基于物联网的水产养殖智能监测系统研究

丁向美，董静霆

（绵阳职业技术学院，四川 绵阳 621000）

0 引言

物联网是指通过信息感知设备，按约定的协议，将物体与网络相连接，物体通过信息传播媒介进行交换和通信，以实现智能化识别、定位、跟踪、监管等功能。物联网即万物相连的互联网，是信息科技产业的第三次革命。随着5G 和AI 技术的发展，物联网的技术体系承载了大数据、云计算、边缘计算和人工智能等先进技术，成为新一代信息技术落地实现的重要表现形式。

水产养殖业正在迈向智慧渔业4.0 时代，逐渐从传统的手工劳作向数字化、信息化、智能化发展，从农户散养逐渐向规模化、科学化的生产管理模式发展。“十四五”时期是数字乡村全面“布局”和重点“破题”的关键阶段，随着乡村振兴战略的实施推进，为水产养殖产业提供了新的方向与思路。水产养殖行业发展的条件、环境都发生了新的变化，发展机遇与面临挑战并存[1-4]。

利用物联网技术实现水产养殖业的智能监测系统，集水质检测、远程控制、风险预警及养殖管理等功能为一体，实时监控水产养殖环境，并进行养殖区域管理，进而实现精细养殖过程自动化、决策管理智能化，为推进渔业高质量发展和现代化建设提供有力支撑。

1 发展现状与趋势

水产品作为重要的优质蛋白来源之一，在保障国家粮食安全中具有重要作用。水产品的孵化、生长、培养都离不开适宜的水质环境和条件。高效的水质管理作为水产养殖中的重要工作，能有效缩短水生生物的养殖周期，减少养殖成本，为养殖户争取更大的经济收益，在新时代全面推进乡村振兴、建设生态文明等方面发挥着积极作用。

中国是水产养殖大国，但水产养殖业的发展仍存在短板，尤其是以丘陵山地为主的西南地区，鱼塘位置较为偏僻，人工管理难度较大，布线困难，自建无线通信因地形阻隔也难以达到满意的效果。目前大多中小规模养殖仍停留在以人工为主、机械为辅的管理状态，企业数量少，行业规模小，智能监控设备较少，现代化水平不高[5]。部分鱼塘安装了监控设备，实施了本地集中监控管控，但依然需要人工值守，设备投入大，运营费用高。传统的以养殖经验为指导的粗放式生产管理方式导致水产养殖出现中产率低、个体生产能力差、产品质量差和竞争力弱的突出问题。

随着现代信息技术的快速发展，物联网在水产养殖中的应用方案也越来越多，为科学管理和决策提供可靠支持。在此基础上，许多学者对水产品生长营养需求进行了分析和研究，得到了很多关于水产品营养需求的数据[6]。同时，在养殖水体的水质监测、养殖设备的智能控制、养殖环境的实时预警、养殖溯源的智能管理等方面均有一定程度的应用[7-10]，但依然存在技术工程体量大、示范效应难以体现、设备成本高、维护相对繁琐、缺乏统一的行业标准、难以规模化推广等问题。

在我国高度重视生态文明建设和渔业绿色循环发展的背景下，水产养殖不能只依靠增加面积来提高产能，重点还须放在转型升级、增设渔业设施和转变养殖发展方式上，着力推进生态健康养殖。综合应用物联网技术实时监控水质环境数据，对养殖进行智能化的管理，打破渔业发展的核心瓶颈，提高养殖产品品质，增加渔民的经济收入，实现高效、生态、安全的现代化水产养殖，是水产养殖产业的发展趋势。

2 系统研究与设计

2.1 系统架构设计

本文研究的智能监控系统，是基于物联网技术对水产养殖过程中的水温、pH 值、溶氧含量、氨氮含量等水质参数以及光照、温湿度等环境质量参数等进行实时监测，对增氧机、投料机等养殖设备进行远程控制，将监测数据上传到云平台，可在电脑或智能终端进行实时状态和历史数据曲线的查看。系统总体架构如图1所示，主要包括感知设备、执行设备、PLC 控制模块、智能网关和云端应用。

图1 系统总体架构

2.2 系统工作原理

系统采用高内聚、低耦合的模块化技术架构。分布在养殖水池中的水质传感器对水质溶氧量、酸碱度、氨氮含量等影响水产品产量和质量的重要因素进行数据采集，通过ModBus 通信协议传输到智能网关；网关收到数据并进行整合处理后通过4G 网络技术和物联网传输协议回传到电脑或手机终端，方便水产养殖户了解水质情况并对可能出现的风险进行预警提醒，用监控摄像头随时查看鱼塘周边环境。

养殖管理员可通过控制终端读取云端数据并与系统设定的指标相比较，借助智能控制器调节相应的报警参数并设置相关参数阈值。当环境参数达到阈值，或设备工作出现问题时，报警监控发出报警信号和短信提醒，并控制相应设备以防止出现养殖问题，如溶解氧含量不足时提前开启增氧机、饲料不足时开启投料设备等，实现本地智能加氧、投料，并可远程实时查看鱼塘的水质参数及环境质量数据。

2.3 系统硬件设计

2.3.1 感知设备

感知设备主要指数字传感器和网络监控设备。数字传感器包括水质参数传感器（如溶解氧传感器、pH 值传感器、水温传感器、氨氮传感器等）、环境质量传感器（如温湿度传感器、光照传感器等），支持ModBus 通信协议。监控设备选用海康威视的室外无线摄像头。

2.3.2 执行设备

执行设备主要是水产养殖中的增加溶解氧的增氧机、投喂饵料的投料机、更换水体的水泵等养殖设备，由智能控制器来实现自动控制。

2.3.3 智能网关

4G 智能网关，又称物联网云盒子或数据采集传输模块，是数字传感器和智能控制器的枢纽。既要把传感器的数据传输到云端，又要把控制信号通过ModBus 协议发送至智能控制器进而控制终端设备。同服务器之间使用4G 网络技术进行数据传输较其他无线方式速度快、稳定性好。智能网关支持MQTT 协议，方便接入OneNET、阿里云等第三方云平台。自带的工业云支持第三方网关和人机交互功能的二次开发，应用配置工具可快速实现人机交互功能，简化设计，节约开发成本。

2.3.4 智能控制器

智能控制器是集成以太网、RS 485、RS 232、TTL 等多种通信接口的PLC 控制模块，与智能网关之间采用RS 485或以太网实现数据实时传输。为方便节点拓展，本系统采用8 输入8 输出的控制模块。

2.4 管理平台设计

管理平台主要指智能终端可视化设计及云平台设计，作为用户与设备进行信息传递的平台，是智能监测系统的重要组成部分，包括现场人机界面和远程管理平台。

2.4.1 本地工程配置

本地端控制变量与远程控制端的统一是实现远程管理的基础。使用配置工具SuKConfig 进行工程配置，设置好本地端设备的变量名称、变量地址、数据类型、数据单位、数据存储方式、数据存储间隔、数据读写形式等的映射，包括传感器设备和养殖控制设备。

变量配置主要是设置本地端设备与智能网关的连接方式（RS 485）和连接端口（COM1）。连接方式中依次设置设备协议（ModBus）、设备型号（ModBus-RTU）以及串口参数（波特率、数据位、检验位）等，保证智能网关与本地端设备间的正确连接。如图2所示，将所有变量配置好后，点击下载至BOX（4G 智能网关）并上传至云端，完成工程变量的配置。

图2 工程配置界面

在工程变量配置界面点击进入平台可进入远程控制系统主界面，输入账号密码登录至控制系统界面。在项目配置的BOX 管理页面中，输入4G 智能网关的ID 序列号及型号，再与已经创建好的项目进行绑定，完成智能网关的配置，便可进行对应项目的界面开发及设备远程控制等。

2.4.2 远程管理平台

远程管理平台是基于4G 物联网智能网关自带的软件平台进行二次开发实现。根据智能监测系统的功能需求，远程管理平台主要由设备监控、数据监控、报警监控、视频监控、项目维保、项目配置、报表管理及设备日志等组成。

远程管理平台中最主要的是设备监控组态界面，如图3所示。该界面可以对环境因子进行实时监测显示，方便管理人员直观地掌握鱼塘环境状况和远程控制养殖设备，根据需求设置数据采集周期、定时投喂和加氧。将数据存入数据库中或生成历史数据报表，根据需要选择配置，自动生成不同传感器数据和设备操作的报表，方便后期数据分析。通过项目维护、设备日志等功能，管理人员可规范地对本地设备进行维修管理，制定维保计划、在报表中生成维保记录，方便对设备的故障点进行管理分析，使设备运行更加可靠稳定，提高使用效率。远程管理平台还能够实现电脑Web 端、手机APP 及小程序同步查看和控制现场设备，且互不冲突。

图3 远程管理平台

3 结语

本文基于物联网技术，研究设计了一套集中管理、智能程度高的水产养殖监测系统，探索实现水产养殖的数字化、科学化、智慧化、规模化和现代化。系统操作简单、功能齐全、开发成本低、稳定可靠易维护、人机交互良好、可二次开发，不仅能够提升水产养殖的质量和产量，还能降低养殖成本，保障水产养殖产业的绿色健康发展。