标准化池塘养殖场自动管控系统设计与开发

唐荣 刘世晶 陈军

摘要：针对水产养殖规模化和集约化发展需要，设计一套适用于标准化池塘养殖场的生产自动管控系统，采用太阳能水质浮标和岸基式水质浮标对池塘水质进行在线监测，借助气象站对养殖场区域的天气情况进行自动监测，通过布置在养殖区域的控制柜实现对增氧机和投饲机等设备的远程集中控制，通过高清摄像机和光纤网络构建视频监控系统实现养殖过程的可视化监管。所有监测仪器和控制设备通过有线或无线网络接入养殖场监控中心，采用监控计算机及专用软件对监测数据和设备运行状态进行集中监控，实现养殖生产的集成管理，提升管理水平和生产效率。

关键词：标准化养殖场;水质监测;气象监测;远程控制;视频监控;集成管理;自动管控

中图分类号： TP273  文献标志码： A  文章编号：1002-1302（2019）11-0250-07

我国是目前世界上最大的水产养殖国，水产养殖面积和产量均居世界首位[1]，其中池塘养殖占有重要地位。根据2018年渔业统计年报，我国水产养殖总面积为 744.90万hm2，总产量为4 905.99万t，其中池塘养殖面积为292.78万hm2，产量2 388.74万t，分别占水产养殖总面积和总产量的39.3%、48.69%[2]。随着生产要素的集中和养殖技术的提升，水产养殖朝着规模化、集约化的方向发展，政府也出台相关政策鼓励扩大养殖规模，多个地方的渔业主管部门积极推进老旧池塘改造，建设了一大批标准化、规模化水产养殖场以提升养殖产量和效益[3-8]。上海、江苏等省（市）还专门出台了水产养殖池塘标准化建设规划和管理规范。《江苏省百亩以上连片养殖池塘标准化改造专项规划（2015—2020）》提出用5年时间对全省14.5万hm2的连片养殖池塘进行标准化改造，平均每年超过2.4万hm2。同时，行业龙头企业也开始布局规模化养殖[9]。2016年以来，仅通威股份有限公司就在江苏省建立了35个133 hm2以上的现代化渔业产业园，建设了标准化、配套齐全的养殖场[10]。

然而，随着池塘养殖面积和产量的提高，生产管理遇到了新的问题。一是养殖场面积大，难以得到有效管理。每个管理人员往往负责一个养殖区，少则几十公顷，多则数百公顷，因此难以及时掌握整个场区的生产情况。二是一线生产人员数量不足。虽然普遍配备增氧机和投饲机等机械化设备，但对于目前的规模化养殖场，大量设备需要人工手动操作，加剧了人员短缺情况。三是生产决策缺乏科学依据。“看天、看水”的经验养殖方式依然占主导，依靠人工操作设备的方式难以精确控制[11]。要解决上述问题，必须采用自动化和信息化技术来实现自动精准控制及集约化管理[12]。目前，标准化池塘养殖场建设重点在池塘修整、进排水及尾水处理设施、道路及供配电设施等方面，对自动化养殖设备及信息化管控技术关注较少。因此，本研究针对标准化池塘养殖场设计开发一套养殖生产自动管控系统，并在系统建设与运行过程中探索自动化和信息化技术在规模化水产养殖中的应用方式。

1 系统设计

1.1 系统总体设计

1.1.1 基础条件 本研究设计的系统针对一个有30个池塘、总面积为140 hm2的标准化养殖场，隶属于某大型养殖企业。每个池塘面积约为4.6 hm2，长宽比为10 ∶ 1。所有池塘从东向西依次排列，每个池塘配备有1台投饲机和6台增氧机。相邻2个池塘之间的塘埂上等间距地布置有6个配电柜，在塘埂南边建有值班房，如图1所示。增氧机和投饲机通过电缆接入最近的配电柜。增氧机的启停通过配电柜内的断路开关来手动控制，投饲机的启停通过设备自带的开关来控制。管理人员负责生产决策，例如何时增氧、何时投饲。生产作业和设备操作由若干名一线生产人员承担。由于养殖场面积大、设备数量多，生产人员操作设备进行投饲和增氧作业时须要花费很长的时间，造成每个池塘增氧时间不一致，投喂时间和投喂量也无法统一。1位管理人员难以掌握全场的实时生产情况，经常出现溶氧水平达标后不能及时关闭增氧机、鱼类食欲状态较差时不能及时停止投饲等现象，造成电耗和饲料的浪费，增加了养殖成本，同时也对水体环境造成一定影响。

1.1.2 系统总体方案 水质调控和饲料投喂是池塘养殖的2个关键环节，也是日常生产管理的主要内容。因此，本研究设计的养殖生产管控系统围绕上述2个关键环节，服务于养殖生产管理需要。养殖水质状况与鱼、虾等养殖对象的生长发育密切相关，从而影响到养殖产量和经济效益。同时，天气条件也会显著影响池塘水质和鱼类摄食。因此，本系统将池塘水质和养殖场气象条件作为监测对象，实时获取水质和气象信息，为养殖管理人员提供决策依据。日常生产过程中通过对增氧机和投饲机的操作来进行水质调控和饲料投喂作业。因此，本系统另一项重要功能是对增氧机和投饲机等设备的集中控制和远程操作，根据养殖管理人员的决策进行统一管理。同时，由于养殖场面积大，管理人员难以全面掌握设备运行和生产过程情况。因此，本系统设计采用视频监控系统来实现对水质调控和饲料投喂等生产作业的可视化监管，为管理人员提供实时監控养殖场的整体情况。综上所述，本系统的功能主要包括养殖水质监测、气象监测、养殖设备控制及生产过程视频监控。系统主要面向养殖场管理人员，以实现养殖生产集中管控为目标，同时兼顾一线生产人员操作需要。

本研究设计的养殖生产管控系统采用现场设备+监控中心的方案，如图2所示。现场设备包括水质监测设备、气象监测设备、增氧控制设备、投饲控制设备及视频监控设备。上述设备布置在养殖池塘区域，通过有线或无线通信方式与监控中心进行通信。监控中心通过计算机及专用管控软件实现数据采集、数据存储、设备远程控制及视频集中监控等功能。养殖场管理人员通过监控中心实现对全场的集成管控，同时也可以通过网络远程登录监控中心管控软件来进行远程管理。为了保证系统的可维护性和扩展性，根据功能和设备特性把整个系统分为水质在线监测、气象自动监测、增氧和投饲设备控制、视频监控等4个部分，各部分之间保持相对独立，通过监控中心集成为一个完整的养殖生产管控系统。

1.2 水质监测方案

与水产养殖密切相关的水体理化参数包括水温、溶解氧含量、pH值、氨氮浓度及亚硝氮浓度等。其中水温、溶解氧含量和pH值的自动检测较为方便，有成熟的传感器可供选择，成本可接受。氨氮和亚硝氮浓度的自动检测较为困难，现有的检测仪器成本高昂、结构复杂，需要专业人员定期维护，一般应用在环保监测领域，不适用于水产养殖。同时，养殖水体中氨氮和亚硝氮的浓度变化缓慢，不需要实时监测，可以通过人工采样和实验室化验的方式获取数据。因此，本研究设计基于小型水质传感器的在线监测系统，以实现对养殖池塘水温、溶解氧含量和pH值等参数的实时监测。

水质在线监测系统由现场检测设备、通信网络和监控计算机等3个部分组成，如图3所示。根据监测方式不同，常用的现场检测设备一般分为水质监测柜、岸基式水质监测浮标和太阳能水质监测浮标3种。水质监测柜是将传感器安装在柜体内，水泵抽取池塘内的水样输送至监测柜，由传感器对水质进行检测。该方式可以通过轮流抽水实现对多个池塘的水质监测，提高传感器利用效率，适用于鱼池面积小、排列密集的养殖车间或养殖场，且结构复杂，维护工作量大。本研究中的养殖场池塘面积大、两两依次排列，不适合采用该方式。岸基式水质监测浮标将水质传感器安装在简易浮体上，通过电缆从岸边的供电箱供电。这种方式结构较为简单，浮标体积小、质量轻，便于安放在池塘内。缺点是受电缆限制因而监测范围固定。太阳能水质监测浮标自带蓄电池和太阳能光伏板，摆脱了电缆限制，能够根据各个池塘的水质状况灵活调配使用，对于大面积池塘还可以根据实际需要对池塘内不同区

域的水质进行重点监测，但成本相对较高。考虑到成本因素，本研究将岸基式水质监测浮标和太阳能水质监测浮标结合使用，监测数据全部通过通用分组无线服务（GPRS）网络传输至监控中心统一存储和处理。监测频率为10 min/次。

1.2.1 岸基式水质监测浮标设计 岸基式水质监测浮标由传感器、水面简易浮体和岸基供电箱等组成。传感器电缆接入供电箱，由开关电源提供直流工作电源。同时通过供电箱内的通信设备接入无线网络，实现监测数据上传。简易浮体采用聚氯乙烯（PVC）管材制成，预留2个传感器安装杆固定卡箍，可以安装2种传感器，如图4所示。传感器固定在安装杆末端，安装杆通过卡箍固定在浮体上，并能够上下调节高度，从而可根据需要将传感器伸入指定水层进行检测。

1.2.2 太阳能水质监测浮标设计 太阳能水质浮标由传感器、浮体、太阳能电池板、防水电箱、传感器安装杆、固定支架、无线通信模块、通信天线等组成，如图5所示。采用12 V太阳能电池板和蓄电池组合供电方式，通过专用的太阳能充放电控制器对电源进行管理。蓄电池、充放电控制器及无线通信模块安装在防水电箱内。浮标主体采用工程塑料制作，内部填充疏水性发泡材料。浮体上预留2个通孔用于安装传感器。传感器固定在安装杆末端，通过安装孔插入水中。安装杆通过卡槽与不锈钢固定支架连接，并能够上下调节高度，从而可根据需要将传感器伸入指定水层进行检测。

1.3 气象监测方案

气象监测一般采用自动气象观测站测量气象参数。自动气象站是利用传感器将传感器感应的气象参数转换成电信号（如电压、电流、频率等），通过数据处理装置将对这些电信号进行处理，再转换成对应的气象要素值。来自各传感器的检测数据通过传感器接口电路，根据设定的方式，由核心处理器进行相应的处理、存储。处理后的气象数据按规定的传输协议打包，将数据经传输通道传到监控中心，如图6所示。自动气象站安装在养殖场附近空旷位置，监测参数包括气温、气压、太阳辐射、降水量、风速和风向，监测频率为10 min/次。

1.4 增氧和投饲设备控制方案

增氧机和投饲机是池塘养殖日常生产使用的主要设备。对于大规模的标准化养殖场，设备数量众多，要实现生产作业的统一管控，须要构建覆盖所有池塘的设备控制系统，对所有设备进行集中控制和管理，同时实现投饲和增氧的统一调度，从而可以根据实际养殖需要进行诸如投饲前增氧、投饲中增氧、投饲后增氧等不同的综合管控。为了降低集中控制可能带来的风险，控制系统应采用集中管理、分布控制的原则，所有设备的控制既要集中在监控中心，又要保留在设备所在塘口就地操作的功能，即就地操作和远程集中管控2级控制。这种管控模式可以确保在监控中心发生意外情况时也能够通过人工就地操作保持设备正常运行，从而保证养殖生产不中断。设备控制系统由现场设备、控制柜、无线局域网络和监控中心组成。现场设备主要是指增氧机和投饲机。设备控制系统方案如图7所示。

由于养殖场池塘数量多，须要布置大量控制柜，如果采用有线通信，须要铺设大量通讯电缆，成本高，工作量大，因此本研究设计采用无线通信方式。日常生产中对增氧机和投饲机的操控频率低，通常每天的启停作业不超过3轮，但每次操控时对命令传输的可靠性和实时性要求较高。鉴于大量控制柜在养殖区域呈矩阵分布，因此选用ZigBee无线网络模式，在每个控制柜内配置1个ZigBee模塊作为路由节点，在监控中心配置1个中心节点。监控中心计算机通过中心节点与所有路由节点进行通信。路由器节点具备信号中继功能，通过多次中继可实现远距离数据传输。无线网络建立后，在信号覆盖区域内任何一个位置新增的设备都可以自动接入网络，具有很强的扩展性。控制柜设置在池塘边，通过对柜内开关的操作来控制设备电源的通断，从而控制设备启动或停止。控制柜上设置有手动操作按钮，管理人员和一线生产人员可以通过按钮对设备进行就地控制，也可以通过监控中心计算机软件进行远程集中控制。控制柜电路原理如图8所示。

为了保证控制柜在野外环境下的正常操作，避免内部电路淋雨，本研究设计的控制柜采用内外双门结构，如图9所示。内部的小门作为操作面板，用于安装控制按钮。外门采用防水结构设计，并设有玻璃观察窗，便于在不开门的情况下查看柜内按钮状态。柜体材质采用304不锈钢，并通过立柱安装在地面上，在方便人员操作的同时减少柜体受潮或浸水的风险。

1.5 视频监控方案

为了能够实时观察投饲时鱼类吃食情况及设备运行情况，本研究设计了养殖场视频监控系统，通过覆盖池塘投饲区的高清摄像机监控画面同步观察各个池塘鱼类摄食状态，为养殖管理人员精准控制投饲量提供实时信息。摄像机采用网络摄像机，通过网线与网络交换机连接，最终通过光纤将视频信号传输至养殖场监控中心。摄像机主要包括枪型摄像机和球型摄像机2种类型。前者摄像角度和焦距不可调，只能监控固定的区域，优点是成本低，可用于路口监控;后者可360°旋转监控，焦距可调，用于池塘生产区域监控。视频监控方案如图10所示，在2个池塘之间的塘埂中间位置设置1套球型摄像机，用于监控投饲和增氧作业;在养殖场4个主要路口各设置1组枪型摄像机，用于人员和车辆出入监控。

1.6 监控中心

监控中心是整个养殖场生产管控系统的中枢，通过专用软件集成水质在线监测、气象监测、增氧投饲控制、视频监控等功能，实现养殖生产过程的集中控制和管理。监控中心主要由计算机、操作台、大屏幕、网络设备等组成，如图11所示。

计算机安装在操作台内，所有监测数据、设备运行状态及视频监控画面都在大屏幕上进行集中显示。管理人员可通过操作台上的计算机进行日常管理和操作。

2 系統开发与实现

由于经费有限，在系统建设时将养殖场分为核心示范区和扩展示范区。核心示范区覆盖10个池塘，按照上述设计方案配置设备，包括太阳能水质浮标、增氧和投饲控制柜及球型摄像机监控系统。扩展示范区覆盖20个池塘，仅做水质监测，每个池塘配置1套岸基式水质浮标。监控中心设置在养殖公司办公区，与养殖池塘的距离大约为500 m。同时，办公区附近有1座当地气象局建设的气象站，作为养殖场气象监测数据来源。

2.1 水质监测浮标安装部署

1～10号池塘采用太阳能水质监测浮标，使用时浮标漂浮在水面上，通过绳索系泊，如图12所示。需要变更检测位置时只需解开绳索，拖动浮标至指定位置或将浮标搬入其他池塘即可。11～30号池塘使用岸基式水质监测浮标。安装后传感器和浮体也漂浮在池塘水面上，用绳索系泊。同时传感器电缆连接至岸边的供电箱。

2.2 无线控制柜安装部署

1～10号池塘配置增氧和投饲控制柜。每个池塘内6台增氧机大致等间距分布，投饲机则安装在池塘岸边中间位置。增氧机和投饲机已经铺设了电缆连接至配电柜。为了充分利用现有的配电柜并减少新增电缆铺设量，将控制柜与现有的配电柜一一对应，即相邻2个池塘之间的塘埂上等间距布置6台控制柜，共30台控制柜，安装在配电柜旁边的混凝土地基上，如图13所示。这样可以利用已有的电缆将增氧机和投

饲机接入控制柜。每个控制柜只需要采用一小段电缆从配电柜内引入电源即可。

2.3 生产管控软件开发

管控软件基于易控组态软件和SQLserver数据库进行开发。为了便于管理人员使用，将水质监测、气象监测及增氧和投饲控制集成在一套软件中，通过不同的界面进行操作。管控软件主要界面如图14至图16所示。管理人员通过软件实现对养殖场监测信息和设备的集中管理。通过软件的Web发布功能，管理人员在外地也可以通过网络远程登录进行管控。

2.4 视频监控系统安装部署

核心示范区内每2个池塘的塘埂中间安装1套球型摄像机，共5套摄像机覆盖10个池塘的生产作业区域。同时在养

殖场4个路口安装枪型摄像机用于人员和车辆监控。邻近的多台摄像机通过网线经由网络交换机接入同一根主光纤，同时摄像机由附近的配电箱供电，这样可以大大减少线缆铺设工作。摄像机全部采用海康威视的产品，视频监控画面如图17所示。除了在监控中心进行管控，管理人员还可以通过海康威视的手机客户端随时随地查看监控画面。

2.5 监控中心部署

管控软件部署在监控中心的计算机上。计算机采用性能稳定的工业计算机，安装在操作台内。管理人员在操作台上进行日常生产管理。大屏幕由9台液晶拼接显示单元以3×3的排列方式拼接组合而成，作为整个生产管控系统的集成显示界面，如图18所示。

3 总结

池塘养殖正朝着规模化、集约化的方向发展，环境因素和规模化管理成为集约化养殖中最为关键的环节。本研究设计开发的养殖生产管控系统集成了水质在线监测、气象监测、增氧和投饲设备控制及视频监控，实现了养殖环境信息和设备的集成管控，可以为生产管理提供科学的数据来源和有效的控制手段，符合养殖业发展的趋势，提升了生产管理效率。参考文献：

[1]吕华当. 我国力争3年建成池塘工程化循环水养殖核心区1万亩[J]. 海洋与渔业，2017（10）：27-28.

[2]农业农村部渔业渔政管理局，全国水产技术推广总站，中国水产学会. 2018中国渔业统计年鉴[M]. 北京：中国农业出版社，2018：17-49.

[3]郁蔚文. 中低产养殖池塘标准化改造工艺规划设计要点[J]. 中国水产，2009（11）：45-47.

[4]林兴榕. 淡水养殖池塘标准化建设改造经济效益分析[J]. 水产养殖，2014，35（6）：29-33.

[5]黄文华，吴景云. 标准化淡水养殖池塘建设和养殖使用技术[J]. 红土地，2011（5）：47-50.

[6]钱林峰. 江苏省组织实施百万亩池塘标准化改造工程[J]. 渔业致富指南，2009（10）：7.

[7]戴银根，占 阳. 整合支农资金 提升产业水平 激活经营机制 促进渔民增收——江西省标准化池塘改造经验及养殖效果对比[J]. 中国水产，2010（5）：12-14.

[8]陈基伟. 标准化水产养殖场用地设计——基于上海市的调查[J]. 渔业现代化，2010，37（6）：38-42.

[9]唐东东. 大型料企缘何江苏开展“圈地竞赛”[J]. 海洋与渔业·水产前沿，2017（10）：47.

[10]水产养殖编辑部. 首届通威股份现代渔业产业园推介会隆重召开[J]. 水产养殖，2018（12）：49.

[11]苗 雷，田昌凤，汤涛林，等. 标准化池塘养殖集中智能控制系统设计与应用[J]. 科学养鱼，2013（10）：81-82.

[12]徐 皓，张建华，丁建乐，等. 国内外渔业装备与工程技术研究进展综述（续）[J]. 渔业现代化，2010，37（3）：1-5，19.