馬曉飛　袁永明　張紅燕　沈楠楠

摘要?構(gòu)建并集成完整的南美白對蝦池塘精準(zhǔn)養(yǎng)殖系統(tǒng)，設(shè)計(jì)完善、可行的環(huán)境監(jiān)測和環(huán)境傳感器安裝校正方案，開展完整周期的養(yǎng)殖生產(chǎn)試驗(yàn)，通過養(yǎng)殖環(huán)境監(jiān)測數(shù)據(jù)、養(yǎng)殖設(shè)備精準(zhǔn)控制記錄以及養(yǎng)殖過程記錄等數(shù)據(jù)處理和分析，評價了南美白對蝦池塘精準(zhǔn)養(yǎng)殖系統(tǒng)的應(yīng)用效果，總結(jié)了該系統(tǒng)的應(yīng)用中存在的問題。

關(guān)鍵詞?南美白對蝦;池塘養(yǎng)殖;精準(zhǔn)養(yǎng)殖;養(yǎng)殖試驗(yàn);精準(zhǔn)控制

中圖分類號?S966.12;TP273文獻(xiàn)標(biāo)識碼?A

文章編號?0517-6611（2019）16-0104-04

doi：10.3969/j.issn.0517-6611.2019.16.030

開放科學(xué)（資源服務(wù)）標(biāo)識碼（OSID）：

Research?and?Application?of?Pond?Precision?Culture?System?of?Penaeus?vannamei

MA?Xiao?fei，?YUAN?Yong?ming，?ZHANG?Hong?yan?et?al?（Key?Laboratory?of?Freshwater?Fisheries?and?Germplasm?Resources?Utilization，?Ministry?of?Agriculture，?Freshwater?Fisheries?Research?Center，?Chinese?Academy?of?Fishery?Sciences，?Wuxi，?Jiangsu?214081）

Abstract?This?paper?constructed?and?integrated?the?complete?pond?precision?culture?system?of?P.vannamei，and?designed?feasible?environmental?monitoring?and?environmental?sensor?installation?and?correction?schemes，?conducted?full?cycle?aquaculture?production?tests.Based?on?the?processing?analysis?of?aquaculture?environmental?monitoring?data，?precision?control?records?of?breeding?equipment，?and?breeding?process?records，we?evaluated?the?application?effect?of?thepond?precision?culture?system?of?P.vannamei，?and?summarized?the?existing?problems?in?the?application?of?the?system.

Key?words?Penaeus?vannamei;Pond?culture;Precision?culture;Culture?experiment;Precise?control

南美白對蝦（Penaeus?vannamei?Boon）即凡納濱對蝦，原產(chǎn)于中、南美洲太平洋沿岸的溫暖水域，與斑節(jié)對蝦、中國對蝦并列為世界三大養(yǎng)殖蝦類，因其具有成活率高、生長速度快、產(chǎn)量高等生物學(xué)特性，且可在咸淡水等大范圍鹽度范圍水域環(huán)境中生存等優(yōu)勢，成為我國主要的養(yǎng)殖蝦種，并帶來巨大的經(jīng)濟(jì)效益[1]。近年來，南美白對蝦養(yǎng)殖業(yè)快速發(fā)展，高密度集約化養(yǎng)殖比例迅速提高，但高密度養(yǎng)殖對于養(yǎng)殖水體帶來了更嚴(yán)重的環(huán)境壓力。殘餌及生物排泄物的增多會打破水體中氮、磷等營養(yǎng)元素的動態(tài)平衡，導(dǎo)致NH?3-N、?NO?2-N等毒害成分濃度升高[2]，進(jìn)而引起南美白對蝦病害甚至導(dǎo)致死亡，造成養(yǎng)殖戶的經(jīng)濟(jì)損失，并阻礙了南美白對蝦養(yǎng)殖產(chǎn)業(yè)的健康發(fā)展[3]。目前，南美白對蝦池塘養(yǎng)殖生產(chǎn)管理方式較為落后，養(yǎng)殖過程主要依靠傳統(tǒng)養(yǎng)殖經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行水質(zhì)、蝦情判斷。為保證養(yǎng)殖生產(chǎn)安全，大多整夜開啟增氧機(jī)增氧，增加了養(yǎng)殖成本，部分養(yǎng)殖戶甚至高頻率換水，導(dǎo)致養(yǎng)殖水體動態(tài)平衡被破壞，造成更加嚴(yán)重的經(jīng)濟(jì)損失。

針對上述問題，筆者設(shè)計(jì)并集成安裝適用于南美白對蝦池塘養(yǎng)殖的池塘精準(zhǔn)養(yǎng)殖系統(tǒng)，通過開展完整周期的南美白對蝦池塘養(yǎng)殖試驗(yàn)進(jìn)行系統(tǒng)應(yīng)用試驗(yàn)和效果評價。

1?池塘精準(zhǔn)養(yǎng)殖系統(tǒng)

池塘精準(zhǔn)養(yǎng)殖系統(tǒng)主要由養(yǎng)殖環(huán)境監(jiān)測模塊、精準(zhǔn)控制模塊、專家系統(tǒng)模塊以及人機(jī)交互模塊組成，各功能模塊之間通過混合組網(wǎng)實(shí)現(xiàn)通信和數(shù)據(jù)傳遞。通過系統(tǒng)軟硬件設(shè)備設(shè)施的集成，系統(tǒng)能夠完成和實(shí)現(xiàn)養(yǎng)殖環(huán)境監(jiān)測、養(yǎng)殖精準(zhǔn)控制、養(yǎng)殖方案更新、養(yǎng)殖現(xiàn)場查看等主要功能。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

用戶將養(yǎng)殖基本信息（如池塘面積、水深、連續(xù)養(yǎng)殖年限、養(yǎng)殖對象、規(guī)格等）輸入系統(tǒng)物聯(lián)服務(wù)系統(tǒng)，系統(tǒng)會根據(jù)控制器上傳的實(shí)時環(huán)境監(jiān)測數(shù)據(jù)（氣象、水質(zhì)等）調(diào)用水產(chǎn)專家系統(tǒng)[4]的智能算法進(jìn)行數(shù)據(jù)處理和分析，智能判斷養(yǎng)殖狀況并生成較適宜的養(yǎng)殖方案。系統(tǒng)首次運(yùn)行時，用戶可以使用遠(yuǎn)程配置程序或現(xiàn)場配置終端將養(yǎng)殖方案配置到控制器;養(yǎng)殖過程中，控制器實(shí)時采集養(yǎng)殖環(huán)境參數(shù)并上傳至物聯(lián)服務(wù)系統(tǒng)，同時根據(jù)環(huán)境數(shù)據(jù)和已下載的養(yǎng)殖方案進(jìn)行精準(zhǔn)控制。物聯(lián)服務(wù)系統(tǒng)將控制器上傳的數(shù)據(jù)進(jìn)行智能分析和處理，通過專家系統(tǒng)判斷當(dāng)前養(yǎng)殖環(huán)境狀況的一般性。對于異常狀況，及時生成控制處理方案，通過控制器及時處理異常狀況;對于非異常狀況，則智能生成下一階段的養(yǎng)殖控制方案，并將新方案同現(xiàn)有方案進(jìn)行差異化比對后下載更新到控制器?？刂破飨螺d配置完養(yǎng)殖控制方案后可以獨(dú)立運(yùn)行，對養(yǎng)殖過程進(jìn)行精準(zhǔn)控制。系統(tǒng)運(yùn)行流程如圖2所示。

2?試驗(yàn)設(shè)計(jì)與系統(tǒng)集成

2.1?試驗(yàn)設(shè)計(jì)?選擇南美白對蝦池塘養(yǎng)殖開展池塘養(yǎng)殖自動控制系統(tǒng)應(yīng)用試驗(yàn)。試驗(yàn)地點(diǎn)為江蘇省常熟市。試驗(yàn)時間為2017年9月27日至10月3日。池塘長、寬、深分別為140、50、2.5?m。養(yǎng)殖對象為南美白對蝦，規(guī)格約60尾/kg。

氣象環(huán)境監(jiān)測方案：實(shí)時監(jiān)測氣溫、濕度、大氣壓力、風(fēng)速、總輻射量、光和有效輻射量等氣象數(shù)據(jù);控制器采集頻率5?s/次，服務(wù)器采集頻率1?min/次，數(shù)據(jù)庫存儲頻率?10?min/次。

水質(zhì)環(huán)境監(jiān)測方案：實(shí)時監(jiān)測水溫、pH、溶解氧、溶氧相對飽和度、氧分壓等水質(zhì)參數(shù)[5-7];控制器采集頻率5?s/次，服務(wù)器采集頻率1?min/次，數(shù)據(jù)庫存儲頻率10?min/次。

傳感器校正方案：使用傳感器自帶校正軟件進(jìn)行傳感器校正;pH傳感器在pH分別為4和7的標(biāo)準(zhǔn)液中分別進(jìn)行校正;光學(xué)溶解氧傳感器使用兩點(diǎn)校正法[8]，分別在溶解氧飽和環(huán)境及零氧環(huán)境下校正。

自動養(yǎng)殖設(shè)備：葉輪式增氧機(jī)，功率3?kW，交流電電壓??380?V，3臺;水車式增氧機(jī)，功率3?kW，交流電電壓?380?V，?2臺。

應(yīng)急增氧控制方案：溶解氧濃度小于4.0?mg/L時啟動增氧機(jī)，增氧至溶解氧濃度大于等于5.5?mg/L時停止增氧機(jī)，完成應(yīng)急增氧控制。

調(diào)水控制方案：表層水體溶解氧相對飽和度大于等于130%時啟動增氧機(jī)攪水，溶解氧相對飽和度小于105%時停止增氧機(jī)，完成調(diào)水控制。

變頻攪水控制方案：溶解氧濃度區(qū)間為4.0～6.5?mg/L，7檔水流攪動速度（25～50?Hz），溶解氧濃度大于6.5?mg/L時以最低運(yùn)行頻率（25?Hz）攪動水流;當(dāng)溶解氧濃度低于?4.0?mg/L時，全速攪水并應(yīng)急增氧。

應(yīng)用對照試驗(yàn)方案：對照組養(yǎng)殖環(huán)境與試驗(yàn)池塘相同，養(yǎng)殖控制由工人根據(jù)養(yǎng)殖經(jīng)驗(yàn)完成并記錄啟動/停止增氧機(jī)時間、投飼情況等養(yǎng)殖數(shù)據(jù)，完成對照試驗(yàn)。

2.2?系統(tǒng)集成

2.2.1?網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?。控制器與傳感器、控制器與服務(wù)器之間的互聯(lián)互通需要借助通信模塊實(shí)現(xiàn)，系統(tǒng)選用ZigBee通信方式實(shí)現(xiàn)傳感器與控制器自組網(wǎng)和數(shù)據(jù)通信;使用TCP/IP-RS485轉(zhuǎn)換器實(shí)現(xiàn)控制器的網(wǎng)絡(luò)接入和數(shù)據(jù)通信，在不具備寬帶上網(wǎng)條件的野外池塘通過GPRS/WCDMA/LTE等支持2G/3G/4G數(shù)據(jù)傳輸?shù)耐ㄐ拍K實(shí)現(xiàn)控制器同服務(wù)器的數(shù)據(jù)通信[9-10]。系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖3所示。

2.2.2?設(shè)備安裝。

3臺葉輪式增氧機(jī)[11]采用繩索固定安裝于池塘中央位置并等距分布，2臺水車式增氧機(jī)對角安裝且水流方向相對，2套水質(zhì)監(jiān)測浮筒安裝于水車增氧機(jī)尾部同中心葉輪增氧機(jī)位于同一垂直線處，溶解氧傳感器安裝深度為50?cm，pH傳感器的安裝深度為100?cm，氣象站安裝于池塘岸邊。設(shè)備安裝排布如圖4所示。

3?應(yīng)用效果分析

3.1?氣象環(huán)境監(jiān)測效果?應(yīng)用試驗(yàn)過程中使用氣象站傳感器在線監(jiān)測氣象變化并存儲數(shù)據(jù)，同時根據(jù)天氣預(yù)報(bào)人工記錄試驗(yàn)過程中的氣象狀況。天氣預(yù)報(bào)氣象變化與氣象環(huán)境監(jiān)測數(shù)據(jù)見表1。由表1可以看出，氣象監(jiān)測站實(shí)時監(jiān)測的氣象環(huán)境數(shù)據(jù)較為準(zhǔn)確，與天氣預(yù)報(bào)數(shù)據(jù)基本一致。陰雨天氣時，空氣濕度一般大于85%，雨前及雨中大氣壓出現(xiàn)明顯下降，人體感覺“悶”，雨后出現(xiàn)回升;總輻射量表明日出和日落的時間節(jié)點(diǎn)以及當(dāng)天太陽輻射強(qiáng)度，10月份日出時間約為06：00—06：30，日落時間為18：00—18：30，最高值一般出現(xiàn)在中午11：30—12：00，陰雨天氣太陽總輻射量明顯減弱，日平均輻射量一般低于150?W/m2。

在養(yǎng)殖自動控制過程中，天氣變化會對水質(zhì)環(huán)境產(chǎn)生影響，造成水體缺氧等異?，F(xiàn)象;陰雨等天氣會影響?zhàn)B殖對象攝食，對于投飼控制具有重要的參考價值。根據(jù)天氣變化科學(xué)制定自動控制方案具有一定的意義和實(shí)際作用，能夠有效減少飼料和能源的浪費(fèi)，提高養(yǎng)殖安全性。

3.2?水質(zhì)環(huán)境監(jiān)測效果

應(yīng)用試驗(yàn)過程中使用光學(xué)溶解氧傳感器和pH傳感器在線監(jiān)測水質(zhì)溶解氧、水溫、pH變化并存儲數(shù)據(jù)。選取2017年9月27日至9月29日共計(jì)3?d的水質(zhì)監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，水質(zhì)變化曲線見圖5。

通過水質(zhì)變化曲線（圖5）可以較為直觀地觀察出試驗(yàn)過程中養(yǎng)殖池塘溶解氧、水溫、pH參數(shù)的變化趨勢，養(yǎng)殖水體pH較為穩(wěn)定，pH維持在7.8～8.3，略偏堿性;由于進(jìn)行自動增氧控制，水體溶解氧濃度保持在3.5mg/L以上，增氧作

用效果較為明顯;夜晚?xiàng)l件下（日落至日出時間段），因光合作用停止、池塘生物呼吸作用而消耗大量溶解氧，盡管全時段自動增氧，但只能維持池塘內(nèi)溶解氧水平，光合作用開始后溶解氧濃度明顯升高;養(yǎng)殖水體pH與溶解氧具有相似的變化趨勢，其原因與水體中的氧化還原反應(yīng)偏移方向有關(guān);溶解氧受陰雨天氣的影響較為明顯，陰雨天氣溶解氧明顯偏低且增氧效果不佳;在晴天中午，水體溶解氧濃度較高，出現(xiàn)過飽和現(xiàn)象，需要進(jìn)行調(diào)水增氧操作，攪動水體并使上下層產(chǎn)生對流達(dá)到溶解氧和水溫等指標(biāo)的動態(tài)平衡，可以有效減少夜間水體缺氧現(xiàn)象的發(fā)生，對于節(jié)約電力資源具有重要作用，符合“晴天中午開增氧機(jī)”的傳統(tǒng)養(yǎng)殖經(jīng)驗(yàn)。

安徽農(nóng)業(yè)科學(xué)2019年

3.3?養(yǎng)殖自動控制效果

養(yǎng)殖自動控制主要包括自動增氧和自動調(diào)水控制，試驗(yàn)池塘通過水質(zhì)監(jiān)測結(jié)合人工記錄的方式實(shí)現(xiàn)自動控制的觀測和記錄，對照池塘由漁場根據(jù)養(yǎng)殖經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行投喂、增氧控制并記錄，選取2017年9月27日至9月29日的養(yǎng)殖控制數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，結(jié)果見表2。

由表2可以看出，試驗(yàn)池塘增氧時間段與人工經(jīng)驗(yàn)增氧時間段基本吻合，且自動增氧控制更加科學(xué)合理;采用自動控制的試驗(yàn)池塘增氧機(jī)使用時長明顯少于人工經(jīng)驗(yàn)控制的對照池塘，自動控制可以明顯降低養(yǎng)殖電力消耗;在晴天中午進(jìn)行有效的調(diào)水控制，能夠明顯改善水體質(zhì)量，減緩池塘內(nèi)溶解氧濃度的下降速度，進(jìn)一步減少晚間增氧機(jī)的開機(jī)時間，節(jié)約能源消耗;自動控制系統(tǒng)能夠結(jié)合氣象水質(zhì)監(jiān)測狀況，合理規(guī)劃投喂，做到陰雨天時少投喂或不投喂;使用養(yǎng)殖自動控制，控制操作有理有據(jù)，實(shí)現(xiàn)養(yǎng)殖過程全托管，有效節(jié)約了勞動力，可減少因養(yǎng)殖經(jīng)驗(yàn)欠缺或其他勞動力主觀因素而造成的養(yǎng)殖?損失。

4?結(jié)論

南美白對蝦池塘精準(zhǔn)養(yǎng)殖系統(tǒng)能夠?qū)崟r監(jiān)測氣象、水質(zhì)狀況并對增氧機(jī)、水泵等養(yǎng)殖設(shè)備進(jìn)行精準(zhǔn)控制，能夠有效保證養(yǎng)殖生產(chǎn)過程的順利實(shí)施，提高傳統(tǒng)養(yǎng)殖生產(chǎn)的智能化、信息化水平。通過養(yǎng)殖試驗(yàn)，精準(zhǔn)養(yǎng)殖系統(tǒng)控制精準(zhǔn)及時，能夠部分替代傳統(tǒng)經(jīng)驗(yàn)養(yǎng)殖操作，保證了南美白對蝦養(yǎng)殖過程的安全，但在南美白對蝦池塘養(yǎng)殖精準(zhǔn)投飼控制方面仍需要進(jìn)行不斷研究和改進(jìn)，以適應(yīng)南美白對蝦養(yǎng)殖生產(chǎn)?實(shí)際。

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