水質智能監控技術在南美白對蝦養殖中的應用

崔 迪，袁思平

（1.寧波工程學院，浙江 寧波 315201；2.寧波市鄞州區漁業技術管理服務站，浙江 寧波 315100）

水質智能監控技術在南美白對蝦養殖中的應用

崔 迪1，袁思平2

（1.寧波工程學院，浙江 寧波 315201；2.寧波市鄞州區漁業技術管理服務站，浙江 寧波 315100）

針對傳統水產養殖缺乏對水質的有效動態監控，導致易缺氧、易發病及投喂、用藥不合理等問題，開展了應用物聯網技術對南美白對蝦養殖的水質智能化監控試驗與研究。本文采用多參數傳感器、無線網自動監測方法，研究分析了對蝦生長階段的水溫、溶解氧、pH等基本水質因子的全天候、全生長期的動態變化，結果顯示了其日、月變化規律和養殖周期變化趨勢。研究表明，采用在線水質監測系統，能晝夜感知養殖水質變化情況，及時采取相應措施，以避免缺氧、發病等危害，同時有效降低工作強度、勞動風險及管理成本，在養殖管理上具有重要指導意義和推廣前景。

物聯網；對蝦；水質；智能監測；調控

水產養殖自動監測系統在國外的研究應用已有較長歷史，日本、美國等發達國家在20世紀末率先把水環境因子自動化監控裝置應用在水產養殖領域，實現了水產養殖的工廠化、集約化生產與智能化管理。我國水產養殖環境因子監控系統的研究與應用起步較晚，水產養殖過程中存在水質監控及管理手段相對落后，大多采用人工監控和經驗化管理，導致投餌、用藥不夠合理，用工成本上升，水產品質量安全難以得到保障等問題。為了建立水產養殖中水質主要因子的動態監測，本文對水質在線傳感器的選配及水質監測系統集成的同時，對基于物聯網的水質智能化監測與調控進行了試驗研究，利用數據的無線傳輸、存儲、發布與智能預警等功能，使得養殖管理人員能夠及時感知水質變化情況，根據南美白對蝦的生長要求，做出相應調控措施，確保對蝦健康安全的生長環境，也為將來推廣應用水產養殖智能化調控與管理提供科學依據。

1 養殖水體環境與動態監測概要

1.1 養殖水體主要環境因子

水質是水產養殖中最重要的基礎條件。養殖水體的DO（溶解氧）不僅是水質的重要指標，也是維持養殖生物生長的最重要指標之一，它主要供養殖生物呼吸之用，同時可氧化分解有毒有害物質，抑制厭氧性有害菌繁殖，減少水產病害發生。養殖水體的pH值是衡量水質標準的一個基本參數，能夠間接反映水體中水生植物群體繁殖密度和植物光合作用強度，若養殖水體中pH值偏低，且無外來特殊污染時，則可以判斷該水體有可能硬度偏低，腐殖質過多，CO2濃度偏高或溶氧量不足，同時也可判斷該水體植物光合作用不強、養殖密度過大或微生物受抑制，整個物質代謝系統緩慢；若養殖水體中pH值偏高，可能是水生植物繁殖過于旺盛，光合作用過強或腐殖質不足等。此外，水溫也是影響水產生物生長繁育的重要環境因子，它一方面直接影響著其生理代謝活動，同時通過改變其他養殖水環境因子而間接影響水產生物的生長發育。使用物聯網水質在線檢測系統，可以較好地對這些關鍵性水質指標進行實時動態監測和控制，及時采取應急措施，減少病害發生，提高養殖效益。

1.2 物聯網水質在線監測系統

該系統可連續24h不間斷在線監測養殖水體中的DO（溶解氧）、pH值、水溫等水質指標，并對所得數據進行分析與調控決策。系統以數據采集終端為中心，通過現場數據自動收集、中控室遠程控制，實現數據采集和監控；數據采集點設置靈活方便，采用成熟的GPRS無線數據傳輸通信方式，突破了傳統的有線通信方式，傳輸數據安全且成本低廉；監控平臺以數據觀測與分析為主，可實現數據查詢、排序及曲線圖形顯示，并可通過建立相關數學模型預測水質變化趨勢。

2 材料與方法

2.1 架構與原理

水質在線監控系統可分為數據采集、GPRS數據傳輸和檢測控制中心三部分。其中數據采集部分主要有數據采集終端、GPRS數據傳輸設備、供電設備等。其中，pH值采用具有溫度補償功能的氧化還原電極法監測；溫度測量采用熱敏電阻電極法；溶解氧的測定采用極譜電極法。所有測量結果均通過數據量化并協議編碼后傳輸到GPRS傳輸模塊。GPRS數據傳輸部分發送數據到GPRS網絡，再經服務器進入Internet網絡傳輸到應用服務器，實現客戶端軟件與遠程監測點之間的無線數據通信。監測控制中心配置一臺數據接收服務器和一臺普通計算機，利用網絡平臺或客戶端軟件進行數據觀察與相關操作，也可將有效數據顯示于LED外掛屏幕。

圖1 水質在線監控系統中的結構

2.2 試驗方法

首先對供試傳感器選型、控制設備布置及其他配套輔件進行集成，構建一套水質自動化監測系統。供試地點：寧波市鄞州區丹艷水產養殖基地，于2015年4月10日在美南白對蝦設施養殖塘進行集成調試，4月20日開始測試觀察，在南美白對蝦養殖期間，進行全程自動監測，實時觀測養殖水體的相關指標，及時分析水質環境因子的動態變化，做出相關研判與調控。

3 結果與分析

通過應用試驗，獲知了對蝦養殖池塘水溫、溶解氧、pH值等水質指標的全天候變化特性，為養殖水質調節提供了有效信息?，F以不同氣候條件下的智能監測結果，分析對蝦養殖池塘中水質的日、月及一個養殖周期的變化規律。

3.1 水質指標日變化情況

由圖2可見，在對蝦養殖中，天氣晴朗時 （6月30日），則一天內水質指標變化情況為：水溫變化在30.2～34.4℃，在14：00—18：00較高，夜間0：00—6：00較低；溶氧量白天高夜間低，含量日變化在5.8～11.3mg·L-1，11：00—16：00較高，15：00—16：00出現高峰，夜間 0：00—6：00較低；pH值穩定。試驗表明，白天隨著陽光輻射的增強，氣溫水溫隨之升高，溶氧量在12：00—14：00出現峰值，早晨6：00前呈低點，可見，白天溶氧量隨著浮游植物光合作用增強而提高，夜間因水中生物呼吸等原因，導致溶解氧降低，至0：00—6：00達低谷，因此，在生產上此時段應特別注意缺氧危害。

圖2 對蝦養殖池塘水質指標6月30日（晴天）的變化

由圖3可見，在對蝦養殖中，遇到雨天時，一天內水質指標變化情況為：水溫變化基本不大，中午到下午略高些，夜間偏低，由于雨天沒有陽光直接照射，溫度變化不如晴天明顯，溶氧量是白天高夜間低，但變化稍顯平緩，這是因為雨天浮游植物的光合作用不如晴天，即使到午后，水中含氧量仍然不會有明顯提高，pH值一天內幾乎穩定不變。

圖3 對蝦養殖池塘水質指標6月18日（雨天）的變化

3.2 水質指標月變化與對蝦養殖周期總變化情況（4—7月）

每到6月是對蝦生長最快，管理較為關鍵的時期。由圖4可見，6月水質指標月變化情況為：隨著水溫逐漸升高，對蝦生長加快，底層餌料、糞便沉積，水體富營養化加重，引起溶解氧緩慢下降，而pH值逐漸升高。

圖4 對蝦養殖池塘水質指標6月各日的變化

對蝦設施養殖一年養二茬，頭茬生長期為4—7月，養殖較為成功。由圖5可見，在一個對蝦養殖周期 （4—7月）內，水質指標變化情況為：水溫逐月明顯升高；溶解氧總體略有下降，而這可能隨著對蝦個體的增大，呼吸需氧量增加，以及底質耗氧量升高所致。對蝦塘藻類因隨著溫度升高，生長逐漸旺盛，也引起了pH值的明顯升高。

4 小結與討論

圖5 對蝦養殖池塘水質指標4—7月的變化

通過應用試驗，在線水質監控系統能有效指導水產養殖與水質調控。水質智能化監測分析結果顯示了水體溶氧量的晝夜變化具有一定規律性，一般每天的峰值出現在下午 15：00—16：00，在夜間0：00—6：00出現低谷段，在晴天氣溫高時溶氧量變化更為明顯，故在生產上應注意溶氧量出現低谷時間段，尤其當對蝦生長到中后期時，更應注意及時提早增氧，即在低谷出現之前1～2h開機增氧或啟動自動增氧設備，可避免對蝦因缺氧而死亡。此外，不同對蝦養殖密度及其生長期對水體溶解氧的變化強弱也有差異，養殖密度越高，個體越大，溶氧量驟降速度會加快。因此，根據養殖品種及密度，需適時調控增氧。

水質采用無線監測能有效降低工作強度 （高溫，風雨天等）、勞動風險 （暴風雨天及夜間操作）及管理成本，改變了采集數據量少，誤差大等缺陷，可隨時隨地通過電腦和手機端，獲得養殖塘的水體環境情況，并能全天候獲知水質動態變化，降低人工監測成本，具有較好的實際應用價值和推廣前景。

近年，農業物聯網技術的研究開發與試驗應用正在逐漸展開，本文通過物聯網智能監測技術在水產養殖上的試驗研究，探明了南美白對蝦養殖環境因子 （溶氧量、pH值、水溫等）的晝夜變化規律及月變化特征，實現了養殖水質因子的全天候感知與調控決策管理，促進了以水產養殖全程智能化管理為標志的現代漁業發展。

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（責任編輯：張 韻）

S951.2

A

0528-9017（2016）05-0797-03

2015-12-26

寧波市科技局科研攻關項目 （2014C10045）；國家星火計劃項目 （2014GA701012）

崔 迪 （1985—），女，浙江寧波人，講師，在職博士生，主要從事物聯網技術在農業上的應用研究工作，E-mail：sukey1006@126.com。

文獻著錄格式：崔迪，袁思平.水質智能監控技術在南美白對蝦養殖中的應用 ［J］.浙江農業科學，2016，57（5）：797-799.

10.16178/j.issn.0528-9017.20160555