標準化池塘養殖場自動管控系統設計與開發

唐榮 劉世晶 陳軍

摘要：針對水產養殖規模化和集約化發展需要，設計一套適用于標準化池塘養殖場的生產自動管控系統，采用太陽能水質浮標和岸基式水質浮標對池塘水質進行在線監測，借助氣象站對養殖場區域的天氣情況進行自動監測，通過布置在養殖區域的控制柜實現對增氧機和投飼機等設備的遠程集中控制，通過高清攝像機和光纖網絡構建視頻監控系統實現養殖過程的可視化監管。所有監測儀器和控制設備通過有線或無線網絡接入養殖場監控中心，采用監控計算機及專用軟件對監測數據和設備運行狀態進行集中監控，實現養殖生產的集成管理，提升管理水平和生產效率。

關鍵詞：標準化養殖場;水質監測;氣象監測;遠程控制;視頻監控;集成管理;自動管控

中圖分類號： TP273? 文獻標志碼： A? 文章編號：1002-1302（2019）11-0250-07

我國是目前世界上最大的水產養殖國，水產養殖面積和產量均居世界首位[1]，其中池塘養殖占有重要地位。根據2018年漁業統計年報，我國水產養殖總面積為 744.90萬hm2，總產量為4 905.99萬t，其中池塘養殖面積為292.78萬hm2，產量2 388.74萬t，分別占水產養殖總面積和總產量的39.3%、48.69%[2]。隨著生產要素的集中和養殖技術的提升，水產養殖朝著規模化、集約化的方向發展，政府也出臺相關政策鼓勵擴大養殖規模，多個地方的漁業主管部門積極推進老舊池塘改造，建設了一大批標準化、規模化水產養殖場以提升養殖產量和效益[3-8]。上海、江蘇等省（市）還專門出臺了水產養殖池塘標準化建設規劃和管理規范。《江蘇省百畝以上連片養殖池塘標準化改造專項規劃（2015—2020）》提出用5年時間對全省14.5萬hm2的連片養殖池塘進行標準化改造，平均每年超過2.4萬hm2。同時，行業龍頭企業也開始布局規模化養殖[9]。2016年以來，僅通威股份有限公司就在江蘇省建立了35個133 hm2以上的現代化漁業產業園，建設了標準化、配套齊全的養殖場[10]。

然而，隨著池塘養殖面積和產量的提高，生產管理遇到了新的問題。一是養殖場面積大，難以得到有效管理。每個管理人員往往負責一個養殖區，少則幾十公頃，多則數百公頃，因此難以及時掌握整個場區的生產情況。二是一線生產人員數量不足。雖然普遍配備增氧機和投飼機等機械化設備，但對于目前的規模化養殖場，大量設備需要人工手動操作，加劇了人員短缺情況。三是生產決策缺乏科學依據。“看天、看水”的經驗養殖方式依然占主導，依靠人工操作設備的方式難以精確控制[11]。要解決上述問題，必須采用自動化和信息化技術來實現自動精準控制及集約化管理[12]。目前，標準化池塘養殖場建設重點在池塘修整、進排水及尾水處理設施、道路及供配電設施等方面，對自動化養殖設備及信息化管控技術關注較少。因此，本研究針對標準化池塘養殖場設計開發一套養殖生產自動管控系統，并在系統建設與運行過程中探索自動化和信息化技術在規模化水產養殖中的應用方式。

1 系統設計

1.1 系統總體設計

1.1.1 基礎條件 本研究設計的系統針對一個有30個池塘、總面積為140 hm2的標準化養殖場，隸屬于某大型養殖企業。每個池塘面積約為4.6 hm2，長寬比為10 ∶ 1。所有池塘從東向西依次排列，每個池塘配備有1臺投飼機和6臺增氧機。相鄰2個池塘之間的塘埂上等間距地布置有6個配電柜，在塘埂南邊建有值班房，如圖1所示。增氧機和投飼機通過電纜接入最近的配電柜。增氧機的啟停通過配電柜內的斷路開關來手動控制，投飼機的啟停通過設備自帶的開關來控制。管理人員負責生產決策，例如何時增氧、何時投飼。生產作業和設備操作由若干名一線生產人員承擔。由于養殖場面積大、設備數量多，生產人員操作設備進行投飼和增氧作業時須要花費很長的時間，造成每個池塘增氧時間不一致，投喂時間和投喂量也無法統一。1位管理人員難以掌握全場的實時生產情況，經常出現溶氧水平達標后不能及時關閉增氧機、魚類食欲狀態較差時不能及時停止投飼等現象，造成電耗和飼料的浪費，增加了養殖成本，同時也對水體環境造成一定影響。

1.1.2 系統總體方案 水質調控和飼料投喂是池塘養殖的2個關鍵環節，也是日常生產管理的主要內容。因此，本研究設計的養殖生產管控系統圍繞上述2個關鍵環節，服務于養殖生產管理需要。養殖水質狀況與魚、蝦等養殖對象的生長發育密切相關，從而影響到養殖產量和經濟效益。同時，天氣條件也會顯著影響池塘水質和魚類攝食。因此，本系統將池塘水質和養殖場氣象條件作為監測對象，實時獲取水質和氣象信息，為養殖管理人員提供決策依據。日常生產過程中通過對增氧機和投飼機的操作來進行水質調控和飼料投喂作業。因此，本系統另一項重要功能是對增氧機和投飼機等設備的集中控制和遠程操作，根據養殖管理人員的決策進行統一管理。同時，由于養殖場面積大，管理人員難以全面掌握設備運行和生產過程情況。因此，本系統設計采用視頻監控系統來實現對水質調控和飼料投喂等生產作業的可視化監管，為管理人員提供實時監控養殖場的整體情況。綜上所述，本系統的功能主要包括養殖水質監測、氣象監測、養殖設備控制及生產過程視頻監控。系統主要面向養殖場管理人員，以實現養殖生產集中管控為目標，同時兼顧一線生產人員操作需要。

本研究設計的養殖生產管控系統采用現場設備+監控中心的方案，如圖2所示。現場設備包括水質監測設備、氣象監測設備、增氧控制設備、投飼控制設備及視頻監控設備。上述設備布置在養殖池塘區域，通過有線或無線通信方式與監控中心進行通信。監控中心通過計算機及專用管控軟件實現數據采集、數據存儲、設備遠程控制及視頻集中監控等功能。養殖場管理人員通過監控中心實現對全場的集成管控，同時也可以通過網絡遠程登錄監控中心管控軟件來進行遠程管理。為了保證系統的可維護性和擴展性，根據功能和設備特性把整個系統分為水質在線監測、氣象自動監測、增氧和投飼設備控制、視頻監控等4個部分，各部分之間保持相對獨立，通過監控中心集成為一個完整的養殖生產管控系統。

1.2 水質監測方案

與水產養殖密切相關的水體理化參數包括水溫、溶解氧含量、pH值、氨氮濃度及亞硝氮濃度等。其中水溫、溶解氧含量和pH值的自動檢測較為方便，有成熟的傳感器可供選擇，成本可接受。氨氮和亞硝氮濃度的自動檢測較為困難，現有的檢測儀器成本高昂、結構復雜，需要專業人員定期維護，一般應用在環保監測領域，不適用于水產養殖。同時，養殖水體中氨氮和亞硝氮的濃度變化緩慢，不需要實時監測，可以通過人工采樣和實驗室化驗的方式獲取數據。因此，本研究設計基于小型水質傳感器的在線監測系統，以實現對養殖池塘水溫、溶解氧含量和pH值等參數的實時監測。

水質在線監測系統由現場檢測設備、通信網絡和監控計算機等3個部分組成，如圖3所示。根據監測方式不同，常用的現場檢測設備一般分為水質監測柜、岸基式水質監測浮標和太陽能水質監測浮標3種。水質監測柜是將傳感器安裝在柜體內，水泵抽取池塘內的水樣輸送至監測柜，由傳感器對水質進行檢測。該方式可以通過輪流抽水實現對多個池塘的水質監測，提高傳感器利用效率，適用于魚池面積小、排列密集的養殖車間或養殖場，且結構復雜，維護工作量大。本研究中的養殖場池塘面積大、兩兩依次排列，不適合采用該方式。岸基式水質監測浮標將水質傳感器安裝在簡易浮體上，通過電纜從岸邊的供電箱供電。這種方式結構較為簡單，浮標體積小、質量輕，便于安放在池塘內。缺點是受電纜限制因而監測范圍固定。太陽能水質監測浮標自帶蓄電池和太陽能光伏板，擺脫了電纜限制，能夠根據各個池塘的水質狀況靈活調配使用，對于大面積池塘還可以根據實際需要對池塘內不同區

域的水質進行重點監測，但成本相對較高。考慮到成本因素，本研究將岸基式水質監測浮標和太陽能水質監測浮標結合使用，監測數據全部通過通用分組無線服務（GPRS）網絡傳輸至監控中心統一存儲和處理。監測頻率為10 min/次。

1.2.1 岸基式水質監測浮標設計 岸基式水質監測浮標由傳感器、水面簡易浮體和岸基供電箱等組成。傳感器電纜接入供電箱，由開關電源提供直流工作電源。同時通過供電箱內的通信設備接入無線網絡，實現監測數據上傳。簡易浮體采用聚氯乙烯（PVC）管材制成，預留2個傳感器安裝桿固定卡箍，可以安裝2種傳感器，如圖4所示。傳感器固定在安裝桿末端，安裝桿通過卡箍固定在浮體上，并能夠上下調節高度，從而可根據需要將傳感器伸入指定水層進行檢測。

1.2.2 太陽能水質監測浮標設計 太陽能水質浮標由傳感器、浮體、太陽能電池板、防水電箱、傳感器安裝桿、固定支架、無線通信模塊、通信天線等組成，如圖5所示。采用12 V太陽能電池板和蓄電池組合供電方式，通過專用的太陽能充放電控制器對電源進行管理。蓄電池、充放電控制器及無線通信模塊安裝在防水電箱內。浮標主體采用工程塑料制作，內部填充疏水性發泡材料。浮體上預留2個通孔用于安裝傳感器。傳感器固定在安裝桿末端，通過安裝孔插入水中。安裝桿通過卡槽與不銹鋼固定支架連接，并能夠上下調節高度，從而可根據需要將傳感器伸入指定水層進行檢測。

1.3 氣象監測方案

氣象監測一般采用自動氣象觀測站測量氣象參數。自動氣象站是利用傳感器將傳感器感應的氣象參數轉換成電信號（如電壓、電流、頻率等），通過數據處理裝置將對這些電信號進行處理，再轉換成對應的氣象要素值。來自各傳感器的檢測數據通過傳感器接口電路，根據設定的方式，由核心處理器進行相應的處理、存儲。處理后的氣象數據按規定的傳輸協議打包，將數據經傳輸通道傳到監控中心，如圖6所示。自動氣象站安裝在養殖場附近空曠位置，監測參數包括氣溫、氣壓、太陽輻射、降水量、風速和風向，監測頻率為10 min/次。

1.4 增氧和投飼設備控制方案

增氧機和投飼機是池塘養殖日常生產使用的主要設備。對于大規模的標準化養殖場，設備數量眾多，要實現生產作業的統一管控，須要構建覆蓋所有池塘的設備控制系統，對所有設備進行集中控制和管理，同時實現投飼和增氧的統一調度，從而可以根據實際養殖需要進行諸如投飼前增氧、投飼中增氧、投飼后增氧等不同的綜合管控。為了降低集中控制可能帶來的風險，控制系統應采用集中管理、分布控制的原則，所有設備的控制既要集中在監控中心，又要保留在設備所在塘口就地操作的功能，即就地操作和遠程集中管控2級控制。這種管控模式可以確保在監控中心發生意外情況時也能夠通過人工就地操作保持設備正常運行，從而保證養殖生產不中斷。設備控制系統由現場設備、控制柜、無線局域網絡和監控中心組成。現場設備主要是指增氧機和投飼機。設備控制系統方案如圖7所示。

由于養殖場池塘數量多，須要布置大量控制柜，如果采用有線通信，須要鋪設大量通訊電纜，成本高，工作量大，因此本研究設計采用無線通信方式。日常生產中對增氧機和投飼機的操控頻率低，通常每天的啟停作業不超過3輪，但每次操控時對命令傳輸的可靠性和實時性要求較高。鑒于大量控制柜在養殖區域呈矩陣分布，因此選用ZigBee無線網絡模式，在每個控制柜內配置1個ZigBee模塊作為路由節點，在監控中心配置1個中心節點。監控中心計算機通過中心節點與所有路由節點進行通信。路由器節點具備信號中繼功能，通過多次中繼可實現遠距離數據傳輸。無線網絡建立后，在信號覆蓋區域內任何一個位置新增的設備都可以自動接入網絡，具有很強的擴展性。控制柜設置在池塘邊，通過對柜內開關的操作來控制設備電源的通斷，從而控制設備啟動或停止。控制柜上設置有手動操作按鈕，管理人員和一線生產人員可以通過按鈕對設備進行就地控制，也可以通過監控中心計算機軟件進行遠程集中控制。控制柜電路原理如圖8所示。

為了保證控制柜在野外環境下的正常操作，避免內部電路淋雨，本研究設計的控制柜采用內外雙門結構，如圖9所示。內部的小門作為操作面板，用于安裝控制按鈕。外門采用防水結構設計，并設有玻璃觀察窗，便于在不開門的情況下查看柜內按鈕狀態。柜體材質采用304不銹鋼，并通過立柱安裝在地面上，在方便人員操作的同時減少柜體受潮或浸水的風險。

1.5 視頻監控方案

為了能夠實時觀察投飼時魚類吃食情況及設備運行情況，本研究設計了養殖場視頻監控系統，通過覆蓋池塘投飼區的高清攝像機監控畫面同步觀察各個池塘魚類攝食狀態，為養殖管理人員精準控制投飼量提供實時信息。攝像機采用網絡攝像機，通過網線與網絡交換機連接，最終通過光纖將視頻信號傳輸至養殖場監控中心。攝像機主要包括槍型攝像機和球型攝像機2種類型。前者攝像角度和焦距不可調，只能監控固定的區域，優點是成本低，可用于路口監控;后者可360°旋轉監控，焦距可調，用于池塘生產區域監控。視頻監控方案如圖10所示，在2個池塘之間的塘埂中間位置設置1套球型攝像機，用于監控投飼和增氧作業;在養殖場4個主要路口各設置1組槍型攝像機，用于人員和車輛出入監控。

1.6 監控中心

監控中心是整個養殖場生產管控系統的中樞，通過專用軟件集成水質在線監測、氣象監測、增氧投飼控制、視頻監控等功能，實現養殖生產過程的集中控制和管理。監控中心主要由計算機、操作臺、大屏幕、網絡設備等組成，如圖11所示。

計算機安裝在操作臺內，所有監測數據、設備運行狀態及視頻監控畫面都在大屏幕上進行集中顯示。管理人員可通過操作臺上的計算機進行日常管理和操作。

2 系統開發與實現

由于經費有限，在系統建設時將養殖場分為核心示范區和擴展示范區。核心示范區覆蓋10個池塘，按照上述設計方案配置設備，包括太陽能水質浮標、增氧和投飼控制柜及球型攝像機監控系統。擴展示范區覆蓋20個池塘，僅做水質監測，每個池塘配置1套岸基式水質浮標。監控中心設置在養殖公司辦公區，與養殖池塘的距離大約為500 m。同時，辦公區附近有1座當地氣象局建設的氣象站，作為養殖場氣象監測數據來源。

2.1 水質監測浮標安裝部署

1～10號池塘采用太陽能水質監測浮標，使用時浮標漂浮在水面上，通過繩索系泊，如圖12所示。需要變更檢測位置時只需解開繩索，拖動浮標至指定位置或將浮標搬入其他池塘即可。11～30號池塘使用岸基式水質監測浮標。安裝后傳感器和浮體也漂浮在池塘水面上，用繩索系泊。同時傳感器電纜連接至岸邊的供電箱。

2.2 無線控制柜安裝部署

1～10號池塘配置增氧和投飼控制柜。每個池塘內6臺增氧機大致等間距分布，投飼機則安裝在池塘岸邊中間位置。增氧機和投飼機已經鋪設了電纜連接至配電柜。為了充分利用現有的配電柜并減少新增電纜鋪設量，將控制柜與現有的配電柜一一對應，即相鄰2個池塘之間的塘埂上等間距布置6臺控制柜，共30臺控制柜，安裝在配電柜旁邊的混凝土地基上，如圖13所示。這樣可以利用已有的電纜將增氧機和投

飼機接入控制柜。每個控制柜只需要采用一小段電纜從配電柜內引入電源即可。

2.3 生產管控軟件開發

管控軟件基于易控組態軟件和SQLserver數據庫進行開發。為了便于管理人員使用，將水質監測、氣象監測及增氧和投飼控制集成在一套軟件中，通過不同的界面進行操作。管控軟件主要界面如圖14至圖16所示。管理人員通過軟件實現對養殖場監測信息和設備的集中管理。通過軟件的Web發布功能，管理人員在外地也可以通過網絡遠程登錄進行管控。

2.4 視頻監控系統安裝部署

核心示范區內每2個池塘的塘埂中間安裝1套球型攝像機，共5套攝像機覆蓋10個池塘的生產作業區域。同時在養

殖場4個路口安裝槍型攝像機用于人員和車輛監控。鄰近的多臺攝像機通過網線經由網絡交換機接入同一根主光纖，同時攝像機由附近的配電箱供電，這樣可以大大減少線纜鋪設工作。攝像機全部采用海康威視的產品，視頻監控畫面如圖17所示。除了在監控中心進行管控，管理人員還可以通過海康威視的手機客戶端隨時隨地查看監控畫面。

2.5 監控中心部署

管控軟件部署在監控中心的計算機上。計算機采用性能穩定的工業計算機，安裝在操作臺內。管理人員在操作臺上進行日常生產管理。大屏幕由9臺液晶拼接顯示單元以3×3的排列方式拼接組合而成，作為整個生產管控系統的集成顯示界面，如圖18所示。

3 總結

池塘養殖正朝著規模化、集約化的方向發展，環境因素和規模化管理成為集約化養殖中最為關鍵的環節。本研究設計開發的養殖生產管控系統集成了水質在線監測、氣象監測、增氧和投飼設備控制及視頻監控，實現了養殖環境信息和設備的集成管控，可以為生產管理提供科學的數據來源和有效的控制手段，符合養殖業發展的趨勢，提升了生產管理效率。參考文獻：

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