高亮亮1，李道亮2，梁勇1，李瑾3，马晨3，陈英义2*
(1.山东农业大学信息学院，山东泰安271018；2.中国农业大学信息与电气工程学院，北京100083；3.北京农业信息技术研究中心，北京100097)
摘要:本文在分析我国水产养殖现状的基础上，提出了水产养殖全过程物联网监管系统构建方案，包含
4个子系统:水产养殖环境监控系统、水产品健康养殖智能化管理系统、水产养殖对象个体行为视频监测系统、“气象预报式”信息服务系统，系统可实现对水产品的养殖全过程监控，使得水产品在标准化的养殖环境下生长，最终达到提高水产品的质量、降低养殖风险的目的。本文还对水产物联网系统的应用前景做了展望。
关键词:物联网；监管系统；水产养殖
物联网是物联化、互联化、智能化的网络，能够将信息的获取延伸到池塘的每一个角落，并通过信息网络实现更广域的互联互通。农业物联网是物联网技术在农业生产、经营、管理和服务中的具体应用。物联网技术正在逐步改变传统水产养殖业亲自到池塘边进行观察、采集、检测获取环境信息和现场管理的模式。传统模式不但耗时长，还会造成生产措施的延后，造成一定的经济损失。本文提出并构建了水产养殖生产过程中的4个系统:水产养殖环境监控系统、水产品健康养殖智能化管理系统、水产养殖对象个体行为视频监测系统、“气象预报式”信息服务系统。其中，水产养殖环境监控系统是对养殖环境的测控；水产品健康养殖智能化管理系统可以进行精细投喂和水产品的疾病诊断；水产养殖对象个体行为视频监测系统可以对水产品个体行为进行远程测控，进行动物行为诊断；“气象预报式”信息服务系统可以为水产养殖进行天气预报式的预测和采取防范措施。水产物联网可以有效解决传统水产养殖在养殖业中的不足，实现降低养殖风险、提高水产质量和水质的目标。
1我国水产养殖现状与对物联网技术的需求
我国是水产养殖大国，同时又是一个水产弱国。水产养殖业主要沿用消耗大量资源和粗放式经营的传统方式。水产养殖产量占到了全世界的73%。养殖过程中不合理投喂和用药极大地恶化了水质环境，影响水产品质量，加剧水产病害的发生，使得水产品质量安全、水环境污染、养殖风险等问题非常严重。同时，缺少水产养殖规范，虽然农业部制定了一批无公害水产养殖的规范，但是由于我国水产养殖的现状无法确切地执行，导致养殖过程中无法按照标准规程实行喂养、渔药等。
当前在水产养殖过程中对物联网技术的需求突出表现在以下4个方面:①水产品养殖场缺乏有效信息监测技术和手段，水质在线监测和控制水平低，实现对水质和环境信息的实时在线监测、水质异常报警与预警等是迫切需求；②国内水产养殖相关传感器应用较多，但存在稳定性差、准确性低、维护成本较高的问题；③水产品病害发生情况严重，相关技术人员缺乏，实现水产品精细喂养与疾病预测、建设水产品健康养殖智能化管理系统将在一定程度上解决这个问题；④目前尽管有农业网站、农林电视节目等资源，但没有将信息充分整合到一起，养殖户也缺乏“天气预报式”的服务。
2水产养殖物联网系统总体架构(图1)
图1水产物联网系统总体架构示意图
针对水产品养殖场缺乏有效信息监测技术和手段，水质在线监测和控制水平低等问题，采用智能水质传感器、无线传感网、3G、IPV6、智能控制等技术，建设水产养殖环境监控系统，实现对水质和环境信息的实时在线监测、水质异常报警与预警，通过无线传感网、互联网、通信网等信息传输通道，以计算机、手机等不同的终端设备，将水质异常报警信息及水质预警信息及时通知养殖管理人员和专业技术人员。同时根据水质监测结果，实时调整控制措施，自动启动增氧机等控制设备，保持水质稳定，为水产品创造健康的水质环境，确保水产品养殖的环境安全。
2.1水产养殖环境监控系统
主要包括以下几个方面的建设内容:
2.1.1基于智能感知技术的水质及环境信息智能感知技术采用具有自识别、自标定、自校正、自动补偿功能的智能传感器，对水质和环境信息进行实时采集，全面感知养殖环境的实际情况。
2.1.2基于无线传感器网络的水质及环境信息无线传输技术当前无线传感网络对环境的监控基本处于成熟阶段，可运用无线通信技术、嵌入式测控技术和计算机技术，实现短距离通讯和无线通信；研制系列无线采集节点、无线控制节点和无线监控中心，开发无线网络管理软件，构建适合集约化水产养殖应用的水质及环境信息无线传输系统，将有效解决水产养殖领域应用覆盖范围大、能耗约束强、环境恶劣和维护能力差等条件下信息的可靠传输难题。
2.1.3水质管理决策模型建设水质好坏影响水产品的生长速度和健康水平，最终影响水产品的质量，严重的会导致水产养殖的重大损失。养殖环境信息、水质信息、养殖措施和养殖生物量间的定量关系描述是水产养殖数字化、精细化管理的前提和难题。本系统将根据气温对水温的影响，饵料及水产品的代谢物对养殖水体pH值的影响，养殖密度对日增重量、日生长量和成活率的影响，水体增氧对养殖水体中溶氧量和氨氮的影响，氨氮、亚硝态氮对化学需氧量(COD)的影响，氨氮、亚硝态氮对葡萄糖吸收能力的影响，残饵、粪便对水质的影响等，建立水质参数预测、生物增长等系列定量关系动力学模型，解决水质动态预测问题，为水质预警控制、饲料投喂和疾病预防预警提供数据支持。
2.1.4基于智能控制技术的环境设备控制技术针对现有养殖设备(如增氧机)工作效率低、能耗高、难以用精确数学模型描述等问题，通过分析研究控制措施与参数动态变化规律，动态调整环境控制措施，实现养殖设备的智能控制，以降低能量消耗，节约成本。
2.2水产品健康养殖智能化管理系统
整合水产品精细喂养与疾病预测、诊断决策等子系统，建设水产品健康养殖智能化管理系统，形成一套包括硬件装置和软件系统的集约化水产养殖场健康养殖数字化平台，实现水产养殖全过程可视化、自动化、科学化管理。主要建设内容包括:
2.2.1水产品精细投喂智能决策系统依水产品在各养殖阶段营养成分需求，根据各养殖品种长度与重量的关系，光照度、水温、溶氧量、养殖密度等因素与鱼饵料营养成分的吸收能力、饵料摄取量的关系，借助养殖专家经验建立不同养殖品种的生长阶段与投喂率、投喂量间定量关系模型。
利用数据库建库技术，对水产品精细饲养相关的环境、群体信息进行管理，建立适合不同水产品的精细投喂决策系统，解决喂什么、喂多少、喂几次等精细喂养问题，精细投喂系统也可以为水产品质量追溯提供基础数据。
2.2.2自动化投饲系统利用监控软件和网络技术，通过局域网、手机等工具，实现远程异地监控。在人员不在养殖现场的情况下，能实时掌握投料情况、养殖产品的进食情况。利用远程控制系统，进行定时定量精准投喂控制，实现自动化定时精准投料养殖，减少饲料损耗。在相对集中的养殖场所建立监控平台，在零星养殖场所可通过手机进行监控。
2.2.3水产品疾病诊治系统水产品用药很多，要对症下药才可以。从水产品疾病早预防、早诊治的角度出发，在对气候环境、水环境和病源与水产品疾病发生关系研究的基础上，确定各类病因预警指标及其对疾病发生影响的可能程度，建立水产品预警指标体系，根据预警指标的等级和疾病的危害程度，建立水产品疾病预警模型；建立疾病诊断推理网络关系模型，建立水产品典型病虫害图像特征数据库，实现水产品疾病的早预防、及时预警和精确诊治。
2．3水产养殖对象个体行为视频监测系统
养殖场视频监控系统主要实现对水产品养殖环境的远程监测管理。现代水产养殖场采用全封闭管理方式，有利于水产品的安全生产，可有效杜绝外界环境对水产品的不利影响，为了方便外界人员观看水产品养殖加工的实时情况，在水产养殖及加工场地内设置可移动的监控设备，利用视频摄像头的动态可视化特点，将水产养殖及生产加工环节予以实时监控。主要建设内容包括:①水产环境视频采集系统，实现现场环境的采集功能；②传输系统；③远程监测系统；④移动终端，通过手机等移动终端可以异地监测水产养殖场的情况。
2.4“气象预报式”信息服务系统
整合当地热线、农业信息网站资源等的水产养殖技术、水产养殖行业新闻及市场动态信息，利用网格技术、数据库异构分布技术、中间件技术、云计算技术、人工智能等技术充分融合现有的水产信息资源，采用三网融合技术，为养殖企业和养殖户提供水产养殖信息服务，解决生产管理、养殖技术推广、市场信息服务等问题。采用手机报、惠农短信、农林电视节目等信息技术手段，为养殖户提供适时的水质环境预测预报、应急防范、技术咨询服务。
3物联网技术在水产养殖方面的应用前景
虽然当前物联网在水产养殖中还未广泛应用，仅处于试验阶段，但江苏无锡市山区鹅湖镇物联网智能养鱼、苏州昆山阳澄湖渔业产业园、金坛长荡湖渔业科技示范园、无锡宜兴物联网养螃蟹等实验区均取得了可喜的成果，说明物联网在水产养殖方面发展潜力巨大，通过物联网技术支持，水产养殖会发展得更快。物联网是我国未来几年的重点发展产业，得到了政府的大力支持，物联网技术也将在“十二五”期间快速发展，技术体系会更加完善，相关的政策会更加健全。
“十二五”规划中对水产养殖业、增殖渔业、捕捞业、加工业和休闲渔业五大产业体系做出了详细规定。其中，水产养殖在产业中所占比重被再度要求加重。这就要求水产养殖向高密度、集约化发展，这就需要水产物联网技术的支持，在保持水环境质量的基础上，实行标准化养殖，对水产养殖的过程进行全程监控，保证水产养殖的规范化、标准化。水产养殖在物联网技术的支持下将会得到更快的发展。
4结语
建立水产养殖物联网系统是现代水产养殖的必然趋势。该系统可以对水产养殖过程进行测控，成为水产养殖的“管家”；还可以对水产环境变化、水质状况进行监测，并准确投喂，及时增氧，对可能出现的水产疾病进行预报，及时采取措施；还可完善水产养殖生产技术，保证养殖生态系统的良性循环，进一步提高水产品质量，应对劳动力成本上升，最终可获得更好的社会效益、经济效益和生态效益。
