设计考虑到养殖现场的面积及网络覆盖情况，采用现场监控与远程监控同步工作的模式，主要包括以下四个部分：

（1）无线数据采集节点：数据采集节点安装在养殖现场的水面上，与水质传感器直接相连，传感器采集的水质信息通过传感器信号线传送到采集节点进行存储和发送；采集节点为传感器提供能量，控制传感器；采集节点可实现多传感器实时在线多参数同时监测和存储。

（2）无线汇聚节点：无线汇聚节点是WSN内部网络与管理节点的接口。它连接传感器网络与Internet等外部网络，实现协议栈之间的通信协议的转换，还可以发布管理节点的监测任务，把收集的数据转发到外部网络上[12,13]。

（3）数据传输网络：现场监测数据近距离传输和远程传输。本系统的无线传感网络可实现2.4GHz短距离通讯和GPRS/CDMA无线通信，采用智能信息采集与控制技术，具有自动网络路由选择、自诊断和智能能量管理等功能。

（4）现场监控系统和远程监控系统：感知与控制设备无线传感网络和具有GPRS/GSM通信功能的中心服务器与远程监控中心能够实现现场以及远程的数据获取、系统的组态信息、系统控制和系统预警等功能。

系统的硬件结构组成见图1。

2.1 无线数据采集节点

无线采集节点直接连接着水质参数传感器，主要包括安装在养殖水域中的pH传感器、溶解氧传感器、温度传感器以及电导率传感器等；水质参数传感器主要选用美国In-Situ公司的Aqua TROLL°400传感器，其性能参数见表1。

图1 系统硬件结构示意图Fig.1 A diagram of the system hardware structure

图2 数据采集节点Fig.2 Data collection node

表1 水质参数传感器性能参数Tab.1 The performance of a water quality sensor

无线采集节点主要包括传感器接口、供电模块和主电路模块等，检测到溶解氧、水温、pH以及电导率等数值后，对其进行初步的数据处理并发送给无线路由节点。无线采集节点包括MCU处理器模块、供电模块、电源管理模块、传感器接口、Zigbee无线网络模块和数据存储模块。其中传感器信号与采集节点的通信采用RS485串口通信；采集节点需要持续长期工作，供电模块采用太阳能电池为传感器供电。主电路主要由微处理器、数据存储模块、无线通信模块、传感器以及电源管理模块等组成，具有处理、存储和发送溶解氧传感器检测数据的功能，其中主电路模板使用低功耗芯片MSP430 MCU作为微处理器，主要用来控制各模块的供电、控制传感器工作，进行数据的初步处理。无线数据采集节点结构见图2。

2.2 无线汇聚节点

无线汇聚节点不仅可以连接传感器网络与Internet等外部网络，还能实现协议栈之间的通信协议转换，可以同时发布管理节点的监测任务，并把收集的数据转发到外部网络上，具有较强的通讯能力，拥有统一完整的外部接口[11,12]。水产养殖无线汇聚节点装置将部署在水产养殖区域内的每个传感器节点所采集到的数据通过短距离的ZigBee无线通信协议，将得到的参数传到汇聚节点；在汇聚节点处进行信息融合处理，先进行信息融合预处理，进行数据清理、数据变换，进而运用基于RBF的神经网络算法和模糊计算技术，将数据转换成一个简单的表示当前水质状态的参数。同时汇聚节点将有两种方式：有线和无线来连接监控中心，近距离的直接通过485接口连接监控中心，远距离的通过GPRS将表示水质状况的参数传输到监控中心，监控中心实时向养殖场内的各个控制节点发出控制指令，实现水产养殖水质实时监测控制。

无线汇聚节点采用三星公司的S3C2410芯片作为汇聚节点的中央处理器。该芯片内部集成了基于ARM公司的ARM920T核心处理器核的32位微控制器。该处理器拥有16KB指令Cache和16KB数据Cache、LCD控制器、NAND Flash控制器、1个多主I2C总线、1个I2S总线控制器、4个PWM定时器和1个内部定时器、触摸屏接口和2个USB接口控制器、4个 DMA通道、3路UART、2路SPI和并行I/O口，主频最高可达203MHz，利用微处理器丰富的外设及接口，使得它在低成本、低功耗的条件下能够完成一些功能丰富的应用。SPI串口接口实现S3C2410与XBEE芯片的连接，实现嵌入式平台与传感器节点基于ZigBee网络的传感数据的传输；2路 UART串口则分别与 MC35I芯片及MAXl490芯片连接，实现汇聚节点与监控中心有线连接或是基于GPRS网络的融合数据及控制指令的传输和相关数据的存储等功能（图3）。

根据水产养殖的需求，无线汇聚节点采用基于ZigBee协议的无线传感网络构架。采用树型网络结构，该网络结构包括一个无线汇聚节点（主设备）、多个无线传感器节点以及无线控制节点（从设备）以及中继节点构成一个簇，多个簇构成一个网络。

3 软件系统结构设计

水质监测系统软件平台可以实时监控水质参数，实现现场及远程的数据获取、系统组态、系统预警以及报警等，可以汇总实时监测数据，进行曲线分析。该软件系统还包括设备属性设置、监测设备工程设置和设备数据的查询及管理等功能，不仅可以对水质监测和调控，还可以设置无线采集节点、无线汇聚节点、水质传感器、增氧机等设备的属性，对设备状态进行监测，以便于设备在正常状态下运行，避免出现未知的设备故障带来不必要的麻烦。

图3 汇聚节点硬件结构图Fig.3 The hardware structure diagram of aggregate node

图4 软件系统功能设计结构图Fig.4 Software system functional design

软件系统功能结构设计见图4。

本软件系统可以实现的主要功能如下：

（1）工程设计功能

该功能主要涉及工厂化养殖无线采集节点、无线汇聚节点、水质传感器、增氧机等现场设备图形化部署及配置的功能，用户可将当前的设备图形化部署在工程里，采用无线传感网络方便用户对工程的管理，并可以重复设计几个工程，每个工程都可复用，方便快捷，用户操作交互性高。监控中心界面对用户十分友好，用户可全面掌控工程设备状态。拖动图形控件部署养殖池、接入点、路由点、采集点、传感器以及控制阀等设备；对部署好的图形设备进行配置，以与实际物理设备关联；部署好的设备允许用户拖拽移动，双击配置属性，添加关联。

（2）工程配置功能

该功能主要涉及水质传感器、采集节点、路由节点以及增氧机等设备的信息属性设置，包括物理设备的地址、类型，设备通道的地址，类型等，主要包括设备属性配置、设备通道属性配置、设备系统参数配置（包括读取当前配置和重新设置设备参数）、设备休眠状况配置（包括读取当前配置和重新设置设备参数）。

（3）数据查询保存功能

该功能主要涉及对设备环境配置数据的查询和保存，水质环境传感器数据的查询和保存，主要包括设备基本属性的查询和保存、设备通道属性的查询和保存、水质传感器实时数据的查询（包括图形界面的实时显示和用户的命令显示）。

（4）实时监控

监控当前养殖车间池塘的基本信息，如养殖户、养殖池名称、手机号、面积、水深、水草种类、养殖品种、投放时间等，养殖车间采集的最新数据，水温及溶解氧的变化趋势等。

（5）数据汇总

对车间池塘中溶解氧的最大值、最小值、平均值和水温的平均值等数据进行汇总显示。

（6）曲线分析

可以将水质参数的曲线呈现出来，便于对水质参数进行分析，从而对水质参数进行调控。

4 系统应用实验及效果

采用本文所开发系统在莱州明波公司进行现场试验，系统实现对养殖水质的实时监控、数据分析和增氧机的自动控制等。

（1）实时监控

可以实现对水质参数进行实时信息采集、显示等功能，包括数据的采集时间，设备的状态，溶解氧、水温、电导率、pH等参数值以及该参数值是否正常和增长趋势的显示。图5为2017-05-1714:30:31的实时监控情况。

（2）数据分析

该系统可以对溶解氧、水温、pH以及电导率等水质参数进行连续分析、掌握数据变化趋势并进行统计分析。系统采集2017-05-15 9:40:43－2017-05-16 9:30:20的数据，每10min采样1次，总共产生68组数据，经过分析得到如图6所示的数据变化趋势。从图6可以看出，水质参数的变化都在正常范围内。

图5 实时监控Fig.5 Real-time monitoring

图6 数据变化曲线分析Fig.6 Data change curve analysis

（3）增氧机自动控制

该系统可定时控制、自动控制增氧机。如设置启动时间为10:00，关闭时间为12:00，则到10:00增氧机自动开启，而到12:00增氧机自动关闭；还可以设置开启值和关闭值，如设置开启值为5mg/L，关闭值为8mg/L，若实时监测的溶解氧值降低到5mg/L时，增氧机自动开启，实时监测的溶解氧达到8mg/L时，增氧机可自动关闭。采用该系统可以智能控制增氧机开启时间，避免传统方式依赖经验控制方式的高能耗问题，系统界面见图7。

图7 增氧机参数设置Fig.7 The parameter setting of an aerator

试验测试结果表明，该系统性能较稳定，可满足对水质参数的实时监控。当水质参数不正常时，也可进行调控，保证鱼类生长在最佳的水质环境中。

5 总结

结果表明，水温、溶解氧、pH、亚硝酸盐等因素都不同程度地影响着鱼类的生长和发育。在水产养殖过程中必须对这些环境因素进行监测，使得水产动物生长在最佳水质环境中，提高水产品质量和产量。本系统采用的Zigbee无线传感网络以及现场和远程监测，可以更加方便、准确及时地掌握水产养殖现场的情况，提高养殖水平。

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A Water Quality Monitoring System in Recirculating Aquaculture

XIAO Rui-chao,WEI Yao-guang,TA Xu-xiang,ZHANG Long
（Beijing Agricultural Science and Technology Network Engineering Technology Research Center,China Agricultural University,Beijing 100083,China）

Recirculating aquaculture playing an important role in the development of fisheries is characterized by high culture density and risk,in which the animals are sensitive to water quality parameters,such as pH,temperature,and levels of dissolved oxygen,ammonia nitrogen and nitrite.Thus,the online water quality parameter monitoring is very important to ensure the health growth of the cultured animals.In this paper,the thresholds of pH,dissolved oxygen,temperature,nitrite and other water quality parameters are evaluated,and a wireless acquisition node and Zigbee wireless monitoring network of water quality monitoring was designed.And then the software platform of water quality monitoring system was developed and tested.The results showed that the real-time monitoring of water quality was conducted by the water quality monitoring system to ensure the safety of production and to improve the production efficiency in the recirculating aquaculture.

industrial aquaculture;water quality monitoring;wireless sensor network

TP274+.5

A

1005-3832（2017）05-0051-06

2017-04-21

山东省自主创新及成果转化专项（2014ZZCX07102）；广东省省部产学研结合项目（2012B090500008）；现代设施农业环境控制技术与智能装备研究（2017XD001）.

肖瑞超（1989-），男，硕士在读，从事计算机技术及应用研究.E-mail:showric@163.com

位耀光（1976-），男，博士，副教授.E-mail:wyg@cau.edu.cn