农业物联网在水产养殖中的应用方案

孙刚　房岩　金丹丹　陈野夫　王雪纯　吴苏欢　杜娟　刘聪　王薇

摘要：农业物联网是智慧农业和绿色农业的核心组成部分之一。水产养殖智能物联网集在线采集、智能组网、无线传输、智能分析、预警发布、决策支持、远程控制等功能于一体，主要由传感、遥测、传输、控制、终端、预警等子系统组成，可以有效提高水产养殖的生产效率、资源利用率和产品竞争力，符合绿色、集约、高效、安全的现代农业发展方向。

关键词：水产养殖;智慧农业;绿色农业;农业物联网;智能管理

中图分类号：S959

文献标识码：A

DOI：10.19754/j.nyyjs.20191115004

引言

智慧农业是人工智能理论和技术在农业领域的扩展。作为智慧经济体系中至关重要的组成部分，智慧农业充分运用现代科学技术，尤其是信息技术最新成果，实现农业生产的智能感知、远程诊断、远程控制、智能预警、智能分析、智能决策、智能管理。将感应器嵌入农田、公路、电网、桥梁、铁路、隧道、建筑、市场、供水系统、油气管道等构成物联网，与互联网和移动互联网有机整合，实现人工系统与物理系统的协同。现代农业物联网通过生产领域的智能化、经营领域的差异性、服务领域的全覆盖，推动农业产业链改造升级，实现精准、绿色、高效农业，确保农产品安全、农业可持续发展和农业竞争力提升[1]。除了精准感知、定位、监测、分析、调控外，广义的农业物联网还包括信息服务、追踪溯源、流通销售、电子商务、冷链物流、休闲旅游、采摘加工等。随着智慧农业的快速发展，农业物联网正在向越来越多的领域扩展，在水产养殖中的应用方案可为科学管理和决策提供可靠支持。

1 系统组成

1.1 系统概述

物联网是互聯网的延伸和扩展，目的是对物理系统进行智能化管理和控制，提高生产效率和资源利用率。随着世界物联网技术和信息技术不断发展、现代农业自动化需求的不断增长，农业物联网在遥测感知、数据传输、智能处理、应用服务等领域取得重要突破，使智慧养殖成为可能。水产养殖智能物联网系统面向集约、高产、有效、生态、安全的发展需求，集水质环境参数在线采集、智能组网、无线传输、智能分析、预警信息发布、决策支持、远程自动控制等功能于一体，主要由传感器子系统、传输子系统、控制子系统、软件监控平台等组成[2]。

1.2 系统成分

1.2.1 传感子系统

传感器子系统由服务器、远程数据采集器（RTU）、PC终端、网关、传感器、基站、手机终端等组成，可以实时监测水质的各项信息（光照、水温、pH值、溶解氧、氨氮含量、亚硝酸盐含量等）。RTU采集各监测站位的目标数据后，完成组网、暂存、传输、中转等一系列任务。根据距离的不同，RTU可以通过GPRS或Radio 2种方式传输，遥测数采之间可以自组网，承担数据采集、缓存、传输、中继的任务，增加有效传输距离[3]。用户终端为手机或PC机，可以不限时间、不限地点登录服务器，随时了解、统计、处理、分析数据。最新的浊度数字传感器支持MODBUS串行通信，采用散射光原理，抗干扰能力强;采用光纤技术进行可重复的检测，不受环境光线和色度影响，可以有效消除气泡、悬浮物等对测量结果造成的偏差。溶解氧传感器内置温度传感器，自动温度补偿;无需消耗氧，不受流速和硫化物等化学物质干扰;无需电解液，不会凝华;反应快速，测量精准;免于维护，适用周期较长，使用成本更低[3]。pH值传感器配有快速电缆接头，具有防水功能、超长使用寿命和多种安装方式;抗化学腐蚀能力强，整体密封，在有毒离子水溶液中性能良好。

1.2.2 遥测子系统

软件平台具有展示实时数据的功能，以满足生产单位大屏幕信息显示的需求。分布式监控子系统通过IP网络和监控中心软件进行连接和数据交互。在大型应用场景中，可以组建二级监控分中心，将现场微环境测控器与监控分中心连接，多个监控分中心再与总监控中心软件进行连接和交互。这种智能监控平台具有多路输入输出、以太网接口和通讯串口，便于与其他仪器设备集成使用。

1.2.3 传输子系统

提供有线（RS232/RS485）、无线（GPRS/GSM/ZIGBEE）、北斗卫星传输等多种方式，支持web浏览和配置，同时支持TCP、SNMP等接口方式，通过IP网络与中心软件交互通讯，方便使用和管理[3]。

1.2.4 控制子系统

根据传感器采集的环境因子数据，设置相关的发生条件后，可以对增氧机、水泵、电磁阀、风机等设备进行联动开启和关闭，实现远程自动化控制。以增氧机控制器为例，用户能够根据水质参数和现场视频，通过手机APP进行远程启停。

1.2.5 终端子系统

终端子系统为用品提供多种选择，包括移动应用APP（Andriod、IOS）、标准电商平台、微商城、小程序、中小企业全渠道电子商务云平台（Saas模式、B2B&B2C模式等）、区块链溯源及农业物联网综合解决方案等[4]。PC端采用统一的实时在线人机界面、灵活方便的操作方式。

1.2.6 预警子系统

针对相关监测指标，以及基于一级监测指标计算的二级指标，进行条件设置，当一项或多项指标达到阈值时，系统发出警报，以短信、微信、电子邮件、网络电话等形式通报目标人群[4]。从业者可及时采取预防应对措施，减少水产养殖灾害损失。

2 系统功能

2.1 光照监控

光照时间长短、强弱决定着鱼类的繁殖周期、生长状况和生产品质。输入相关模型和算法，光照系统可以自动计算养殖水体中鱼类需要的光照强度，决定天窗的开闭。

2.2 温度监控

温度是水产养殖中的重要环境参数之一，包括进水口温度、池内温度、养殖区域空气温度等。智慧物联网系统全天候监测养殖水体温度，当温度高于或低于设定区间时，系统将现场的情况通过短信发到用户手机上，监控界面弹出报警信息。用户可通过远程设置，自动开启水温控制设备，当水温恢复正常值时，系统自动关闭。

2.3 溶解氧监控

溶解氧含量与水生动物食量、饵料利用率、生长发育速率等密切相关，当水中溶解氧浓度降低时，智慧物联网系统自动打开增氧泵，保证水生动物必需的溶解氧含量。

2.4 pH值监控

过低的pH值使水体呈酸性状态，极易引发鱼类病变（如鱼鳃病变等）。同时会造成溶解氧利用率降低，水中有害微生物大量繁殖，影响鱼类健康。当pH值传感器探测到水体pH值超过正常范围时，自动开启进水口阀门，进行换水。

2.5 氨氮含量监控

养殖池塘中的氨氮来源于水生动物排泄物、饵料、肥料、底泥等。当水体中的氨氮浓度过高时，几乎所有水生动物的生长、发育、繁殖都会受到影响，严重时可能造成鱼类、贝类、甲壳类等大范围死亡，使渔业生产产生重大损失。根据氨氮传感器的实时监测数据，及时对养殖水体进行清洁或换水。

3 智慧物联网的发展方向

在现代农业物联网的发展中，大量运用新原理、新技术、新材料，突出移動性、微型化、多样化，注重应用性、标准化、产业化。纳米传感器不仅能促进农作物生长，还能大大延长包装食品的保存时间，帮助满足世界人口快速增长对粮食的迫切需求。美国普渡大学研制的新型生物传感器能够检测最低浓度达0.3μmoL的葡萄糖，且不需要昂贵的成本投入和复杂的生产程序，有望用于农产品中葡萄糖含量的精确测定。纳米科学领域涌现的新发现、新技术，不断应用于包装行业，研发防止氧气侵入、微生物污染的新型饮料或食品容器。美国科罗拉多大学研制出类似夹式耳环的智能微芯片，置于农作物叶片上，当植物需水时，向农户的手机发送信息。采用此法可以省水省力省时，灌溉用水减少10%～40%，每个用户每年节省数千美元。农业大数据、农业物联网等农业市场创新商业模式持续涌现，大大降低信息搜索、经营管理的成本[5]。创新型的经营主体将进一步得到发展，相关产业的联合和链接将更加紧密，农业核心资源的配置和利用将更加高效。第一产业与第二、第三产业交叉渗透、融合发展，进一步提升农业竞争力。

4 结语

现代物联网是农业现代化和智能化水平最重要的标志之一，将有效改变传统的农业生产和经营模式，向以软件和信息为中心、大量运用自动化、远程化设备的方向发展。智慧农业将生产活动、产品流通、追踪溯源与生态保护融为一体，将显著提高农业环境质量，推动精准、绿色、优质、高效农业，确保“舌尖上的安全”，尽快形成信息资源共享、生产环境稳定、监控网络健全、可持续发展的现代农业新格局。

参考文献

[1] 罗彦婷，陆俊百. 浅谈智慧农业的内涵与发展路径[J]. 农业与技术，2017，37（11）：148-149.

[2]李卓然. 基于嵌入式Linux的水产养殖物联网监测系统设计[J]. 农机化研究，2019，41（11）：229-233.

[3]徐连伟. 物联网技术在我国水产养殖上的应用发展对策[J]. 农业与技术，2018，38（23）：117-118.

[4]高霞，邸玉琦，成艳君，等. 面向预测的水产养殖物联网数据预处理方法[J]. 江苏农业科学，2018，46（11）：187-192.

[5]唐珂. 国外农业物联网技术发展及对我国的启示[J]. 中国科学院院刊，2013，28（6）：700-707.

作者简介：

孙刚（1969-），男，博士，教授。研究方向：生物/生态界面和环境科学研究;

房岩（1965-），女，博士，教授。研究方向：生物学和仿生学研究。