基于物联网技术的鱼菜共生系统研究进展

杨 扬

（北京中农富通园艺有限公司，北京100089）

随着农业生产技术的不断发展，一种新型的复合耕作模式应运而生——鱼菜共生系统。近年来，针对鱼菜共生技术的研究越来越多，虽然鱼菜共生技术越来越成熟，但是大多数鱼菜共生研究中环境监测、管理等采用人工监测管理或部分自动化监测管理的方式，人工管理方式费时费力，环境参数调节全凭劳动经验，缺少精准监控环境参数管理，很难保证生态系统一直处于最佳状态。随着物联网技术在现代农业中的应用越来越广泛，部分专家逐步开展物联网技术在鱼菜共生技术中的应用研究[1-3]，基于物联网技术的精准监控、环境参数监测，通过信息感知模块、信息传输模块、信息处理模块，监测生态系统的温度、湿度、光照强度、水温、水溶氧量、pH 值等各种环境参数，实现环境信息自动化、智能化管理，为保持生态平衡提供数据支持，可有效解决人工劳力，提高科学化管理水平。因此，将鱼菜共生相关技术研究与物联网技术相互结合，可有效提高研究结果的可控性、数据的准确性，为鱼菜共生技术的进一步完善提供更有效的理论和技术支撑。将物联网技术应用于鱼菜共生系统进行环境监测及智能管理能够弥补传统模式的管理局限，加速农业现代化发展，具有非常广阔的应用前景。鉴于物联网技术在鱼菜共生系统的应用研究较少，本文借鉴了物联网技术在农业领域其他方面的研究，探讨了基于物联网技术精准控制的鱼菜共生系统研究现状、问题与前景，为以后的生态农业发展提供相应的理论支持。

1 鱼菜共生系统以及物联网技术的研究现状

1.1 鱼菜共生系统研究现状

鱼菜共生系统（Aquaponics）是指融合水产养殖（Aquaculture）与水耕栽培（Hydroponics）这两种农业生产方式，通过科学合理的设计，利用蔬菜充分吸收鱼类排泄物中的养分，起到净化水体的作用，同时将净化后的水再流回鱼池中使用，达到鱼菜科学协同共生的一种可持续发展的新型农业系统。鱼菜共生系统能够高效环保地解决传统水产养殖业中因饲料利用率低造成的水体富营养化与水质恶化，甚至各种疾病爆发等问题。美国、以色列等国对鱼菜共生技术的研究较多，也较为先进，主要利用户外大规模生产的深液流栽培以及温室内的固体基质栽培；我国是近年来才开展的这方面研究，起步略晚，大多偏向于实现集约化生产，系统较易受到外界环境、鱼菜配比、水体营养等条件的影响[4，5]。张明华等设计了国内首套鱼菜共生实验装置；探索了氨氮、酸碱度等因子对鱼菜不同生长阶段的影响，总结了不同密度鱼菜之间的优化配比以及论述了鱼菜共生系统工程设计的模式，为城市园林建设及家庭园艺美化提供了借鉴经验[6]。基于鱼菜共生理念，采用水培系统净化养殖水体的同时，收获高品质鱼菜具有较高的研究价值[7]。随着科学技术的不断快速发展，鱼菜共生系统也日益完善，耗能较低、管理方便、污染较小，越来越受到人们青睐，充分发挥了生态农业的潜力。

1.2 物联网技术在农业领域的研究现状

物联网技术主要是指通过射频识别、红外感应器、定位系统等信息传感设备，以物联网域名，将系统与互联网相连接，进行信息交换和通信，以实现智能化识别、定位、跟踪、监控和管理的一种技术。通过实时采集系统所处环境温度、水体温度、CO2浓度、湿度信号以及光照、叶面湿度、营养液浓度等参数，自动开启或者关闭指定设备，实现远程控制，便于直观地分析处理问题，为系统信息的自动监测、环境的自动控制等智能提供科学依据，节约成本、提高效益的同时农业物联网技术的应用也为农业现代化注入了新的活力[8]。美国、日本等国农业物联网技术应用较早且较为成熟，美国农场的农业物联网覆盖率超过80%，比如通过物联网感应病虫害指挥无人喷药机喷药、利用物联网控制节水灌溉、实时监测农作物生长状态等[9]，不仅能够避免资源浪费、节约成本，还能够实现设备的精准控制、提高产量等。日本主要由日立等大型科技公司进行农业物联网技术的研发，建立无线网络，连接耕种监控以及传感器，应用于作物耕种、食品安全等方面，实现异常感应、自动警报、智能控制以及移动终端实时掌握监测数据等情况，大大地提高了农业生产效率。物联网技术在我国经过近20年的发展，已经越来越广泛地应用于农业领域，主要集中在环境监测、精细作业、质量溯源、智能控制等方面，基本上实现了节能增效等功能，极大地促进了我国农业现代化进程[10-12]。王萍等[13]研究了农业物联网技术在大豆生产中的应用，总结了物联网技术对大豆生长环境监测、智能化生产等方面的作用，探讨了存在的问题以及为我国大豆生产的信息化发展提供了理论依据。物联网技术在农业领域中的应用，实现了农业生产上数据的采集以及传输、分析处理等功能，对农业生产进行自动监控以及智能管理，不同程度地改变了农业对自然环境的依赖性，不仅提高了生产数据的准确性以及农业生产效率，还加快了农业发展方式的转变以及转型升级。

1.3 物联网技术应用于鱼菜共生系统的研究现状

随着信息科技的迅速发展，物联网技术应用于农业领域越来越广泛，食品安全、环境保护需求不断提升，鱼菜共生系统作为现代农业的一个重要部分，越来越受到关注。通过安装光温水气等各种传感器、智能芯片对各仪器设备进行鱼菜的生长状况、营养液浓度等的实时监控，利用无线传感（Zig-Bee/WiFi/Bluetooth、蜂窝移动/LPWAN 等）或有线传感等技术手段将数据进行传输，通过分析处理等保证鱼菜获得良好的生长环境，进而提高鱼菜的产量与品质。孙剑等[14]开展了基于物联网技术的鱼菜共生环境监测系统的研究，设计了环境监测系统，通过传感器感知采集空气温湿度、光照、水温、溶氧量等信息，利用传输技术（ZigBee）将数据传输至监测中心并进行范围比对，超出后报警提示用户参数异常，甚至提出相应的解决方案。马子超等[15]设计了一种基于无线传感器网络的鱼菜共生系统，利用ZigBee传输特点，对系统内温湿度等进行实时采集及控制，从而保证鱼菜共生系统的最佳环境，可实现有效节水及废物利用等价值。刚营营等[16]提出了一种基于PLC 和LabVIEW 的鱼菜共生试验系统控制的方法，在实验室进行了小型系统运行，实现了对多种传感器及设备的数据采集、自动控制、实时显示、存储查询及分析处理等功能，最终实现了对鱼菜共生系统的环境监控，为进一步推广鱼菜共生系统打下基础。Harvey Harbach 等[17]研究了植物密度对鱼菜共生系统中非洲鲶的影响，通过视频等观察分析发现，高密度罗勒对非洲鲶鱼有积极影响。陈华等[18]研究设计了景观式鱼菜共生系统，通过增设自动过滤、光伏发电、环境监测以及智能控制等功能，实现环境实时监测以及基本不换水和无废物化运行，具有一定社会效益。赵月玲等[19]设计了一种基于STM32传感器技术的低功耗的鱼菜共生系统，依靠远程WIFI 传输数据，能够实现水温、pH 值等参数的实时监控与智能控制，对资源节约与生态农业发展起到重要作用。依据不同鱼菜品种的生长习性及生长规律，利用物联网技术调控鱼菜生长所需水温、环境温湿度、光照、CO2浓度、营养液比例等，实现鱼菜的精细化管理。由此可以看出，物联网技术在鱼菜共生系统中的应用已经迅速发展并日益成熟，对我国生态农业产业化、规模化、智能化进程具有重要意义。

2 物联网技术应用于鱼菜共生系统上存在的问题

尽管我国不断寻求农业转型升级以及大力支持研究物联网技术，开发了多个获得知识产权的计算机软、硬件以及这些技术在鱼菜共生系统上得到了不同程度的应用，实现了鱼菜共生系统的智能管控、监督预警、数据查询、种养殖分析等功能，打破了传统农业生产模式，产生了较好的智能监控效果及经济社会效益，不同程度提高了鱼菜的生产效率及产量品质，但从物联网技术本身来说，我国鱼菜共生系统中的农业物联网技术应用开发仍处于较低水平，并且对应用前景缺乏足够认识。

2.1 物联网关键技术缺乏以及产品开发标准低

由于国内目前对鱼菜共生系统中农业物联网技术应用设备仍未进行有效管理以及精准要求，导致系统中物联网技术的应用主要集中在鱼菜生长的环境监控与数据传输上，生产厂家虽然众多，富含关键技术的识别鱼菜生命信息的专用传感器类型少、产品多样但不统一、质量良莠不齐、标准化程度低、数据模型缺乏、网速差以及不稳定使得无法形成有效互联融合及共享，这样就难以保证数据的精准与可靠，难以实现鱼菜共生系统的精准控制，大大降低了物联网技术应用效果，制约了物联网技术发展和农业资源的共享。

2.2 物联网应用成本较高，使得大多数企业望而却步

众所周知，物联网传感器的精准度影响着整个技术的应用效果，而传感器的精准度越高、稳定性越好，相应的设备价格就会越高，且后期管理及运营维护成本也会越高。我国农业企业中大部分靠政府财政补贴，而相关惠农政策较少，农户更是难以为继，自主资金来源紧缩，而以小规模鱼菜共生系统进行生产为主的企业及农户致力于降低生产成本，系统中的物联网入门、安装使用、核心技术掌控、设备运营维护、数据传输等都需要大量的资金支持，而目前鱼菜共生系统以及物联网盈利能力较为低下，这无疑则会成为企业及农户的负累，投资风险提升的同时，使得大面积普及推广难度加大。

2.3 物联网技术专业人才及高素质职业农民缺乏

物联网技术是近些年新兴的一种综合性网络技术，技术学习难度略大以及管理不方便，无法有效掌握大多关键技术，因此我国并未真正普及，虽然目前农业从业者超过2亿，然而严重缺乏物联网技术专业复合型人才，并且物联网技术操作人员文化水平参差不齐、专业背景单一、操作规范程度低、使用设备故障率高，专门的物联网技术人才及高素质农业从业人员仍与发达国家差距较大，并且物联网使用中存在网络设备与数据传输的安全问题等，都极大地阻碍了物联网技术在农业中鱼菜共生领域的应用和发展[20，21]。

3 物联网技术应用于鱼菜共生系统上的发展对策

3.1 加大农业物联网关键技术研发与投入，制定与完善农业物联网相关技术产品标准

加大农业物联网关键技术研发与投入，深入开展物联网相关技术和产品的研发，打造拥有自主知识产权的产品和配套技术，建立和完善适合本国国情以及农业鱼菜共生系统的物联网发展模式、运行机制以及技术体系标准，鼓励科研院所及企业单位等社会力量参与物联网及鱼菜共生基础建设与研发，注重创新与实用性能，突破关键技术瓶颈，实现物联网与鱼菜共生技术的全面融合与发展。

3.2 提高对农业物联网基础建设的政府投入及引导力度，增强企业与农户使用积极性

政府方面提高对农业物联网以及鱼菜共生系统基础设施建设的投入及引导力度，统筹规划及重点支持，制定相关扶持发展政策，严格执行专款专用，推行集约化、规模化、标准化、服务社会化生产，不断扩大鱼菜共生领域的环境监测、施肥管理、智能监控等方面的物联网技术研发应用，适当降低物联网基础设施建设的安装、使用以及维护成本，不断增强鱼菜共生企业与农户对物联网技术的使用积极性。

3.3 深入开展农业领域物联网从业者的技术培训与素质提升

逐步加强对鱼菜共生领域物联网从业者的知识培训与素养提升，使越来越多的人才掌握物联网关键技术以及现代农业科学技术，同时制定培训计划，加强信息化、经营管理等方面的技能培训，联合科研院所进行专业培训，不断提高相关领域研发能力，有效解决物联网应用中的关键性难题，逐步减轻对国外农业物联网技术的依赖，并且要培训职业农民，使其能够管理并逐步应用物联网相关技术。

4 物联网技术应用于鱼菜共生系统上的发展前景

随着科技社会的日新月异，现代农业可持续发展模式已经逐步取代传统生产模式，人们对于绿色饮食、有机环保等的需求不断增强，物联网技术也在迅速适应农业中的鱼菜共生领域。想要获得鱼菜共生双赢效益，就必须应用科技手段以及科学管理，实现资源利用最大化。鱼菜共生系统物联网工程是一项能够实现数据监控、智能控制、提高效率、优质高产、节能环保等综合性很强的高科技系统工程体系，提高了鱼菜生产中数据的准确性与可靠性，发展前景广阔，必将成为发展现代可持续农业的趋势。但由于物联网系统的稳定性与安全性有待进一步提升，这是今后的研究重点。因此，要加大投入，积极研发应用农业中鱼菜共生领域物联网关键技术与智能产品，不断推动我国鱼菜共生技术应用与促进农业现代化进程。