農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)在水產(chǎn)養(yǎng)殖的應(yīng)用

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摘要:農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)是智慧農(nóng)業(yè)和綠色農(nóng)業(yè)的核心組成部分之一。水產(chǎn)養(yǎng)殖智能物聯(lián)網(wǎng)集在線(xiàn)采集、智能組網(wǎng)、無(wú)線(xiàn)傳輸、智能分析、預(yù)警、決策支持、遠(yuǎn)程控制等功能于一體，主要由傳感、遙測(cè)、傳輸、控制、終端、預(yù)警等子系統(tǒng)組成，可以有效提高水產(chǎn)養(yǎng)殖的生產(chǎn)效率、資源利用率和產(chǎn)品競(jìng)爭(zhēng)力，符合綠色、集約、高效、安全的現(xiàn)代農(nóng)業(yè)發(fā)展方向。

關(guān)鍵詞:水產(chǎn)養(yǎng)殖;智慧農(nóng)業(yè);綠色農(nóng)業(yè);農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng);智能管理

1系統(tǒng)組成

1.1系統(tǒng)概述

物聯(lián)網(wǎng)是互聯(lián)網(wǎng)的延伸和擴(kuò)展，目的是對(duì)物理系統(tǒng)進(jìn)行智能化管理和控制，提高生產(chǎn)效率和資源利用率。隨著世界物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)和信息技術(shù)不斷發(fā)展、現(xiàn)代農(nóng)業(yè)自動(dòng)化需求的不斷增長(zhǎng)，農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)在遙測(cè)感知、數(shù)據(jù)傳輸、智能處理、應(yīng)用服務(wù)等領(lǐng)域取得重要突破，使智慧養(yǎng)殖成為可能。水產(chǎn)養(yǎng)殖智能物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)面向集約、高產(chǎn)、有效、生態(tài)、安全的發(fā)展需求，集水質(zhì)環(huán)境參數(shù)在線(xiàn)采集、智能組網(wǎng)、無(wú)線(xiàn)傳輸、智能分析、預(yù)警信息、決策支持、遠(yuǎn)程自動(dòng)控制等功能于一體，主要由傳感器子系統(tǒng)、傳輸子系統(tǒng)、控制子系統(tǒng)、軟件監(jiān)控平臺(tái)等組成［2］。

1.2系統(tǒng)成分

1.2.1傳感子系統(tǒng)

傳感器子系統(tǒng)由服務(wù)器、遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)采集器(RTU)、PC終端、網(wǎng)關(guān)、傳感器、基站、手機(jī)終端等組成，可以實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)水質(zhì)的各項(xiàng)信息(光照、水溫、pH值、溶解氧、氨氮含量、亞硝酸鹽含量等)。RTU采集各監(jiān)測(cè)站位的目標(biāo)數(shù)據(jù)后，完成組網(wǎng)、暫存、傳輸、中轉(zhuǎn)等一系列任務(wù)。根據(jù)距離的不同，RTU可以通過(guò)GPRS或Radio2種方式傳輸，遙測(cè)數(shù)采之間可以自組網(wǎng)，承擔(dān)數(shù)據(jù)采集、緩存、傳輸、中繼的任務(wù)，增加有效傳輸距離［3］。用戶(hù)終端為手機(jī)或PC機(jī)，可以不限時(shí)間、不限地點(diǎn)登錄服務(wù)器，隨時(shí)了解、統(tǒng)計(jì)、處理、分析數(shù)據(jù)。最新的濁度數(shù)字傳感器支持MODBUS串行通信，采用散射光原理，抗干擾能力強(qiáng);采用光纖技術(shù)進(jìn)行可重復(fù)的檢測(cè)，不受環(huán)境光線(xiàn)和色度影響，可以有效消除氣泡、懸浮物等對(duì)測(cè)量結(jié)果造成的偏差。溶解氧傳感器內(nèi)置溫度傳感器，自動(dòng)溫度補(bǔ)償;無(wú)需消耗氧，不受流速和硫化物等化學(xué)物質(zhì)干擾;無(wú)需電解液，不會(huì)凝華;反應(yīng)快速，測(cè)量精準(zhǔn);免于維護(hù)，適用周期較長(zhǎng)，使用成本更低［3］。pH值傳感器配有快速電纜接頭，具有防水功能、超長(zhǎng)使用壽命和多種安裝方式;抗化學(xué)腐蝕能力強(qiáng)，整體密封，在有毒離子水溶液中性能良好。

1.2.2遙測(cè)子系統(tǒng)

軟件平臺(tái)具有展示實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的功能，以滿(mǎn)足生產(chǎn)單位大屏幕信息顯示的需求。分布式監(jiān)控子系統(tǒng)通過(guò)IP網(wǎng)絡(luò)和監(jiān)控中心軟件進(jìn)行連接和數(shù)據(jù)交互。在大型應(yīng)用場(chǎng)景中，可以組建二級(jí)監(jiān)控分中心，將現(xiàn)場(chǎng)微環(huán)境測(cè)控器與監(jiān)控分中心連接，多個(gè)監(jiān)控分中心再與總監(jiān)控中心軟件進(jìn)行連接和交互。這種智能監(jiān)控平臺(tái)具有多路輸入輸出、以太網(wǎng)接口和通訊串口，便于與其他儀器設(shè)備集成使用。

1.2.3傳輸子系統(tǒng)

提供有線(xiàn)(RS232/RS485)、無(wú)線(xiàn)(GPRS/GSM/ZIGBEE)、北斗衛(wèi)星傳輸?shù)榷喾N方式，支持web瀏覽和配置，同時(shí)支持TCP、SNMP等接口方式，通過(guò)IP網(wǎng)絡(luò)與中心軟件交互通訊，方便使用和管理［3］。

1.2.4控制子系統(tǒng)

根據(jù)傳感器采集的環(huán)境因子數(shù)據(jù)，設(shè)置相關(guān)的發(fā)生條件后，可以對(duì)增氧機(jī)、水泵、電磁閥、風(fēng)機(jī)等設(shè)備進(jìn)行聯(lián)動(dòng)開(kāi)啟和關(guān)閉，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程自動(dòng)化控制。以增氧機(jī)控制器為例，用戶(hù)能夠根據(jù)水質(zhì)參數(shù)和現(xiàn)場(chǎng)視頻，通過(guò)手機(jī)APP進(jìn)行遠(yuǎn)程啟停。

1.2.5終端子系統(tǒng)

終端子系統(tǒng)為用品提供多種選擇，包括移動(dòng)應(yīng)用APP(Andriod、IOS)、標(biāo)準(zhǔn)電商平臺(tái)、微商城、小程序、中小企業(yè)全渠道電子商務(wù)云平臺(tái)(Saas模式、B2B＆B2C模式等)、區(qū)塊鏈溯源及農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)綜合解決方案等［4］。PC端采用統(tǒng)一的實(shí)時(shí)在線(xiàn)人機(jī)界面、靈活方便的操作方式。

1.2.6預(yù)警子系統(tǒng)

針對(duì)相關(guān)監(jiān)測(cè)指標(biāo)，以及基于一級(jí)監(jiān)測(cè)指標(biāo)計(jì)算的二級(jí)指標(biāo)，進(jìn)行條件設(shè)置，當(dāng)一項(xiàng)或多項(xiàng)指標(biāo)達(dá)到閾值時(shí)，系統(tǒng)發(fā)出警報(bào)，以短信、微信、電子郵件、網(wǎng)絡(luò)電話(huà)等形式通報(bào)目標(biāo)人群［4］。從業(yè)者可及時(shí)采取預(yù)防應(yīng)對(duì)措施，減少水產(chǎn)養(yǎng)殖災(zāi)害損失。

2系統(tǒng)功能

2.1光照監(jiān)控

光照時(shí)間長(zhǎng)短、強(qiáng)弱決定著魚(yú)類(lèi)的繁殖周期、生長(zhǎng)狀況和生產(chǎn)品質(zhì)。輸入相關(guān)模型和算法，光照系統(tǒng)可以自動(dòng)計(jì)算養(yǎng)殖水體中魚(yú)類(lèi)需要的光照強(qiáng)度，決定天窗的開(kāi)閉。

2.2溫度監(jiān)控

溫度是水產(chǎn)養(yǎng)殖中的重要環(huán)境參數(shù)之一，包括進(jìn)水口溫度、池內(nèi)溫度、養(yǎng)殖區(qū)域空氣溫度等。智慧物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)全天候監(jiān)測(cè)養(yǎng)殖水體溫度，當(dāng)溫度高于或低于設(shè)定區(qū)間時(shí)，系統(tǒng)將現(xiàn)場(chǎng)的情況通過(guò)短信發(fā)到用戶(hù)手機(jī)上，監(jiān)控界面彈出報(bào)警信息。用戶(hù)可通過(guò)遠(yuǎn)程設(shè)置，自動(dòng)開(kāi)啟水溫控制設(shè)備，當(dāng)水溫恢復(fù)正常值時(shí)，系統(tǒng)自動(dòng)關(guān)閉。

2.3溶解氧監(jiān)控

溶解氧含量與水生動(dòng)物食量、餌料利用率、生長(zhǎng)發(fā)育速率等密切相關(guān)，當(dāng)水中溶解氧濃度降低時(shí)，智慧物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)自動(dòng)打開(kāi)增氧泵，保證水生動(dòng)物必需的溶解氧含量。2.4pH值監(jiān)控過(guò)低的pH值使水體呈酸性狀態(tài)，極易引發(fā)魚(yú)類(lèi)病變(如魚(yú)鰓病變等)。同時(shí)會(huì)造成溶解氧利用率降低，水中有害微生物大量繁殖，影響?hù)~(yú)類(lèi)健康。當(dāng)pH值傳感器探測(cè)到水體pH值超過(guò)正常范圍時(shí)，自動(dòng)開(kāi)啟進(jìn)水口閥門(mén)，進(jìn)行換水。

2.5氨氮含量監(jiān)控

養(yǎng)殖池塘中的氨氮來(lái)源于水生動(dòng)物排泄物、餌料、肥料、底泥等。當(dāng)水體中的氨氮濃度過(guò)高時(shí)，幾乎所有水生動(dòng)物的生長(zhǎng)、發(fā)育、繁殖都會(huì)受到影響，嚴(yán)重時(shí)可能造成魚(yú)類(lèi)、貝類(lèi)、甲殼類(lèi)等大范圍死亡，使?jié)O業(yè)生產(chǎn)產(chǎn)生重大損失。根據(jù)氨氮傳感器的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，及時(shí)對(duì)養(yǎng)殖水體進(jìn)行清潔或換水。

3智慧物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展方向

在現(xiàn)代農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展中，大量運(yùn)用新原理、新技術(shù)、新材料，突出移動(dòng)性、微型化、多樣化，注重應(yīng)用性、標(biāo)準(zhǔn)化、產(chǎn)業(yè)化。納米傳感器不僅能促進(jìn)農(nóng)作物生長(zhǎng)，還能大大延長(zhǎng)包裝食品的保存時(shí)間，幫助滿(mǎn)足世界人口快速增長(zhǎng)對(duì)糧食的迫切需求。美國(guó)普渡大學(xué)研制的新型生物傳感器能夠檢測(cè)最低濃度達(dá)0.3μmoL的葡萄糖，且不需要昂貴的成本投入和復(fù)雜的生產(chǎn)程序，有望用于農(nóng)產(chǎn)品中葡萄糖含量的精確測(cè)定。納米科學(xué)領(lǐng)域涌現(xiàn)的新發(fā)現(xiàn)、新技術(shù)，不斷應(yīng)用于包裝行業(yè)，研發(fā)防止氧氣侵入、微生物污染的新型飲料或食品容器。美國(guó)科羅拉多大學(xué)研制出類(lèi)似夾式耳環(huán)的智能微芯片，置于農(nóng)作物葉片上，當(dāng)植物需水時(shí)，向農(nóng)戶(hù)的手機(jī)發(fā)送信息。采用此法可以省水省力省時(shí)，灌溉用水減少10%～40%，每個(gè)用戶(hù)每年節(jié)省數(shù)千美元。農(nóng)業(yè)大數(shù)據(jù)、農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)等農(nóng)業(yè)市場(chǎng)創(chuàng)新商業(yè)模式持續(xù)涌現(xiàn)，大大降低信息搜索、經(jīng)營(yíng)管理的成本［5］。創(chuàng)新型的經(jīng)營(yíng)主體將進(jìn)一步得到發(fā)展，相關(guān)產(chǎn)業(yè)的聯(lián)合和鏈接將更加緊密，農(nóng)業(yè)核心資源的配置和利用將更加高效。第一產(chǎn)業(yè)與第二、第三產(chǎn)業(yè)交叉滲透、融合發(fā)展，進(jìn)一步提升農(nóng)業(yè)競(jìng)爭(zhēng)力。

4結(jié)語(yǔ)

現(xiàn)代物聯(lián)網(wǎng)是農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化和智能化水平最重要的標(biāo)志之一，將有效改變傳統(tǒng)的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和經(jīng)營(yíng)模式，向以軟件和信息為中心、大量運(yùn)用自動(dòng)化、遠(yuǎn)程化設(shè)備的方向發(fā)展。智慧農(nóng)業(yè)將生產(chǎn)活動(dòng)、產(chǎn)品流通、追蹤溯源與生態(tài)保護(hù)融為一體，將顯著提高農(nóng)業(yè)環(huán)境質(zhì)量，推動(dòng)精準(zhǔn)、綠色、優(yōu)質(zhì)、高效農(nóng)業(yè)，確?！吧嗉馍系陌踩?，盡快形成信息資源共享、生產(chǎn)環(huán)境穩(wěn)定、監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)健全、可持續(xù)發(fā)展的現(xiàn)代農(nóng)業(yè)新格局。

參考文獻(xiàn)

［1］羅彥婷，陸俊百．淺談智慧農(nóng)業(yè)的內(nèi)涵與發(fā)展路徑［J］．農(nóng)業(yè)與技術(shù)，2017，37(11):148－149．

［2］李卓然．基于嵌入式Linux的水產(chǎn)養(yǎng)殖物聯(lián)網(wǎng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)［J］．農(nóng)機(jī)化研究，2019，41(11):229－233．

［3］徐連偉．物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在我國(guó)水產(chǎn)養(yǎng)殖上的應(yīng)用發(fā)展對(duì)策［J］．農(nóng)業(yè)與技術(shù)，2018，38(23):117－118．

作者：孫剛 房巖 金丹丹 陳野夫 王雪純 吳蘇歡 杜娟 劉聰 王薇 單位：三明學(xué)院 長(zhǎng)春師范大學(xué) 國(guó)藥中生長(zhǎng)春生物制品研究所有限責(zé)任公司