海水养殖水质在线监测大数据共享平台

2021-04-04

农村实用技术 2021年2期

（三亚学院，海南三亚 572022）

随着社会的发展和人口的增加，人们对水产品的需求在不断的增加，其中海产品的需求在快速增长，单靠海洋捕捞已经不能满足人们的需求，所以海水养殖越来越普遍。但由于海水养殖对水质要求较高，且自2000年以来，我国海域多次发生规模巨大、毒性极强的赤潮，给我国海水养殖业造成巨大的损失。水质是水产能否成功养殖的关键，目前国内的水产养殖业，它的水质监测多数仍是处于人工采样、化学分析的人工监测阶段，此方法费时费力，而且无法做到全天的实时检测，很容易因为人工监测疏漏致使水质异常，从而造成水产品大批量死亡、造成巨大的经济损失[1]。因此，有必要提升水产养殖水质监测技术水平。针对目前水产养殖环境的现状，研发水质在线监测大数据共享平台，旨在多方面实时提供海水水质数据，建立求助专家渠道，提供经验共享方式，从而达到水产量产效果好的目的[2]。

水产在线监测系统采用先进的智能水质传感器、无线传输系统、无线通信、预警系统、智能管理系统等技术，能够实时监测水体溶解氧、浊度、PH值、电导率、水温、悬浮物等水质变换情况，智能分析预警，并能够实时将监测点的采集数据发送至用户端，用户可通过电脑或者手机随时查看监测数据，及时发现异常情况，及时调整，从而有效避免异常情况对水产养殖的影响，给水产养殖良好产出提供保障。同时水质在线监测系统数据可保存，用户可随时查看历史监测数据，方便用户总结养殖经验，便于下一次更科学地开展养殖，提升产出。该平台的应用和提升了水质监测的有效性、及时性，让养殖人员不用再像以往那样采集水样到专门的地点监测，大大缩短了水质监测所用的时间，同时可以通过平台实时查看水质情况，并可借鉴同行分享的养殖经验来处理遇到的问题或者申请求助。

1 在线监测系统的组成

近年来随着人们对水产品的需求逐年攀升，传统的养殖方法已经无法满足高产量的需求，采用及时监测以及无线传感技术等先进的管理方式对养殖环境、水质、水产品生长状况进行数据采集分析，能有效的提高养殖产量。

水质监测系统主要由传感器模块、控制及数据处理模块、无线传输通信模块组成。传感器模块会把水体温度、浊度、PH值、溶解氧等数据进行采集，并送往数据处理单元，数据处理单元将送来的各种不同标准的数据转化为设置好的标准数据格式，通过无线通信送到上端管理软件或者云平台，并将数据保存在相应的数据库中。控制模块主要由PLC或者单片机组成，是整个系统的核心部分，控制整个系统正常、有序的运行。

目前我国已开发的水质监测系统主要有：（1）多点在线水质监测系统，可同时监测6个不同点的水质情况。（2）基于工控机的水质在线监测虚拟仪器，此系统改变了传统化学测试的思路，研制了在线监测虚拟仪器，该系统响应快、操作方便、人机界面可多样化设计、输出图形丰富美观逼真。（3）基于BP神经网络的在线水质监测系统，利用神经网络的自学习功能，计算出更加科学的预测模型参数，同时采用无线通讯技术进行远程数据采集[3]。

在基于已有的实时水质监测系统的前提下，利用单片机和其他的集成类芯片，收集传感器所测得的数据，然后进行短期储存，将数据进行计算，网络通信装置将所接受的信号发送给数据平台，平台通过程序和系统，对数据进行制图和汇总。并对数据进行分析，是否超出或低于所设置的标准值范围，数据更新为半小时一次，以此打造全民可用的水质共享监测平台，总的结构框图如图1所示。

2 海水监测硬件系统设计

水温是水产养殖中关键因数之一，不同的水产生物适应的水温是不同的，一般水温越高水产生物的摄食量会越大，生长速度也会越快，水产生物的受精卵孵化时间也越短，但水温与水里的氨氮总量成负比例的相关关系，所以水温的实时监测对养殖效果具有直接的关键意义，同时历年水温数据的测量及记录可供养殖户选取养殖品种作参考。水体温度采用水体温度计传感器WQ101B测量水体温度为电子传感器测量装置周围水体温度，并将水体温度数据传输给控制系统，同时控制系统可根据不同地域、不同季节以及养殖品种密度等信息设定警报阈值，一旦温度超出阈值可通过警报器及警报短信等方式发送给养殖户，养殖户可根据情况进行适当的人工干预以防止养殖情况的恶化。

图1 海水监测大数据共享平台

酸性水质容易使水产生物感染虫病、水里的天然饵料繁殖减慢、影响鱼类的正常生长，酸性过高甚至会引起鱼类大范围的死亡。溶解氧与水产生物的健康生长息息相关，溶解氧高可以增进鱼类的食欲，提高水中饲料的使用率，使得鱼类快速发育生长，并且能改善水质。ph值测量采用玻璃电极法，复合电极（pH/参考）包含一个特制玻璃和一个Ag/AgCI参考凝胶电极（KCI）。同时溶解氧采用化学反应所产生的电压来进行测量水体的含氧量，使用特殊酸性电解液，阴极采用惰性金属金，阳极采用金属铅，氧气以扩散的方式通过氟树脂膜参与氧化还原反应，构成一种氧铅蓄电池，然后由内部电阻将氧化还原反应产生的电流转化成电压输出。当监测出水体溶氧量过低时控制系统将自动打开增氧泵，以保证水体中溶解氧充足。水体浊度测量采用光学传感器对水体进行光的测量，按照构成方法180.1浊度测量，WQ730浊度传感器是一个90°的散射浊度计。WQ730浊度传感器将聚焦束进入监控水。光束反射粒子在水中，由此而来的光强度测量浊度传感器的光电探测器定位在90度的光束。浊度传感器检测到的光强度是直接与水的浊度成正比。水体的压力测量可以通过压力传感器测得，此部分可以通过压力的变换，经过系统程序的计算可以得出在水体的具体深度，这样可以测量不同压力即不同深度的水体环境下水体的数据，这样就可以对生活在不同水深的海产品所需的水质进行检测，使得系统的应用更加广泛[4]。

此系统可以根据不同的情况进行改装，可对传感器的数量和种类进行添加，装置将测得数据上传到平台，平台对数据进行计算分析和制图，可以直观快速的了解水体的情况。由于养殖场采集的数据量大，包括水温、PH值、溶解氧、浊度、氨氮、硫化物等数据，并需要通过无线网络对这些数据进行传输，并由在线监测平台对数据进行接收、存储以及处理统计，并在共享平台上进行显示。系统兼容多种数据分析及处理的软件，能对数据进行绘制直方图、饼状图、曲线拟合等处理，并可导出TXT文本、EXCEL电子表格、word文本等格式的数据处理结果。同时通过无线互联网技术使得用户可通过手机、电脑、平板等用户终端登录平台实时查询水质状况及所需要数据，并对超出或低于所设置的标准值范围，进行警报，提醒养殖户及时对水体进行人为干扰。

供能方面因系统采用为集成芯片，传感器耗能小，可以采用可充锂电池供电。同时可根据养殖地域的环境特点以及用电成本，在每个节点采用太阳能板一体的充电电池，这样既能实现环保的同时又考虑了阴雨天的供能问题。控制系统采用基于单片机的集成模块。系统程序为matlab编写，并进行开源，系统可根据不同情况进行更新和升级。

3 经济效益

我国是世界主要的渔业生产国，是为数不多的海水养殖超过海洋捕捞的国家，海水养殖占世界海水养殖总量80%以上，对于我国耕地资源紧张的国情，大力开发海水养殖提供更多的海洋产品，能缓解粮食安全问题面临的挑战，有利于通过调整食品结构保证全国粮食安全[5]。如果水质发生变化，处置不当海产品死亡率高达80%以上，带来的经济损失平均近1万元每亩，若采取实时监控系统并及时发出预警，准确率高到75%以上，可以把经济损失降至30%以下甚至更少，同时通过平台可以借鉴前人有效的养殖经验，大大提高养殖效率，带来的经济增长可达数十亿以上。