水产养殖水质智能监控系统研究

总结与趋势展望。

【关键词】水产养殖 水质 智能监控系统

随着我国农业结构的不断调整，水产养殖模式已经逐渐从传统的粗放模式转为工厂化、集约化模式。近年来，随着养殖密度的不断增加，养殖环境水质日趋恶化。恶化的水质极易引起浮头泛塘、病害增加，进而造成很大的环境污染和经济损失。因此，对水产养殖水质的监控十分重要。

传统水质监控主要采取人工采样法，依靠养殖技术人员的经验判断，存在工作强度大、监测范围小、监测周期长以及无法实时反映水质参数动态变化等问题，具有很大的盲目性和风险性。因此，建立自动化、智能化和网络化的水产养殖水质智能监控系统成为必然趋势。本文介绍了水产养殖水质智能监控系统的总体架构，分析了系统涉及的关键技术，同时展望了日后的发展趋势。

1 系统总体架构

水产养殖水质智能监控系统由感知控制模块、本地监控中心和远程监控终端三大部分组成，其总体架构如图1所示。

感知控制模块包含感知模块、控制模块和通信模块。感知模块通过各类传感器实时监测各项水质参数，如溶解氧、pH值、水温、氨氮、硫化氢和亚硝酸盐。控制模块主要包含增氧机、水泵等设备，可接收控制指令，调节水质参数。通信模块以有线或无线通信方式与本地监控中心实现数据通信，将感知模块监测到的数据实时上传给本地监控中心，同时也接收本地监控中心的各类控制信息。

本地监控中心通过通信模块接收感知控制模块上传的水质参数数据，由Web服务器对这些数据进行存储、处理和分析。根据水产养殖专家决策系统，当水质参数达到预警值时，服务器会自动发出警报信息，并向感知控制模块发送控制指令，运行增氧机等设备调节水质参数。用户可以在本地监控终端（一般为PC）查看池塘实时和历史数据，发出控制指令；也可以使用各种远程监控终端（如PC、智能手机、平板电脑等）通过Internet登录Web服务器，查看池塘水质情况，实现对池塘水质参数的远程监控。

2 水产养殖水质监测参数

2.1 溶解氧

溶解氧是水产养殖最重要的水质参数之一。在养殖水域中维持适当的溶解氧，可有效抑制硫化氢、亚硝酸盐等有毒物质的产生。如果溶解氧含量过低，将会引起水产动物生长缓慢、减产甚至绝迹。反之，如果含量过高，会引发水产动物的气泡病。鱼虾蟹类的养殖水域溶解氧含量应维持在5～8mg/L，至少要达到4mg/L。

2.2 pH值

pH值对水质影响非常巨大，淡水养殖pH值一般控制在6.5～8.5之间，海水养殖一般在7～8.5之间。pH值过低会导致水产动物患寄生虫病或生理缺氧症，过高又会腐蚀水产动物腮部导致其无法呼吸而死亡。此外，pH值的过高或过低还会影响水中微生物生存，破坏生态平衡，进而影响水产动物的生存。

2.3 水温

水温对水产动物的生长有着极其重要的意义。水温过高会影响水产动物正常新陈代谢，降低水中含氧量，导致水质急速败坏，并增加水中氨氮等毒素的毒性。水温过低也会影响水产动物新陈代谢，影响它们的摄食，导致寄生虫类疾病多发。因此，为了获得最佳生产效益，最好将水温控制在最适合水产动物生长的范围内。

2.4 有害物质

水产养殖水域中常见的有害物质有氨氮、亚硝酸盐和硫化氢。

2.4.1 氨氮

养殖水体中的氨氮主要来源于肥料、饲料、水生物排泄和注入的其他水体。对水产生物来说，氨氮是剧毒物质。氨氮浓度过高会导致水产生物血液载氧能力和免疫力降低，呼吸困难，分泌物增多，甚至衰竭死亡。

2.4.2 亚硝酸盐

氨氮被亚硝化菌氧化分解就会变成亚硝酸盐，亚硝酸盐进入水产生物血液后，使血液中血红素转变为变态血红素，丧失携带氧气功能，导致水产生物缺氧，出现“冒底”、“偷死”、“浮头”等现象。

2.4.3 硫化氢

养殖水体中的硫化氢主要来源于水中一种还原细菌，该种细菌分解硫酸盐和有机物产生硫化氢。硫化氢是一种具有臭鸡蛋气味的有毒气体，对水产生物有直接毒害作用，同时由于它的氧化作用，能快速消耗水中氧气，导致水产生物死亡。

3 感知控制模块与本地监控中心通信方式

感知控制模块可通过有线或无线的通信方式实现与本地监控中心的双向通信。有线通信方式一般基于现场总线技术，而无线通信方式主要基于ZigBee技术。

3.1 现场总线技术

现场总线是应用在生产现场，连接测量设备与主控设备的双向、串行、多节点、数字式的数据总线系统。目前国际上比较流行的现场总线标准有HART总线、基金会现场总线、CAN总线、LonWorks总线、Profibus总线等[4]。基于现场总线的分布式控制系统具有高准确性和可靠性、良好的自助性、较强的协调性等优点，在早期水产养殖水质智能监控系统中得到广泛应用。

3.2 ZigBee技术

基于现场总线的通信方式虽然一定程度上可以满足水产养殖的生产需求，但是仍然存在众多问题。在工厂化、集约化水产养殖模式下，现场总线系统需要布置大量电缆线，施工难度大、布线困难、现场极为凌乱，只能进行比较简单的网络控制。同时，水产养殖环境通常具有高湿度、高盐度等特点，使得线缆易受腐蚀和破坏，维护成本高，扩展性差。

ZigBee是一种基于IEEE802.15.4标准的短距离无线通信技术，它具有近距离、低成本、低功耗、自组织、低数据传输速率的特点。其低功耗的特点使得使用较小的电池就能获得很长的使用寿命，而自组织网状结构也可提供更高的可靠性、更大的网络容量和更广的覆盖范围。一般应用于远程控制和自动控制领域，适用于各种嵌入式设备。因其低功耗、低成本、自组织等优势，逐渐成为无线传感器网络的首选通信协议。目前的水产养殖水质智能监控系统中，感知控制模块与本地监控中心的通信多采用ZigBee无线通信技术。

4 服务器—监控终端软件架构

Web服务器和监控终端需共同完成水质监测数据的存储、处理、分析和显示功能，当水质出现问题时，能根据专家决策系统，及时发出警报，并自动控制相关设备进行水质调控。用户能随时随地通过本地或远程监控终端查看当前和历史水质参数数据，并能根据自身经验对水质调控设备进行本地或远程控制。为了实现上述功能，需开发一套水产养殖水质智能监控软件系统，目前主流的软件系统架构主要有C/S（Client/Server，客户端/服务器）架构和B/S（Browser/Server，浏览器/服务器）架构。

4.1 C/S架构

C/S架构中，服务器运行大型数据库系统，如Oracle、SQL Server等，主要负责原始数据和处理结果的存储管理；客户端需要安装专门的客户端软件，向服务器查询数据，并对数据进行处理、分析，将最终结果通过用户界面呈现给用户。这种架构可以充分发挥客户端的运算和处理能力，结构简单。

4.2 B/S架构

B/S架构中，客户机只要有浏览器即可，服务器仍需运行大型数据库系统。客户机通过浏览器接收用户的请求，浏览器向Web服务器发出请求，服务器对数据进行查询、处理、分析和存储，最后由浏览器将服务器传递来的分析结果呈现给用户。这种结构中，客户机的浏览器并不参与运算，主要运算和存储工作都由服务器完成。

4.3 两种结构的比较

C/S架构需针对不同的客户端操作系统（如iOS系统、Android系统、Windows系统等）开发不同的客户端软件，开发周期长，扩展性差，每次系统升级时需卸载和重装所有客户端软件，维护难度大。

B/S架构中，客户机无需安装专门软件，只要有浏览器即可，对客户端要求小，支持不同操作系统的终端， 软件的开发和维护难度大大降低。但是其对批量数据输入输出、图形图像复杂应用及与客服机本地资源交互的支持性较差。

在水产养殖水质智能监控系统中，客户端基本不存在大批量的数据输入输出等业务，C/S架构和B/S架构均可选择。如果选择C/S架构，需针对不同客户端操作系统开发不同客户端软件，承担相应维护任务，但是这些软件可以一直保持后台运行，用户可随时通过客户端软件接收警报信息。如果选择B/S架构，客户端扩展和维护成本低，开发难度小，但是发生紧急情况时，如果用户当时没有打开浏览器登录Web服务器，无法接收到警报信息，一般需以短信或电话提醒等形式及时通知用户。因此，在进行水质监控系统设计时，可根据所选终端和开发维护条件选择C/S或B/S架构。

5 总结

我国是水产养殖大国，但是与许多发达国家相比，还不是水产养殖强国，在水产养殖现代化的道路上还有很长的路要走。水产养殖的智能化、信息化，将会成为提升我国水产养殖实力的关键。随着传感器技术、无线视频传输技术、数据挖掘技术的不断发展，多传感器信息融合、远程高清视频传输、感知数据智能处理与水质监控的结合，将会成为未来发展趋势。

参考文献

[1]曾洋泱，匡迎春，沈岳，等.水产养殖水质监控技术研究现状及发展趋势[J].渔业现代化，2013，40（1）：40-44.

[2]赖年悦，杨粤首，魏泽能. 基于物联网的池塘高产养殖水质智能调控技术[J]. 水产养殖，2013（5）：36-39.

[3]黄建清，王卫星，姜晟，等.基于无线传感器网络的水产养殖水质监测系统开发与试验[J].农业工程学报，2013，29（4）：183-190.

[4]张桢，牛玉刚.DCS与现场总线综述[J]. 电气自动化，2013，35（1）：4-6，46.

[5]蒲泓全，贾军营，张小娇.ZigBee网络技术研究综述[J].计算机系统应用，2013，22（9）：6-11.

作者单位

江苏农林职业技术学院 江苏省句容市 212400

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