水產(chǎn)養(yǎng)殖場分布式自動(dòng)監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

唐榮++劉世晶++王帥

摘要 針對現(xiàn)代化水產(chǎn)養(yǎng)殖場生產(chǎn)過程監(jiān)控需要，本文設(shè)計(jì)開發(fā)了一套分布式自動(dòng)監(jiān)控系統(tǒng)。該系統(tǒng)采用太陽能水質(zhì)監(jiān)測浮標(biāo)對養(yǎng)殖場進(jìn)水水源和排水口的水質(zhì)進(jìn)行在線監(jiān)測。每個(gè)養(yǎng)殖車間采用獨(dú)立的自動(dòng)監(jiān)控系統(tǒng)，監(jiān)測室內(nèi)環(huán)境及養(yǎng)殖池水質(zhì)。中央控制房通過上位機(jī)軟件采集水質(zhì)監(jiān)測浮標(biāo)和車間自動(dòng)監(jiān)控系統(tǒng)的信息，實(shí)現(xiàn)養(yǎng)殖場集中監(jiān)控，從而提升了生產(chǎn)效率和養(yǎng)殖管理水平。

關(guān)鍵詞 水產(chǎn)養(yǎng)殖；分布式監(jiān)控系統(tǒng)；水質(zhì)監(jiān)測浮標(biāo)

中圖分類號(hào) S951.2 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 A 文章編號(hào) 1007-5739（2017）07-175-02

水產(chǎn)養(yǎng)殖正朝著規(guī)模化、集約化方向發(fā)展，環(huán)境因素和規(guī)模化管理成為集約化養(yǎng)殖中最關(guān)鍵的環(huán)節(jié)[1-3]。養(yǎng)殖環(huán)境直接影響魚、蝦等養(yǎng)殖對象的生長，同時(shí)養(yǎng)殖過程中產(chǎn)生的富營養(yǎng)尾水對局部水體環(huán)境構(gòu)成威脅[4]。近年來，無論是室外池塘生態(tài)養(yǎng)殖還是室內(nèi)循環(huán)水養(yǎng)殖模式，都對養(yǎng)殖水質(zhì)的實(shí)時(shí)監(jiān)測越來越重視[5-6]。同時(shí)，隨著養(yǎng)殖規(guī)模的不斷擴(kuò)大，勞動(dòng)力短缺日益凸顯，需要通過技術(shù)手段提高生產(chǎn)效率。本文介紹了水產(chǎn)養(yǎng)殖場分布式自動(dòng)監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)原理，及其軟、硬件實(shí)現(xiàn)途徑，以提高養(yǎng)殖管理水平。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1.1 系統(tǒng)總體架構(gòu)

針對養(yǎng)殖場生產(chǎn)監(jiān)控需求，借鑒工業(yè)控制系統(tǒng)的原理，采用“分布控制—集中管理”的理念設(shè)計(jì)了養(yǎng)殖場分布式自動(dòng)監(jiān)控系統(tǒng)[7-8]，包括養(yǎng)殖車間自動(dòng)監(jiān)控及整個(gè)養(yǎng)殖場的進(jìn)排水水質(zhì)監(jiān)測，如圖1所示。每個(gè)養(yǎng)殖車間設(shè)置1套自動(dòng)監(jiān)控系統(tǒng)，養(yǎng)殖場進(jìn)水口和排水口分別設(shè)置1套水質(zhì)監(jiān)測裝置。各個(gè)車間自動(dòng)監(jiān)控系統(tǒng)經(jīng)過專用通信線路與中央控制房進(jìn)行通信，進(jìn)水口和排水口由于距離較遠(yuǎn)，監(jiān)測裝置通過無線網(wǎng)絡(luò)與控制房進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，最后所有信息匯總至中央控制房進(jìn)行集中監(jiān)控。

1.2 水質(zhì)監(jiān)測浮標(biāo)

針對進(jìn)排水口供電不便的情況，設(shè)計(jì)了一種太陽能水質(zhì)浮標(biāo)，搭載傳感器進(jìn)行水質(zhì)監(jiān)測。該浮標(biāo)采用模塊化結(jié)構(gòu)，主要由傳感器、浮體、太陽能電池板、防水電箱、傳感器安裝桿、固定支架、無線通信模塊、通信天線等組成。采用太陽能電池板和蓄電池組合供電方式，通過專用的太陽能充放電控制器對電源進(jìn)行管理。晴天光照良好時(shí)，太陽能電池板為傳感器和無線通信模塊供電，同時(shí)對蓄電池進(jìn)行充電，存儲(chǔ)富余的電能；陰雨天光照不足時(shí)，則由蓄電池提供電源。蓄電池、充放電控制器及無線通信模塊安裝在防水電箱內(nèi)，防止其受潮而導(dǎo)致故障。水質(zhì)監(jiān)測數(shù)據(jù)通過無線通信模塊上傳至中央控制房上位機(jī)。

1.3 養(yǎng)殖車間自動(dòng)監(jiān)控系統(tǒng)

養(yǎng)殖車間自動(dòng)監(jiān)控系統(tǒng)用于監(jiān)控車間環(huán)境及養(yǎng)殖池水質(zhì)的在線監(jiān)控。車間內(nèi)配置溫度傳感器、濕度傳感器及氣壓傳感器，每個(gè)養(yǎng)殖池配備水質(zhì)傳感器，如圖2所示。傳感器通過電纜連接至車間監(jiān)控主機(jī)，采用標(biāo)準(zhǔn)的Modbus協(xié)議與主機(jī)進(jìn)行通信。監(jiān)控主機(jī)通過專用軟件采集監(jiān)測數(shù)據(jù)，同時(shí)將所有信息上傳至中央控制房上位機(jī)。

2 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

2.1 硬件

太陽能水質(zhì)浮標(biāo)采用直流12 V電壓的太陽能電池板供電，配備In_situ公司的TROLL400型多參數(shù)水質(zhì)傳感器，測量參數(shù)包括水溫、溶解氧、pH值、氧化還原電位及電導(dǎo)率。浮體采用工程塑料通過模具制作，輕便、堅(jiān)固，腔體內(nèi)填充非吸水性發(fā)泡材料，即便浮體出現(xiàn)裂縫滲水也不會(huì)下沉，從而保證浮標(biāo)安全使用。浮標(biāo)使用時(shí)漂浮在水面上，通過繩索系泊在池塘岸邊。水質(zhì)傳感器固定在安裝桿末端，通過安裝孔插入水中。安裝桿通過卡槽與不銹鋼固定支架連接，安裝桿能夠上下調(diào)節(jié)高度，從而可根據(jù)需要將傳感器伸入指定水層進(jìn)行檢測。需要變更檢測位置時(shí)，只需解開繩索，拖動(dòng)浮標(biāo)至指定位置或?qū)⒏?biāo)搬入其他指定池塘即可，如圖3所示。

養(yǎng)殖車間水質(zhì)傳感器選用In_situ公司的RDO型溶氧傳感器，測量水溫和溶解氧；室內(nèi)監(jiān)測采用一體式溫濕度傳感器和氣壓傳感器；監(jiān)控主機(jī)采用研華公司的工業(yè)控制計(jì)算機(jī)；所有傳感器通過電纜接入主機(jī)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測。

2.2 軟件

車間監(jiān)控主機(jī)和中央控制房上位機(jī)軟件采用易控組態(tài)軟件進(jìn)行二次開發(fā)。該軟件具有豐富的圖形庫和接口，可以簡化開發(fā)工作[9-10]。車間監(jiān)控主機(jī)軟件在本地建立OPC服務(wù)器，將所有輸入輸出信號(hào)全部建立對應(yīng)的OPC變量。上位機(jī)軟件通過OPC接口讀取上述OPC變量，從而采集各個(gè)車間控制系統(tǒng)的監(jiān)測數(shù)據(jù)，同時(shí)通過無線網(wǎng)絡(luò)讀取進(jìn)水口和排水口太陽能水質(zhì)監(jiān)測浮標(biāo)的數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)對整個(gè)養(yǎng)殖場環(huán)境的集中監(jiān)控，軟件界面如圖4所示。

3 結(jié)語

本文設(shè)計(jì)的養(yǎng)殖場自動(dòng)監(jiān)控系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了進(jìn)排水水質(zhì)的在線監(jiān)測以及養(yǎng)殖車間環(huán)境和養(yǎng)殖池水質(zhì)的自動(dòng)監(jiān)控，提高了養(yǎng)殖自動(dòng)化程度和信息化管理水平。該系統(tǒng)采用“分布控制—集中管理”的架構(gòu)，保證了系統(tǒng)的可靠性，同時(shí)具有良好的可擴(kuò)展性。

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