智慧漁業(yè)增氧機系統(tǒng)的設計與應用研究

2025年第一期2025年3月2025年第一屆“未來杯”創(chuàng)新發(fā)展研究理論征集活動/創(chuàng)新·發(fā)展·融匯·理論智慧漁業(yè)增氧機系統(tǒng)的設計與應用研究葉誠堯1、黃秋玉2、吳依晗31廈門海洋職業(yè)技術(shù)學院福建省廈門市郵編3611002廈門海洋職業(yè)技術(shù)學院福建省廈門市郵編3611003廈門海洋職業(yè)技術(shù)學院福建省廈門市郵編361100關(guān)鍵詞:智慧漁業(yè)1互聯(lián)網(wǎng)時代2就業(yè)新領(lǐng)域3新機遇4增氧機系統(tǒng)5摘要本文深入探討智慧漁業(yè)理念下增氧機系統(tǒng)的智能化升級。詳細闡述智慧漁業(yè)增氧機系統(tǒng)的設計思路、組成結(jié)構(gòu)，通過實際應用效果展示其在提升溶解氧控制精準度、降低養(yǎng)殖成本、提高養(yǎng)殖效率與質(zhì)量等方面的顯著優(yōu)勢。同時，對該系統(tǒng)的發(fā)展前景進行展望，表明其對漁業(yè)可持續(xù)發(fā)展的重要推動作用。一、引言漁業(yè)作為我國農(nóng)業(yè)領(lǐng)域的重要組成部分，在國民經(jīng)濟中占據(jù)著舉足輕重的地位。根據(jù)《2023年全國漁業(yè)經(jīng)濟統(tǒng)計公報》，2023年全國漁業(yè)經(jīng)濟持續(xù)向好，全社會漁業(yè)經(jīng)濟總產(chǎn)值達到32669.96億元，水產(chǎn)品總產(chǎn)量7116.17萬噸，為“菜籃子”產(chǎn)品穩(wěn)定供給和農(nóng)業(yè)農(nóng)村經(jīng)濟發(fā)展作出了積極貢獻。[1]然而，傳統(tǒng)漁業(yè)養(yǎng)殖模式存在諸多弊端。一方面，勞動強度大，漁民需要耗費大量的時間和精力進行日常管理，如定時查看增氧機運行情況、手動調(diào)節(jié)增氧時間和功率等。另一方面，資源利用不合理，在增氧環(huán)節(jié)，傳統(tǒng)增氧機依賴人工經(jīng)驗控制，常常出現(xiàn)過度增氧或增氧不足的情況，造成能源浪費的同時，也無法為魚類提供最佳的生長環(huán)境。此外，養(yǎng)殖環(huán)境難以精確調(diào)控，面對水體溶解氧、溫度、pH值等參數(shù)的變化，傳統(tǒng)養(yǎng)殖模式缺乏有效的實時監(jiān)測和精準調(diào)控手段，嚴重制約了漁業(yè)的進一步發(fā)展[2]。隨著信息技術(shù)的迅猛發(fā)展，智慧漁業(yè)概念應運而生。智慧漁業(yè)融合物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、人工智能等現(xiàn)代信息技術(shù)，致力于提升漁業(yè)生產(chǎn)的智能化水平，實現(xiàn)漁業(yè)的高效、可持續(xù)發(fā)展。在漁業(yè)養(yǎng)殖中，增氧機是保障水體溶氧的關(guān)鍵設備。充足的溶解氧對于魚類的生長發(fā)育、身體健康以及養(yǎng)殖環(huán)境的穩(wěn)定起著至關(guān)重要的作用。研究表明，當水體溶解氧含量保持在5-8mg/L時，魚類生長速度最快，飼料轉(zhuǎn)化率最高。但傳統(tǒng)增氧機多依賴人工經(jīng)驗控制，無法根據(jù)水體實際情況實時調(diào)整運行狀態(tài)。例如，在白天光照充足時，水體藻類光合作用強，溶解氧含量較高，此時若仍按照固定時間和功率開啟增氧機，會造成能源浪費；而在夜間或天氣變化時，水體溶解氧含量降低，若不能及時增加增氧，會導致魚類缺氧，影響生長甚至造成死亡。因此，研發(fā)與應用智慧漁業(yè)增氧機系統(tǒng)具有重要的現(xiàn)實意義，它是解決傳統(tǒng)漁業(yè)增氧問題，推動漁業(yè)現(xiàn)代化發(fā)展的關(guān)鍵舉措。二、智慧漁業(yè)增氧機系統(tǒng)設計思路2.1實時監(jiān)測在養(yǎng)殖池塘中，科學合理地布置多種傳感器是實現(xiàn)智慧漁業(yè)增氧機系統(tǒng)精準控制的基礎。這些傳感器如同系統(tǒng)的“眼睛”，實時收集水體溶解氧、溫度、pH值等關(guān)鍵參數(shù)。以溶解氧傳感器為例，其利用先進的電化學原理，能夠快速、精準地將水體中的溶解氧濃度轉(zhuǎn)化為電信號輸出。在實際應用中，為確保測量的準確性和全面性，通常會在池塘的不同深度和位置布置多個溶解氧傳感器，比如在池塘的中心區(qū)域、邊緣區(qū)域以及不同深度層次分別設置傳感器，這樣可以獲取整個池塘水體溶解氧的分布情況。溫度傳感器則用于監(jiān)測水體溫度，因為溫度對魚類的生長、代謝以及溶解氧在水中的溶解度有著顯著影響。一般來說，水溫升高，魚類的代謝速度加快，對氧氣的需求也會增加；同時，水溫升高會使溶解氧在水中的溶解度降低。pH值傳感器負責測量水體酸堿度，合適的pH值范圍（通常為6.5-8.5）是維持魚類健康生長的必要條件，pH值過高或過低都會對魚類的生理機能產(chǎn)生不良影響。這些傳感器所收集的數(shù)據(jù)，能夠全面、準確地反映水體的實時狀況，為后續(xù)的智能決策提供精確依據(jù)[3]。2.2智能決策運用先進的智能控制算法對傳感器采集的數(shù)據(jù)進行深度分析處理，是智慧漁業(yè)增氧機系統(tǒng)的核心決策環(huán)節(jié)。以模糊控制算法為例，該算法以水體溶解氧的實測值與設定值的偏差以及偏差變化率作為輸入變量。首先，將這些輸入變量進行模糊化處理，將其轉(zhuǎn)化為模糊語言變量，如“正大”“正中”“正小”“零”“負小”“負中”“負大”等。然后，通過預先設定的模糊規(guī)則進行模糊推理，這些模糊規(guī)則是基于大量的養(yǎng)殖實踐經(jīng)驗和數(shù)據(jù)分析得出的。例如，如果溶解氧偏差為“負大”且偏差變化率為“正大”，則模糊推理的結(jié)果可能是增大增氧機的運行功率。最后，經(jīng)過解模糊處理，將模糊推理的結(jié)果轉(zhuǎn)化為具體的控制信號，輸出給增氧機，實現(xiàn)對增氧機運行狀態(tài)的精準控制。除了模糊控制算法，常見的還有PID控制算法，它通過比例（P）、積分（I）、微分（D）三個環(huán)節(jié)對控制信號進行調(diào)節(jié)，使水體溶解氧能夠快速、穩(wěn)定地達到設定值。系統(tǒng)還結(jié)合預設閾值以及基于大量養(yǎng)殖實踐構(gòu)建的經(jīng)驗模型，自動判斷增氧機的運行狀態(tài)，包括開啟或關(guān)閉以及運行功率的調(diào)整，確保水體溶解氧始終處于適宜水平。2.3遠程控制借助物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，智慧漁業(yè)增氧機系統(tǒng)打破了地域限制，實現(xiàn)了養(yǎng)殖人員對增氧機的遠程監(jiān)控與控制。通過在增氧機設備上安裝物聯(lián)網(wǎng)模塊，如ZigBee、GPRS等無線通信設備，將增氧機的運行數(shù)據(jù)和狀態(tài)信息實時傳輸?shù)竭h程監(jiān)控平臺。養(yǎng)殖人員無論身處何地，只要有網(wǎng)絡連接，就可以通過手機、電腦等終端設備，隨時訪問遠程監(jiān)控平臺，掌握養(yǎng)殖池塘的實時情況。在外出辦事或無法親臨養(yǎng)殖現(xiàn)場時，養(yǎng)殖人員可以通過手機APP，遠程查看池塘水體的溶解氧、溫度、pH值等參數(shù)，以及增氧機的運行狀態(tài)，如是否正常運行、當前功率等。當發(fā)現(xiàn)水體溶解氧含量偏低時，養(yǎng)殖人員可以立即在手機上發(fā)送指令，開啟增氧機或提高其運行功率；當水體溶解氧達到適宜范圍時，又可以及時關(guān)閉增氧機或降低功率，大大提高了管理的便捷性與及時性[4]。2.4數(shù)據(jù)管理與分析構(gòu)建專門的數(shù)據(jù)庫，對采集的水體參數(shù)和增氧機運行數(shù)據(jù)進行有序存儲與管理，是智慧漁業(yè)增氧機系統(tǒng)實現(xiàn)精細化管理的重要支撐。數(shù)據(jù)庫采用高效的數(shù)據(jù)存儲結(jié)構(gòu)，能夠快速存儲和讀取大量的數(shù)據(jù)。通過數(shù)據(jù)分析軟件，對存儲的數(shù)據(jù)進行深入挖掘，能夠發(fā)現(xiàn)潛在的規(guī)律。例如，通過對一段時間內(nèi)水質(zhì)變化趨勢的分析，可以了解不同季節(jié)、不同天氣條件下，水體溶解氧、溫度、pH值等參數(shù)的變化規(guī)律，從而提前調(diào)整養(yǎng)殖策略。分析增氧機運行效率與水體參數(shù)的關(guān)系，可以找出在不同水體條件下，增氧機的最佳運行模式，提高能源利用效率。通過對歷史數(shù)據(jù)的分析，還可以建立水質(zhì)預測模型，提前預測水質(zhì)變化，為養(yǎng)殖決策提供科學依據(jù)，助力漁業(yè)養(yǎng)殖向精細化、智能化方向發(fā)展。三、智慧漁業(yè)增氧機系統(tǒng)組成結(jié)構(gòu)3.1傳感器模塊傳感器模塊是智慧漁業(yè)增氧機系統(tǒng)的信息獲取源頭，包含多種關(guān)鍵傳感器。溶解氧傳感器利用電化學原理，在其內(nèi)部，工作電極和對電極之間施加一定的電壓，當水體中的溶解氧透過透氣膜進入傳感器內(nèi)部時，會在工作電極上發(fā)生還原反應，產(chǎn)生與溶解氧濃度成正比的電流信號，通過對該電流信號的測量和轉(zhuǎn)換，就能快速、精準地將水體中的溶解氧濃度轉(zhuǎn)化為電信號輸出。溫度傳感器常用的有熱敏電阻式和熱電偶式，熱敏電阻式溫度傳感器通過測量熱敏電阻的阻值變化來反映水體溫度的變化，其具有靈敏度高、響應速度快等優(yōu)點；熱電偶式溫度傳感器則是利用兩種不同金屬材料的熱電效應，將溫度變化轉(zhuǎn)化為熱電勢輸出。pH值傳感器通常采用玻璃電極法，玻璃電極對水體中的氫離子具有選擇性響應，通過測量玻璃電極與參比電極之間的電位差，即可得到水體的pH值。這些傳感器分布在養(yǎng)殖池塘的不同位置，如在池塘的四角、中心以及進水口、出水口等關(guān)鍵位置布置，確保采集的數(shù)據(jù)能全面、準確反映整個池塘的水質(zhì)狀況[5]。3.2數(shù)據(jù)采集與傳輸模塊該模塊負責采集傳感器輸出的電信號，并將其轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號進行處理和存儲。高性能數(shù)據(jù)采集器具備多個模擬量輸入通道，可同時采集多種傳感器的數(shù)據(jù)。例如，一款常見的數(shù)據(jù)采集器可能具有8個或16個模擬量輸入通道，能夠滿足不同規(guī)模養(yǎng)殖池塘的傳感器數(shù)據(jù)采集需求。數(shù)據(jù)采集器首先對傳感器輸出的電信號進行放大、濾波等預處理，然后通過模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC）將模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號。經(jīng)過模數(shù)轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)，通過無線通信模塊（如ZigBee、GPRS等）傳輸至智能控制模塊或遠程監(jiān)控平臺。ZigBee技術(shù)具有低功耗、自組網(wǎng)、成本低等特點，適用于短距離、低速率的數(shù)據(jù)傳輸，在小型養(yǎng)殖池塘中應用廣泛；GPRS技術(shù)則借助移動網(wǎng)絡進行數(shù)據(jù)傳輸，傳輸距離遠、覆蓋范圍廣，適合大型養(yǎng)殖基地或偏遠地區(qū)的養(yǎng)殖池塘的數(shù)據(jù)傳輸。無線通信方式因安裝簡便、成本低廉、傳輸距離遠等優(yōu)勢，滿足了不同規(guī)模養(yǎng)殖池塘的數(shù)據(jù)傳輸需求。3.3智能控制模塊智能控制模塊是系統(tǒng)的核心樞紐，接收來自數(shù)據(jù)采集與傳輸模塊的數(shù)據(jù)并進行分析處理。以微控制器（如單片機）作為控制核心，內(nèi)置智能控制算法，常見的有模糊控制算法、PID控制算法等。以某款基于單片機的智能控制模塊為例，其采用高性能的微控制器，具備強大的數(shù)據(jù)處理能力和豐富的接口資源。在模糊控制算法的實現(xiàn)過程中，單片機首先讀取傳感器采集的水體溶解氧數(shù)據(jù)，計算出溶解氧的實測值與設定值的偏差以及偏差變化率，然后將這些數(shù)據(jù)輸入到預先編寫好的模糊控制程序中。經(jīng)過模糊化、模糊推理和解模糊等步驟，單片機輸出增氧機的控制信號，通過驅(qū)動電路控制增氧機的運行。除了模糊控制算法，PID控制算法在智能控制模塊中也有廣泛應用。PID控制算法通過不斷調(diào)整比例、積分、微分三個參數(shù)，使增氧機的控制更加精準、穩(wěn)定，能夠有效應對水體溶解氧的各種變化情況[6]。3.4增氧機執(zhí)行模塊增氧機執(zhí)行模塊負責接收智能控制模塊發(fā)出的控制信號，驅(qū)動增氧機運行。其主要由功率驅(qū)動電路和電機控制電路組成。功率驅(qū)動電路根據(jù)控制信號大小調(diào)整輸出功率，驅(qū)動增氧機電機運轉(zhuǎn)。例如，當智能控制模塊發(fā)出增大功率的信號時，功率驅(qū)動電路通過調(diào)整功率管的導通時間和導通程度，增加輸出到電機的電壓和電流，從而提高增氧機電機的轉(zhuǎn)速和功率。電機控制電路可實現(xiàn)對增氧機電機的正反轉(zhuǎn)、調(diào)速等功能，以適應不同養(yǎng)殖場景下的增氧需求。常見的增氧機類型包括葉輪式增氧機、水車式增氧機等。葉輪式增氧機通過高速旋轉(zhuǎn)的葉輪將空氣卷入水中，形成水花，增加水體與空氣的接觸面積，從而提高水體溶解氧含量，適用于大面積的池塘養(yǎng)殖；水車式增氧機則通過水車的轉(zhuǎn)動推動水體流動，使空氣與水體充分混合，實現(xiàn)增氧，常用于狹長形的池塘或流水養(yǎng)殖。系統(tǒng)可根據(jù)養(yǎng)殖池塘的具體情況，如池塘面積、水深、養(yǎng)殖品種等，選擇合適的增氧機并實施相應控制。3.5遠程監(jiān)控平臺遠程監(jiān)控平臺為養(yǎng)殖人員提供了直觀、便捷的操作界面。通過互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，養(yǎng)殖人員可在電腦、手機等終端設備上隨時訪問該平臺。平臺具備實時數(shù)據(jù)顯示功能，以圖表、報表等形式直觀呈現(xiàn)養(yǎng)殖池塘的水體溶解氧、溫度、pH值等參數(shù)以及增氧機的運行狀態(tài)。例如，在平臺的界面上，以折線圖的形式展示水體溶解氧隨時間的變化趨勢，讓養(yǎng)殖人員能夠清晰地了解溶解氧的波動情況；以柱狀圖的形式展示不同時間段增氧機的運行功率，方便養(yǎng)殖人員分析增氧機的工作效率。平臺同時支持遠程控制，養(yǎng)殖人員能遠程發(fā)送控制指令，手動操作增氧機的開啟或關(guān)閉以及運行參數(shù)的調(diào)整。當養(yǎng)殖人員發(fā)現(xiàn)池塘水體溶解氧含量偏低時，可以在手機APP上點擊“開啟增氧機”按鈕，并設置合適的運行功率；當水體溶解氧達到適宜范圍時，又可以點擊“關(guān)閉增氧機”按鈕。此外，當水體溶解氧等參數(shù)超出預設閾值范圍時，平臺能及時發(fā)出報警信息，通過短信、APP推送等方式通知養(yǎng)殖人員。平臺還對采集到的歷史數(shù)據(jù)進行分析和統(tǒng)計，生成各種報表和趨勢圖，為優(yōu)化養(yǎng)殖管理提供數(shù)據(jù)支持。例如，生成月度水質(zhì)分析報表，統(tǒng)計每個月水體溶解氧、溫度、pH值的平均值、最大值、最小值等數(shù)據(jù)，幫助養(yǎng)殖人員總結(jié)養(yǎng)殖規(guī)律，制定科學的養(yǎng)殖計劃[7]。四、智慧漁業(yè)增氧機系統(tǒng)的應用效果4.1溶解氧控制精準度提高為了驗證智慧漁業(yè)增氧機系統(tǒng)對溶解氧控制精準度的提升效果，進行了對比實驗。選取兩個面積、水深、養(yǎng)殖品種相同的池塘，其中一個池塘安裝智慧漁業(yè)增氧機系統(tǒng)作為實驗組，另一個池塘采用傳統(tǒng)人工控制增氧機作為對照組。在實驗期間，利用高精度的溶解氧監(jiān)測設備對兩個池塘的溶解氧數(shù)據(jù)進行實時監(jiān)測分析。結(jié)果表明，實驗組池塘的溶解氧含量始終穩(wěn)定在適宜魚類生長的范圍（一般為5-8mg/L）內(nèi)，波動幅度較小，日波動范圍在±0.5mg/L以內(nèi)。而對照組池塘的溶解氧含量波動明顯，白天光照充足時，由于藻類光合作用產(chǎn)生大量氧氣，溶解氧含量可高達10mg/L以上；夜間或天氣變化時，藻類光合作用停止，水體呼吸作用消耗氧氣，溶解氧含量又易降至4mg/L以下，難以滿足魚類生長的最佳需求。智慧漁業(yè)增氧機系統(tǒng)憑借對水體溶解氧實時變化的精準感知與控制，有效提升了溶解氧控制的精準度，為魚類提供了更加穩(wěn)定、適宜的生長環(huán)境[8]。4.2養(yǎng)殖成本降低在能源消耗方面，智慧漁業(yè)增氧機系統(tǒng)根據(jù)水體實際需求精準控制增氧機運行，避免了傳統(tǒng)人工控制方式下的過度增氧或增氧不足。以某養(yǎng)殖基地為例，在采用智慧漁業(yè)增氧機系統(tǒng)之前，該基地每月的電費支出為10000元，主要用于增氧機的運行。采用智慧漁業(yè)增氧機系統(tǒng)后，通過對水體溶解氧的實時監(jiān)測和智能控制，增氧機的運行時間和功率得到合理調(diào)整，每月電費支出降低至8000元，節(jié)約了20%的電費成本。同時，由于精準的溶解氧控制減少了魚類因缺氧等問題導致的疾病和死亡，降低了養(yǎng)殖過程中的損失。在傳統(tǒng)養(yǎng)殖模式下，每年因缺氧導致的魚類死亡損失約為50000元；采用智慧漁業(yè)增氧機系統(tǒng)后，魚類因缺氧死亡的情況大幅減少，每年損失降低至10000元。綜合能源消耗和養(yǎng)殖損失兩方面，智慧漁業(yè)增氧機系統(tǒng)有效降低了綜合養(yǎng)殖成本。4.3養(yǎng)殖效率與質(zhì)量提升穩(wěn)定適宜的溶解氧環(huán)境對魚類的生長發(fā)育有著顯著的促進作用。在實驗組池塘中，由于智慧漁業(yè)增氧機系統(tǒng)保證了水體溶解氧的穩(wěn)定，魚類生長速度加快。以草魚養(yǎng)殖為例，在傳統(tǒng)養(yǎng)殖模式下，草魚從魚苗長到商品魚需要18個月，平均體重可達3-4千克；在采用智慧漁業(yè)增氧機系統(tǒng)的實驗組池塘中，草魚生長周期縮短至15個月，平均體重可達4-5千克。同時，良好的養(yǎng)殖環(huán)境也有助于提升魚類的品質(zhì)，實驗組產(chǎn)出的魚類肉質(zhì)更加鮮美，營養(yǎng)成分含量更高，在市場上更具競爭力。例如，實驗組草魚的蛋白質(zhì)含量比對照組高出5%，不飽和脂肪酸含量高出3%。這些優(yōu)勢使得實驗組養(yǎng)殖的魚類在市場上的售價更高，提高了養(yǎng)殖的經(jīng)濟效益和整體效率[9]。五、智慧漁業(yè)增氧機系統(tǒng)的發(fā)展前景5.1與更多先進技術(shù)融合未來，智慧漁業(yè)增氧機系統(tǒng)將與人工智能、大數(shù)據(jù)、區(qū)塊鏈等技術(shù)深度融合。借助人工智能的深度學習算法，系統(tǒng)能夠?qū)Υ罅康臍v史數(shù)據(jù)和實時監(jiān)測數(shù)據(jù)進行學習和分析，更精準地預測水質(zhì)變化和魚類生長需求。例如，通過對水質(zhì)參數(shù)、氣象數(shù)據(jù)、魚類生長數(shù)據(jù)等多維度信息的深度學習，系統(tǒng)可以提前預測水體溶解氧的變化趨勢，提前調(diào)整增氧機的運行狀態(tài)，實現(xiàn)更加智能化的控制。大數(shù)據(jù)技術(shù)可進一步挖掘數(shù)據(jù)價值，通過對海量養(yǎng)殖數(shù)據(jù)的分析，建立更加完善的養(yǎng)殖模型，為養(yǎng)殖決策提供更全面、科學的依據(jù)。例如，分析不同養(yǎng)殖區(qū)域、不同養(yǎng)殖品種在不同環(huán)境條件下的最佳養(yǎng)殖方案，為養(yǎng)殖戶提供個性化的養(yǎng)殖建議。區(qū)塊鏈技術(shù)則可保障數(shù)據(jù)的安全性和可追溯性，通過區(qū)塊鏈的分布