劉毅 房景輝 鄒健 王軍威 張義濤 藺凡 張繼紅

摘要：我國(guó)未來(lái)水產(chǎn)養(yǎng)殖模式的發(fā)展方向是工業(yè)化、集約化，在線水質(zhì)監(jiān)控系統(tǒng)是實(shí)現(xiàn)水產(chǎn)養(yǎng)殖現(xiàn)代化的關(guān)鍵技術(shù)。本研究通過(guò)小型太陽(yáng)能浮標(biāo)式水質(zhì)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)在海參池塘中的應(yīng)用，對(duì)海參養(yǎng)殖過(guò)程中幾項(xiàng)重要的水質(zhì)指標(biāo)進(jìn)行了監(jiān)測(cè)與分析。結(jié)果表明，浮標(biāo)式監(jiān)控系統(tǒng)可以直觀地反映養(yǎng)殖池塘水體中各項(xiàng)水環(huán)境指標(biāo)的變化規(guī)律，有效降低了工作強(qiáng)度、工作風(fēng)險(xiǎn)、人工和管理成本，同時(shí)提高了監(jiān)測(cè)結(jié)果的精確性、可靠性，可有效預(yù)防和避免突發(fā)情況，節(jié)約能源，具有較好的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值和推廣前景，同時(shí)也為實(shí)現(xiàn)現(xiàn)代化養(yǎng)殖模式以及相關(guān)的科學(xué)研究奠定了良好基礎(chǔ)。

關(guān)鍵詞：物聯(lián)網(wǎng)；水質(zhì)監(jiān)測(cè)；海參；水產(chǎn)養(yǎng)殖

中圖分類號(hào)：S126文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)號(hào)：A文章編號(hào)：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(zhì)是水產(chǎn)養(yǎng)殖行業(yè)的重要物質(zhì)基礎(chǔ)和技術(shù)指標(biāo)，良好的水質(zhì)可以為養(yǎng)殖生物提供天然餌料和適宜的生長(zhǎng)環(huán)境，是養(yǎng)殖生物健康生長(zhǎng)和發(fā)育的基礎(chǔ)[1]。傳統(tǒng)的養(yǎng)殖模式已無(wú)法滿足我國(guó)水產(chǎn)養(yǎng)殖現(xiàn)代化的生產(chǎn)要求，集約化養(yǎng)殖模式在水產(chǎn)養(yǎng)殖產(chǎn)業(yè)中的地位越來(lái)越突出。作為先進(jìn)的養(yǎng)殖模式，其最為關(guān)鍵的環(huán)節(jié)就是水質(zhì)環(huán)境調(diào)控[1，2]。在傳統(tǒng)養(yǎng)殖模式中，大部分采用人工進(jìn)行水質(zhì)監(jiān)測(cè)，時(shí)效性差，難以及時(shí)發(fā)現(xiàn)水質(zhì)問(wèn)題，以致影響經(jīng)濟(jì)收益。隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展，水質(zhì)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的技術(shù)得到了發(fā)展和應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)了遠(yuǎn)程化、智能化的監(jiān)測(cè)和管理[3-8]。應(yīng)用于水產(chǎn)養(yǎng)殖的水質(zhì)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)在國(guó)外的研究應(yīng)用已較為成熟，日本、美國(guó)等發(fā)達(dá)國(guó)家在20世紀(jì)末率先把水環(huán)境因子監(jiān)測(cè)裝置應(yīng)用在水產(chǎn)養(yǎng)殖領(lǐng)域，實(shí)現(xiàn)了水產(chǎn)養(yǎng)殖的智能化管理[9]。我國(guó)對(duì)應(yīng)用于水產(chǎn)養(yǎng)殖過(guò)程中的水質(zhì)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的研究與應(yīng)用起步較晚，對(duì)水質(zhì)監(jiān)控的技術(shù)和管理手段相對(duì)落后。

小型太陽(yáng)能浮標(biāo)式水質(zhì)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)是采用太陽(yáng)能供電，運(yùn)用現(xiàn)代傳感器、自動(dòng)控制、自動(dòng)測(cè)量、無(wú)線傳輸?shù)雀咝录夹g(shù)及相關(guān)分析軟件和通訊網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成的一套綜合性的水質(zhì)在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)[10]?？赏ㄟ^(guò)手機(jī)或電腦終端實(shí)時(shí)監(jiān)控水質(zhì)情況，及時(shí)獲取異常情況的提醒及警報(bào)，幫助養(yǎng)殖人員快速有效地采取應(yīng)對(duì)措施。該系統(tǒng)通過(guò)水質(zhì)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(tǒng)等成熟的物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)使水產(chǎn)養(yǎng)殖行業(yè)更加科學(xué)、先進(jìn)、穩(wěn)定、可靠，其運(yùn)行成本的經(jīng)濟(jì)性、使用操作的方便性可以促使水產(chǎn)養(yǎng)殖行業(yè)有效擴(kuò)大養(yǎng)殖規(guī)模，增加產(chǎn)品產(chǎn)量，降低養(yǎng)殖成本，減少養(yǎng)殖風(fēng)險(xiǎn)，減輕勞動(dòng)強(qiáng)度，最終實(shí)現(xiàn)綠色環(huán)保、增產(chǎn)增收、節(jié)能減排的現(xiàn)代化水產(chǎn)養(yǎng)殖模式[11-13]。

20世紀(jì)80年代以來(lái)海參的營(yíng)養(yǎng)價(jià)值被廣泛認(rèn)可，國(guó)內(nèi)對(duì)海參需求量的增加以及海參養(yǎng)殖行業(yè)的高利潤(rùn)使海參逐漸成為北方沿海地區(qū)的主要養(yǎng)殖品種[14]。據(jù)資料統(tǒng)計(jì)，超過(guò)80%的海參養(yǎng)殖病害是由水質(zhì)問(wèn)題導(dǎo)致的[15]，因此，對(duì)池塘水質(zhì)科學(xué)管理是減少海參病害發(fā)生、提高海參質(zhì)量和產(chǎn)量的主要措施?；谖锫?lián)網(wǎng)技術(shù)的水質(zhì)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)在水產(chǎn)養(yǎng)殖中的應(yīng)用，可以提高水產(chǎn)養(yǎng)殖的管理和技術(shù)水平，使管理人員能夠及時(shí)監(jiān)控水質(zhì)變化情況，根據(jù)養(yǎng)殖環(huán)境變化及時(shí)調(diào)整控制措施。本研究將基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的小型太陽(yáng)能浮標(biāo)式水質(zhì)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)應(yīng)用于海參養(yǎng)殖池塘的水質(zhì)監(jiān)測(cè)和調(diào)控，并通過(guò)對(duì)實(shí)驗(yàn)過(guò)程中監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的跟蹤與比對(duì)，選取具有代表性的海參養(yǎng)殖周期（3月15日至5月15日）進(jìn)行水質(zhì)變化規(guī)律分析；同時(shí)選取5月4-6日的數(shù)據(jù)，探討不同氣候條件下養(yǎng)殖池塘水質(zhì)的日變化情況，以及如何及時(shí)采取措施應(yīng)對(duì)惡劣天氣條件導(dǎo)致的水質(zhì)變化，以期為該系統(tǒng)在水產(chǎn)養(yǎng)殖生產(chǎn)中的推廣應(yīng)用提供科學(xué)依據(jù)，促使水產(chǎn)養(yǎng)殖行業(yè)更好更快地發(fā)展。

1小型太陽(yáng)能浮標(biāo)式水質(zhì)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)工作原理及架構(gòu)1.1工作原理

該系統(tǒng)采用太陽(yáng)能板供電，可24小時(shí)連續(xù)不間斷進(jìn)行水質(zhì)監(jiān)測(cè)。CPU模塊對(duì)系統(tǒng)傳感器所采集的溶解氧（DO）、pH值、水溫（T）、鹽度（S）等水質(zhì)指標(biāo)分析和處理之后，通過(guò)GPRS無(wú)線傳輸?shù)绞謾C(jī)或電腦終端，工作人員可以利用系統(tǒng)軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)的觀測(cè)、查詢及生成曲線圖形，并根據(jù)走勢(shì)規(guī)律預(yù)測(cè)相關(guān)水質(zhì)變化趨勢(shì)。CPU模塊中同時(shí)集成了自動(dòng)增氧機(jī)控制設(shè)備，可通過(guò)遠(yuǎn)程操作或鍵入相關(guān)指令在溶氧較低時(shí)自動(dòng)啟動(dòng)增氧機(jī)工作。系統(tǒng)工作原理見(jiàn)圖1。

1.2系統(tǒng)架構(gòu)

本實(shí)驗(yàn)所用小型太陽(yáng)能浮標(biāo)式水質(zhì)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)采用標(biāo)準(zhǔn)Modbus協(xié)議的數(shù)字信號(hào)傳輸傳感器，通訊可集成到PLC（可編程邏輯控制器）或SCADA（數(shù)據(jù)采集與監(jiān)視控制系統(tǒng)），并能夠通過(guò)指令對(duì)傳感器及相關(guān)模塊進(jìn)行控制。溶解氧傳感器采用第二代動(dòng)態(tài)熒光淬滅法傳感器并內(nèi)置鹽度校準(zhǔn)程序，可通過(guò)輸入現(xiàn)場(chǎng)海水鹽度對(duì)其進(jìn)行鹽度補(bǔ)償，鹽度值基于電導(dǎo)率法測(cè)量；pH傳感器采用氧化還原電極測(cè)量原理，同時(shí)具有溫度補(bǔ)償功能；溫度傳感器可自動(dòng)實(shí)時(shí)進(jìn)行溫度補(bǔ)償。

2該系統(tǒng)在海參池塘養(yǎng)殖中的應(yīng)用試驗(yàn)

2.1監(jiān)測(cè)指標(biāo)

利用該系統(tǒng)進(jìn)行養(yǎng)殖水體在線監(jiān)測(cè)的主要指標(biāo)是溶解氧（DO）、pH值、水溫（T）以及鹽度（S）。DO是水體養(yǎng)殖生物進(jìn)行呼吸代謝及其它維持生長(zhǎng)活動(dòng)的重要參數(shù)，也是水質(zhì)評(píng)價(jià)的重要指標(biāo)。高濃度DO可氧化分解水體中的有毒有害物質(zhì)，抑制厭氧性有害菌繁殖，減少病害的發(fā)生[9]。結(jié)合實(shí)際生產(chǎn)，海參養(yǎng)殖池塘的DO要求最低為5 mg/L，過(guò)低則會(huì)導(dǎo)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(qiáng)度，還可以根據(jù)pH值的高低判斷水體中DO含量等情況。海參養(yǎng)殖對(duì)pH值的要求為7.6～8.5。水溫也是影響水產(chǎn)養(yǎng)殖生物生理代謝活動(dòng)的重要因子，海參最適宜的生長(zhǎng)水溫為10～16℃，當(dāng)水溫超過(guò)20℃時(shí)，海參將逐漸進(jìn)入夏眠狀態(tài)，養(yǎng)殖過(guò)程中水溫應(yīng)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(huì)影響其正常的生長(zhǎng)和發(fā)育，并最終導(dǎo)致疾病的發(fā)生，所以養(yǎng)殖水鹽度應(yīng)該穩(wěn)定在28～34之間[16]。

2.2實(shí)驗(yàn)方法

2015年9月將小型太陽(yáng)能浮標(biāo)式水質(zhì)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)（型號(hào)：KLD-FB-01，廈門(mén)吉龍德環(huán)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(jīng)過(guò)系統(tǒng)調(diào)試和數(shù)據(jù)校準(zhǔn)并正常運(yùn)行后，于2016年3月開(kāi)始進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)周期為3月15日至5月15日，每分鐘測(cè)定一次各指標(biāo)值，并通過(guò)GPRS進(jìn)行傳輸。同時(shí)，根據(jù)海參養(yǎng)殖水質(zhì)要求設(shè)置各指標(biāo)最低報(bào)警值，其中，DO最低報(bào)警值設(shè)置為5 mg/L，并設(shè)置當(dāng)DO下降到5 mg/L時(shí)充氧機(jī)自動(dòng)開(kāi)啟進(jìn)行工作，當(dāng)DO恢復(fù)到5 mg/L以上時(shí)充氧機(jī)停止工作。

3結(jié)果與分析

3.1海參養(yǎng)殖周期水質(zhì)月變化情況

3月15日-5月15日的主要參數(shù)變化情況見(jiàn)圖2。3月間，由于榮成冷空氣較多，水溫波動(dòng)較大，4月份水溫變化相對(duì)平緩，5月份受降雨等春季天氣多變的影響，水溫波動(dòng)也較大。受養(yǎng)殖周期溫度持續(xù)升高的影響，浮游植物大量繁殖，光合作用逐漸增強(qiáng)，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(dòng)較大，在半夜或清晨出現(xiàn)了多次低于預(yù)警值的時(shí)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(jìn)入養(yǎng)殖池，使鹽度S和pH值下降，池內(nèi)酸性升高，當(dāng)雨水減少后受養(yǎng)殖池內(nèi)浮游植物等的影響pH又重新升高。總體來(lái)說(shuō)，本次實(shí)驗(yàn)養(yǎng)殖池塘水體的pH值在正常范圍內(nèi)波動(dòng)。

3.2水質(zhì)日變化情況

選取5月4-6日進(jìn)行水質(zhì)日變化情況分析，其中5月4日為晴天，5日陰天，6日當(dāng)?shù)亻_(kāi)始降溫并伴隨強(qiáng)降雨天氣。結(jié)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(shì)，無(wú)論天氣狀況如何，峰值一般出現(xiàn)在12-16時(shí)，而低值出現(xiàn)在0-5時(shí)。4-6日共出現(xiàn)兩次DO過(guò)低預(yù)警，分別為4日凌晨1時(shí)以及6日5時(shí)許，兩次預(yù)警后自動(dòng)增氧機(jī)都正常開(kāi)啟工作，且均在1～2 h后DO開(kāi)始逐漸恢復(fù)正常。

pH值的變化較為穩(wěn)定，3天內(nèi)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(shí)由于雨量的增加出現(xiàn)一定程度的下降，當(dāng)降雨停止后在浮游植物的調(diào)節(jié)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(shí)至16時(shí)有所下降。

4討論與結(jié)論

使用基于物聯(lián)網(wǎng)的小型太陽(yáng)能浮標(biāo)式監(jiān)測(cè)系統(tǒng)可以及時(shí)有效地獲取養(yǎng)殖池塘的水質(zhì)環(huán)境指標(biāo)，了解各項(xiàng)指標(biāo)的全天候變化特征，可以為調(diào)節(jié)水質(zhì)狀況、了解池塘水質(zhì)變化規(guī)律、預(yù)測(cè)水質(zhì)變化趨勢(shì)、提高監(jiān)測(cè)水平的精確性和可靠性以及為日后研究池塘養(yǎng)殖水體環(huán)境因子變化的影響因素提供有效的基礎(chǔ)信息。通過(guò)預(yù)警系統(tǒng)，針對(duì)突發(fā)事件及時(shí)反應(yīng)，采取有效措施，避免造成嚴(yán)重后果。另外，使用該系統(tǒng)可以有效降低勞動(dòng)成本和工作強(qiáng)度，提高勞動(dòng)效率，實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排，提高水產(chǎn)品質(zhì)量。

通過(guò)對(duì)小型太陽(yáng)能浮標(biāo)式水質(zhì)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，可以直觀反映出養(yǎng)殖池塘水體中各項(xiàng)水環(huán)境指標(biāo)的變化規(guī)律，能夠有效指導(dǎo)海參池塘養(yǎng)殖與水質(zhì)調(diào)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(shí)，如降雨、降溫，DO、pH、S等指標(biāo)均會(huì)不同程度的降低。在本次實(shí)驗(yàn)周期（3月15日-5月15日）內(nèi)，溫

各水質(zhì)監(jiān)測(cè)指標(biāo)的日變化度和DO逐日升高，受天氣影響，當(dāng)天氣惡劣時(shí)，如冷空氣較多的3月份和雨季中的波動(dòng)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(chǎn)過(guò)程中，除關(guān)注極端天氣外，晴朗天氣下造成的水溫差異也需引起關(guān)注。pH和S在雨季時(shí)有明顯降低的趨勢(shì)。降雨持續(xù)時(shí)間過(guò)長(zhǎng)或極端天氣帶來(lái)的暴雨會(huì)導(dǎo)致養(yǎng)殖池內(nèi)水體分層，不利于DO的交換，造成底層DO較低；同時(shí)大量雨水的進(jìn)入還會(huì)導(dǎo)致S和pH值出現(xiàn)較大幅度下降。因此，在海參池塘養(yǎng)殖過(guò)程中，雨季來(lái)臨時(shí)除關(guān)注DO外，還需著重關(guān)注S和pH值的變化情況。相較于傳統(tǒng)養(yǎng)殖模式，基于物聯(lián)網(wǎng)的水質(zhì)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)能夠及時(shí)、準(zhǔn)確地監(jiān)測(cè)到水質(zhì)變化，可以有效避免因此導(dǎo)致的海參大面積死亡。

結(jié)合實(shí)際生產(chǎn)分析本次實(shí)驗(yàn)日變化中兩次出現(xiàn)低氧情況的原因發(fā)現(xiàn)：第一次低氧發(fā)生在養(yǎng)殖池塘換水前夕；第二次低氧出現(xiàn)時(shí)正值降雨期間，氣壓低加之浮游植物的光合作用減弱，導(dǎo)致DO過(guò)低。因此，智能化的物聯(lián)網(wǎng)控制系統(tǒng)可以有效避免突發(fā)性缺氧造成的危害，并且管理者可以根據(jù)數(shù)據(jù)結(jié)果采取合理的管理措施。本次實(shí)驗(yàn)中設(shè)置啟動(dòng)自動(dòng)增氧機(jī)的DO濃度為5 mg/L，通過(guò)實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)當(dāng)養(yǎng)殖水池中DO低于5 mg/L之后，雖然增氧機(jī)馬上開(kāi)始工作，但要使DO上升到正常范圍內(nèi)有時(shí)間延遲，所以今后應(yīng)將增氧機(jī)自動(dòng)開(kāi)啟的DO設(shè)置值相應(yīng)提高，可更加有效地避免養(yǎng)殖生物因缺氧而死；另外在實(shí)際生產(chǎn)中，不同養(yǎng)殖密度、養(yǎng)殖規(guī)模也會(huì)對(duì)水質(zhì)產(chǎn)生一定影響，因此，應(yīng)根據(jù)實(shí)際需要設(shè)置和監(jiān)控水質(zhì)情況，從而有效提高此類小型水質(zhì)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的工作效率和效果。參考文獻(xiàn)：

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