基于ＬａｂＶＩＥＷ的工廠化養(yǎng)殖

摘要：以封閉式循環(huán)水養(yǎng)殖為代表的工廠化水產(chǎn)養(yǎng)殖是世界水產(chǎn)養(yǎng)殖的發(fā)展方向，工廠化養(yǎng)殖具有節(jié)地、節(jié)水、養(yǎng)殖周期短、產(chǎn)量高、易于管理、不受季節(jié)變化的限制、效益高等優(yōu)點，符合我國人多地少、水資源短缺的基本國情。介紹了工業(yè)化養(yǎng)殖系統(tǒng)中涉及的裝備技術(shù)，包括去除固體廢棄物和水溶性有害物質(zhì)、殺菌消毒、增氧、調(diào)溫、水質(zhì)測控。介紹了水質(zhì)在線監(jiān)測系統(tǒng)的組成，指出了該技術(shù)應用于養(yǎng)殖業(yè)的重大意義，同時提供了在線監(jiān)測的指標對象，以及分析的方法和儀器。采用LabVIEW開發(fā)了一套水質(zhì)在線監(jiān)測系統(tǒng)，具有人機界面友好，數(shù)據(jù)采集、存儲、信號處理及分析功能強大的優(yōu)點。

關(guān)鍵詞：工廠化養(yǎng)殖；水質(zhì)；在線監(jiān)測；虛擬儀器

中圖分類號：S232.3；S959；S951.2 文獻標識碼：B 文章編號：0439-8114(2008)05-0594-04

Industrial Aquaculture Based on Virtual Instrument Platform

WU Zi-yue，ZHAO Ting-ting

(College of Engineering Scienced and Technology，Shanghai Fisheres University，Shanghai 200090，China)

Abstract：The facilities of industrial aquaculture are described (including eliminating solid waste and liquefiable poison materials，sterilization and disinfection，enhancing oxygen，adjusting temperature，monitoring water quality). The water quality automatic detecting system has been presented，the technique applied for the aquaculture is of great significance，including the targets，which need automatically detecting，analytic methods and equipments as well.With using of LabVIEW，a water quality on-line detecting system has been established. It has a friendly human-computer interface，and excellent function of data acquiring，saving and signal processing，analyzing as well.

Key words：industrial aquaculture；water quality；on-line detecting；virtual instrument

工廠化養(yǎng)殖是一種現(xiàn)代化水產(chǎn)養(yǎng)殖方式，其依托一定的養(yǎng)殖工程和水處理設施與設備，按工藝過程的連續(xù)性和流水作業(yè)性的原則，在生產(chǎn)中運用機械、電氣、化學、生物及自動化等現(xiàn)代化措施，對水質(zhì)、水溫、水流、溶氧、光照及飼料等各方面實行全人工控制，為養(yǎng)殖生物提供適宜生長的環(huán)境條件，實現(xiàn)高產(chǎn)、高效養(yǎng)殖的目的。歐美發(fā)達國家不斷引進了世界前沿高新技術(shù)成果，工業(yè)化養(yǎng)殖自動化程度很高，單產(chǎn)達200～500 kg·rn-3，養(yǎng)殖用水循環(huán)利用率高達90%以上，基本上達到了無廢生產(chǎn)及“零”排放標準，在規(guī)模上向著大型，超大型集約化的企業(yè)集團模式發(fā)展，這要歸功于水質(zhì)在線監(jiān)測技術(shù)在養(yǎng)殖生產(chǎn)中的成功運用。相比較下，我國的工廠化養(yǎng)殖業(yè)起步較晚，水產(chǎn)養(yǎng)殖設備簡陋、系統(tǒng)不完善、開放式流水是其基本特征，而且漁業(yè)水質(zhì)監(jiān)測系統(tǒng)近年才起步，主要應用于工廠化養(yǎng)殖車間和池塘養(yǎng)魚的水質(zhì)檢測，多采用的是不可長期連續(xù)使用的非在線型水質(zhì)測試儀表，采用這種儀表即使24 h不間斷測試水質(zhì)參數(shù)，還會因為人為等因素造成誤差，所以目前我國總體還處于初級的粗養(yǎng)階段[1]。

1 工廠化養(yǎng)殖中的主要裝備設施

1)養(yǎng)殖池。養(yǎng)殖池均為室內(nèi)水泥池，多為切角方形或長方形，若為長方形，長寬比例小于3∶2；面積400～500 m²，池深1.2～1.5 m；多為水泥底和沙土底，池底為淺鍋形，中央設排水口。

2)進排水系統(tǒng)。如水源為河水、地下水或海水，都必須在蓄水池中經(jīng)過鹽度調(diào)節(jié)以及消毒、凈化后使用。排水為中央排水系統(tǒng)，目前多數(shù)工廠化養(yǎng)殖場未設廢水處理池，直接將所排污水排出，因此造成較為嚴重的環(huán)境污染和病害傳播。

3)去除水體有害物質(zhì)以及殺菌消毒。工業(yè)化養(yǎng)魚的密度高，固體廢棄物是污染養(yǎng)殖水體的主要來源，循環(huán)系統(tǒng)中首先需要及時清除有害物質(zhì)，以便減輕后道工藝環(huán)節(jié)負荷和防止堵塞，減少其分解對氧氣的消耗[2]。大部分顆粒直徑在0.02～1 mm之間，密度小于1.1 g·cm-3，有機物含量占80%左右。采用固體顆粒和懸浮溶質(zhì)二步法可以較為有效地清除，相應的裝置是篩濾和泡沫分離。

對于水溶性的有害物質(zhì)，如氨態(tài)氮(NH3-)的毒性很高，它能通過鰓和皮膚很快進入魚的血液，抑制魚類生長加速死亡；亞硝酸鹽氮(NO₂-)可使魚失去攜氧功能，爆發(fā)黃血病；硝酸鹽氮(NO₃-)一般被認為毒性很小，但是近來研究表明高濃度的NO₃-會使魚體色澤變差，肉質(zhì)下降[3]?？刹捎蒙锬ぜ夹g(shù)的裝備主要有浸沒式生物過濾罐、滴流濾槽、水凈化機和植物凈化裝置等。為避免化學藥物投放所產(chǎn)生的副作用，工業(yè)化養(yǎng)魚中的殺細菌消毒較多采用物理法處理。采用的設備是臭氧發(fā)生器和紫外線殺菌器。

4)增氧系統(tǒng)。工業(yè)化養(yǎng)殖系統(tǒng)中，魚池、泡沫分離、生物過濾均需要大量氧氣(每天噸魚約耗氧7.57 kg左右)。暫養(yǎng)階段放苗時，幼體長為0.6～1 cm，多采用充氣增氧，散氣石密度為每立方米1個。養(yǎng)成階段，幼體長約2.5～3 cm，多采用水車式增氧機進行增氧，一般666.7 m²設置0.75kW的水車式增氧機1～2臺。另外羅茨風機和旋渦式充氣機也應用較多，三葉式羅茨風機有較好的平穩(wěn)性和低噪音效果，葉輪式增氧機由于增氧效率強、結(jié)構(gòu)簡單、使用方便，在水質(zhì)調(diào)節(jié)池和養(yǎng)魚工廠的二級池中有較好的用途。

為提高氧氣的利用率，使水體溶氧達到飽和與超飽和，可采用高效氣水混合裝置，其采用射流、螺旋、網(wǎng)孔擴散等氣水混合技術(shù)，并串聯(lián)內(nèi)磁水器，通過羅侖磁力作用，使水氣分子變小更易混合，同時具有殺菌、防腐作用，工況條件為水流速度大于1.5 m·s-1，磁場密度大于4 000 Gs。該裝置也可用于臭氧的氣水混合。

5)供熱系統(tǒng)。一般配備蒸汽鍋爐做為熱源，并通過鋪設在池中的不銹鋼管進行熱交換來調(diào)控水溫，除此之外裝備中還有采用組合式熱泵冷熱水機組。有條件的地區(qū)利用地熱或工廠余熱進行水溫調(diào)控。

6)供電系統(tǒng)。為了防止電力不足或突然斷電的情況發(fā)生，應該配備應急發(fā)電機組，確保供水、增氧、調(diào)溫、照明等生產(chǎn)和日常正常供電。

7)水質(zhì)測控。工業(yè)化養(yǎng)魚系統(tǒng)整體功能的發(fā)揮和效果體現(xiàn)有賴于水質(zhì)的監(jiān)測和調(diào)控，通常配備水質(zhì)監(jiān)測儀器及試劑對水體的溫度、鹽度、酸堿度、溶氧量、氨氮、硫化氮等理化指標進行檢測，同時配置生物顯微鏡等對水體中的藻類、原生動物等生物指標進行觀察分析[4]。但受技術(shù)力量限制，目前絕大多數(shù)養(yǎng)殖場尚未對細菌、病毒等病源進行日常檢測、監(jiān)控。

2 水質(zhì)在線監(jiān)測系統(tǒng)的組成和方法

工廠化養(yǎng)殖是當今最為先進的養(yǎng)殖方式，然而工廠化養(yǎng)殖也是高技術(shù)、高投入、高風險的產(chǎn)業(yè)，需要科學的分析論證，管理和維護，才能降低風險，創(chuàng)造高效。由于水質(zhì)環(huán)境對養(yǎng)殖業(yè)的重要性，人們迫切需要水質(zhì)自動在線監(jiān)測手段，以減少失誤及投資風險[5]。

2.1 水質(zhì)在線監(jiān)測系統(tǒng)一般由水樣采集單元、監(jiān)測儀器單元和數(shù)據(jù)控制及處理單元組成

1)水樣采集單元：通常由抽水泵、閥門組及其控制電路、進水及出水管道組成。負責對所監(jiān)測的水樣進行采集，送入監(jiān)測單元或保存；

2)監(jiān)測儀器單元：由溶解氧、pH、溫度等在線分析儀器組成(可根據(jù)所測水質(zhì)的具體要求，增加其他參數(shù)如濁度、COD、氨氮等)。此單元負責測試水樣的各種參數(shù)，由于監(jiān)測儀器所輸出的信號為電流信號，所以要經(jīng)過變送器變換為標準電流信號(4～20mA)或電壓信號(±5V)，再經(jīng)過模數(shù)轉(zhuǎn)換即A/D轉(zhuǎn)換，將模擬量轉(zhuǎn)換為數(shù)字量送往數(shù)據(jù)處理單元；

3)數(shù)據(jù)處理及控制單元：包括計算機、打印機、232接口、系統(tǒng)專用軟件等。該單元的功能是控制整個系統(tǒng)的正常、有序運行，進行系統(tǒng)原始參數(shù)的設定和更改。對現(xiàn)場執(zhí)行采樣、水樣監(jiān)測、執(zhí)行設備運行及數(shù)據(jù)傳輸、顯示、存儲、打印等。

2.2 水產(chǎn)養(yǎng)殖的監(jiān)測目標

魚類對其生存水體有一定的要求，如果水質(zhì)適合魚類的生理需求，魚類便能很好地生存和生長，養(yǎng)殖的經(jīng)濟效益也高；反之，則會影響到魚類的生存和生長發(fā)育，甚至導致巨大的經(jīng)濟損失和環(huán)境污染。影響?zhàn)B殖水體質(zhì)量的主要因素有：一般指標如溫度、pH、電導率、溶解氧、濁度等；綜合指標如BOD、COD、亞硝酸、氨氮等。

3 系統(tǒng)軟件部分

LabVIEW(Laboratory Virtual Instrument Engineering Workbench)是一種用圖標代替文本創(chuàng)建應用程序的圖形化編程語言，是一種業(yè)界領先的工業(yè)標準圖形化編程工具，廣泛應用于仿真、數(shù)據(jù)采集、儀器控制、測量分析和數(shù)據(jù)顯示等嵌入式應用系統(tǒng)開發(fā)。它是專門為工程師和科學家而設計的直觀圖形化編程語言，利用NI的虛擬技術(shù)，可以讓以往復雜的數(shù)據(jù)采集工作變得異常簡單。具體有以下幾方面優(yōu)勢：①提供了豐富的圖形控件和圖形化編程方法，系統(tǒng)開發(fā)效率高；②采用了數(shù)據(jù)流模型，它實現(xiàn)了自動的多線程，從而能充分利用處理器尤其是多處理器的處理能力；③能輕松實現(xiàn)與其他編程語言混合編程；④LabVIEW提供了大量的驅(qū)動與專用工具，幾乎能與任何接口的硬件連接；⑤LabVIEW擁有強大的數(shù)據(jù)分析和信號處理功能；⑥NI同時提供了豐富的附加模塊，讓LabVIEW的使用領域大大拓寬，例如實時模塊、機器視覺模塊與觸摸屏模塊等。同時還提供了一個良好的人機交互界面，所見即所得。

根據(jù)工廠化養(yǎng)殖所監(jiān)測的主要目標參數(shù)，和LabVIEW強大的數(shù)據(jù)采集、存儲、顯示、信號處理和傳輸、系統(tǒng)開發(fā)周期短等方面優(yōu)勢[6]，基于LabVIEW的開發(fā)平臺，創(chuàng)建開發(fā)了以下水質(zhì)在線監(jiān)測系統(tǒng)，在本系統(tǒng)設計中綜合應用了低通濾波、相干函數(shù)分析、傅立葉變化等信號處理手段，使得測量的結(jié)果得到提高，測量信號得到及時有效的分析便于進一步的控制，同時開發(fā)的系統(tǒng)還具有良好的人機交互界面、形象直觀的控制界面、數(shù)據(jù)存儲、系統(tǒng)警報及顯示、界面清屏的功能，使得開發(fā)的該套系統(tǒng)簡便實用，大方親切。

3.1 系統(tǒng)啟動界面和主控制面板

基于LabVIEW開發(fā)的程序面板具有良好的人機互動的風格，使用簡單。如下圖1所示：

3.2 溫度監(jiān)測主界面

該界面主要由外部接口程序、溫度警報、溫度信號采集原始波形圖、低通濾波器、采樣頻率等程序組成。該監(jiān)測主界面的外部接口可以由用戶自行選擇，溫度警報的下限、采樣頻率、濾波的截止頻率和階數(shù)也可以隨時修改，同時顯示監(jiān)測數(shù)據(jù)的個數(shù)，以及數(shù)據(jù)的存儲功能。具有很強的通用性和實際使用性。

在信號傳輸過程中，由于外界的干擾，經(jīng)常會混入高音頻噪音。因此在測量信號時希望把這些來自外部的高頻信號去掉，通常的做法是采用低通濾波器將高頻噪音濾掉，信號處理的根本目的是提高信噪比，從而增強了測試系統(tǒng)的性能。LabVIEW中提供了數(shù)字濾波器設計模塊，通過數(shù)字濾波器可以極大地衰減干擾噪聲或進行頻譜分析。數(shù)字濾波與模擬濾波相比具有如下優(yōu)點：①數(shù)字濾波不需要硬件設備，只需要軟件編寫一個濾波程序，尤其適用于對高頻和低頻進行濾波，不存在阻抗匹配問題，從而極大地降低了成本且適用；②穩(wěn)定性高，可預測；③不會因為溫度等外界條件產(chǎn)生誤差，更不需要精密組件；④便于根據(jù)不同傳感器的輸出特點及環(huán)境狀況改變?yōu)V波參數(shù)，選擇不同的濾波方法。

如圖2所示，基于LabVIEW開發(fā)的溫度監(jiān)測主界面中，信號源由一個經(jīng)過處理的隨機信號(波動于10～25℃之間)與一個Uniform White Noise信號的高頻部分迭加而成，與實際情況比較相符。把截止頻率設為30，即可以濾掉頻率大于30分貝的噪音。從圖2中可以看出，濾波后的信號基本上還原了所設定的溫度信號。

3.3 數(shù)據(jù)分析界面

測試數(shù)據(jù)分析是測試工程學的核心部分，現(xiàn)代測試工程要求將這些數(shù)據(jù)與測試的目的以某種方式聯(lián)系起來，利用科學的分析方法從測試數(shù)據(jù)中得到更深層次的信息，以便為最終做出正確可信的判斷提供數(shù)據(jù)依據(jù)。在該系統(tǒng)采用的是相干函數(shù)分析。

相干是指信號之間的線性關(guān)系，又稱時延域分析，是提取信號在不同時刻相互依賴關(guān)系中周期成分的常用手段。相干函數(shù)定義為：

一個線性系統(tǒng)，其輸出完全由輸入信號引起，所以其相干函數(shù)為1，如果一個系統(tǒng)的輸入和輸出信號完全不相干，Sxy(jω)=0，其相干函數(shù)也為0。然而在大多數(shù)情況下，測試體統(tǒng)的輸入和輸出信號之間的相干函數(shù)介于0和1之間，出現(xiàn)這種情況有3種可能：①系統(tǒng)不是理想的線性系統(tǒng)；②系統(tǒng)輸入端有噪音的干擾混入；③系統(tǒng)輸出端有噪音的干擾混入。

從圖3中的相干函數(shù)曲線可以看出，被測試的系統(tǒng)是一個30Hz的低通系統(tǒng)，在30Hz時其相干函數(shù)不接近1，由于信號源由一個經(jīng)過處理的隨機信號(波動于5～15℃之間)與一個高頻信號迭加而成，所以信號的輸入和輸出沒有良好的線性關(guān)系，另外從圖板中的互譜幅值及相位譜、頻率響應函數(shù)幅頻特性及相頻特性、單位沖擊響應的求取結(jié)果也可以看出上述關(guān)系，符合實際情況。

3.4 用戶警報記錄界面

基于LabVIEW開發(fā)的用戶溫度報警記錄，該版面的功能不僅記錄報警數(shù)，還對報警發(fā)生的時間和溫度值進行記錄，在發(fā)生警報的時候警報燈會閃爍以提醒用戶。同時用戶隨時可以設置警報的下限數(shù)值，在任何時候清除報警歷史記錄，使用起來非常方便明了。

4 工廠化養(yǎng)殖發(fā)展

工廠化養(yǎng)殖是未來水產(chǎn)養(yǎng)殖業(yè)發(fā)展的主要方向，符合我國人多耕地少、水資源緊缺的基本國情。但工廠化養(yǎng)殖的投資大，對生產(chǎn)技術(shù)及管理的要求高，投資風險較高，因此針對目前這種迫切的需要，基于LabVIEW的強大功能所開發(fā)的這套系統(tǒng)軟件，具有良好的使用價值和使用意義。除了不斷引進新技術(shù)、新設備之外，還應該做好以下工作：①要加強對項目的可行性分析，各地應根據(jù)當?shù)鼐唧w條件和自然優(yōu)勢，做好產(chǎn)品市場分析、生產(chǎn)成本及效益分析和經(jīng)營風險分析，防止盲目發(fā)展[7]；②加強新品種引進與研發(fā)；③加強專用飼料和病害防治技術(shù)研究，提高養(yǎng)殖產(chǎn)品品質(zhì)，生產(chǎn)安全、健康的水產(chǎn)品，提高國際市場競爭力；④加強收獲與銷售管理，工廠化養(yǎng)殖應較好地把握生產(chǎn)與市場的關(guān)系；⑤加強工廠化養(yǎng)殖理論和技術(shù)支撐體系的研究，目前我國對工廠化養(yǎng)殖的理論研究剛剛起步，還沒有建立起相關(guān)的理論和技術(shù)體系，需要廣泛吸收其他行業(yè)科研人員參與理論與生產(chǎn)實踐研究，發(fā)揮多學科優(yōu)勢，集中有關(guān)化學、環(huán)境、餌料、育種、防病、養(yǎng)殖、建筑、機電、管理等學科的研究人員，實行聯(lián)合攻關(guān)，推動學科和生產(chǎn)的快速發(fā)展[8]。

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(責任編輯 郭偉偉)

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