趙圣濤，常 青，劉 慧，王建坤

(中國水產(chǎn)科學(xué)研究院黃海水產(chǎn)研究所，山東 青島 266071)

經(jīng)過近幾年的培育和探索，全球物聯(lián)網(wǎng)市場快速拓展，在諸多領(lǐng)域加速滲透，物聯(lián)網(wǎng)正處于大規(guī)模爆發(fā)式增長的前夜[1]。物聯(lián)網(wǎng)在現(xiàn)代漁業(yè)中的應(yīng)用，可以為漁業(yè)發(fā)展提供先進、實用的解決方案和技術(shù)手段，實現(xiàn)水產(chǎn)養(yǎng)殖信息采集便攜化、數(shù)字化以及養(yǎng)殖作業(yè)自動化、精準(zhǔn)化，對于保障漁業(yè)生產(chǎn)高產(chǎn)、高效、優(yōu)質(zhì)、安全、生態(tài)，促進漁業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整和轉(zhuǎn)型升級具有重要意義[2]。中國水產(chǎn)養(yǎng)殖業(yè)發(fā)展迅速，2018年養(yǎng)殖產(chǎn)量超過5 000萬t[3]。工廠化水產(chǎn)養(yǎng)殖作為一種集約化養(yǎng)殖生產(chǎn)模式，近年來發(fā)展較為迅速。物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的不斷發(fā)展，為工廠化水產(chǎn)養(yǎng)殖帶來了更加自動化、精準(zhǔn)化、智能化的生產(chǎn)條件。本文結(jié)合國內(nèi)外相關(guān)文獻及實地調(diào)研數(shù)據(jù)，從通信技術(shù)、設(shè)備和智能化管理3個方面分析物聯(lián)網(wǎng)在工廠化水產(chǎn)養(yǎng)殖中的應(yīng)用現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢，并提出相應(yīng)的發(fā)展建議，以期為物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在工廠化水產(chǎn)養(yǎng)殖中的應(yīng)用提供參考。

1 國內(nèi)外應(yīng)用現(xiàn)狀

物聯(lián)網(wǎng)是通過智能傳感器、射頻識別(RFID)等信息傳感設(shè)備，按照約定的通信協(xié)議，把物品與互聯(lián)網(wǎng)連接起來，進行信息交換和通信，其基礎(chǔ)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)分為感知層、網(wǎng)絡(luò)層、應(yīng)用層[4]。近幾年，隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的不斷發(fā)展，水產(chǎn)養(yǎng)殖物聯(lián)網(wǎng)已在中國不少地區(qū)進行試驗，或進行了產(chǎn)業(yè)化初步應(yīng)用，取得明顯效果。物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)在國內(nèi)水產(chǎn)養(yǎng)殖領(lǐng)域的應(yīng)用和試點已遍布山東、江蘇、上海、天津等20多個省、市[5-6]。在歐美發(fā)達國家，集成自動化環(huán)境監(jiān)測功能的循環(huán)水養(yǎng)殖系統(tǒng)已廣泛應(yīng)用于水產(chǎn)養(yǎng)殖[7]。水產(chǎn)養(yǎng)殖物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展，有望成為傳統(tǒng)水產(chǎn)養(yǎng)殖生產(chǎn)向現(xiàn)代化轉(zhuǎn)變的助推器和加速器[8]。

1.1 物聯(lián)網(wǎng)通信技術(shù)應(yīng)用現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢

1.1.1 應(yīng)用現(xiàn)狀

物聯(lián)網(wǎng)在工廠化水產(chǎn)養(yǎng)殖的應(yīng)用，需要結(jié)合行業(yè)特點、領(lǐng)域特征，選用與之相適應(yīng)的通信技術(shù)。在工廠化水產(chǎn)養(yǎng)殖領(lǐng)域的物聯(lián)網(wǎng)感知層，傳感器、養(yǎng)殖設(shè)備與采集通信設(shè)備通常采用RS-485通信端口布線直連或ZigBee無線組網(wǎng)技術(shù)進行數(shù)據(jù)傳輸[9-13]。感知設(shè)備一般采用Modbus數(shù)據(jù)通信協(xié)議與數(shù)據(jù)采集節(jié)點、設(shè)備控制節(jié)點進行數(shù)據(jù)交互[14-15]。在網(wǎng)絡(luò)層，根據(jù)養(yǎng)殖場地條件的不同，傳感數(shù)據(jù)選擇有線傳輸或無線傳輸方式進行通信。有線網(wǎng)絡(luò)方式布線復(fù)雜，采用無線傳感器技術(shù)或者多參數(shù)水質(zhì)傳感器的研究和應(yīng)用較多?，F(xiàn)階段的應(yīng)用中，數(shù)據(jù)采集節(jié)點、設(shè)備控制節(jié)點一般選擇PLC設(shè)備或是單片機嵌入式設(shè)備[16-21]。設(shè)備控制節(jié)點采用PLC或者嵌入式終端進行控制時，帶有一定量的本地存儲空間，能夠?qū)Ω兄獢?shù)據(jù)按照周期進行存儲和查詢。帶有通信協(xié)議的透明轉(zhuǎn)發(fā)功能，將來自應(yīng)用系統(tǒng)的數(shù)據(jù)直接轉(zhuǎn)發(fā)給感知設(shè)備處理，處理結(jié)果不做任何改動直接返回給應(yīng)用系統(tǒng)。功能較完善的節(jié)點帶有液晶屏及按鍵，能夠現(xiàn)場設(shè)置和查看感知設(shè)備、通信參數(shù)等功能。在應(yīng)用層的網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)選擇方面，影像設(shè)備的視頻、圖片數(shù)據(jù)傳輸占用較高的帶寬和資源，多數(shù)情況下采用光纖、以太網(wǎng)或WiFi無線網(wǎng)絡(luò)傳輸[22-23]。水質(zhì)傳感數(shù)據(jù)、養(yǎng)殖設(shè)備交互數(shù)據(jù)通信量較小，網(wǎng)絡(luò)帶寬資源需求不高，選用GPRS或者ZigBee組網(wǎng)技術(shù)進行物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)傳輸較為常見[24-28]。

1.1.2 發(fā)展趨勢

無線通信技術(shù)在水質(zhì)監(jiān)測方面的發(fā)展趨勢更加明顯。特別是具有廣覆蓋、大連接的窄帶蜂窩物聯(lián)網(wǎng)(NB-IoT)技術(shù)，非常適合水產(chǎn)行業(yè)通信數(shù)據(jù)量較低、傳輸延時要求不高的應(yīng)用場景。例如，宦娟等[29]使用窄帶物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)不僅實現(xiàn)了水質(zhì)監(jiān)測系統(tǒng)，還可遠程控制增氧機；安東等[30]采用NB-IoT技術(shù)實現(xiàn)可遠程實時查看水質(zhì)參數(shù)的管理系統(tǒng)。各種基于NB-IoT技術(shù)的水產(chǎn)養(yǎng)殖系統(tǒng)，有利于推動該技術(shù)在工廠化水產(chǎn)養(yǎng)殖領(lǐng)域的發(fā)展應(yīng)用，進而形成海量連接的大數(shù)據(jù)平臺。具有傳輸速率快、容量大的5G技術(shù)商用服務(wù)的開啟，可為水產(chǎn)養(yǎng)殖領(lǐng)域提供大數(shù)據(jù)、高速率的應(yīng)用前景。5G技術(shù)必然會為水產(chǎn)養(yǎng)殖帶來顛覆式的變革[31-32]，進一步賦能物聯(lián)網(wǎng)工廠化水產(chǎn)養(yǎng)殖通信技術(shù)的轉(zhuǎn)變。

1.2 物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備應(yīng)用現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢

1.2.1 應(yīng)用現(xiàn)狀

通過調(diào)研，發(fā)現(xiàn)在物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)搭建中常用到的設(shè)備有水質(zhì)檢測傳感器與可遠程調(diào)控的養(yǎng)殖設(shè)備。工廠化水產(chǎn)養(yǎng)殖中常用的水質(zhì)檢測傳感器包括溶氧、pH、溫度、水位、氨氮等類型。通過傳感器進行數(shù)據(jù)采集，可以對溫度、光照、pH、溶氧、濁度、鹽度、氨氮等水質(zhì)參數(shù)進行實時采集，能夠?qū)崟r監(jiān)測養(yǎng)殖環(huán)境信息，預(yù)警異常情況，及時采取措施，降低損失。相比于通過人工經(jīng)驗或采集水樣，應(yīng)用水質(zhì)檢測傳感器可實現(xiàn)對養(yǎng)殖水質(zhì)的實時、自動檢測。物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)中溶氧傳感器應(yīng)用非常廣泛，氨氮傳感器因價格較高，應(yīng)用范圍相對較小。目前傳感器市場主要由美國、日本、德國的幾家龍頭公司主導(dǎo)，國內(nèi)傳感器產(chǎn)業(yè)呈現(xiàn)低端過剩、中高端被國外壟斷的市場格局。調(diào)研的養(yǎng)殖企業(yè)在搭建物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)時，多選用價格較低的國產(chǎn)品牌傳感器，雖然能夠為養(yǎng)殖過程提供有效的數(shù)據(jù)參考，但在精確度、維護性上有待提高。

工廠化水產(chǎn)養(yǎng)殖中的常見的養(yǎng)殖設(shè)備主要有增氧機、投飼機、光照裝置、蓄水泵、微濾機、蛋白分離器等。通過對設(shè)備的自動化控制，可以對養(yǎng)殖水體和微生態(tài)環(huán)境的一些重要參數(shù)進行調(diào)節(jié)和控制，最大限度地發(fā)揮工廠化養(yǎng)殖的效能，達到精準(zhǔn)控制養(yǎng)殖生產(chǎn)過程的目的。相比于以往的人工控制，采用物聯(lián)網(wǎng)自動調(diào)控設(shè)備能實現(xiàn)水質(zhì)參數(shù)的精準(zhǔn)調(diào)控，自動處理，有效控制投入品的過度使用，減少水產(chǎn)養(yǎng)殖對環(huán)境的污染?，F(xiàn)階段，對設(shè)備運行狀態(tài)的控制多是通過調(diào)控養(yǎng)殖設(shè)備接入的繼電器、變頻器來實現(xiàn)。在調(diào)研的企業(yè)中，增氧機是規(guī)?；a(chǎn)養(yǎng)殖的必備設(shè)備，也是最為常見的物聯(lián)網(wǎng)遠程調(diào)控設(shè)備，蓄水泵、光照裝置在部分企業(yè)也實現(xiàn)了遠程調(diào)控，其他設(shè)備則多選擇本地自動調(diào)控或者人工控制。

1.2.2 發(fā)展趨勢

水質(zhì)傳感器正在往高精度、低成本、少維護的方向發(fā)展。例如，房景輝等[33]對不同實現(xiàn)原理的溶氧傳感器在精度及維護上的對比試驗；陳強等[34]研制基于氧敏感膜熒光特性的低成本溶解氧傳感器；沈杜海[35]研制高精度和高穩(wěn)定性傳感器。通過技術(shù)研究與產(chǎn)品研制，傳感器精度和成本將持續(xù)優(yōu)化，產(chǎn)品競爭力不斷提高。隨著傳感器線路結(jié)構(gòu)簡化以及清水清潔裝置、超聲波、電動毛刷、噴氣清潔等各種方法[36-40]的深入發(fā)展，傳感器的維護將更加便捷，維護成本不斷降低。

物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)可遠程調(diào)控的養(yǎng)殖設(shè)備種類正逐漸增多，設(shè)備調(diào)控策略也逐漸從定時控制、閾值判斷向機器學(xué)習(xí)、模型預(yù)測、數(shù)據(jù)分析方向轉(zhuǎn)變。例如，基于主成分分析及神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)建立預(yù)測性強、誤差較小的養(yǎng)殖模型[41-42]，逐漸改變著養(yǎng)殖調(diào)控策略。隨著設(shè)備智能控制技術(shù)的不斷成熟，養(yǎng)殖設(shè)備將逐漸淘汰加裝外置控制器的調(diào)控方式，向具備和開放遠程集成調(diào)用接口的調(diào)控方式發(fā)展，進一步提高智能化、自動化程度。

1.3 智能化管理應(yīng)用現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢

1.3.1 應(yīng)用現(xiàn)狀

物聯(lián)網(wǎng)時代的工廠化水產(chǎn)養(yǎng)殖融合了養(yǎng)殖技術(shù)、裝備技術(shù)和信息技術(shù)，在數(shù)據(jù)分析的基礎(chǔ)上，結(jié)合生產(chǎn)需要對養(yǎng)殖過程進行分類、差別化精準(zhǔn)管理，實現(xiàn)對水產(chǎn)動物生長的調(diào)控。目前，物聯(lián)網(wǎng)在工廠化水產(chǎn)養(yǎng)殖的智能化管理，主要集中在水質(zhì)自動監(jiān)測、設(shè)備智能控制和視覺智能管理3個方面。

水質(zhì)自動監(jiān)測方面，國內(nèi)外在水質(zhì)監(jiān)測的數(shù)據(jù)方面均能夠達到多參數(shù)實時監(jiān)測，同時通過系統(tǒng)消息或短信發(fā)送方式預(yù)警異常狀態(tài)，有利于降低人工檢測成本，提高水質(zhì)異常處理能力。Khalid等[43]設(shè)計的工廠化循環(huán)水水質(zhì)監(jiān)測系統(tǒng)，能夠采集水溫和水位信息，在超過限值時開啟蜂鳴器和LED進行告警。張國強等[44]設(shè)計的基于無線通信平臺的養(yǎng)殖水質(zhì)監(jiān)測系統(tǒng)，通過采集水溫和pH實時數(shù)據(jù)，出現(xiàn)異常時及時發(fā)送短信預(yù)警。徐龍琴等[45]在湛江南美白對蝦工廠化育苗基地應(yīng)用智能監(jiān)控系統(tǒng)，能較好地滿足水質(zhì)遠程監(jiān)控和信息化管理要求。

設(shè)備智能控制方面，國內(nèi)外設(shè)備控制系統(tǒng)一般與水質(zhì)監(jiān)測相結(jié)合，能夠根據(jù)策略遠程調(diào)控換水流量、增氧時間、飼料投喂等。在國外，德國和丹麥在設(shè)備控制方面的技術(shù)處于世界領(lǐng)先水平，系統(tǒng)可以根據(jù)限值自動調(diào)控設(shè)備，自動化水平高[46]。韓國Israr Ullah等[47]設(shè)計了通過水位傳感器數(shù)據(jù)進行自動優(yōu)化控制調(diào)節(jié)水泵流量的系統(tǒng)。南非Smart Farming公司推出的氧氣及水流控制系統(tǒng)中，集成了水質(zhì)及流量監(jiān)控、飼料消耗等模塊[48]。在國內(nèi)，戚翠戰(zhàn)等[49]建立的冷水魚工廠化循環(huán)水養(yǎng)殖自動化控制系統(tǒng)，依據(jù)水質(zhì)參數(shù)進行優(yōu)化分析和處理，實現(xiàn)養(yǎng)殖設(shè)備的自動化控制。福州市首個工廠化循環(huán)水養(yǎng)殖智能化設(shè)備示范項目，可通過手機客戶端實現(xiàn)水質(zhì)參數(shù)、養(yǎng)殖設(shè)備的調(diào)控，保持水溫等養(yǎng)殖環(huán)境恒定[50]。福安市采用工廠化循環(huán)水智能養(yǎng)殖歐鰻技術(shù)，包括水質(zhì)在線監(jiān)控系統(tǒng)和設(shè)備智能調(diào)控系統(tǒng)，節(jié)省電能，保證水體環(huán)境正常[51]。湖州市采用智能化循環(huán)水養(yǎng)殖系統(tǒng)，可遠程查看水質(zhì)告警信息和調(diào)控養(yǎng)殖設(shè)備，整個工廠化車間僅需1名工人，大大降低了人工成本[52]。

視覺智能管理方面，通過智能攝像頭獲取的影像數(shù)據(jù)，結(jié)合智能識別算法、視覺分析軟件，可以為魚類生長狀況、精準(zhǔn)投喂提供可視化支持。在國外，Pinkiewicz等[53]通過視覺軟件分析魚類的視頻數(shù)據(jù)，研究魚類游動速度及方向。Pautsina等[54]采用紅外反射圖像分析的方式，自動監(jiān)測魚類位置及游動軌跡。在國內(nèi)，穆春華等[55]在山東東方海洋養(yǎng)殖基地通過部署監(jiān)控系統(tǒng)，經(jīng)過圖像獲取和算法分析進行飼料殘留識別，可為投飼量提供參考依據(jù)。邢俊等[56]通過水下攝像頭視頻圖像智能分析，自動識別魚群健康信息及運動軌跡。與對廠區(qū)進行基本的安防視頻監(jiān)控管理相比，國內(nèi)基于視覺智能分析管理的養(yǎng)殖戶較少，部署規(guī)模較小。

1.3.2 發(fā)展趨勢

智能化管理系統(tǒng)正向高集成度、綜合一體化方向發(fā)展。例如，法國Ifishienci項目建立可以集成物聯(lián)網(wǎng)監(jiān)測系統(tǒng)、人工智能控制系統(tǒng)、魚類行為分析系統(tǒng)的智能養(yǎng)殖平臺[57]。挪威VARD公司的智能投料系統(tǒng)可集成傳感器數(shù)據(jù)，實現(xiàn)遠程自動調(diào)控投飼設(shè)備，方便了整個投喂和養(yǎng)殖過程[58]。薛盛友等[59]開發(fā)了水質(zhì)參數(shù)實時監(jiān)控系統(tǒng)與產(chǎn)品追溯系統(tǒng)集成。各類綜合養(yǎng)殖平臺的應(yīng)用探索，杜絕了單一功能的信息系統(tǒng)孤島，將各類功能整合開發(fā)，使管理系統(tǒng)的集成度不斷提高，信息資源共享更加全面。

水質(zhì)監(jiān)測系統(tǒng)和設(shè)備智能控制系統(tǒng)正在向著全系統(tǒng)架構(gòu)的低功耗模式發(fā)展。不管是從感知數(shù)據(jù)量到網(wǎng)絡(luò)路徑選擇，還是從設(shè)備節(jié)點工作機制到應(yīng)用系統(tǒng)智能判斷，都在助推系統(tǒng)的節(jié)能降耗。例如，通過智能優(yōu)化算法減少數(shù)據(jù)發(fā)送量[60]；采用網(wǎng)絡(luò)路徑選擇、協(xié)議優(yōu)化的方式降低系統(tǒng)成本[61]；通過數(shù)據(jù)采集節(jié)點自動進入休眠狀態(tài)達到節(jié)能效果[62]；使用MEWMA方法對各水質(zhì)參數(shù)進行綜合分析減少誤報[63]。系統(tǒng)通過多種低功耗方式，實現(xiàn)數(shù)據(jù)通信可控、設(shè)備調(diào)控準(zhǔn)確，使整體功耗不斷降低，穩(wěn)定性逐漸提高。視覺智能管理向著高準(zhǔn)確率、自動調(diào)控的方向發(fā)展。視覺分析算法的準(zhǔn)確率不斷提高，不僅可以為設(shè)備自動調(diào)控提供有效的判定依據(jù)，還有利于推動視覺智能管理系統(tǒng)的廣泛應(yīng)用。

2 建議

2.1 加大國家政策的支持力度，引導(dǎo)資金進入水產(chǎn)養(yǎng)殖領(lǐng)域，鼓勵設(shè)備國產(chǎn)化

物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在工廠化水產(chǎn)養(yǎng)殖領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用，需要國家加大惠農(nóng)政策的支持力度。引導(dǎo)社會資金投入到水產(chǎn)養(yǎng)殖行業(yè)，并出臺相應(yīng)激勵政策，給予物聯(lián)網(wǎng)供應(yīng)商、應(yīng)用企業(yè)更大的補貼獎勵扶持力度。鼓勵物聯(lián)網(wǎng)開發(fā)人員進行養(yǎng)殖設(shè)備的研發(fā)、集成及應(yīng)用，形成水產(chǎn)養(yǎng)殖物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)化。加大國產(chǎn)智能設(shè)備的研發(fā)投入，特別是傳感器、控制器、循環(huán)水處理設(shè)備等，降低養(yǎng)殖戶的采購和運維成本。

2.2 開展工廠化水產(chǎn)養(yǎng)殖物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用的示范，增加示范基地、示范企業(yè)

進一步推進工廠化水產(chǎn)養(yǎng)殖物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用的試點示范工作，打造一批成效高、帶動推廣性強的項目。通過示范項目推廣成熟的物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用模式。養(yǎng)殖戶可以參考示范項目中物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用的關(guān)鍵技術(shù)、智能設(shè)備，制定自己的物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)規(guī)劃。

2.3 提高物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)兼容性、易操作性，加大專業(yè)人才培養(yǎng)力度

物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)提供商應(yīng)研發(fā)具備良好設(shè)備兼容性的系統(tǒng)，方便系統(tǒng)集成，提高系統(tǒng)的普遍適用性。系統(tǒng)設(shè)計盡量簡潔易操作，可移動端訪問，增加聲、光等異常預(yù)警提示方式。物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的研發(fā)和維護均需要既懂養(yǎng)殖又懂技術(shù)的專業(yè)人才，企業(yè)應(yīng)加大這方面人才培養(yǎng)，個人也可多考慮把握住相應(yīng)的發(fā)展機遇。

2.4 養(yǎng)殖企業(yè)可分階段搭建物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)，加強經(jīng)營管理

養(yǎng)殖企業(yè)可采用多實地考察、養(yǎng)殖區(qū)域部分試點、各物聯(lián)網(wǎng)子系統(tǒng)逐漸引進的方式，逐步搭建物聯(lián)網(wǎng)綜合管理平臺。加強經(jīng)營管理，提高物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的使用率，充分發(fā)揮系統(tǒng)的功能優(yōu)勢，進一步深化系統(tǒng)功能。

3 結(jié)語

物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在水產(chǎn)養(yǎng)殖領(lǐng)域的應(yīng)用越來越多，不僅讓養(yǎng)殖戶對養(yǎng)殖狀況有了更全面的了解，也能降低養(yǎng)殖成本、提高產(chǎn)量、增加收入，有較明顯的管理優(yōu)勢和經(jīng)濟效益。物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)正在向著低功耗、一體化、智能化的方向發(fā)展，集成了水質(zhì)自動監(jiān)測、設(shè)備智能控制、視覺智能管理的綜合性、系統(tǒng)性管理平臺的應(yīng)用將逐漸增多。隨著水產(chǎn)養(yǎng)殖物聯(lián)網(wǎng)的不斷完善，5G、NB-IoT、云平臺等物聯(lián)網(wǎng)新技術(shù)的日益成熟，應(yīng)用前景將更加廣闊。