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物联网在工厂化水产养殖中的应用分析
资料介绍
物联网技术在工厂化水产养殖中的不断应用,有利于养殖信息采集的自动化、养殖设备控制的智能化、养殖过程管理的科学化.本文结合国内外相关文献及实地调研数据,从通信技术、设备和智能化管理3个方面分析了物联网在工厂化水产养殖物中的应用现状,总结出当前发展趋势为NB-IoT无线通信技术、低成本免维护传感技术、基于模型预测的设备控制、全系统架构的低功耗发展模式、高集成度的养殖管理系统,并从国家政策、设备国产化、示范基地建立、应用系统性能、人才培养、企业信息化管理等方面提出了发展建议,以期为物联网技术在工厂化水产养殖中的应用提供参考.
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（完整内容请下载后查看）第 46 卷第 4 期
2019 年 8 月
Vol. 46ꢀ No. 4
Aug. 2019
渔 业 现 代 化
FISHERY MODERNIZATION
DOI:10． 3969 / j． issn． 1007-9580． 2019． 04． 002
物联网在工厂化水产养殖中的应用分析
赵圣涛,常ꢀ 青,刘ꢀ 慧,王建坤
(中国水产科学研究院黄海水产研究所,山东 青岛 266071)
摘要:物联网技术在工厂化水产养殖中的不断应用,有利于养殖信息采集的自动化、养殖设备控制的智能化、
养殖过程管理的科学化。 本文结合国内外相关文献及实地调研数据,从通信技术、设备和智能化管理 3 个方
面分析了物联网在工厂化水产养殖物中的应用现状,总结出当前发展趋势为 NB ꢁ IoT 无线通信技术、低成本
免维护传感技术、基于模型预测的设备控制、全系统架构的低功耗发展模式、高集成度的养殖管理系统,并从
国家政策、设备国产化、示范基地建立、应用系统性能、人才培养、企业信息化管理等方面提出了发展建议,以
期为物联网技术在工厂化水产养殖中的应用提供参考。
关键词:物联网;工厂化水产养殖;应用;渔业
中图分类号:S969ꢀ ꢀ ꢀ 文献标志码:Aꢀ ꢀ ꢀ 文章编号:1007-9580(2019)04-008-06
ꢀ ꢀ 经过近几年的培育和探索,全球物联网市场
快速拓展,在诸多领域加速渗透,物联网正处于大
规模爆发式增长的前夜[1] 。 物联网在现代渔业
中的应用,可以为渔业发展提供先进、实用的解决
方案和技术手段,实现水产养殖信息采集便携化、
数字化以及养殖作业自动化、精准化,对于保障渔
业生产高产、高效、优质、安全、生态,促进渔业结
构调整和转型升级具有重要意义[2] 。 中国水产
养殖业发展迅速,2018 年养殖产量超过 5 000 万
t[3] 。 工厂化水产养殖作为一种集约化养殖生产
模式,近年来发展较为迅速。 物联网技术的不断
发展,为工厂化水产养殖带来了更加自动化、精准
化、智能化的生产条件。 本文结合国内外相关文
献及实地调研数据,从通信技术、设备和智能化管
理 3 个方面分析物联网在工厂化水产养殖中的应
用现状和发展趋势,并提出相应的发展建议,以期
为物联网技术在工厂化水产养殖中的应用提供
参考。
络架构分为感知层、网络层、应用层[4] 。 近几年,
随着物联网技术的不断发展,水产养殖物联网已
在中国不少地区进行试验,或进行了产业化初步
应用,取得明显效果。 物联网系统在国内水产养
殖领域的应用和试点已遍布山东、江苏、上海、天
津等 20 多个省、市[5 ꢁ 6] 。 在欧美发达国家,集成
自动化环境监测功能的循环水养殖系统已广泛应
用于水产养殖[7] 。 水产养殖物联网技术的发展,
有望成为传统水产养殖生产向现代化转变的助推
器和加速器[8]
。
1. 1ꢀ 物联网通信技术应用现状和发展趋势
1. 1. 1ꢀ 应用现状
物联网在工厂化水产养殖的应用,需要结合
行业特点、领域特征,选用与之相适应的通信技
术。 在工厂化水产养殖领域的物联网感知层,传
感器、养殖设备与采集通信设备通常采用 RS ꢁ
485 通信端口布线直连或 ZigBee 无线组网技术进
行数据传输[9 ꢁ 13] 。 感知设备一般采用 Modbus 数
据通信协议与数据采集节点、设备控制节点进行
数据交互[14 ꢁ 15] 。 在网络层,根据养殖场地条件的
不同,传感数据选择有线传输或无线传输方式进
行通信。 有线网络方式布线复杂,采用无线传感
器技术或者多参数水质传感器的研究和应用较
1ꢀ 国内外应用现状
物联网是通过智能传感器、射频识别(RFID)
等信息传感设备,按照约定的通信协议,把物品与
互联网连接起来,进行信息交换和通信,其基础网
收稿日期:2019-02-08
基金项目:中国水产科学研究院黄海水产研究所基本科研业务费资助项目(20603022018030)
万方数据
作者简介:赵圣涛(1988—),男,工程师,研究方向:渔业信息技术。 E-mail:zhaost@ ysfri. ac. cn
第 4 期
赵圣涛等:物联网在工厂化水产养殖中的应用分析
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多。 现阶段的应用中,数据采集节点、设备控制节
点一般 选 择 PLC 设 备 或 是 单 片 机 嵌 入 式 设
应用水质检测传感器可实现对养殖水质的实时、
自动检测。 物联网系统中溶氧传感器应用非常广
泛,氨氮传感器因价格较高,应用范围相对较小。
目前传感器市场主要由美国、日本、德国的几家龙
头公司主导,国内传感器产业呈现低端过剩、中高
端被国外垄断的市场格局。 调研的养殖企业在搭
建物联网系统时,多选用价格较低的国产品牌传
感器,虽然能够为养殖过程提供有效的数据参考,
但在精确度、维护性上有待提高。
备
[16 ꢁ 21] 。 设备控制节点采用 PLC 或者嵌入式终
端进行控制时,带有一定量的本地存储空间,能够
对感知数据按照周期进行存储和查询。 带有通信
协议的透明转发功能,将来自应用系统的数据直
接转发给感知设备处理,处理结果不做任何改动
直接返回给应用系统。 功能较完善的节点带有液
晶屏及按键,能够现场设置和查看感知设备、通信
参数等功能。 在应用层的网络通信技术选择方
面,影像设备的视频、图片数据传输占用较高的带
宽和资源,多数情况下采用光纤、以太网或 WiFi
无线网络传输[22 ꢁ 23] 。 水质传感数据、养殖设备交
互数据通信量较小,网络带宽资源需求不高,选用
GPRS 或者 ZigBee 组网技术进行物联网数据传输
工厂化水产养殖中的常见的养殖设备主要有
增氧机、投饲机、光照装置、蓄水泵、微滤机、蛋白
分离器等。 通过对设备的自动化控制,可以对养
殖水体和微生态环境的一些重要参数进行调节和
控制,最大限度地发挥工厂化养殖的效能,达到精
准控制养殖生产过程的目的。 相比于以往的人工
控制,采用物联网自动调控设备能实现水质参数
的精准调控,自动处理,有效控制投入品的过度使
用,减少水产养殖对环境的污染。 现阶段,对设备
运行状态的控制多是通过调控养殖设备接入的继
电器、变频器来实现。 在调研的企业中,增氧机是
规模化水产养殖的必备设备,也是最为常见的物
联网远程调控设备,蓄水泵、光照装置在部分企业
也实现了远程调控,其他设备则多选择本地自动
调控或者人工控制。
较为常见[24 ꢁ 28]
1. 1. 2ꢀ 发展趋势
无线通信技术在水质监测方面的发展趋势更
。
加明显。 特别是具有广覆盖、大连接的窄带蜂窝
物联网(NB ꢁ IoT) 技术,非常适合水产行业通信
数据量较低、传输延时要求不高的应用场景。 例
如,宦娟等[29] 使用窄带物联网技术不仅实现了水
质监测系统,还可远程控制增氧机;安东等[30]
采
用 NB ꢁ IoT 技术实现可远程实时查看水质参数
的管理系统。 各种基于 NB ꢁ IoT 技术的水产养
殖系统,有利于推动该技术在工厂化水产养殖领
域的发展应用,进而形成海量连接的大数据平台。
具有传输速率快、容量大的 5G 技术商用服务的
开启,可为水产养殖领域提供大数据、高速率的应
用前景。 5G 技术必然会为水产养殖带来颠覆式
的变革[31 ꢁ 32] ,进一步赋能物联网工厂化水产养殖
通信技术的转变。
1. 2. 2ꢀ 发展趋势
水质传感器正在往高精度、低成本、少维护的
方向发展。 例如,房景辉等[33] 对不同实现原理的
溶氧传感器在精度及维护上的对比试验;陈强
等[34] 研制基于氧敏感膜荧光特性的低成本溶解
氧传感器;沈杜海[35] 研制高精度和高稳定性传感
器。 通过技术研究与产品研制,传感器精度和成
本将持续优化,产品竞争力不断提高。 随着传感
器线路结构简化以及清水清洁装置、超声波、电动
毛刷、喷气清洁等各种方法[36 ꢁ 40] 的深入发展,传
感器的维护将更加便捷,维护成本不断降低。
物联网系统可远程调控的养殖设备种类正逐
渐增多,设备调控策略也逐渐从定时控制、阈值判
断向机器学习、模型预测、数据分析方向转变。 例
如,基于主成分分析及神经网络建立预测性强、误
差较小的养殖模型[41 ꢁ 42] ,逐渐改变着养殖调控策
略。 随着设备智能控制技术的不断成熟,养殖设
备将逐渐淘汰加装外置控制器的调控方式,向具
1. 2ꢀ 物联网设备应用现状与发展趋势
1. 2. 1ꢀ 应用现状
通过调研,发现在物联网系统搭建中常用到
的设备有水质检测传感器与可远程调控的养殖设
备。 工厂化水产养殖中常用的水质检测传感器包
括溶氧、pH、温度、水位、氨氮等类型。 通过传感
器进行数据采集,可以对温度、光照、pH、溶氧、浊
度、盐度、氨氮等水质参数进行实时采集,能够实
时监测养殖环境信息,预警异常情况,及时采取措
万方数据
施,降低损失。 相比于通过人工经验或采集水样,
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