水產養殖水質檢測與控制技術研究進展

蔣新花

（泉州臺商投資區管理委員會環境與國土資源局，福建 泉州 362100）

中國一直以來都是非常大的水產品消費國以及生產國，在水產養殖的過程中，影響到水產養殖環境的關鍵參數包括了水中的溶解氧含量、水溫、pH、氨氮含量、鹽度等一系列內容，其中水溫、溶解氧含量以及水中所含有的pH值是最為關鍵的幾個環節。養殖不同種類的產品對水中各式各樣不同參數的要求也有著一定的區別，需要根據不同國家以及地區對養殖水產品水質參數范圍進行一定的了解，并且劃分出相應的標準。

1 水產養殖水質檢測參數

1.1 水溫

在水產養殖水質檢測的過程中，水溫是十分重要的參數。水溫的變化不僅僅影響到了與魚類在進食時的食欲和新陳代謝，同時也直接影響到了魚類在開展繁殖活動時的效果。水溫中包括了水中的溶解氧，有毒物質的化學反應以及氨和毒性等。如果水溫不斷上升，水中的溶解氧就會越來越少，魚類的呼吸速度會加快，直接加大了魚類的耗氧量，而溶解氧進一步的減少則會導致魚類出現死亡，而如果水溫過低，則魚類會進入一種休眠的狀態中會停止生長。為此，一定要及時檢測水體的溫度，并且采取相應的措施將水體溫度穩定在一定范圍內，這是十分必要的一點。

1.2 溶解氧含量

溶解氧含量是指在水中或者是在其他液體中分子氧的含量，這也是魚類在呼吸、廢物分解以及藻類呼吸中的必需產品。溶解氧是水代謝的指標，更是現階段水產養殖水質監測過程中最重要的指標之一。有利于監測水中的有機污染物以及營養污染物，溶解氧過低會導致魚類的生存出現問題，而如同時也會導致水中的厭氧菌迅速繁殖，直接導致水質變差。而如果水中的溶解氧過高，則會出現水中出現大量的幼蟲和卵，對這兩種發育有著非常顯著的影響，容易導致魚塘富氧化以及氣泡病等災害。目前常用的溶解氧含量測量方法幫包括碘量法、電化學法及熒光淬滅法等。其中碘量法屬于化學檢測的方法，所消耗的時間較長，并且步驟非常的繁瑣，并不適用于現場對其進行測定。而電化學法的整體技術則更加成熟，儀器價格則相對較低，檢測的過程中非常方便快捷，屬于我國的標準檢測方法。熒光淬滅法在檢測溶解氧時，主要是通過氧分子本身對于熒光物質所產生的淬滅效果，進而實現檢測的需求。熒光淬滅法檢測精度高，并且速度快，但是在使用時存在一個問題就是價格相對較為昂貴。

1.3 pH

pH同樣是衡量水中酸堿度的重要指標，pH也可以將其稱酸堿度，是檢測水環境中化學生物反應的最重要指標之一。p同樣也影響到了魚類在生存和養殖過程中的整體效果，多數情況下，魚類適宜生存在中性或微堿性的水體中，而如果當水中pH過低，魚類自身的自身維持酸堿的平衡能力就會受到非常明顯的影響，而血液中的載氧量也會迅速的降低，很有可能會出現魚類窒息的現象，而如果ph過高，魚類可能會出現腮出血的現象。

2 水產養殖水質控制系統通信技術

2.1 水質控制系統通信技術分類

在水產養殖水質控制的過程中，由于受到了應用環境的獨特性影響，傳統的有線控制方式需要鋪設電纜器，并不利于水產養殖水質的監控。為此，在針對水產養殖領域進行水質監控的過程中，其主要的監控通訊方式是以無線監控為主，無線監控本身具有成本低，并且功耗相對較低等一系列特點，需要著重分析無線監控的通信技術。通訊技術可以根據其覆蓋的距離以及通信覆蓋的范圍兩個不同點進行分析。

無線傳感網可以將其分為無線廣域網技術以及無線局域網技術兩種不同的內容。而其中局域網包括了Wi-Fi，藍牙等，其通訊距離相對短，在當前應用在前端無線傳感器的組網形式上。而ZigBee相比于Wi-Fi和藍牙等技術，其功率消耗更低、成本更低。同時ZigBee具有多跳、自組織等一些特點，每一個節點均可以作為相鄰范圍內傳輸節點的數據中轉站，并且利用ZigBee可以在短時間內不斷拓寬無線網絡應用時的覆蓋范圍，廣泛的應用在目前我國水產養殖水質監測的傳感網絡中。無線廣域網技術包括的較多，無論是常見的移動通信網，2G，3G，4G，5G網或是GPRS等，也包括了低功耗的廣域網WAN等。

2.2 ZigBee通信技術

2.2.1 優勢

通過現階段對我國水產物聯網的遠程通信技術效果使用進行分析發現仍舊以GPRS為主。在水產養殖水質檢測的過程中，其實傳感器和路由節點的部署，可以在水產養殖監測的區域內利用ZigBee形成自組織形式構成獨特的網絡。而網絡本身也具有節點和路由的雙重功能。該傳感器的節點既負責數據的采集，同時也負責數據的處理，能夠將所有的數據以融合的方式形成多跳的網絡，直接傳送到匯聚的節點，通過匯聚節點能夠實時的接收并且處理網絡中所含有的一系列節點信息。利用GPRS可以直接地傳輸到遠端控制中心進行使用。ZigBee通信技術是現階段我國水產養殖水質控制系統通信技術中的重點內容之一。由于ZigBee技術本身是比本身所需要消耗的成本低、功率低、速率低，并且是一種無線通信技術，符合現階段水產養殖水質檢測的相關使用標準機，主要應用在能耗要求較低，并且數據吞吐量并不高的地區。

2.2.2 特點

ZigBee技術具有非常強大的組網能力，能夠形成三種不同的網絡拓撲結構，其中包括了星型、網狀以及樹型三種，而其中新型的網絡拓撲結構和樹狀的拓撲結構本身具有相對于簡單并且能耗低等特點，適用一些規模較小并且復雜程度較低，距離相對近的場景進行使用。而Mesh網則具有容錯率較高，自適應性能較好，適用于傳輸距離相對較長并且大范圍通信距離較廣的復雜網絡組網方案中。在目前我國的水產養殖水質監控系統中，大多數情況下所選擇的是Mesh網拓撲結構，這是一個非常常見的一種方式。

3 水產養殖水質智能控制技術

水產養殖水質智能控制技術的機理和系統、模型預測等，具體分析如下：

3.1 控制中心智能控制機理

3.1.1 水產養殖智能控制系統

當前，水產養殖智能控制系統包括了控制中心養殖、養殖現場的設備控制兩個不同的部分。而控制中心除了對可以對現場的水質參數進行實時的分析監控，還可以在現場直接采集相應的數據，預測該模型的走向以及模型的整體使用效果。專家也可以結合自己的知識庫對水質的參數進行及時的分析和預測，并且根據報警規則輔助用戶在短時間內做出相應的決策，能夠提高水質控制的整體效果。通過目前的發展狀態進行分析，其水質自動控制系統仍舊沒有完全脫離出實驗環境，并且其控制方式也存在著閾值控制、定時控制、PID控制等簡單的算法。例如，溶解氧含量的參數變化，由于控制因素較多，參數變化會受到了各種不同控制因素影響，受制于閾值控制、定時控制等簡單算法的控制。當監測到了參數值低于閾值時，很難在短時間內找到相應地采取措施。為此，在養殖水質智能控制技術時需要根據水質參數預測算法對水質的變化預測作出實時的分析，結合現場的自動控制設備實現對水質的智能控制，提高預測的整體使用效果，可以通過傳感器采集到的do、pH值、水溫、鹽度等一系列水質參數，直接通過GPRS傳送到控制中心。

3.1.2 模型預測

控制中心所形成的監控系統也可以利用已經建立好的預測模型，對所有的等待檢測和控制的參數進行預測和分析，并且根據水產養殖過程中所養殖的品種不同，其生產生長的周期不同進行分析，了解到養殖信息庫貨，獲取該時期在養殖水產時應正常的參數標準以及報警歸報警規則庫。如果預測的參數已經超出了限制，則需要在最短時間內報警。而設置的報警方式較多，可以通過語音、電話或短信等形式，應該在報警時展現出預警的等級以及正常的標準參數，并且進入到報警記錄中，如果預測值超出限制，沒有達到需要報警的情況則需要直接計入日志，并且向用戶進行信息的提醒。除此之外，在控制中心需要配備專家知識庫，在報警后隨時隨地的直接向用戶提供針對當下的狀況，選擇應對措施，同時控制中心也具有傳感器數據實時控制庫，歷史數據實時查詢，趨勢分析以及多傳感器的數據比較等方式，能夠根據現場的設備以及實際情況開展遠程控制等一系列的功能。

3.2 現場設備控制

現場設備控制也應該具有控制以及遠程控制兩種模式，其目的是為了提高對水產養殖、水質監測的整體質量，也能夠提高控制的整體效果，讓我國不同地區的水產養殖水質質量更佳。現場直接對所有的設備進行調控的就地模式也可以分為手動模式以及自動模式。而手動模式和自動模式的區別就是利用現場控制裝置進行控制開關或是按鈕，以人工手動的方式對設備進行啟動和停止的控制，而自動控制則是利用控制流程或是簡單的算法，比如說閾值、定時、PID等，直接實現設備的自動運行以及停止。而遠方控制則是由控制中心的控制軟件通過GPRS現場控制裝置來，直接實時的制定發生控制命令，其最終的目的是實現對所有調控裝置的遠程控制，提高調控裝置在設計時的整體設計質量。

4 結語

綜上所述，通過對我國現階段水產養殖水質在使用時的使用效果進行分析，能發現漁船養殖區往往都處于一種相對較為偏遠的地區，并且其環境相對較為惡劣，特別是隨著海洋水產養殖業的進一步擴大，逐步向著深海方向轉移，使得水產養殖水質監測系統不同于陸地上的物聯系統，其在使用的過程中需要考慮到方便部署、低功耗、無人操作、少維護等一系列的內容。