一種全水域水質監控系統設計與實現

蔚瑞華， 徐立鴻

(同濟大學 電子與信息工程學院,教育部設施農業網上合作研究中心，上海 200092)

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·儀器設備研制與開發·

一種全水域水質監控系統設計與實現

蔚瑞華， 徐立鴻

(同濟大學 電子與信息工程學院,教育部設施農業網上合作研究中心，上海 200092)

為提高水產養殖業的自動化水平，應用嵌入式單片機技術設計實現了一套低成本集約化水產養殖監控系統，實現水產養殖環境中溶氧、pH值、水溫、氨氮等多個水質參數的在線的定點和移動監測，并能通過配置的執行機構進行水環境自動調控。本系統中定點監測采用了分布在池塘采樣點的水泵連接采樣池方式，移動監測采用了具有傳感器和ZigBee定位功能的水質參數采集裝置，均可實現全水域水質參數的采集，大大節省了傳感器的布置和維護成本。監控基站可以通過其自帶的人機交互模塊進行實時顯示，并存入基站自帶存儲模塊實現數據備份，且能夠通過RS485通信方式傳輸到遠程控制中心主機的上位機軟件，以便于進行進一步的智能控制和分析。該系統具有低成本、高可靠性、模塊化軟硬件設計等優點。

水產養殖監控; 定點監測; 移動監測； 全水域水質參數監測； 自動監控

0 引 言

近年來，國內外一些地區提出了采用集約化(工廠化)的養殖方式[1-2]，建立一個水體循環的封閉式養殖工廠，通過一系列的生物和物理手段對養殖水體進行監控，人為地創造一個非常適合魚類生活的水域環境。與傳統的水產養殖環境相比，集約化水產養殖主要控制水體的溫度、溶氧、pH、氨氮等指標，這些指標的控制工作量大且晝夜不間斷，因此必須利用計算機來檢測和控制相關設備，并且采用了自動化的監控和養殖技術[3-7]。現有的集約化水產養殖監控系統多采用有線的方式實現監控終端與控制中心計算機的數據通信[6]。這種定點監測的方式，不能完整地了解整個水產養殖環境的準確參數，并且由于一個養殖基地多個水塘，每個水塘建立一個基站[8]的話，投資和維護成本高，經濟效益難以保證。因此迫切需要一種具備高可靠性和高利用率的，同時能夠全范圍檢測水產養殖環境的集約化水產養殖自動化監控系統。近年來，隨著無線傳感器[9-10]技術的興起，無線傳感器的技術也被應用到了水產養殖的環境監控中，但方案中提供的無線傳感器需要在多點以無線形式布置傳感器[11]，雖然解決了全水域的水質監控問題，但傳感器成本投入過大，同時也造成了很大的維護成本。

本文運用嵌入式技術和傳感器檢測技術開發了一套集約化水產養殖系統，具有定點監測和移動監測功能。該系統基于采樣池的概念，定點監測只需配備一套傳感器即可對池塘的多點以及多池塘的水質參數自動檢測和并進行控制的功能；移動監測點通過在水域移動的帶有傳感器和定位功能的機構來實現，實時采集數據并和基站進行數據通訊。現場監控基站還提供了遠程數據通信的接口，為遠程主機提供數據服務，并可以接受其相應控制指令，因而能夠充分發揮遠離水產養殖現場且功能強大的計算機復雜數據分析和控制決策能力，為集約化水產養殖的智能化研究提供了分析基礎和決策實施通道。

1 系統總體設計方案

一個大型的養殖基地往往有多個池塘，而水質檢測的傳感器(溶氧、氨氮、pH值等)非常昂貴，如果在每個池塘配備一套，勢必造成了成本增加、維護困難,而且只能完成定點檢測，不能充分反映池塘內各點的水質參數變化。為此，我們提出了基于采樣池水質采集裝置，可以對多個池塘進行多點采樣，這樣只需在采樣池中配備一套傳感器，在各個池塘設置多個取水點，采用水泵的形式，將池塘各采集點的水采集至放置有各種水質傳感器的采樣池中，當測量完成后，可根據采集的水質參數進行相應的水產養殖執行機構的控制，并且控制水閥將采樣池中的水排掉，并依次輪詢。

該集約化水產養殖監控系統系統的總體功能結構圖如圖1所示。通過水泵和電磁閥將多個池塘的水分別采集至采樣池，現場監控基站對采樣池的水質參數進行采集，并相應地控制各池塘的水產養殖執行機構；通過圖形化的人機交互界面進行傳感器參數和采集通道參數的設置，完成數據的實時采集、實時分析、實時存儲和實時控制的功能。如圖1所示，系統總體上分為三級[12]：遠程控制中心主機、監控基站、現場級(包括基于采樣池的定點水質參數采集裝置和機器魚移動水質采集裝置)。

圖1 集約化水產養殖監控系統總體框架圖

系統參照分布式控制系統的設計理念，將整體框架分為兩個層次，上層主要由中心計算機等上位機組成，中心計算機采用數據庫等技術負責處理和維護下層各基站的數據；下層主要由各個現場監控基站等下位機組成，各個現場監控基站負責處理各個現場點的事件，并記錄和上傳至上層供決策和處理。所有基站均通過一定通信方式與同一個中心主機進行通信，且因為采用分布式控制方式的系統規模往往都較大，故往往下級基站與中心主機的通信方式需要支持工業級遠程通信能力。各個基站之間不能直接和同級基站進行通信，該方式能夠減少各個基站之間耦合性，防止有效單個基站導致的系統癱瘓。系統目前已實現部分水質參數的閉環控制功能，實現了水質各個參數的分布式數據采集和集中數據管理功能，是一個開環和閉環相結合、半自動和自動控制相結合的數據采集監測和控制系統。

2 全水域水質采集裝置

2.1 基于采樣池的水質參數定點采集裝置

定點水質采集裝置是由多池塘水泵抽排水系統、采樣池、各類水質檢測傳感器組成。該采集裝置用以配合監控基站完成多個池塘的定點水質參數集中采集。

如圖2所示，多個池塘的多點采集可通過水泵和電磁閥來完成，根據水泵和電磁閥的工作過程，加入延時繼電器以減少現場監控基站所需的I/O口，這樣在水泵開啟時，可先將管道中的舊水排空，繼而兩位三通電磁閥打開，將新水注入采樣池進行水質參數的采集，完畢后打開排水閥排空采樣池以進行下一個點的輪詢采集。采樣池中布置有水質傳感器，現場監控基站通過A/D端口進行數據采集。

圖2 采樣池水質采集裝置

操作人員可根據各個水泵與采樣池之間的距離長度、水泵的功率和水管直徑等設置各個水泵的運行時間以及排水泵的開啟、運行時間。根據實際測試結果，各個水泵的運行時間在70～120 s，其中包括了每次排舊水的時間，每次輪詢需要30～60 s的排水管中舊水時間。所選取的延時繼電器全部為模塊式可插拔，根據需要可方便地換成90、60、30 s等不同類型的延時繼電器。

本項目采樣池中的傳感器采用了德國WTW公司的IQ Sensor系列傳感器，IQ Sensor Net具有模塊化擴展系統功能，具體包括：SensoLyt? 700pH SEA(內置NTC 溫度探頭)pH傳感器、TriOxmatic?700IQ熒光溶氧傳感、AmmoLyt?氨氮傳感器、TetraCon? 700 IQ 4 極式電導傳感器，溫度選用了上述pH值傳感器中內置的NTC 溫度探頭。

2.2 移動水質參數采集裝置

移動水質采集裝置由基于ZigBee的定位系統和搭載傳感器的可移動機器魚實現。項目中可移動機器魚為一條搭載了ARM控制系統和ZigBee通信節點的仿真魚，該ARM控制系統可搭載溫度、pH值、壓力等水質傳感器，同時提供了ZigBee通信接口，以實現將水質參數發送給ZigBee網關協調器的功能。移動水質采集裝置主要負責完成所需的各點的水質參數采集，同時將定位系統的位置信息，組成可移動的水質信息的完整數據報文通過ZigBee無線通信技術發送給ZigBee網關協調器，然后由網關協調器將數據報文轉發給基站進行后續處理。同時移動水質采集裝置將負責接收和處理監控基站發來的輪詢控制信息以及機器魚運動線路控制等信息。

ZigBee無線組網定位系統由網關協調器、ZigBee路由器和ZigBee終端設備(端節點)組成[13-14]。根據ZigBee無線組網技術和水產養殖應用環境的現狀及特點，將采用樹形組網方式實現，即網關協調器承擔PAN(Personal Area Network)組建及網絡控制中心的角色，路由器作為網絡中數據傳輸的橋梁，將協調器發送的周期廣播信息發送到其他路由器和終端設備，也能將其他設備轉發來的數據轉發到數據的目的地。

3 現場監控基站

現場監控基站主要由主控制模塊和人機交互模塊組成，且相互間分別由各自的單片機進行獨立控制，因此監控基站的軟件設計包括主控制模塊和人機交互模塊的軟件設計兩部分。其中人機交互模塊的最主要的設計是LCD顯示設計。

3.1 監控基站硬件設計

監控基站主要負責完成定點和移動水質參數的采集、處理和顯示，同時將采集到的水質參數上傳至遠程控制中心，供遠程控制中心進行水質狀態的評估和監控，負責接收遠程控制中心的控制指令，并按其指令內容完成水質參數的輪詢控制以及實現養殖執行機構的開關控制。現場監控基站的組成原理如圖3所示。

圖3 現場監控基站原理圖

本系統中，主控模塊采用了MSP430FG4618單片機，MSP430FG4618是16位超低功耗MCU，具有116KB閃存、8KB RAM、12位ADC、雙DAC、2個16位定時器、2個UART、2個SPI(其中一個SPI和UART復用端口)、1個I2C、DMA、3個OPAMP和16段LCD，并可用UART多串口擴展芯片(SP2338DP)按需要將其擴展至多個較高波特率的UART串口，由于監控程序和水質參數的存儲占用較大的RAM 和Flash，并且要求較高的運算速率。

A/D芯片選用了TLC1549，同時配以多路選通器CD4051和放大器LM358，實現最多8路水質參數的模擬量采集。

RS485電平轉換芯片選用SN75176A，具備單路RS485通信功能。電源隔離部分加入了3塊光電信號隔離芯片TLP521，采用了順源科技有限公司的DC/DC專用芯片B0505SW1實現了RS485輸入5V到輸出5V的電源隔離，避免RS485外部信號的干擾。

RS232電平轉換芯片選用了SP232(MAX232)，可以實現UART電平到RS232標準電平間的轉換。

繼電器驅動執行機構選用了ORWH-SH-112D，并根據選用的繼電器驅動電流要求，輸入側電流驅動芯片為東芝公司的ULN28039，選用了摩托羅拉公司的ULN2804芯片，通過達林頓三極管陣列實現電流放大。

3.2 監控基站A/D數據處理

在實際使用過程中，傳感器數據在經過A/D轉換后，往往轉換后的值和傳感器實際采集值有一定差異，主要有以下幾個原因：①由于實際應用環境中本身存在噪聲、電磁信號干擾，造成監控基站采集到的數據本身就是不穩定的，有時甚至是明顯偏離上次采集到的數值，即不連續的；②由于傳感器采集到的模擬信號(4～20 mA電流信號)離監控基站有一定距離里，約3 m，故存在一定的傳輸損耗，且一般信號電流越大，損耗越大。

綜合上述幾個產生A/D數據轉換偏差的原因，并結合現場實際的測試情況，對于傳感器采集到的數據進行了如下針對性的軟件濾波和軟件補償，可以較好地滿足實際應用的需要。

(1) 軟件濾波。選用了平均值濾波法和剔除壞值濾波法，本項目根據控制精度要求和采樣時間允許值，取平均值濾波法中的平均采集次數為200次，同時設定壞值評價標準為10，即為A/D轉換范圍(256～1 024)的約1/7。整個濾波程序的步驟為：①求取最近200次的A/D轉換值；②求取壞值濾波法的評價標準，即為所測200次的平均值；③執行壞值濾波法，剔除符合壞值特征的數據(與“壞值評價標準值”相差100以上)；④執行平均值濾波法，即將壞值剔除后的數據求取平均值，幾位最終濾波后的結果。

(2) 傳感器數據標定。現場監控基站采集并經過濾波后的數據還需要進行與標準儀器的對比進行非線性的擬合函數標定，表1所示為傳感器標定時的溶氧數據。

對兩組患者護理中發生不良事件的情況進行統計，采用院內自制的調差表，對高危藥物外滲、患者身份識別錯誤、用藥錯誤及患者墜床的發生率進行計算。

表1 傳感器標定的溶氧數據

通過軟件濾波和軟件補償技術，現場基站采集到的傳感器數據與實際數據的誤差基本可控制在0.5%相對精度范圍內。

3.3 基于專家系統的智能控制

現場監控基站和遠程控制中心主機間采用RS485方式通信，RS485的通信波特率設為2 400 bit/s，現場監控基站通信端采用了光電耦合和DC/DC電源隔離技術，以及帶有防浪涌電壓及串模干擾功能，在通信協議上參考了MODBUS協議，具有可擴展性強，帶奇偶校驗和雙字節幀頭和握手反饋功能。同時加入了看門狗復位電路，現場監控基站在等待遠程控制中心數據超過2 s仍未收到將放棄此次操作，這樣可以防止通信假死(即基站“死等”控制中心數據)導致的整個通信系統癱瘓。這些功能可以較好地保障傳輸數據的發送與接收端的一致性，防止出現控制中心的數據在傳輸過程中的突變(比如開關增氧機等操作引起的災難性后果。

主機控制軟件通過美國NI (National Instruments)公司的可視化編程工具Labview設計實現，遠程控制中心主機主要包括如下基本控制模塊：數據庫管理頁面、水質上下限設置頁面、定時控制設置頁面、系統設置頁面、水質狀況實時顯示頁面。各模塊之間相互獨立，提高了軟件可靠性和效率。

具體功能說明如下：數據庫管理頁面負責將采集到的所有水質參數的數據管理和維護，數據庫使用的是MySQL5.1；水質上下限設置頁面負責設定水質參數的上下限，以實現自動超限報警以及通知監控基站進行報警動作的功能；系統設置頁面負責完成系統時間和控制方式選擇(自動或者半自動控制方式)等系統參數配置；水質狀況實時顯示頁面將實時顯示獲取到的定點和移動水質參數，并顯示在遠程監控室的電腦屏幕上，供水產養殖人員進行實時便捷的水質監控。

根據實測的水質參數，該監控系統可根據后臺的專家庫自動診斷是否需要開啟或者關閉水產養殖的執行機構(如增氧機，投餌機等)，同時還設置了人工交互決策的功能，由用戶選擇合適的方案進行控制。基于專家系統[16-17]的智能控制流程圖如圖4所示。

圖4 基于專家系統的智能化決策控制

由于不同的養殖品種會有不同的適宜范圍，均可在中心主機軟件控制平臺監控主界面進行設定。以南美白對蝦為例，參數要求為：溶氧4～7 mg/L，電導650～1 100 μS/cm，pH6.5～8.5，溫度20～27 ℃，氨氮小于9 mg/L。綜合上述參數的適宜范圍，可以設定相應的報警上下限和標準值，用于實現水質的自動或者半自動控制。例如，可以在遠程控制中心主機中設定溶氧的水質報警下限為3 mg/L，報警上限為6.5 mg/L，則當池塘中的溶氧低于3 mg/L時，遠程主機將下發開啟相應增氧機命令，基站在收到了開啟增氧機命令后，將進行通信校驗，并開啟對應的增氧機，同時回復上位機是否開啟成功，上位機通過后續的水質輪詢，判斷出現溶氧報警的池塘的溶氧是否大于或者等于標準值(6.5 mg/L)，如果大于等于標準值，將下發關閉增氧機命令，基站收到指令后將關閉增氧機，實現了池塘溶氧的自動控制過程。

4 應用驗證

本系統已經在863水產養殖示范基地的南美白對蝦養殖現場進行了試運行，養殖現場共有4個池塘，大小均約為40 m×130 m。1～3號池塘各均勻設置了3個抽水泵，最后1個池塘設有2個抽水泵，在2號和3號池塘之間設有現場控制室，內含采樣池、傳感器等的定點水質采集系統，同時現場控制室內放置了現場監控基站，基站在采集完所有水質后，會通過RS485通信傳送水質數據到150 m外的遠程控制中心，實現了水質參數的自動監控。現場運行效果良好，可以自動完成整個水質檢測和控制的流程，養殖人員可以在遠程控制中心實時觀測養殖水狀況，同時可以在監控室內隨時通過電腦來控制各個池塘養殖執行機構如增氧機等的開啟和關閉狀態。

5 結 語

本文應用嵌入式技術和控制理論設計了集約化水產養殖系統現場監控基站和遠程控制中心的主機監控軟件，結合相關傳感器，實現了水質參數的自動檢測、監測、預報，并根據專家系統實現了自動控制，為后續進一步的技術研究提供了有效的應用基礎。該系統解決了傳統的養殖業水質參數采集困難，改變了原先由人工檢測并監控的落后局面，能夠很好地滿足養殖基地水質監控要求，且具有較高的實用性和可靠性。

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Design and Implementation of Integrated Whole-scale Water Quality Monitoring System

WEIRui-hua,XULi-hong

(School of Electronics and Information Engineering, Web-Cooperative Research Center of for Facility Agriculture,the Ministry of Education, Tongji University, Shanghai 200092, China)

To achieve the aquaculture automation, a low-cost monitor and control system is designed for the aquaculture water environment by using the embedded system technology. This system can realize not only the on-line fixed point and mobile monitoring of water parameters including dissolved oxygen, pH, ammonia, temperature, and conductivity, etc; but also the water environment automatic control through the accompanied actuator. The fixed-point monitoring system has a sample pond which can collect the water of several different areas through water pumps; while the mobile monitoring system is an equipment has the sensors and ZigBee positioning function. The system can accomplish the whole-scale water monitoring, and save the initial invest and maintenance cost. The interactive modular in the base station can display the real-time water parameters for the aquaculture environment; while the data saving modular can realize the water parameter backup. The base station can also communicate through RS485 with the host computer, which can realize the intelligent control and further analysis. This system has the advantages of low cost, high reliability, modular hardware and software design etc.

aquaculture environment monitor; fixed-point monitor; mobile monitor; whole-scale water parameter monitor; automatic control and monitor

2015-03-26

國家863計劃(2012AA10A507)；國家自然科學基金項目(61174090);同濟大學青浦區聯合項目

蔚瑞華(1979-)，女，山西交城人，博士，講師，主要從事控制理論與應用，設施農業水產養殖監控系統研究。

Tel.: 021-69584663-12;E-mail: weiruihua@tongji.edu.cn

TP 274

A

1006-7167(2016)01-0034-05