物联网时代智能管控技术在水产养殖中的应用

肖 进 张俊峰 王 琢 罗友谊 田满洲 周 朝

(武汉市农业科学院，湖北 武汉 430345)

物联网是新一代信息技术的重要组成部分，它是基于互联网、传统电信网等通信技术，让行使独立功能的普通物体实现互联互通的网络，从广义上说，当下涉及到信息技术的应用，都可以纳入物联网的范畴。

目前我国水产品供给主要矛盾已经从数量上的供给不足逐步转变到追求量和生态资源的保护。我们要促进水产养殖业从粗放式养殖向工厂化、集约化、产业化、智能化和绿色发展的养殖模式转型升级，如何适应新的要求？我们需要将水产养殖的生产、管理、经营与物联网、大数据、云服务等创新性技术深度融合。物联网在现代渔业中的应用，可以为渔业发展提供先进、实用的解决方案和技术手段，实现水产养殖信息采集便携化、数字化以及养殖作业自动化、精准化，对于保障渔业结构调整和转型升级具有重要意义[1]。

1 水产养殖物联网管控技术的应用

1.1 水产养殖水质监测

水产养殖物联网控制系统利用传感器来实时监测水温、气温、气压、PH值、溶解氧、亚硝酸盐等多种环境参数，同时也可以通过消息或短信方式自动发送水质异常预警，养殖人员可以通过手机、电脑等设备随时监测养殖环境状况，提高水质异常处理能力，大大减小养殖风险。

1.2 水产养殖设备智能控制

水产养殖物联网控制系统与水质监测、设备状态监测相结合，能够根据控制策略远程自动或手动控制水产养殖各类工程设备(水泵、增氧机、投饵机等)，从而使得水产养殖变得智能，节省人力的同时也提高了工作效率和养殖质量。

1.3 水产养殖图像视觉智能管理

在水产养殖区内安装监控摄像头，一是利用摄像头监控整个养殖区域，远程实时查看养殖设备远程控制执行情况、养殖区域安全生产作业情况，有效地减轻养殖基地安全管理的劳动强度；二是通过智能摄像头获取的影像数据，结合智能识别算法、视觉分析软件、专家咨询系统，可以为鱼类生长状况、精准投喂、鱼病远程诊断提供可视化支持[2]；三是可以将视频监控画面嵌入产品营销的电子商务系统，开展网络视频营销，提升养殖场品牌内涵，提高销售效率。

1.4 水产养殖生产管理、运输、销售环节监控

水产养殖信息管理功能模块可以对鱼苗的投放日期、捕捞日期、品种、数量、投饵以及池塘的防疫、消毒、用药、溶解氧等数据进行记录管理，统计投入品、水产品、池塘环境等数据，分析养殖出塘率及养殖效益。

基于物联网的水产品物流运输全程监控系统可以使水产品从捕捞起来后的仓储、运输等各环节均能够准确地对位置、温湿度、溶解氧、实时视频等信息进行查询、监控和预警，有效保证水产品在运输途中的安全。

在当前新冠肺炎疫情影响下，水产品需求减少，销量下滑，水产品质量安全越来越受到消费者重视，利用物联网管控系统在生产、运输环节产生的数据建立水产品追溯系统，实现信息透明化，消除消费者对水产品质量的担忧。水产品养殖企业可利用第三方平台或自建网站开展网络营销和推广，也可以利用视频监控系统开展网络直播带货推广销售。

2 主要关键技术及发展趋势

2.1 水产养殖环境精准感知

人类之所以能聪明，是因为人类拥有五官和皮肤，通过视觉、味觉、嗅觉、听觉和触觉感知世界。对于水产养殖物联网来说，通过摄像头、GPS、各类传感器、RFID标签和读写器等各类设备来采集水质信息(溶氧、水温、PH、盐度等)、环境信息(气温、气压、光照等)、设备信息(增氧、投饲、水泵等)、生长信息(增重、行为等)、投入品信息(鱼种、饲料、药物等)，是精准养殖信息感知的关键技术。

随着传感器技术新原理、新材料、新技术的研究，未来的传感器正往多功能与数据存储、处理、通信等的集成、无线可移动化、精度高、维护便捷、低成本、稳定性好方向发展。视觉传感器向着高清晰、高精准、自动控制方向发展，视觉分析算法不断提高。

2.2 水产养殖物联网的通讯

物联网通信技术解决的是具有智能的物体在局域或者广域范围内信息可靠传递，让分处不同地域的物体能够协同工作。通信技术是物联网的基础，常见的通信技术可以分为有线和无线通信技术。有线通信技术主要有：ETH、PLC、M-BUS、RS-485、RS-232、USB等，无线通信技术主要有：蓝牙、Wi-Fi、ZigBee、GPRS、Z-Wave、LoRa、NB-IoT等。其中，NB-loT是属于5G技术的窄带部分，基于蜂窝网络构建，由于具备覆盖广、功耗低、大连接、低成本的特点，三大运营商一直在大力推进NB-LOT的基站建设和网络商用。

具有传输速率快、容量大的5G时代的到来和商用的加速，可以为水产养殖的大数据、云监控等提供高质量、高速率的通信服务，促进水产养殖物联通信技术的转变，为水产养殖带来翻天覆地的变革。

2.3 水产养殖物联网多源信息融合与控制

对水产养殖若干传感器获得的信息，依据一定规则加以自动分析优化、综合，建立相应的数据库、专家知识库、水质参数模型、不同养殖品种不同生长阶段与投喂量之间的投喂策略模型和相应的管理系统、处理系统，为实现水质预警、智能增氧、精准投喂、应激预警、疾病预防等管理控制提供技术支持。

未来随着人工智能时代的到来，水产养殖设备的控制策略也逐渐从定时、阈值控制向机器学习、模型预测、大数据分析转变。通过机器学习算法来梳理物联网系统产生的庞大数据，促进模式识别、智能推理、复杂计算等信息处理技术在精细化喂养、养殖设施智能控制、疾病预测预警、管理决策、质量安全追溯等领域的应用。

2.4 水产养殖物联网系统集成

物联网系统集成通过结构化的拓扑设计和各种网络技术，将养殖系统的环境传感器、控制器、水产养殖设备、现场监控设备、管理设备以及应用服务各系统集成到相互关联、统一协调的系统之中，需要解决各类设备、系统平台、应用软件之间的接口、协议以及环境、施工配合、组织管理等一切面向集成的问题，实现最优化的综合统筹设计。

随着智能控制技术的发展，水产养殖设备将逐渐淘汰加装外置控制器的方式，向集成并开放调用接口的智能设备方向发展。水产养殖物联网控制系统向着低功耗、综合生产、管理、销售一体标准化集成管控的方向发展，减少单一功能的信息系统，信息资源共享更加全面。

3 问题及建议

3.1 水产养殖行业

我国水产养殖行业养殖区多在偏远位置，供电、网络覆盖不足，许多养殖场设施陈旧老化，机械化、工程化养殖装备不足，信息化的基础条件更是缺乏。除此之外，养殖过程的复杂性与养殖人员文化程度较低也是水产养殖的特征[3]。因此，水产养殖物联网技术的应用发展离不开水产养殖基础条件的提升，需要大力发展养殖环境控制装备、机械化作业装备；行业内部要加强从业者、应用主体的培训，帮助解决应用过程中出现的问题，加快能运用专业的养殖生产技术和管理知识的新型职业农民的培训。

3.2 水产养殖物联网行业

物联网智能管控技术在水产养殖领域的应用越来越多，但总体上来看还处在初级阶段，还存在许多问题：水产养殖物联网行业标准不完善；缺乏国产、低价、高质量的传感器，现有设备种类不全，维护不便；水产养殖远程调控设备自动化程度不高；水产生物生长数字化模型没有建立，数据分析缺乏参照，控制系统不智能；控制系统标准化多功能集成不够；水产养殖物联网信息安全存在隐患，大量的数据及用户隐私如何得到保护成为当前研究的重点[2]；水产养殖物联网相关企业规模小，大型企业参与不足，产、学、研合作不紧密，产业联动效应不足，没有形成成功的商业模式。

水产养殖物联网行业要坚持自主发展、自主创新，在确保信息安全的前提下，重点突破传感器、无线通信、控制芯片、控制算法、数学建模、数据管理和分析挖掘、系统集成等物联网核心技术，推动标准制定、商业模式探索和体制整合，做大做强我国水产养殖物联网企业。

3.3 行业相关政府主管部门

随着水产养殖物联网核心技术的持续发展，未来几年市场规模将出现快速增长。在这一过程中，政府行业相关主管部门的大力支持和引导对产业的健康发展起着至关重要的作用。制定我国水产养殖物联网行业发展规划，进行全面布局，避免一哄而上；发挥政府对社会投资的引导作用，对发展有优势、潜力的先进技术、重点企业采取各种措施给予扶持；加快相关标准制定、实施和应用，突破水产养殖物联网关键核心技术，实现科技创新；推动典型水产养殖物联网应用示范，带动发展。