基于物聯網的水產養殖智能監測系統研究

丁向美，董靜霆

（綿陽職業技術學院，四川 綿陽 621000）

0 引言

物聯網是指通過信息感知設備，按約定的協議，將物體與網絡相連接，物體通過信息傳播媒介進行交換和通信，以實現智能化識別、定位、跟蹤、監管等功能。物聯網即萬物相連的互聯網，是信息科技產業的第三次革命。隨著5G 和AI 技術的發展，物聯網的技術體系承載了大數據、云計算、邊緣計算和人工智能等先進技術，成為新一代信息技術落地實現的重要表現形式。

水產養殖業正在邁向智慧漁業4.0 時代，逐漸從傳統的手工勞作向數字化、信息化、智能化發展，從農戶散養逐漸向規模化、科學化的生產管理模式發展。“十四五”時期是數字鄉村全面“布局”和重點“破題”的關鍵階段，隨著鄉村振興戰略的實施推進，為水產養殖產業提供了新的方向與思路。水產養殖行業發展的條件、環境都發生了新的變化，發展機遇與面臨挑戰并存[1-4]。

利用物聯網技術實現水產養殖業的智能監測系統，集水質檢測、遠程控制、風險預警及養殖管理等功能為一體，實時監控水產養殖環境，并進行養殖區域管理，進而實現精細養殖過程自動化、決策管理智能化，為推進漁業高質量發展和現代化建設提供有力支撐。

1 發展現狀與趨勢

水產品作為重要的優質蛋白來源之一，在保障國家糧食安全中具有重要作用。水產品的孵化、生長、培養都離不開適宜的水質環境和條件。高效的水質管理作為水產養殖中的重要工作，能有效縮短水生生物的養殖周期，減少養殖成本，為養殖戶爭取更大的經濟收益，在新時代全面推進鄉村振興、建設生態文明等方面發揮著積極作用。

中國是水產養殖大國，但水產養殖業的發展仍存在短板，尤其是以丘陵山地為主的西南地區，魚塘位置較為偏僻，人工管理難度較大，布線困難，自建無線通信因地形阻隔也難以達到滿意的效果。目前大多中小規模養殖仍停留在以人工為主、機械為輔的管理狀態，企業數量少，行業規模小，智能監控設備較少，現代化水平不高[5]。部分魚塘安裝了監控設備，實施了本地集中監控管控，但依然需要人工值守，設備投入大，運營費用高。傳統的以養殖經驗為指導的粗放式生產管理方式導致水產養殖出現中產率低、個體生產能力差、產品質量差和競爭力弱的突出問題。

隨著現代信息技術的快速發展，物聯網在水產養殖中的應用方案也越來越多，為科學管理和決策提供可靠支持。在此基礎上，許多學者對水產品生長營養需求進行了分析和研究，得到了很多關于水產品營養需求的數據[6]。同時，在養殖水體的水質監測、養殖設備的智能控制、養殖環境的實時預警、養殖溯源的智能管理等方面均有一定程度的應用[7-10]，但依然存在技術工程體量大、示范效應難以體現、設備成本高、維護相對繁瑣、缺乏統一的行業標準、難以規模化推廣等問題。

在我國高度重視生態文明建設和漁業綠色循環發展的背景下，水產養殖不能只依靠增加面積來提高產能，重點還須放在轉型升級、增設漁業設施和轉變養殖發展方式上，著力推進生態健康養殖。綜合應用物聯網技術實時監控水質環境數據，對養殖進行智能化的管理，打破漁業發展的核心瓶頸，提高養殖產品品質，增加漁民的經濟收入，實現高效、生態、安全的現代化水產養殖，是水產養殖產業的發展趨勢。

2 系統研究與設計

2.1 系統架構設計

本文研究的智能監控系統，是基于物聯網技術對水產養殖過程中的水溫、pH 值、溶氧含量、氨氮含量等水質參數以及光照、溫濕度等環境質量參數等進行實時監測，對增氧機、投料機等養殖設備進行遠程控制，將監測數據上傳到云平臺，可在電腦或智能終端進行實時狀態和歷史數據曲線的查看。系統總體架構如圖1所示，主要包括感知設備、執行設備、PLC 控制模塊、智能網關和云端應用。

圖1 系統總體架構

2.2 系統工作原理

系統采用高內聚、低耦合的模塊化技術架構。分布在養殖水池中的水質傳感器對水質溶氧量、酸堿度、氨氮含量等影響水產品產量和質量的重要因素進行數據采集，通過ModBus 通信協議傳輸到智能網關；網關收到數據并進行整合處理后通過4G 網絡技術和物聯網傳輸協議回傳到電腦或手機終端，方便水產養殖戶了解水質情況并對可能出現的風險進行預警提醒，用監控攝像頭隨時查看魚塘周邊環境。

養殖管理員可通過控制終端讀取云端數據并與系統設定的指標相比較，借助智能控制器調節相應的報警參數并設置相關參數閾值。當環境參數達到閾值，或設備工作出現問題時，報警監控發出報警信號和短信提醒，并控制相應設備以防止出現養殖問題，如溶解氧含量不足時提前開啟增氧機、飼料不足時開啟投料設備等，實現本地智能加氧、投料，并可遠程實時查看魚塘的水質參數及環境質量數據。

2.3 系統硬件設計

2.3.1 感知設備

感知設備主要指數字傳感器和網絡監控設備。數字傳感器包括水質參數傳感器（如溶解氧傳感器、pH 值傳感器、水溫傳感器、氨氮傳感器等）、環境質量傳感器（如溫濕度傳感器、光照傳感器等），支持ModBus 通信協議。監控設備選用海康威視的室外無線攝像頭。

2.3.2 執行設備

執行設備主要是水產養殖中的增加溶解氧的增氧機、投喂餌料的投料機、更換水體的水泵等養殖設備，由智能控制器來實現自動控制。

2.3.3 智能網關

4G 智能網關，又稱物聯網云盒子或數據采集傳輸模塊，是數字傳感器和智能控制器的樞紐。既要把傳感器的數據傳輸到云端，又要把控制信號通過ModBus 協議發送至智能控制器進而控制終端設備。同服務器之間使用4G 網絡技術進行數據傳輸較其他無線方式速度快、穩定性好。智能網關支持MQTT 協議，方便接入OneNET、阿里云等第三方云平臺。自帶的工業云支持第三方網關和人機交互功能的二次開發，應用配置工具可快速實現人機交互功能，簡化設計，節約開發成本。

2.3.4 智能控制器

智能控制器是集成以太網、RS 485、RS 232、TTL 等多種通信接口的PLC 控制模塊，與智能網關之間采用RS 485或以太網實現數據實時傳輸。為方便節點拓展，本系統采用8 輸入8 輸出的控制模塊。

2.4 管理平臺設計

管理平臺主要指智能終端可視化設計及云平臺設計，作為用戶與設備進行信息傳遞的平臺，是智能監測系統的重要組成部分，包括現場人機界面和遠程管理平臺。

2.4.1 本地工程配置

本地端控制變量與遠程控制端的統一是實現遠程管理的基礎。使用配置工具SuKConfig 進行工程配置，設置好本地端設備的變量名稱、變量地址、數據類型、數據單位、數據存儲方式、數據存儲間隔、數據讀寫形式等的映射，包括傳感器設備和養殖控制設備。

變量配置主要是設置本地端設備與智能網關的連接方式（RS 485）和連接端口（COM1）。連接方式中依次設置設備協議（ModBus）、設備型號（ModBus-RTU）以及串口參數（波特率、數據位、檢驗位）等，保證智能網關與本地端設備間的正確連接。如圖2所示，將所有變量配置好后，點擊下載至BOX（4G 智能網關）并上傳至云端，完成工程變量的配置。

圖2 工程配置界面

在工程變量配置界面點擊進入平臺可進入遠程控制系統主界面，輸入賬號密碼登錄至控制系統界面。在項目配置的BOX 管理頁面中，輸入4G 智能網關的ID 序列號及型號，再與已經創建好的項目進行綁定，完成智能網關的配置，便可進行對應項目的界面開發及設備遠程控制等。

2.4.2 遠程管理平臺

遠程管理平臺是基于4G 物聯網智能網關自帶的軟件平臺進行二次開發實現。根據智能監測系統的功能需求，遠程管理平臺主要由設備監控、數據監控、報警監控、視頻監控、項目維保、項目配置、報表管理及設備日志等組成。

遠程管理平臺中最主要的是設備監控組態界面，如圖3所示。該界面可以對環境因子進行實時監測顯示，方便管理人員直觀地掌握魚塘環境狀況和遠程控制養殖設備，根據需求設置數據采集周期、定時投喂和加氧。將數據存入數據庫中或生成歷史數據報表，根據需要選擇配置，自動生成不同傳感器數據和設備操作的報表，方便后期數據分析。通過項目維護、設備日志等功能，管理人員可規范地對本地設備進行維修管理，制定維保計劃、在報表中生成維保記錄，方便對設備的故障點進行管理分析，使設備運行更加可靠穩定，提高使用效率。遠程管理平臺還能夠實現電腦Web 端、手機APP 及小程序同步查看和控制現場設備，且互不沖突。

圖3 遠程管理平臺

3 結語

本文基于物聯網技術，研究設計了一套集中管理、智能程度高的水產養殖監測系統，探索實現水產養殖的數字化、科學化、智慧化、規模化和現代化。系統操作簡單、功能齊全、開發成本低、穩定可靠易維護、人機交互良好、可二次開發，不僅能夠提升水產養殖的質量和產量，還能降低養殖成本，保障水產養殖產業的綠色健康發展。