南美白對蝦池塘精準養殖系統研究與應用

馬曉飛　袁永明　張紅燕　沈楠楠

摘要?構建并集成完整的南美白對蝦池塘精準養殖系統，設計完善、可行的環境監測和環境傳感器安裝校正方案，開展完整周期的養殖生產試驗，通過養殖環境監測數據、養殖設備精準控制記錄以及養殖過程記錄等數據處理和分析，評價了南美白對蝦池塘精準養殖系統的應用效果，總結了該系統的應用中存在的問題。

關鍵詞?南美白對蝦;池塘養殖;精準養殖;養殖試驗;精準控制

中圖分類號?S966.12;TP273文獻標識碼?A

文章編號?0517-6611（2019）16-0104-04

doi：10.3969/j.issn.0517-6611.2019.16.030

開放科學（資源服務）標識碼（OSID）：

Research?and?Application?of?Pond?Precision?Culture?System?of?Penaeus?vannamei

MA?Xiao?fei，?YUAN?Yong?ming，?ZHANG?Hong?yan?et?al?（Key?Laboratory?of?Freshwater?Fisheries?and?Germplasm?Resources?Utilization，?Ministry?of?Agriculture，?Freshwater?Fisheries?Research?Center，?Chinese?Academy?of?Fishery?Sciences，?Wuxi，?Jiangsu?214081）

Abstract?This?paper?constructed?and?integrated?the?complete?pond?precision?culture?system?of?P.vannamei，and?designed?feasible?environmental?monitoring?and?environmental?sensor?installation?and?correction?schemes，?conducted?full?cycle?aquaculture?production?tests.Based?on?the?processing?analysis?of?aquaculture?environmental?monitoring?data，?precision?control?records?of?breeding?equipment，?and?breeding?process?records，we?evaluated?the?application?effect?of?thepond?precision?culture?system?of?P.vannamei，?and?summarized?the?existing?problems?in?the?application?of?the?system.

Key?words?Penaeus?vannamei;Pond?culture;Precision?culture;Culture?experiment;Precise?control

南美白對蝦（Penaeus?vannamei?Boon）即凡納濱對蝦，原產于中、南美洲太平洋沿岸的溫暖水域，與斑節對蝦、中國對蝦并列為世界三大養殖蝦類，因其具有成活率高、生長速度快、產量高等生物學特性，且可在咸淡水等大范圍鹽度范圍水域環境中生存等優勢，成為我國主要的養殖蝦種，并帶來巨大的經濟效益[1]。近年來，南美白對蝦養殖業快速發展，高密度集約化養殖比例迅速提高，但高密度養殖對于養殖水體帶來了更嚴重的環境壓力。殘餌及生物排泄物的增多會打破水體中氮、磷等營養元素的動態平衡，導致NH?3-N、?NO?2-N等毒害成分濃度升高[2]，進而引起南美白對蝦病害甚至導致死亡，造成養殖戶的經濟損失，并阻礙了南美白對蝦養殖產業的健康發展[3]。目前，南美白對蝦池塘養殖生產管理方式較為落后，養殖過程主要依靠傳統養殖經驗進行水質、蝦情判斷。為保證養殖生產安全，大多整夜開啟增氧機增氧，增加了養殖成本，部分養殖戶甚至高頻率換水，導致養殖水體動態平衡被破壞，造成更加嚴重的經濟損失。

針對上述問題，筆者設計并集成安裝適用于南美白對蝦池塘養殖的池塘精準養殖系統，通過開展完整周期的南美白對蝦池塘養殖試驗進行系統應用試驗和效果評價。

1?池塘精準養殖系統

池塘精準養殖系統主要由養殖環境監測模塊、精準控制模塊、專家系統模塊以及人機交互模塊組成，各功能模塊之間通過混合組網實現通信和數據傳遞。通過系統軟硬件設備設施的集成，系統能夠完成和實現養殖環境監測、養殖精準控制、養殖方案更新、養殖現場查看等主要功能。系統結構如圖1所示。

用戶將養殖基本信息（如池塘面積、水深、連續養殖年限、養殖對象、規格等）輸入系統物聯服務系統，系統會根據控制器上傳的實時環境監測數據（氣象、水質等）調用水產專家系統[4]的智能算法進行數據處理和分析，智能判斷養殖狀況并生成較適宜的養殖方案。系統首次運行時，用戶可以使用遠程配置程序或現場配置終端將養殖方案配置到控制器;養殖過程中，控制器實時采集養殖環境參數并上傳至物聯服務系統，同時根據環境數據和已下載的養殖方案進行精準控制。物聯服務系統將控制器上傳的數據進行智能分析和處理，通過專家系統判斷當前養殖環境狀況的一般性。對于異常狀況，及時生成控制處理方案，通過控制器及時處理異常狀況;對于非異常狀況，則智能生成下一階段的養殖控制方案，并將新方案同現有方案進行差異化比對后下載更新到控制器。控制器下載配置完養殖控制方案后可以獨立運行，對養殖過程進行精準控制。系統運行流程如圖2所示。

2?試驗設計與系統集成

2.1?試驗設計?選擇南美白對蝦池塘養殖開展池塘養殖自動控制系統應用試驗。試驗地點為江蘇省常熟市。試驗時間為2017年9月27日至10月3日。池塘長、寬、深分別為140、50、2.5?m。養殖對象為南美白對蝦，規格約60尾/kg。

氣象環境監測方案：實時監測氣溫、濕度、大氣壓力、風速、總輻射量、光和有效輻射量等氣象數據;控制器采集頻率5?s/次，服務器采集頻率1?min/次，數據庫存儲頻率?10?min/次。

水質環境監測方案：實時監測水溫、pH、溶解氧、溶氧相對飽和度、氧分壓等水質參數[5-7];控制器采集頻率5?s/次，服務器采集頻率1?min/次，數據庫存儲頻率10?min/次。

傳感器校正方案：使用傳感器自帶校正軟件進行傳感器校正;pH傳感器在pH分別為4和7的標準液中分別進行校正;光學溶解氧傳感器使用兩點校正法[8]，分別在溶解氧飽和環境及零氧環境下校正。

自動養殖設備：葉輪式增氧機，功率3?kW，交流電電壓??380?V，3臺;水車式增氧機，功率3?kW，交流電電壓?380?V，?2臺。

應急增氧控制方案：溶解氧濃度小于4.0?mg/L時啟動增氧機，增氧至溶解氧濃度大于等于5.5?mg/L時停止增氧機，完成應急增氧控制。

調水控制方案：表層水體溶解氧相對飽和度大于等于130%時啟動增氧機攪水，溶解氧相對飽和度小于105%時停止增氧機，完成調水控制。

變頻攪水控制方案：溶解氧濃度區間為4.0～6.5?mg/L，7檔水流攪動速度（25～50?Hz），溶解氧濃度大于6.5?mg/L時以最低運行頻率（25?Hz）攪動水流;當溶解氧濃度低于?4.0?mg/L時，全速攪水并應急增氧。

應用對照試驗方案：對照組養殖環境與試驗池塘相同，養殖控制由工人根據養殖經驗完成并記錄啟動/停止增氧機時間、投飼情況等養殖數據，完成對照試驗。

2.2?系統集成

2.2.1?網絡拓撲。控制器與傳感器、控制器與服務器之間的互聯互通需要借助通信模塊實現，系統選用ZigBee通信方式實現傳感器與控制器自組網和數據通信;使用TCP/IP-RS485轉換器實現控制器的網絡接入和數據通信，在不具備寬帶上網條件的野外池塘通過GPRS/WCDMA/LTE等支持2G/3G/4G數據傳輸的通信模塊實現控制器同服務器的數據通信[9-10]。系統網絡拓撲結構如圖3所示。

2.2.2?設備安裝。

3臺葉輪式增氧機[11]采用繩索固定安裝于池塘中央位置并等距分布，2臺水車式增氧機對角安裝且水流方向相對，2套水質監測浮筒安裝于水車增氧機尾部同中心葉輪增氧機位于同一垂直線處，溶解氧傳感器安裝深度為50?cm，pH傳感器的安裝深度為100?cm，氣象站安裝于池塘岸邊。設備安裝排布如圖4所示。

3?應用效果分析

3.1?氣象環境監測效果?應用試驗過程中使用氣象站傳感器在線監測氣象變化并存儲數據，同時根據天氣預報人工記錄試驗過程中的氣象狀況。天氣預報氣象變化與氣象環境監測數據見表1。由表1可以看出，氣象監測站實時監測的氣象環境數據較為準確，與天氣預報數據基本一致。陰雨天氣時，空氣濕度一般大于85%，雨前及雨中大氣壓出現明顯下降，人體感覺“悶”，雨后出現回升;總輻射量表明日出和日落的時間節點以及當天太陽輻射強度，10月份日出時間約為06：00—06：30，日落時間為18：00—18：30，最高值一般出現在中午11：30—12：00，陰雨天氣太陽總輻射量明顯減弱，日平均輻射量一般低于150?W/m2。

在養殖自動控制過程中，天氣變化會對水質環境產生影響，造成水體缺氧等異常現象;陰雨等天氣會影響養殖對象攝食，對于投飼控制具有重要的參考價值。根據天氣變化科學制定自動控制方案具有一定的意義和實際作用，能夠有效減少飼料和能源的浪費，提高養殖安全性。

3.2?水質環境監測效果

應用試驗過程中使用光學溶解氧傳感器和pH傳感器在線監測水質溶解氧、水溫、pH變化并存儲數據。選取2017年9月27日至9月29日共計3?d的水質監測數據進行分析，水質變化曲線見圖5。

通過水質變化曲線（圖5）可以較為直觀地觀察出試驗過程中養殖池塘溶解氧、水溫、pH參數的變化趨勢，養殖水體pH較為穩定，pH維持在7.8～8.3，略偏堿性;由于進行自動增氧控制，水體溶解氧濃度保持在3.5mg/L以上，增氧作

用效果較為明顯;夜晚條件下（日落至日出時間段），因光合作用停止、池塘生物呼吸作用而消耗大量溶解氧，盡管全時段自動增氧，但只能維持池塘內溶解氧水平，光合作用開始后溶解氧濃度明顯升高;養殖水體pH與溶解氧具有相似的變化趨勢，其原因與水體中的氧化還原反應偏移方向有關;溶解氧受陰雨天氣的影響較為明顯，陰雨天氣溶解氧明顯偏低且增氧效果不佳;在晴天中午，水體溶解氧濃度較高，出現過飽和現象，需要進行調水增氧操作，攪動水體并使上下層產生對流達到溶解氧和水溫等指標的動態平衡，可以有效減少夜間水體缺氧現象的發生，對于節約電力資源具有重要作用，符合“晴天中午開增氧機”的傳統養殖經驗。

安徽農業科學2019年

3.3?養殖自動控制效果

養殖自動控制主要包括自動增氧和自動調水控制，試驗池塘通過水質監測結合人工記錄的方式實現自動控制的觀測和記錄，對照池塘由漁場根據養殖經驗進行投喂、增氧控制并記錄，選取2017年9月27日至9月29日的養殖控制數據進行分析，結果見表2。

由表2可以看出，試驗池塘增氧時間段與人工經驗增氧時間段基本吻合，且自動增氧控制更加科學合理;采用自動控制的試驗池塘增氧機使用時長明顯少于人工經驗控制的對照池塘，自動控制可以明顯降低養殖電力消耗;在晴天中午進行有效的調水控制，能夠明顯改善水體質量，減緩池塘內溶解氧濃度的下降速度，進一步減少晚間增氧機的開機時間，節約能源消耗;自動控制系統能夠結合氣象水質監測狀況，合理規劃投喂，做到陰雨天時少投喂或不投喂;使用養殖自動控制，控制操作有理有據，實現養殖過程全托管，有效節約了勞動力，可減少因養殖經驗欠缺或其他勞動力主觀因素而造成的養殖?損失。

4?結論

南美白對蝦池塘精準養殖系統能夠實時監測氣象、水質狀況并對增氧機、水泵等養殖設備進行精準控制，能夠有效保證養殖生產過程的順利實施，提高傳統養殖生產的智能化、信息化水平。通過養殖試驗，精準養殖系統控制精準及時，能夠部分替代傳統經驗養殖操作，保證了南美白對蝦養殖過程的安全，但在南美白對蝦池塘養殖精準投飼控制方面仍需要進行不斷研究和改進，以適應南美白對蝦養殖生產?實際。

參考文獻

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