南美白对虾池塘精准养殖系统研究与应用

马晓飞　袁永明　张红燕　沈楠楠

摘要 构建并集成完整的南美白对虾池塘精准养殖系统，设计完善、可行的环境监测和环境传感器安装校正方案，开展完整周期的养殖生产试验，通过养殖环境监测数据、养殖设备精准控制记录以及养殖过程记录等数据处理和分析，评价了南美白对虾池塘精准养殖系统的应用效果，总结了该系统的应用中存在的问题。

关键词 南美白对虾;池塘养殖;精准养殖;养殖试验;精准控制

中图分类号 S966.12;TP273文献标识码 A

文章编号 0517-6611（2019）16-0104-04

doi：10.3969/j.issn.0517-6611.2019.16.030

开放科学（资源服务）标识码（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

南美白對虾（Penaeus vannamei Boon）即凡纳滨对虾，原产于中、南美洲太平洋沿岸的温暖水域，与斑节对虾、中国对虾并列为世界三大养殖虾类，因其具有成活率高、生长速度快、产量高等生物学特性，且可在咸淡水等大范围盐度范围水域环境中生存等优势，成为我国主要的养殖虾种，并带来巨大的经济效益[1]。近年来，南美白对虾养殖业快速发展，高密度集约化养殖比例迅速提高，但高密度养殖对于养殖水体带来了更严重的环境压力。残饵及生物排泄物的增多会打破水体中氮、磷等营养元素的动态平衡，导致NH 3-N、 NO 2-N等毒害成分浓度升高[2]，进而引起南美白对虾病害甚至导致死亡，造成养殖户的经济损失，并阻碍了南美白对虾养殖产业的健康发展[3]。目前，南美白对虾池塘养殖生产管理方式较为落后，养殖过程主要依靠传统养殖经验进行水质、虾情判断。为保证养殖生产安全，大多整夜开启增氧机增氧，增加了养殖成本，部分养殖户甚至高频率换水，导致养殖水体动态平衡被破坏，造成更加严重的经济损失。

针对上述问题，笔者设计并集成安装适用于南美白对虾池塘养殖的池塘精准养殖系统，通过开展完整周期的南美白对虾池塘养殖试验进行系统应用试验和效果评价。

1 池塘精准养殖系统

池塘精准养殖系统主要由养殖环境监测模块、精准控制模块、专家系统模块以及人机交互模块组成，各功能模块之间通过混合组网实现通信和数据传递。通过系统软硬件设备设施的集成，系统能够完成和实现养殖环境监测、养殖精准控制、养殖方案更新、养殖现场查看等主要功能。系统结构如图1所示。

用户将养殖基本信息（如池塘面积、水深、连续养殖年限、养殖对象、规格等）输入系统物联服务系统，系统会根据控制器上传的实时环境监测数据（气象、水质等）调用水产专家系统[4]的智能算法进行数据处理和分析，智能判断养殖状况并生成较适宜的养殖方案。系统首次运行时，用户可以使用远程配置程序或现场配置终端将养殖方案配置到控制器;养殖过程中，控制器实时采集养殖环境参数并上传至物联服务系统，同时根据环境数据和已下载的养殖方案进行精准控制。物联服务系统将控制器上传的数据进行智能分析和处理，通过专家系统判断当前养殖环境状况的一般性。对于异常状况，及时生成控制处理方案，通过控制器及时处理异常状况;对于非异常状况，则智能生成下一阶段的养殖控制方案，并将新方案同现有方案进行差异化比对后下载更新到控制器。控制器下载配置完养殖控制方案后可以独立运行，对养殖过程进行精准控制。系统运行流程如图2所示。

2 试验设计与系统集成

2.1 试验设计 选择南美白对虾池塘养殖开展池塘养殖自动控制系统应用试验。试验地点为江苏省常熟市。试验时间为2017年9月27日至10月3日。池塘长、宽、深分别为140、50、2.5 m。养殖对象为南美白对虾，规格约60尾/kg。

气象环境监测方案：实时监测气温、湿度、大气压力、风速、总辐射量、光和有效辐射量等气象数据;控制器采集频率5 s/次，服务器采集频率1 min/次，数据库存储频率 10 min/次。

水质环境监测方案：实时监测水温、pH、溶解氧、溶氧相对饱和度、氧分压等水質参数[5-7];控制器采集频率5 s/次，服务器采集频率1 min/次，数据库存储频率10 min/次。

传感器校正方案：使用传感器自带校正软件进行传感器校正;pH传感器在pH分别为4和7的标准液中分别进行校正;光学溶解氧传感器使用两点校正法[8]，分别在溶解氧饱和环境及零氧环境下校正。

自动养殖设备：叶轮式增氧机，功率3 kW，交流电电压  380 V，3台;水车式增氧机，功率3 kW，交流电电压 380 V， 2台。

应急增氧控制方案：溶解氧浓度小于4.0 mg/L时启动增氧机，增氧至溶解氧浓度大于等于5.5 mg/L时停止增氧机，完成应急增氧控制。

调水控制方案：表层水体溶解氧相对饱和度大于等于130%时启动增氧机搅水，溶解氧相对饱和度小于105%时停止增氧机，完成调水控制。

变频搅水控制方案：溶解氧浓度区间为4.0～6.5 mg/L，7档水流搅动速度（25～50 Hz），溶解氧浓度大于6.5 mg/L时以最低运行频率（25 Hz）搅动水流;当溶解氧浓度低于 4.0 mg/L时，全速搅水并应急增氧。

应用对照试验方案：对照组养殖环境与试验池塘相同，养殖控制由工人根据养殖经验完成并记录启动/停止增氧机时间、投饲情况等养殖数据，完成对照试验。

2.2 系统集成

2.2.1 网络拓扑。控制器与传感器、控制器与服务器之间的互联互通需要借助通信模块实现，系统选用ZigBee通信方式实现传感器与控制器自组网和数据通信;使用TCP/IP-RS485转换器实现控制器的网络接入和数据通信，在不具备宽带上网条件的野外池塘通过GPRS/WCDMA/LTE等支持2G/3G/4G数据传输的通信模块实现控制器同服务器的数据通信[9-10]。系统网络拓扑结构如图3所示。

2.2.2 设备安装。

3台叶轮式增氧机[11]采用绳索固定安装于池塘中央位置并等距分布，2台水车式增氧机对角安装且水流方向相对，2套水质监测浮筒安装于水车增氧机尾部同中心叶轮增氧机位于同一垂直线处，溶解氧传感器安装深度为50 cm，pH传感器的安装深度为100 cm，气象站安装于池塘岸边。设备安装排布如图4所示。

3 应用效果分析

3.1 气象环境监测效果 应用试验过程中使用气象站传感器在线监测气象变化并存储数据，同时根据天气预报人工记录试验过程中的气象状况。天气预报气象变化与气象环境监测数据见表1。由表1可以看出，气象监测站实时监测的气象环境数据较为准确，与天气预报数据基本一致。阴雨天气时，空气湿度一般大于85%，雨前及雨中大气压出现明显下降，人体感觉“闷”，雨后出现回升;总辐射量表明日出和日落的时间节点以及当天太阳辐射强度，10月份日出时间约为06：00—06：30，日落时间为18：00—18：30，最高值一般出现在中午11：30—12：00，阴雨天气太阳总辐射量明显减弱，日平均辐射量一般低于150 W/m2。

在养殖自动控制过程中，天气变化会对水质环境产生影响，造成水体缺氧等异常现象;阴雨等天气会影响养殖对象摄食，对于投饲控制具有重要的参考价值。根据天气变化科学制定自动控制方案具有一定的意义和实际作用，能够有效减少饲料和能源的浪费，提高养殖安全性。

3.2 水质环境监测效果

应用试验过程中使用光学溶解氧传感器和pH传感器在线监测水质溶解氧、水温、pH变化并存储数据。选取2017年9月27日至9月29日共计3 d的水质监测数据进行分析，水质变化曲线见图5。

通过水质变化曲线（图5）可以较为直观地观察出试验过程中养殖池塘溶解氧、水温、pH参数的变化趋势，养殖水体pH较为稳定，pH维持在7.8～8.3，略偏碱性;由于进行自动增氧控制，水体溶解氧浓度保持在3.5mg/L以上，增氧作

用效果较为明显;夜晚条件下（日落至日出时间段），因光合作用停止、池塘生物呼吸作用而消耗大量溶解氧，尽管全时段自动增氧，但只能维持池塘内溶解氧水平，光合作用开始后溶解氧浓度明显升高;养殖水体pH与溶解氧具有相似的变化趋势，其原因与水体中的氧化还原反应偏移方向有关;溶解氧受阴雨天气的影响较为明显，阴雨天气溶解氧明显偏低且增氧效果不佳;在晴天中午，水体溶解氧浓度较高，出现过饱和现象，需要进行调水增氧操作，搅动水体并使上下层产生对流达到溶解氧和水温等指标的动态平衡，可以有效减少夜间水体缺氧现象的发生，对于节约电力资源具有重要作用，符合“晴天中午开增氧机”的传统养殖经验。

安徽农业科学2019年

3.3 养殖自动控制效果

养殖自动控制主要包括自动增氧和自动调水控制，试验池塘通过水质监测结合人工记录的方式实现自动控制的观测和记录，对照池塘由渔场根据养殖经验进行投喂、增氧控制并记录，选取2017年9月27日至9月29日的养殖控制数据进行分析，结果见表2。

由表2可以看出，试验池塘增氧时间段与人工经验增氧时间段基本吻合，且自动增氧控制更加科学合理;采用自动控制的试验池塘增氧机使用时长明显少于人工经验控制的对照池塘，自动控制可以明显降低养殖电力消耗;在晴天中午进行有效的调水控制，能夠明显改善水体质量，减缓池塘内溶解氧浓度的下降速度，进一步减少晚间增氧机的开机时间，节约能源消耗;自动控制系统能够结合气象水质监测状况，合理规划投喂，做到阴雨天时少投喂或不投喂;使用养殖自动控制，控制操作有理有据，实现养殖过程全托管，有效节约了劳动力，可减少因养殖经验欠缺或其他劳动力主观因素而造成的养殖 损失。

4 结论

南美白对虾池塘精准养殖系统能够实时监测气象、水质状况并对增氧机、水泵等养殖设备进行精准控制，能够有效保证养殖生产过程的顺利实施，提高传统养殖生产的智能化、信息化水平。通过养殖试验，精准养殖系统控制精准及时，能够部分替代传统经验养殖操作，保证了南美白对虾养殖过程的安全，但在南美白对虾池塘养殖精准投饲控制方面仍需要进行不断研究和改进，以适应南美白对虾养殖生产 实际。

参考文献

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[3] 李倩，周志明，杭小英，等.南美白对虾不同养殖密度水质变化规律与养殖效益的分析[J].中国农学通报， 2014， 30（2）：100-104.

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[9] 马晓飞，袁永明，张红燕，等.基于Modbus的水产物联设备驱动服务系统设计[J].传感器与微系统，2014，33（10）：65-68，72.

[10] SHAHIN FARAHANI.ZigBee Wireless Networks and Transceivers[M].Burlington： Newnes，2008.

[11] 谷坚，顾海涛，门涛，等.几种机械增氧方式在池塘养殖中的增氧性能比较[J].农业工程学报，2011，27（1）：148-152.