南美白对虾(Penaeus vannameiBoon)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。

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，部分养殖户整夜开启增氧机增氧，增加了养殖成本，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，并通过开展完整周期的南美白对虾池塘养殖试验进行了系统应用效果评价。

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池塘精准养殖系统

池塘精准养殖系统通过系统软硬件设备设施的集成，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。

图1 系统结构

系统运行流程如图2所示。

图2 系统工作流程

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试验设计与系统集成

2.1

试验设计

试验在江苏省常熟市南美白对虾养殖池塘开展，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、2.5m。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、光合有效辐射量等气象指标；控制器采集频率5s/次，服务器采集频率1min/次，数据库存储频率10min/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、氧分压等水质参数；控制器采集频率5s/次，服务器采集频率1min/次，数据库存储频率10min/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，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3kW，交流电电压380V，3台；水车式增氧机，功率3kW，交流电电压380V，2台。

应急增氧控制方案

溶解氧浓度小于4.0mg/L时启动增氧机，增氧至溶解氧浓度大于等于5.5mg/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4.0~6.5mg/L，7档水流搅动速度（25~50Hz），溶解氧浓度大于6.5mg/L时以最低运行频率（25Hz）搅动水流；当溶解氧浓度低于4.0mg/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

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。系统网络拓扑结构如图3所示。

图3 系统网络拓扑结构

设备安装

3台叶轮式增氧机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50cm，pH传感器的安装深度为100cm，气象站安装于池塘岸边。设备安装排布如图4所示。

图4 设备安装排布

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150W/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订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—29日共计3d的水质监测数据进行分析，水质变化曲线见图5。

图5 水质的变化曲线

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。

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—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，能够明显改善水体质量，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。

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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。

作者：马晓飞，袁永明*，张红燕，沈楠楠

单位：中国水产科学研究院淡水渔业研究中心

简介：马晓飞，助理研究员，硕士，从事渔业经济与信息技术研究。*通信作者，研究员，硕士生导师，从事渔业经济与信息技术研究。