基于物聯網技術的魚菜共生系統研究進展

楊 揚

（北京中農富通園藝有限公司，北京100089）

隨著農業生產技術的不斷發展，一種新型的復合耕作模式應運而生——魚菜共生系統。近年來，針對魚菜共生技術的研究越來越多，雖然魚菜共生技術越來越成熟，但是大多數魚菜共生研究中環境監測、管理等采用人工監測管理或部分自動化監測管理的方式，人工管理方式費時費力，環境參數調節全憑勞動經驗，缺少精準監控環境參數管理，很難保證生態系統一直處于最佳狀態。隨著物聯網技術在現代農業中的應用越來越廣泛，部分專家逐步開展物聯網技術在魚菜共生技術中的應用研究[1-3]，基于物聯網技術的精準監控、環境參數監測，通過信息感知模塊、信息傳輸模塊、信息處理模塊，監測生態系統的溫度、濕度、光照強度、水溫、水溶氧量、pH 值等各種環境參數，實現環境信息自動化、智能化管理，為保持生態平衡提供數據支持，可有效解決人工勞力，提高科學化管理水平。因此，將魚菜共生相關技術研究與物聯網技術相互結合，可有效提高研究結果的可控性、數據的準確性，為魚菜共生技術的進一步完善提供更有效的理論和技術支撐。將物聯網技術應用于魚菜共生系統進行環境監測及智能管理能夠彌補傳統模式的管理局限，加速農業現代化發展，具有非常廣闊的應用前景。鑒于物聯網技術在魚菜共生系統的應用研究較少，本文借鑒了物聯網技術在農業領域其他方面的研究，探討了基于物聯網技術精準控制的魚菜共生系統研究現狀、問題與前景，為以后的生態農業發展提供相應的理論支持。

1 魚菜共生系統以及物聯網技術的研究現狀

1.1 魚菜共生系統研究現狀

魚菜共生系統（Aquaponics）是指融合水產養殖（Aquaculture）與水耕栽培（Hydroponics）這兩種農業生產方式，通過科學合理的設計，利用蔬菜充分吸收魚類排泄物中的養分，起到凈化水體的作用，同時將凈化后的水再流回魚池中使用，達到魚菜科學協同共生的一種可持續發展的新型農業系統。魚菜共生系統能夠高效環保地解決傳統水產養殖業中因飼料利用率低造成的水體富營養化與水質惡化，甚至各種疾病爆發等問題。美國、以色列等國對魚菜共生技術的研究較多，也較為先進，主要利用戶外大規模生產的深液流栽培以及溫室內的固體基質栽培；我國是近年來才開展的這方面研究，起步略晚，大多偏向于實現集約化生產，系統較易受到外界環境、魚菜配比、水體營養等條件的影響[4，5]。張明華等設計了國內首套魚菜共生實驗裝置；探索了氨氮、酸堿度等因子對魚菜不同生長階段的影響，總結了不同密度魚菜之間的優化配比以及論述了魚菜共生系統工程設計的模式，為城市園林建設及家庭園藝美化提供了借鑒經驗[6]。基于魚菜共生理念，采用水培系統凈化養殖水體的同時，收獲高品質魚菜具有較高的研究價值[7]。隨著科學技術的不斷快速發展，魚菜共生系統也日益完善，耗能較低、管理方便、污染較小，越來越受到人們青睞，充分發揮了生態農業的潛力。

1.2 物聯網技術在農業領域的研究現狀

物聯網技術主要是指通過射頻識別、紅外感應器、定位系統等信息傳感設備，以物聯網域名，將系統與互聯網相連接，進行信息交換和通信，以實現智能化識別、定位、跟蹤、監控和管理的一種技術。通過實時采集系統所處環境溫度、水體溫度、CO2濃度、濕度信號以及光照、葉面濕度、營養液濃度等參數，自動開啟或者關閉指定設備，實現遠程控制，便于直觀地分析處理問題，為系統信息的自動監測、環境的自動控制等智能提供科學依據，節約成本、提高效益的同時農業物聯網技術的應用也為農業現代化注入了新的活力[8]。美國、日本等國農業物聯網技術應用較早且較為成熟，美國農場的農業物聯網覆蓋率超過80%，比如通過物聯網感應病蟲害指揮無人噴藥機噴藥、利用物聯網控制節水灌溉、實時監測農作物生長狀態等[9]，不僅能夠避免資源浪費、節約成本，還能夠實現設備的精準控制、提高產量等。日本主要由日立等大型科技公司進行農業物聯網技術的研發，建立無線網絡，連接耕種監控以及傳感器，應用于作物耕種、食品安全等方面，實現異常感應、自動警報、智能控制以及移動終端實時掌握監測數據等情況，大大地提高了農業生產效率。物聯網技術在我國經過近20年的發展，已經越來越廣泛地應用于農業領域，主要集中在環境監測、精細作業、質量溯源、智能控制等方面，基本上實現了節能增效等功能，極大地促進了我國農業現代化進程[10-12]。王萍等[13]研究了農業物聯網技術在大豆生產中的應用，總結了物聯網技術對大豆生長環境監測、智能化生產等方面的作用，探討了存在的問題以及為我國大豆生產的信息化發展提供了理論依據。物聯網技術在農業領域中的應用，實現了農業生產上數據的采集以及傳輸、分析處理等功能，對農業生產進行自動監控以及智能管理，不同程度地改變了農業對自然環境的依賴性，不僅提高了生產數據的準確性以及農業生產效率，還加快了農業發展方式的轉變以及轉型升級。

1.3 物聯網技術應用于魚菜共生系統的研究現狀

隨著信息科技的迅速發展，物聯網技術應用于農業領域越來越廣泛，食品安全、環境保護需求不斷提升，魚菜共生系統作為現代農業的一個重要部分，越來越受到關注。通過安裝光溫水氣等各種傳感器、智能芯片對各儀器設備進行魚菜的生長狀況、營養液濃度等的實時監控，利用無線傳感（Zig-Bee/WiFi/Bluetooth、蜂窩移動/LPWAN 等）或有線傳感等技術手段將數據進行傳輸，通過分析處理等保證魚菜獲得良好的生長環境，進而提高魚菜的產量與品質。孫劍等[14]開展了基于物聯網技術的魚菜共生環境監測系統的研究，設計了環境監測系統，通過傳感器感知采集空氣溫濕度、光照、水溫、溶氧量等信息，利用傳輸技術（ZigBee）將數據傳輸至監測中心并進行范圍比對，超出后報警提示用戶參數異常，甚至提出相應的解決方案。馬子超等[15]設計了一種基于無線傳感器網絡的魚菜共生系統，利用ZigBee傳輸特點，對系統內溫濕度等進行實時采集及控制，從而保證魚菜共生系統的最佳環境，可實現有效節水及廢物利用等價值。剛營營等[16]提出了一種基于PLC 和LabVIEW 的魚菜共生試驗系統控制的方法，在實驗室進行了小型系統運行，實現了對多種傳感器及設備的數據采集、自動控制、實時顯示、存儲查詢及分析處理等功能，最終實現了對魚菜共生系統的環境監控，為進一步推廣魚菜共生系統打下基礎。Harvey Harbach 等[17]研究了植物密度對魚菜共生系統中非洲鯰的影響，通過視頻等觀察分析發現，高密度羅勒對非洲鯰魚有積極影響。陳華等[18]研究設計了景觀式魚菜共生系統，通過增設自動過濾、光伏發電、環境監測以及智能控制等功能，實現環境實時監測以及基本不換水和無廢物化運行，具有一定社會效益。趙月玲等[19]設計了一種基于STM32傳感器技術的低功耗的魚菜共生系統，依靠遠程WIFI 傳輸數據，能夠實現水溫、pH 值等參數的實時監控與智能控制，對資源節約與生態農業發展起到重要作用。依據不同魚菜品種的生長習性及生長規律，利用物聯網技術調控魚菜生長所需水溫、環境溫濕度、光照、CO2濃度、營養液比例等，實現魚菜的精細化管理。由此可以看出，物聯網技術在魚菜共生系統中的應用已經迅速發展并日益成熟，對我國生態農業產業化、規模化、智能化進程具有重要意義。

2 物聯網技術應用于魚菜共生系統上存在的問題

盡管我國不斷尋求農業轉型升級以及大力支持研究物聯網技術，開發了多個獲得知識產權的計算機軟、硬件以及這些技術在魚菜共生系統上得到了不同程度的應用，實現了魚菜共生系統的智能管控、監督預警、數據查詢、種養殖分析等功能，打破了傳統農業生產模式，產生了較好的智能監控效果及經濟社會效益，不同程度提高了魚菜的生產效率及產量品質，但從物聯網技術本身來說，我國魚菜共生系統中的農業物聯網技術應用開發仍處于較低水平，并且對應用前景缺乏足夠認識。

2.1 物聯網關鍵技術缺乏以及產品開發標準低

由于國內目前對魚菜共生系統中農業物聯網技術應用設備仍未進行有效管理以及精準要求，導致系統中物聯網技術的應用主要集中在魚菜生長的環境監控與數據傳輸上，生產廠家雖然眾多，富含關鍵技術的識別魚菜生命信息的專用傳感器類型少、產品多樣但不統一、質量良莠不齊、標準化程度低、數據模型缺乏、網速差以及不穩定使得無法形成有效互聯融合及共享，這樣就難以保證數據的精準與可靠，難以實現魚菜共生系統的精準控制，大大降低了物聯網技術應用效果，制約了物聯網技術發展和農業資源的共享。

2.2 物聯網應用成本較高，使得大多數企業望而卻步

眾所周知，物聯網傳感器的精準度影響著整個技術的應用效果，而傳感器的精準度越高、穩定性越好，相應的設備價格就會越高，且后期管理及運營維護成本也會越高。我國農業企業中大部分靠政府財政補貼，而相關惠農政策較少，農戶更是難以為繼，自主資金來源緊縮，而以小規模魚菜共生系統進行生產為主的企業及農戶致力于降低生產成本，系統中的物聯網入門、安裝使用、核心技術掌控、設備運營維護、數據傳輸等都需要大量的資金支持，而目前魚菜共生系統以及物聯網盈利能力較為低下，這無疑則會成為企業及農戶的負累，投資風險提升的同時，使得大面積普及推廣難度加大。

2.3 物聯網技術專業人才及高素質職業農民缺乏

物聯網技術是近些年新興的一種綜合性網絡技術，技術學習難度略大以及管理不方便，無法有效掌握大多關鍵技術，因此我國并未真正普及，雖然目前農業從業者超過2億，然而嚴重缺乏物聯網技術專業復合型人才，并且物聯網技術操作人員文化水平參差不齊、專業背景單一、操作規范程度低、使用設備故障率高，專門的物聯網技術人才及高素質農業從業人員仍與發達國家差距較大，并且物聯網使用中存在網絡設備與數據傳輸的安全問題等，都極大地阻礙了物聯網技術在農業中魚菜共生領域的應用和發展[20，21]。

3 物聯網技術應用于魚菜共生系統上的發展對策

3.1 加大農業物聯網關鍵技術研發與投入，制定與完善農業物聯網相關技術產品標準

加大農業物聯網關鍵技術研發與投入，深入開展物聯網相關技術和產品的研發，打造擁有自主知識產權的產品和配套技術，建立和完善適合本國國情以及農業魚菜共生系統的物聯網發展模式、運行機制以及技術體系標準，鼓勵科研院所及企業單位等社會力量參與物聯網及魚菜共生基礎建設與研發，注重創新與實用性能，突破關鍵技術瓶頸，實現物聯網與魚菜共生技術的全面融合與發展。

3.2 提高對農業物聯網基礎建設的政府投入及引導力度，增強企業與農戶使用積極性

政府方面提高對農業物聯網以及魚菜共生系統基礎設施建設的投入及引導力度，統籌規劃及重點支持，制定相關扶持發展政策，嚴格執行專款專用，推行集約化、規模化、標準化、服務社會化生產，不斷擴大魚菜共生領域的環境監測、施肥管理、智能監控等方面的物聯網技術研發應用，適當降低物聯網基礎設施建設的安裝、使用以及維護成本，不斷增強魚菜共生企業與農戶對物聯網技術的使用積極性。

3.3 深入開展農業領域物聯網從業者的技術培訓與素質提升

逐步加強對魚菜共生領域物聯網從業者的知識培訓與素養提升，使越來越多的人才掌握物聯網關鍵技術以及現代農業科學技術，同時制定培訓計劃，加強信息化、經營管理等方面的技能培訓，聯合科研院所進行專業培訓，不斷提高相關領域研發能力，有效解決物聯網應用中的關鍵性難題，逐步減輕對國外農業物聯網技術的依賴，并且要培訓職業農民，使其能夠管理并逐步應用物聯網相關技術。

4 物聯網技術應用于魚菜共生系統上的發展前景

隨著科技社會的日新月異，現代農業可持續發展模式已經逐步取代傳統生產模式，人們對于綠色飲食、有機環保等的需求不斷增強，物聯網技術也在迅速適應農業中的魚菜共生領域。想要獲得魚菜共生雙贏效益，就必須應用科技手段以及科學管理，實現資源利用最大化。魚菜共生系統物聯網工程是一項能夠實現數據監控、智能控制、提高效率、優質高產、節能環保等綜合性很強的高科技系統工程體系，提高了魚菜生產中數據的準確性與可靠性，發展前景廣闊，必將成為發展現代可持續農業的趨勢。但由于物聯網系統的穩定性與安全性有待進一步提升，這是今后的研究重點。因此，要加大投入，積極研發應用農業中魚菜共生領域物聯網關鍵技術與智能產品，不斷推動我國魚菜共生技術應用與促進農業現代化進程。