智能云計(jì)算養(yǎng)殖水環(huán)境實(shí)時(shí)監(jiān)控
系統(tǒng)解決方案
上海清淼光電科技有限公司
在漁業(yè)產(chǎn)業(yè)升級(jí)的背景下，需要通過(guò)調(diào)結(jié)構(gòu)、促升級(jí)，提高增加高附加值品種養(yǎng)殖規(guī)模和養(yǎng)殖模式。利用智能云計(jì)算實(shí)現(xiàn)養(yǎng)殖水域環(huán)境調(diào)控，提高名特優(yōu)品種水產(chǎn)養(yǎng)殖密度，實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)型工業(yè)化水產(chǎn)養(yǎng)殖。
工廠化水產(chǎn)養(yǎng)殖主要內(nèi)容是建立一個(gè)水體循環(huán)的封閉養(yǎng)殖工廠，通過(guò)一系列的生物和物理手段對(duì)養(yǎng)殖水體進(jìn)行監(jiān)測(cè)和控制，創(chuàng)造出最適宜魚(yú)類生長(zhǎng)的水體環(huán)境。實(shí)現(xiàn)工廠化養(yǎng)殖關(guān)鍵是水體循環(huán)處理和控制系統(tǒng)，即控制水體溫度，濁度，pH，氨氮，COD，BOD，DO等具有重要意義的水質(zhì)參數(shù)。
使用物理手段準(zhǔn)確控制的參數(shù)，即氨氮、溫度，溶解氧，pH值進(jìn)行在線監(jiān)測(cè)和控制。在線監(jiān)測(cè)并可以及時(shí)自動(dòng)調(diào)整以保證養(yǎng)殖水體滿足魚(yú)類生長(zhǎng)要求。對(duì)這些參數(shù)自動(dòng)控制對(duì)工廠化水產(chǎn)養(yǎng)殖很重要，有些是通過(guò)生物方法進(jìn)行控制的，比如用生物濾器通過(guò)硝化反應(yīng)轉(zhuǎn)他氨氮，此類參數(shù)可以監(jiān)測(cè)，對(duì)其進(jìn)行準(zhǔn)確的控制，可以充分體現(xiàn)工廠化水產(chǎn)養(yǎng)殖的優(yōu)勢(shì)。
1溫度控制
不同魚(yú)類適合有著不同的生長(zhǎng)的溫度，在最佳的溫度下，魚(yú)類生長(zhǎng)得快，飼料轉(zhuǎn)化效率高，體質(zhì)強(qiáng)壯，抵抗魚(yú)病能力強(qiáng)。生物濾器的效率也與溫度有關(guān)系，過(guò)低的溫度會(huì)影響氨氮轉(zhuǎn)化效率，在冷水性魚(yú)類的養(yǎng)殖過(guò)程就要考慮溫度的影響，但在溫水養(yǎng)殖中，溫度不是影響氨氮的主要因素。
2溶解氧控制
2.1溶氧控制意義
工廠化水產(chǎn)養(yǎng)殖水體中需要有大量的氧氣，魚(yú)類的生理活動(dòng)需要氧氣，每噸魚(yú)每天消耗3 kg氧，生物濾器轉(zhuǎn)化氨氮需要氧，如果每噸魚(yú)每天排出1 kg氨氮，要消耗4.75 kg氧；每天直接間接消耗7. 57 kg以上的氧，所以持續(xù)不斷的為魚(yú)類和生物濾器提供充足的溶解氧(DO)是水體循環(huán)處理系統(tǒng)正常運(yùn)行的必要條件。為了魚(yú)類最快
地生長(zhǎng)，DO參數(shù)應(yīng)該保持在水體DO飽和度60%以上或是高于5ppm。當(dāng)DO在2ppm以下，硝化細(xì)菌就無(wú)效了。
2.2控制溶氧的方法及其原理
控制溶氧其實(shí)就是控制向養(yǎng)殖水體中增氧的過(guò)程。
由于國(guó)內(nèi)現(xiàn)階段池塘養(yǎng)殖方式較為廣泛，工廠化養(yǎng)魚(yú)工場(chǎng)規(guī)模大多較小，所以主要使用機(jī)械式增氧機(jī)。
2.3溶氧自動(dòng)控制
在水產(chǎn)養(yǎng)殖過(guò)程中，溶氧在不同的時(shí)間是變化的，比如說(shuō)喂食以后，魚(yú)類消化食物會(huì)使溶氧量迅速降低，這時(shí)就要控制充氣泵加大充氣量，保證溶氧量。在溶解氧需求減少時(shí)，就要減少充氣量，以減
少充氣時(shí)間，降低能源消耗。因此，溶解氧自動(dòng)監(jiān)測(cè)和增氧的適時(shí)控制是非常必要的。
溶氧自動(dòng)控制過(guò)程如下：由放置在水中的溶氧傳感器檢測(cè)水體溶氧，輸出給變頻器。變頻器根據(jù)接受到的控制結(jié)果改變電流頻率，從而控制充氣泵或增氧機(jī)電機(jī)轉(zhuǎn)速升高降低，改變充氣量多少，滿足溶氧量的要求。
3 氨氮控制
3.1 氨氮控制意義
氮元素是藻類必需的一種常量元素，也是養(yǎng)殖水體中較常見(jiàn)的一種限制初級(jí)生產(chǎn)力的營(yíng)養(yǎng)元素，對(duì)生產(chǎn)影響很大。
在人工養(yǎng)殖池塘的水體中，氮以分子態(tài)氮（N2）、無(wú)機(jī)態(tài)氮（NH3、NH4+、NO2-、NO3-）及有機(jī)物（如尿素、氨基酸、蛋白質(zhì)）等形式存在。在生物、非生物及人為因素的影響下，它們?cè)谒w中，不斷地轉(zhuǎn)化、遷移，不斷地進(jìn)行著動(dòng)態(tài)循環(huán)。其中水中以NH3和NH4+離子存在的氮元素對(duì)生產(chǎn)影響最大，NH3與NH4+都是藻類必需的營(yíng)養(yǎng)鹽，幾乎所有藻類都能直接、迅速而且優(yōu)先利用NH3與NH4+。其不利的一面是由于氨態(tài)氮的存在抑制藻類對(duì)亞硝酸態(tài)氮（NO2-）和尿素的利用；而且氨態(tài)氮在轉(zhuǎn)化成硝酸鹽的過(guò)程中還要消耗水中溶氧，尤其是分子態(tài)氨（NH3）對(duì)魚(yú)類及其他水生動(dòng)物有很強(qiáng)的毒性，即使?jié)舛群艿?，也?huì)抑制生長(zhǎng)，損害鰓組織，加重魚(yú)病，對(duì)養(yǎng)殖和生產(chǎn)造成不利影響。
池塘水體中氨氮的主要來(lái)源是池水和底泥中含氮有機(jī)物的分解及水生生物的代謝。尤其在高投入、高產(chǎn)出的池塘中人為的大量投餌、施肥使池塘中含氮有機(jī)廢物數(shù)量增加；放養(yǎng)的密度大，生物代謝旺盛，排泄廢物氨的數(shù)量增多。氨的增加速率大大超過(guò)了浮游植物利用極限，至使氨在水中積累。
水產(chǎn)養(yǎng)殖過(guò)程中，蛋白質(zhì)消化的副產(chǎn)物是氨氮，每100磅的飼料能產(chǎn)生大概2.2磅的氨氮，氨氮以兩種形態(tài)存在與水中，一種是離子態(tài)(NHt)，一種是非離子態(tài)(NH3)，非離子態(tài)氨氮對(duì)魚(yú)類毒性極大，必須將其轉(zhuǎn)化或是清除。
應(yīng)此，監(jiān)控水體氨氮指標(biāo)控制增氧機(jī)調(diào)節(jié)氨氮含量，對(duì)保護(hù)魚(yú)類和避免過(guò)度投放飼料有重要意義。
4、Ph控制
4.1 Ph控制意義
微生物處理去除養(yǎng)殖水體中的氨氮是比較常用的一種經(jīng)濟(jì)、有效的方法，即建立一個(gè)生物活性濾池，在生物濾池中形成的生物膜上進(jìn)行硝化反應(yīng)，能使水中的有毒物質(zhì)氨氮轉(zhuǎn)化為毒性較低的硝酸鹽并從水體中排放出來(lái)，達(dá)到去除氨氮的目的。
硝化過(guò)程中主要依靠的是硝化細(xì)菌，硝化細(xì)菌數(shù)量關(guān)系到去除氨氮的效果。通過(guò)實(shí)驗(yàn)證明，pH值直接影響到硝化細(xì)菌和反硝化細(xì)菌的數(shù)量，偏堿性的水質(zhì)有利于硝化菌群生長(zhǎng)。pH值在7.5時(shí)，氨氮去除效果能夠滿足現(xiàn)
有工廠化養(yǎng)殖所要求的非離子氨≤0. 05 mg/L，亞硝酸鹽≤1 mg/L，硝酸鹽≤200 mg/L水平。
4．2控制現(xiàn)狀
國(guó)外很早就注意到pH值對(duì)水體中氨氮的形式和硝化過(guò)程的影響。有研究表明，水體pH≤7時(shí)會(huì)降低硝化細(xì)菌的活性,pH=7時(shí)，絕大部分的總氨氮是處以離子狀態(tài)的，pH=8.75時(shí)，30%的總氨氮處于非離子態(tài)，而非離子態(tài)氨對(duì)魚(yú)類毒性極大。生物膜去除氨氮的過(guò)程中要將pH值控制在7左右， pH值下降，影響魚(yú)類生存。
4.3 pH自動(dòng)控制的實(shí)現(xiàn)
pH自動(dòng)控制的目標(biāo)是保持pH值一直在7～8之間。工業(yè)領(lǐng)域和環(huán)保領(lǐng)域廣泛采用pH自動(dòng)控制系統(tǒng)，使用的是變頻器調(diào)節(jié)水泵加中和劑（生石灰）或是使用調(diào)節(jié)閥添加中和劑。
對(duì)于工廠化水產(chǎn)養(yǎng)殖而言pH值變化范圍不大，變化速度也比較緩慢，所以不需要使用變頻器或調(diào)節(jié)閥之類昂貴的執(zhí)行件，應(yīng)該使用電磁閥。
pH自動(dòng)控制系統(tǒng)是周期采樣控制，由傳感器將檢測(cè)到的水體pH值數(shù)據(jù)送至電磁閥控制開(kāi)關(guān)。
5水質(zhì)監(jiān)控系統(tǒng)
養(yǎng)殖有許多需要關(guān)注的參數(shù)，有些參數(shù)是相互關(guān)聯(lián)的，為了便于實(shí)時(shí)調(diào)控養(yǎng)殖水質(zhì)，需要將重要的參數(shù)檢測(cè)出來(lái)，加以整合后集中顯示和控制，這就是實(shí)時(shí)水質(zhì)監(jiān)控系統(tǒng)。水質(zhì)監(jiān)控系統(tǒng)就是采用電子非電量電測(cè)對(duì)水中的氨氮、溫度，pH值，溶氧量，硬度等4個(gè)主要影響魚(yú)類生長(zhǎng)的主要水質(zhì)參數(shù)進(jìn)行適時(shí)的檢測(cè)，并在現(xiàn)場(chǎng)和遠(yuǎn)程終端顯示出來(lái)，方便漁業(yè)管理部門或是養(yǎng)殖人員隨時(shí)了解養(yǎng)殖情況，并可以進(jìn)行一些操作，如開(kāi)關(guān)閥門，還要對(duì)一些參數(shù)進(jìn)行控制，根據(jù)數(shù)據(jù)比較計(jì)算的緒果發(fā)出指令由自動(dòng)控制系統(tǒng)進(jìn)行糾正。
水質(zhì)參數(shù)的檢測(cè)主要通過(guò)各種基于不同原理的水下傳感器來(lái)實(shí)現(xiàn)。傳感器將收集的數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)現(xiàn)場(chǎng)控制器處理控制增氧或加藥機(jī)，發(fā)出控制指令，改變水質(zhì)參數(shù)以達(dá)到養(yǎng)殖要求。
進(jìn)而可以通過(guò)無(wú)線傳輸方式將數(shù)據(jù)匯總到監(jiān)控中心，或者發(fā)送到云端，養(yǎng)殖戶通過(guò)手機(jī)上網(wǎng)查看水質(zhì)情況。當(dāng)出現(xiàn)水質(zhì)報(bào)警時(shí)，發(fā)送報(bào)警短信信息到用戶手機(jī)，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控。
水質(zhì)監(jiān)系統(tǒng)特點(diǎn)是自動(dòng)化程度高，能做到連續(xù)監(jiān)控，及時(shí)地保證養(yǎng)殖水體滿足要求，同時(shí)還能降低如增氧系統(tǒng)，投飼系統(tǒng)等其他系統(tǒng)的能量損耗。這一技術(shù)是工業(yè)化養(yǎng)魚(yú)與傳統(tǒng)漁業(yè)重要區(qū)別，能充分體現(xiàn)了工業(yè)化養(yǎng)魚(yú)的先進(jìn)性，是高效率，高科技的象征。
6、實(shí)施方案
方案1、養(yǎng)殖環(huán)境水質(zhì)現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控系統(tǒng):
序號(hào) 設(shè)備名稱 數(shù)量 單位 價(jià)格 備注
1 氨氮在線檢測(cè)儀 1 套
2 Ph在線檢測(cè)儀 1 套
3 溫度在線檢測(cè)儀 1 套
4 溶解氧在線檢測(cè)儀 1 套
5 鹽度 1 套
6 控制箱 1 個(gè)
合計(jì)
該方案適合個(gè)體養(yǎng)殖戶，現(xiàn)場(chǎng)單機(jī)監(jiān)測(cè)控制，無(wú)遠(yuǎn)程查看、報(bào)警功能，基本型配置。
方案2、養(yǎng)殖環(huán)境水質(zhì)云監(jiān)控系統(tǒng):
序號(hào) 設(shè)備名稱 數(shù)量 單位 價(jià)格 備注
1 氨氮在線檢測(cè)儀 1 套
2 Ph在線檢測(cè)儀 1 套
3 溫度在線檢測(cè)儀 1 套
4 溶解氧在線檢測(cè)儀 1 套
5 鹽度在線檢測(cè)儀 1 套
6 無(wú)線傳輸組網(wǎng)模塊 1 套 數(shù)據(jù)采集、傳輸、輸出控制
7 控制箱 1 個(gè)
8 云端軟件 1 套
9 系統(tǒng)服務(wù)年費(fèi) 1年
10 系統(tǒng)集成費(fèi)
合計(jì)
該方案為規(guī)模養(yǎng)殖，現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控與云端監(jiān)控結(jié)合，允許增加多點(diǎn)監(jiān)控，性價(jià)比高，專業(yè)型配置。
方案3、養(yǎng)殖環(huán)境水質(zhì)終端監(jiān)控系統(tǒng)
序號(hào) 設(shè)備名稱 數(shù)量 單位 價(jià)格 備注
1 氨氮在線檢測(cè)儀 1 套
2 Ph在線檢測(cè)儀 1 套
3 溫度在線檢測(cè)儀 1 套
4 溶解氧在線檢測(cè)儀 1 套
5 余氯在線檢測(cè)儀 1 套 水質(zhì)消毒劑自動(dòng)控制
6 濁度在線檢測(cè)儀 1 套 水質(zhì)濁度、浮游生物檢測(cè)
7 鹽度在線檢測(cè)儀 1 套
8 控制箱 1 個(gè)
9 現(xiàn)場(chǎng)工業(yè)服務(wù)器 1臺(tái) 數(shù)據(jù)采集、傳輸、輸出控制
10 終端軟件 1 套 后臺(tái)監(jiān)控、數(shù)據(jù)管理統(tǒng)計(jì)輸出
11 電腦 1 臺(tái) 可自配
12 系統(tǒng)集成費(fèi)
合計(jì)
該方案適合大型企業(yè)的工業(yè)化養(yǎng)殖，多點(diǎn)組網(wǎng)監(jiān)控，便于漁業(yè)管理部門預(yù)警監(jiān)控，管理型配置。
7、意義及效益分析
漁業(yè)養(yǎng)殖水環(huán)境實(shí)時(shí)監(jiān)控的三種方式，即現(xiàn)場(chǎng)控制基本型、云端多點(diǎn)組網(wǎng)專業(yè)型、工業(yè)化系統(tǒng)管理型。
實(shí)施可以從現(xiàn)場(chǎng)型系統(tǒng)開(kāi)始，隨需求增加至云端專業(yè)型，當(dāng)一個(gè)行政區(qū)域內(nèi)應(yīng)用的漁業(yè)養(yǎng)殖單位達(dá)到一定數(shù)量，可由漁業(yè)主管部門協(xié)調(diào)升級(jí)至工業(yè)化系統(tǒng)管理型。
該項(xiàng)技術(shù)的應(yīng)用，將是水產(chǎn)養(yǎng)殖技術(shù)的一場(chǎng)革命，徹底改變過(guò)去靠個(gè)人經(jīng)驗(yàn)養(yǎng)殖的歷史。通過(guò)對(duì)水產(chǎn)養(yǎng)殖環(huán)境進(jìn)行定量的數(shù)字化管理，提高養(yǎng)殖科學(xué)性。
1、通過(guò)水體控制，合理增加放養(yǎng)密度，達(dá)到增產(chǎn)30%。
2、減少人工使用和勞動(dòng)強(qiáng)度，提高勞動(dòng)生產(chǎn)率，降低成本20%。
3、節(jié)能減排，精確測(cè)量與控制，做到精準(zhǔn)增氧、精準(zhǔn)投喂、降低餌料投放，節(jié)省換水次數(shù)與用電量50%。
4、提高產(chǎn)品品質(zhì)，減少魚(yú)病，增加收益10%。
利用該項(xiàng)新技術(shù)，年綜合提高收益30%以上。1-2年可以收回投入成本。是一項(xiàng)值得推廣的革命性新技術(shù)應(yīng)用。