基于物聯網的小型太陽能浮標式水質監測系統在海參池塘養殖中的應用

劉毅 房景輝 鄒健 王軍威 張義濤 藺凡 張繼紅

摘要：我國未來水產養殖模式的發展方向是工業化、集約化，在線水質監控系統是實現水產養殖現代化的關鍵技術。本研究通過小型太陽能浮標式水質監測系統在海參池塘中的應用，對海參養殖過程中幾項重要的水質指標進行了監測與分析。結果表明，浮標式監控系統可以直觀地反映養殖池塘水體中各項水環境指標的變化規律，有效降低了工作強度、工作風險、人工和管理成本，同時提高了監測結果的精確性、可靠性，可有效預防和避免突發情況，節約能源，具有較好的實際應用價值和推廣前景，同時也為實現現代化養殖模式以及相關的科學研究奠定了良好基礎。

關鍵詞：物聯網；水質監測；海參；水產養殖

中圖分類號：S126文獻標識號：A文章編號：1001-4942（2016）09-0136-06

AbstractIndustrial and intensive culture models are the future trends for aquaculture and online water quality monitoring system is one of the key factors to realize the modernization of aquaculture. In this paper， a small scale solar buoy type water quality monitoring system was introduced， and some important water quality indicators in sea cucumber aquaculture were monitored and analyzed. The results showed that online buoy type monitoring system could directly reflect the variation of water quality indicators in the pond， reduce the working strengths and risks， labor and administrative costs， promote the accuracy and reliability of monitoring results， thus it could effectively prevent and avoid the occurrence of unexpected situations and reduce cost. This system showed a good practical application value and promotion prospect. Meanwhile， it provided a solid foundation for related scientific researches and modernized aquaculture model.

Keywords IOT； Water quality monitoring； Sea cucumber； Aquaculture

水質是水產養殖行業的重要物質基礎和技術指標，良好的水質可以為養殖生物提供天然餌料和適宜的生長環境，是養殖生物健康生長和發育的基礎[1]。傳統的養殖模式已無法滿足我國水產養殖現代化的生產要求，集約化養殖模式在水產養殖產業中的地位越來越突出。作為先進的養殖模式，其最為關鍵的環節就是水質環境調控[1，2]。在傳統養殖模式中，大部分采用人工進行水質監測，時效性差，難以及時發現水質問題，以致影響經濟收益。隨著物聯網技術的發展，水質監測系統的技術得到了發展和應用，實現了遠程化、智能化的監測和管理[3-8]。應用于水產養殖的水質監測系統在國外的研究應用已較為成熟，日本、美國等發達國家在20世紀末率先把水環境因子監測裝置應用在水產養殖領域，實現了水產養殖的智能化管理[9]。我國對應用于水產養殖過程中的水質監測系統的研究與應用起步較晚，對水質監控的技術和管理手段相對落后。

小型太陽能浮標式水質監測系統是采用太陽能供電，運用現代傳感器、自動控制、自動測量、無線傳輸等高新技術及相關分析軟件和通訊網絡構成的一套綜合性的水質在線監測系統[10]。可通過手機或電腦終端實時監控水質情況，及時獲取異常情況的提醒及警報，幫助養殖人員快速有效地采取應對措施。該系統通過水質信息智能感知、信息智能處理和控制以及可靠的信息傳輸系統等成熟的物聯網技術使水產養殖行業更加科學、先進、穩定、可靠，其運行成本的經濟性、使用操作的方便性可以促使水產養殖行業有效擴大養殖規模，增加產品產量，降低養殖成本，減少養殖風險，減輕勞動強度，最終實現綠色環保、增產增收、節能減排的現代化水產養殖模式[11-13]。

20世紀80年代以來海參的營養價值被廣泛認可，國內對海參需求量的增加以及海參養殖行業的高利潤使海參逐漸成為北方沿海地區的主要養殖品種[14]。據資料統計，超過80%的海參養殖病害是由水質問題導致的[15]，因此，對池塘水質科學管理是減少海參病害發生、提高海參質量和產量的主要措施。基于物聯網技術的水質監測系統在水產養殖中的應用，可以提高水產養殖的管理和技術水平，使管理人員能夠及時監控水質變化情況，根據養殖環境變化及時調整控制措施。本研究將基于物聯網技術的小型太陽能浮標式水質監測系統應用于海參養殖池塘的水質監測和調控，并通過對實驗過程中監測數據的跟蹤與比對，選取具有代表性的海參養殖周期（3月15日至5月15日）進行水質變化規律分析；同時選取5月4-6日的數據，探討不同氣候條件下養殖池塘水質的日變化情況，以及如何及時采取措施應對惡劣天氣條件導致的水質變化，以期為該系統在水產養殖生產中的推廣應用提供科學依據，促使水產養殖行業更好更快地發展。

1小型太陽能浮標式水質監測系統工作原理及架構1.1工作原理

該系統采用太陽能板供電，可24小時連續不間斷進行水質監測。CPU模塊對系統傳感器所采集的溶解氧（DO）、pH值、水溫（T）、鹽度（S）等水質指標分析和處理之后，通過GPRS無線傳輸到手機或電腦終端，工作人員可以利用系統軟件進行數據的觀測、查詢及生成曲線圖形，并根據走勢規律預測相關水質變化趨勢。CPU模塊中同時集成了自動增氧機控制設備，可通過遠程操作或鍵入相關指令在溶氧較低時自動啟動增氧機工作。系統工作原理見圖1。

1.2系統架構

本實驗所用小型太陽能浮標式水質監測系統采用標準Modbus協議的數字信號傳輸傳感器，通訊可集成到PLC（可編程邏輯控制器）或SCADA（數據采集與監視控制系統），并能夠通過指令對傳感器及相關模塊進行控制。溶解氧傳感器采用第二代動態熒光淬滅法傳感器并內置鹽度校準程序，可通過輸入現場海水鹽度對其進行鹽度補償，鹽度值基于電導率法測量；pH傳感器采用氧化還原電極測量原理，同時具有溫度補償功能；溫度傳感器可自動實時進行溫度補償。

2該系統在海參池塘養殖中的應用試驗

2.1監測指標

利用該系統進行養殖水體在線監測的主要指標是溶解氧（DO）、pH值、水溫（T）以及鹽度（S）。DO是水體養殖生物進行呼吸代謝及其它維持生長活動的重要參數，也是水質評價的重要指標。高濃度DO可氧化分解水體中的有毒有害物質，抑制厭氧性有害菌繁殖，減少病害的發生[9]。結合實際生產，海參養殖池塘的DO要求最低為5 mg/L，過低則會導致海參死亡。pH值除可以直接反映水體的酸堿度外，也能間接反映水體中浮游植物群落的濃度及其光合作用強度，還可以根據pH值的高低判斷水體中DO含量等情況。海參養殖對pH值的要求為7.6～8.5。水溫也是影響水產養殖生物生理代謝活動的重要因子，海參最適宜的生長水溫為10～16℃，當水溫超過20℃時，海參將逐漸進入夏眠狀態，養殖過程中水溫應維持在5～28℃之間。海參屬于狹鹽性海洋生物，海水鹽度超出適宜范圍將會影響其正常的生長和發育，并最終導致疾病的發生，所以養殖水鹽度應該穩定在28～34之間[16]。

2.2實驗方法

2015年9月將小型太陽能浮標式水質監測系統（型號：KLD-FB-01，廈門吉龍德環境工程有限公司）投放到榮成東楮島海洋科技有限公司位于山東榮成東楮島附近的海參池塘中，經過系統調試和數據校準并正常運行后，于2016年3月開始進行實驗，實驗周期為3月15日至5月15日，每分鐘測定一次各指標值，并通過GPRS進行傳輸。同時，根據海參養殖水質要求設置各指標最低報警值，其中，DO最低報警值設置為5 mg/L，并設置當DO下降到5 mg/L時充氧機自動開啟進行工作，當DO恢復到5 mg/L以上時充氧機停止工作。

3結果與分析

3.1海參養殖周期水質月變化情況

3月15日-5月15日的主要參數變化情況見圖2。3月間，由于榮成冷空氣較多，水溫波動較大，4月份水溫變化相對平緩，5月份受降雨等春季天氣多變的影響，水溫波動也較大。受養殖周期溫度持續升高的影響，浮游植物大量繁殖，光合作用逐漸增強，DO逐漸增加；但受天氣的影響，3月中下旬和5月上中旬DO波動較大，在半夜或清晨出現了多次低于預警值的時間段。pH值和鹽度S的變化較為平緩，但5月上旬由于雨水增多，大量雨水進入養殖池，使鹽度S和pH值下降，池內酸性升高，當雨水減少后受養殖池內浮游植物等的影響pH又重新升高。總體來說，本次實驗養殖池塘水體的pH值在正常范圍內波動。

3.2水質日變化情況

選取5月4-6日進行水質日變化情況分析，其中5月4日為晴天，5日陰天，6日當地開始降溫并伴隨強降雨天氣。結果（圖3）顯示，5月4日水溫為15.0～17.4℃，溫差2.4℃；5月5日水溫為16.0～16.5℃，溫差0.5℃；5月6日水溫為15.6～18.1℃，溫差2.5℃。日間水溫高，夜間水溫低。

5月4-6日，各天的溶解氧變化范圍分別為4.60～7.37、5.83～6.87、4.73～7.48 mg/L，平均值分別為（5.92±1.01）、（6.36±0.33）、（6.27±0.79） mg/L。DO的變化均呈日間高夜間低的趨勢，無論天氣狀況如何，峰值一般出現在12-16時，而低值出現在0-5時。4-6日共出現兩次DO過低預警，分別為4日凌晨1時以及6日5時許，兩次預警后自動增氧機都正常開啟工作，且均在1～2 h后DO開始逐漸恢復正常。

pH值的變化較為穩定，3天內的變化范圍為7.9～8.3，平均值為8.17±0.08；只在6日降雨時由于雨量的增加出現一定程度的下降，當降雨停止后在浮游植物的調節下pH又重新升高。鹽度S的變化范圍為26.73～28.97，平均值為28.13±0.43，變化幅度也較小，同樣由于降雨的影響6日10時至16時有所下降。

4討論與結論

使用基于物聯網的小型太陽能浮標式監測系統可以及時有效地獲取養殖池塘的水質環境指標，了解各項指標的全天候變化特征，可以為調節水質狀況、了解池塘水質變化規律、預測水質變化趨勢、提高監測水平的精確性和可靠性以及為日后研究池塘養殖水體環境因子變化的影響因素提供有效的基礎信息。通過預警系統，針對突發事件及時反應，采取有效措施，避免造成嚴重后果。另外，使用該系統可以有效降低勞動成本和工作強度，提高勞動效率，實現節能減排，提高水產品質量。

通過對小型太陽能浮標式水質監測系統的監測數據進行分析，可以直觀反映出養殖池塘水體中各項水環境指標的變化規律，能夠有效指導海參池塘養殖與水質調控。正常天氣條件下，溫度和DO日間高夜間低，遇到惡劣氣候條件時，如降雨、降溫，DO、pH、S等指標均會不同程度的降低。在本次實驗周期（3月15日-5月15日）內，溫

各水質監測指標的日變化度和DO逐日升高，受天氣影響，當天氣惡劣時，如冷空氣較多的3月份和雨季中的波動較大。但值得注意的是，在天氣晴朗的條件下，受光照的影響下午升溫較快，造成水溫溫差較大；陰天條件下，由于水體的保溫作用，溫差反而較小。所以在今后的生產過程中，除關注極端天氣外，晴朗天氣下造成的水溫差異也需引起關注。pH和S在雨季時有明顯降低的趨勢。降雨持續時間過長或極端天氣帶來的暴雨會導致養殖池內水體分層，不利于DO的交換，造成底層DO較低；同時大量雨水的進入還會導致S和pH值出現較大幅度下降。因此，在海參池塘養殖過程中，雨季來臨時除關注DO外，還需著重關注S和pH值的變化情況。相較于傳統養殖模式，基于物聯網的水質監測系統能夠及時、準確地監測到水質變化，可以有效避免因此導致的海參大面積死亡。

結合實際生產分析本次實驗日變化中兩次出現低氧情況的原因發現：第一次低氧發生在養殖池塘換水前夕；第二次低氧出現時正值降雨期間，氣壓低加之浮游植物的光合作用減弱，導致DO過低。因此，智能化的物聯網控制系統可以有效避免突發性缺氧造成的危害，并且管理者可以根據數據結果采取合理的管理措施。本次實驗中設置啟動自動增氧機的DO濃度為5 mg/L，通過實驗發現當養殖水池中DO低于5 mg/L之后，雖然增氧機馬上開始工作，但要使DO上升到正常范圍內有時間延遲，所以今后應將增氧機自動開啟的DO設置值相應提高，可更加有效地避免養殖生物因缺氧而死；另外在實際生產中，不同養殖密度、養殖規模也會對水質產生一定影響，因此，應根據實際需要設置和監控水質情況，從而有效提高此類小型水質監測系統的工作效率和效果。參考文獻：

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