斑馬魚養殖自動控制系統的設計與實現*

喬新勇，蔡 強，王振華，黃燦燦，菅志軍

(1.杭州電子科技大學 電子信息學院，浙江 杭州 310000； 2.浙江清華長三角研究院分析測試中心，浙江 嘉興 314000)

斑馬魚養殖自動控制系統的設計與實現*

喬新勇1,2，蔡 強1,2，王振華2，黃燦燦2，菅志軍2

(1.杭州電子科技大學 電子信息學院，浙江 杭州 310000； 2.浙江清華長三角研究院分析測試中心，浙江 嘉興 314000)

針對斑馬魚對實驗室環境的要求，系統采用STM32F103ZET6作為主控芯片對斑馬魚的生存環境進行多參數測量與自動控制。主要對水質的電導率、溫度、酸堿度、溶解氧含量進行測量，并通過蠕動泵對水質的多項關鍵參數進行自動調節，通過安裝在箱體頂部的紫外殺菌燈對循環水水質進行定期殺菌消毒。該系統主要包括STM32最小系統電路、系統電源電路、水質參數調理電路、通信電路、蠕動泵與循環泵控制電路。軟件上系統加入了Modbus協議，對斑馬魚養殖系統參數進行監控以及指令控制。經過調試結果表明，本系統適合斑馬魚的養殖，可以高效穩定地運行，減少人工干預，大大提高了實驗斑馬魚的養殖質量。

斑馬魚養殖；電導率；酸堿度；溶解氧；自動控制

0 引言

斑馬魚是脊椎動物研究的模式生物。斑馬魚的優良性狀有利于研究人類疾病的發生與傳播。較強的繁殖力、短小的體型、繁殖周期短、胚胎早期光學透明性強等特性使得斑馬魚成為許多研究者研就其他項目青睞的對象，包括研究動物行為、魚類生理機能和水產養殖毒性試驗[1]。隨著生物化學在毒理實驗方面的需求增加，斑馬魚作為這一類實驗的主要實驗對象也隨之增加[2]。斑馬魚養殖是一個重復性高、控制參數多的活動，而且斑馬魚對生存環境的要求較為苛刻，其中對水質的酸堿度、電導率、溫度測量是一個長期的重復過程，會對用戶產生一定的不便。隨著自動化的發展，自動控制已經滲透到生活中方方面面。這種實驗魚類自動養殖系統之前都是被國外壟斷，價格高昂，在最近幾年，國內的一些公司已經作了相關系統的設計研究，解決了國內相關產業空白的窘境。本系統可以對斑馬魚所需要的環境進行智能調節，最終實現系統的穩定。

對于斑馬魚的生存環境，主要參數是溫度、pH、溶解氧、電導率。其中當水溫在28.5℃時，斑馬魚的胚胎繁殖速度最快，普通的養殖溫度保持在27℃～28℃即可[2]。因為斑馬魚的排泄物為酸性，因此養殖斑馬魚的水的pH值會慢慢降低，為了使斑馬魚正常生長，需要使pH值穩定在7.0～8.0的范圍內[2]。同時加入過濾系統，過濾斑馬魚的排泄物，保證水質干凈。此外加入了紫外線殺菌功能，保持水的無毒環境。對于氧氣的需求，要求溶解氧濃度達到4.5 mg/L～6.5 mg/L，通過循環泵鼓入氧氣。系統運行時，CAN 總線向采集站發送 Modbus-rtu 命令[3]，從當前傳感器采集處獲取當前水質的電導率、溫度、酸堿度和溶解氧含量等相關信息，并且通指令對斑馬魚的生存環境進行自動控制。

1 系統介紹

本系統是基于STM32F103ZET6微控制器制作的斑馬魚自動養殖控制裝置。該系統主要組成部件有UV紫外線殺菌器、全透明亞克力養殖水槽、白色PP(聚丙烯)底部過濾集水槽(內含粗過濾墊)、循環水泵、pH電極等傳感器、報警模塊及觸摸屏顯示模塊。系統實時監測蓄水池中水的pH值、電導率、溫度、溶解氧及液位情況，并可以根據需要設定相應的參數指標，實時控制各項指標的穩定。過濾系統可以對水質進行過濾循環，保證水質的干凈。其中水質的溫度控制采用PID算法進行控制，采用功率為500 W的加熱棒進行加熱，使溫度穩定在27.0℃～28.0℃之間，也就是斑馬魚的最適生存溫度。水質的pH通過pH復合電極進行采集，并與設定值比較，控制蠕動泵往蓄水池里加入堿液，使pH值穩定在7.0～8.5之間。電導率的采集是通過LM555芯片產生的激勵電壓加到二級式電導電極兩端[4]，電極兩端的電阻與輸出頻率成反比例關系。溶解氧含量是采用DO25Prt型溶解氧電極進行測定。通過參數設定，控制固態繼電器輸出信號，調節參數穩定，從而實現實驗室斑馬魚養殖智能化控制。其中，系統的整體框圖如圖1所示。

圖1 系統結構框圖

2 系統硬件設計

針對水產養殖控制系統的多模塊化控制以及多設備協調工作的特點，系統電源部分采用兩路供電，防止功率不夠。由于pH信號采集電路和電導率的采集電路的采集原理類似，都是離子和電子之間的關系互相干擾，二者之間加入了電源隔離和信號隔離，這樣才能測量得更加準確。系統的硬件部分主要是有傳感器信號采集電路、參數控制電路、CAN通信網絡和顯示電路。

2.1 系統電源電路設計

系統電源電壓主要有12 V、-12 V、5 V、3.3 V。±12 V電壓采用鴻海公司的電源模塊，可以輸出±12 V電壓，電流為3 A。5 V電壓輸出采用金升陽公司的K7805-1500開關穩壓模塊，輸出電流可達1 500 mA，可以滿足MCU系統功率需求。3.3 V電壓用于主控電路的供電，采用線性穩壓芯片AMS111.7-3.3輸出[5]。所有的電源都要加入去耦電容。

2.2 水質參數調理電路

養魚蓄水池的水質參數主要包括溫度、pH、電導率、溶解氧，對于這些參數的采集使用不同的傳感器。其中溫度傳感器使用的是PT100。由于鉑電阻的阻值隨著溫度的變化會產生一個毫伏級電壓的變化，對于這種微弱電壓的變化，通過橋式電路轉化為差分電壓信號的變化。因為橋式電路最后輸出的電壓較小，所以選用的運放必須具有很低的失調電壓，OP07這款運放就具備這樣的優點，因此使用OP07運算放大器對差分信號進行放大處理[6]。為了防止因外界干擾而引起的大電壓影響到后級電路，在輸出端并聯了穩壓二極管。調理電路如圖2所示。輸出電壓與PT100阻值之間的關系為：

(1)

其中Rx表示PT100的阻值。

圖2 溫度采集電路

pH和溶解氧傳感器選擇工業級電化學傳感器[7]，滿足在線長時間測量的需求，有較長的損耗時間。pH電極選用的是蘇州漢星的高溫滅菌凝膠pH電極。溶解氧電極選用的是高溫滅菌溶解氧電極，滅菌電極是離子選擇性的玻璃復合電極，其電極本身具有很高的內阻，輸出阻抗達108～109Ω，輸出的電壓信號為毫伏級信號[8]。在其測量過程中，由于地信號對pH的測量有一定的干擾，因而采取對輸入信號進行雙運放差分放大。由于pH復合電極的輸出阻抗較大，因此選用了高阻精密高阻運放TLC4502設計pH傳感器的信號調理電路，如圖3所示。其中R9、R10為精密電阻。

圖3 pH電極信號調理電路

最后輸出的電壓Vo與pH復合電極所產生電壓的關系為：

(2)

其中Vi表示pH電極兩端產生的電壓。

溶解氧測量采用基于Clark原理的極譜型(Polarography)溶解氧電極[9]，此電極中由黃金(Au)環或鉑(Pt)金環作陰極，銀-氯化銀(或汞-氯化亞汞)作陽極。電解液為氯化鉀溶液。陰極外表面覆蓋一層透氧薄膜。極譜型的溶解氧電極需要在陰陽電極之間加0.7 V的極化電壓[10]，極化電壓通過穩壓管提供給溶解氧電極。而且DO25Prt型溶解氧電極輸出電流特別小，為0～50 nA，如此小的電流就相當于一個內阻很大的電流源，對于這種微弱電流的放大必須采取具有很低輸入偏置電流的運放才可以，在這里采用AD711芯片和OP227芯片。其中OP227具有極低的飄移電壓，其飄逸電壓的最大值為75 μV，并且具有很低的輸入偏置電流，其大小為2.5 nA。

電導率采集使用555時基電路芯片，由電阻R15、R17、電容C10 、電導電極組成一個方波振蕩器。電子開關控制電容C10的充、放電回路，使流過電導電極的電流為交流電流，該測量電路輸出信號頻率與電導電極中的溶液電阻呈一對應關系，并且該電路可以自動補償測量過程中的電容效應和極化效應產生的誤差，具有較高的測量精度。電導率采集電路如圖4所示。

高校的資產管理機構為國有資產的一級管理機構，由相應的主管校長負責，實現既管資產，又管事務，兼管人員的統一。高校國有資產管理處獨立行使國有資產出資者的權利，依法對相應的國有資產進行監督管理。其主要職責有：（1）加強日常國有資產管理，對國有資產的安全、完整性，相應的保值增值進行監督監管；（2）制訂相關的高校國有資產的規章制度，依法行使指導監督權力；（3）依法對下級部門負責人進行任免，考核。設立相應的獎懲制度，完善有關的激勵、約束機制。（4）代表學校向校辦企業派遣監事人員；（5）統籌負責學校國有資產的產權相關工作，制訂相應的融資、發展規劃。

圖4 電導率采集電路

輸出的頻率Fout與電導電極電阻的關系為：

(3)

其中Rx表示電導電極的電阻。電極電阻與溶液電導率的關系為：

(4)

式中K表示電導率，Rx表示電極電阻，θ表示電極常數。最終通過測定頻率來反推出水的電導率。

2.3 自動控制電路

養魚蓄水池的水質參數主要包括溫度、pH、電導率、溶解氧，對于這些參數的采集使用不同的傳感器。對于控制參數系統有兩種控制方式，一種是本機的觸摸屏控制，對預設參數進行重新設定；另一種就是通過上位機進行遠程設置，給下位機發送不同的指令輸入新的參數，當參數達到預設值時便會自動開啟固態繼電器，進行酸堿調節操作、電導率調節、循環泵和空氣泵等操作。最終實現整個系統穩定在設定的參數范圍之內，為斑馬魚創造良好的生存環境。

3 系統軟件設計

系統軟件設計主要分為兩個部分，一個是下位機程序，另一個是上位機程序。下位機主要是斑馬魚系統相關參數計算程序、數據處理部分以及控制程序，控制部分可以自主完成系統調節。下位機主控程序是在Keil 5.12中編寫的。上位機包括數據采集和數據顯示軟件。上位機軟件是在Microsoft Visual Studio2013開發環境下用C#語言編寫的[11]?？刂瞥绦蛴芍骺匦酒淖詣涌刂埔约吧衔粰C的手動干預調節組成。

圖5 采集站程序框圖

數據采集中心需要對斑馬魚水質參數進行實時傳輸與檢測，同時還要通過Modbus-rtu 命令來對系統進行調節[12]。由于系統響應 Modbus 命令有一定時間的延遲，主控芯片采用中斷處理的方式對命令進行執行[13]，以便快速、穩定地對前級數據進行輸入處理。 采集站軟件設計就是對Modbus-rtu指令的解析，通過指令完成參數設定。采集站程序結構圖如圖5所示。

3.2 控制站軟件設計

圖6 控制站結構框圖

控制站結構框圖如圖6所示。當數據處理中心接收到的指令是0E、08 蠕動泵或固態繼電器開關命令時,首先會把相應指令的數據寫入對應的寄存器中,通過獲取寄存器中的數據[14],達到控制紫外殺菌器、加熱棒、蠕動泵和循環泵的開或關。當數據處理中心接收到的指令是07、20 時，類似地將會通過獲取數據變動控制電導率蠕動泵按對應寄存器值指定的轉速轉動,達到加鹽的效果，提高水質的電導率。通過控制站可以設定水質的溫度、pH、電導率等相關參數，使系統穩定在參數的設置值范圍之內。

4 系統調試

本系統是一種長期運行的系統，在開啟之后會對系統的各項參數進行檢測。系統首先會對水質的溫度、pH、電導率和溶解氧進行檢測及控制，開啟兩臺循環泵對水質進行不停的過濾，并且定時開啟紫外殺菌。在實驗室調試過程中，首先養殖了30條幼年期的斑馬魚和50條成年期斑馬魚。在一個月之后對斑馬魚的健康狀況做了檢測，發現斑馬魚正常生長，并且斑馬魚的生長速率、各項指標已經符合實驗要求。在此期間對水質參數做了詳細的記錄和分析。其中pH記錄如圖7所示，發現水質pH值可以穩定在7.0～8.0之間。由于斑馬魚的排泄物呈酸性，并且空氣中的CO2進入水中會表現弱酸性，因此隨著時間的推移水質pH會逐漸降低。調節pH配比液是pH值為9.0的堿液。當pH值低于7.0時便自動加液，直至pH值達到8.0。而對于電導率的控制是要求處于600 μS/cm～800 μS/cm之間，當其低于600 μS/cm時，蠕動泵便會打開自動加鹽液來提高電導率，當加至電導率為800 μS/cm時，便停止加液，電導率記錄數據如圖8所示。

圖7 30天pH變化圖

圖8 30天電導率變化圖

同樣溫度也是穩定在27.0℃～28.0℃之間，由于溫度的變化速度較快，因此只提取12小時內的變化曲線，每半小時記錄一次溫度，如圖9所示。由于溫度在最開始測量時水溫處于室溫，因此溫度較低，系統開啟加熱，半小時后溫度達到設置范圍。水質的溶解氧含量大于6.0 mg/L，并且穩定保持在6.5 mg/L水平，如圖10所示。通過數據分析可知，本系統已經滿足斑馬魚的養殖需求，并且可以自動控制達到需求的穩定性。

圖9 30天溶解氧變化圖

圖10 12小時溫度變化圖

5 結論

本文設計了一種基于STM32的斑馬魚自動養殖控制系統。該系統對水質溫度、pH、電導率、溶解氧等進行測量與控制，并且搭建了可靠的Modbus通信網絡。本系統具有可靠的長期使用性、功能可擴展性等特點。通過一個多月的斑馬魚養殖，對斑馬魚的活性和健康體質檢測都表明本系統穩定可靠。經實踐可知本系統能夠通過參數設定自動控制維持斑馬魚生存環境的最佳范圍，為斑馬魚實驗建立了智能可靠的養殖環境。

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Design and implementation of automatic breeding control system of zebrafish

Qiao Xinyong1,2, Cai Qiang1,2, Wang Zhenhua2, Huang Cancan2, Jian Zhijun2

(1. College of Electronic and Information Engineering, Hangzhou Dianzi University, Hangzhou 310000, China;2. Yangtze Delta Region Institute of Tsinghua University, Zhejiang, Jiaxing 31002, China)

In order to match the strict demand of zebrafish breeding laboratory environment, main control chip STM32F103ZET6 was selected as the main chip for multiple parameters measurement and automatic control of zebrafish living environment. The measurement including electrical conductivity of water quality, temperature, pH and dissolved oxygen, etc. It utilized the peristaltic pump to adjust multiple key parameters of the water quality automatically. The ultraviolet germicidal lamp immobilized on top was used for regular sterilization of the circulating water. The automatic breeding control system mainly included the STM32 minimum system circuit, system power circuit, water quality parameters modulation circuit, optical coupling isolation(CAN) circuit, peristaltic pump and circulating pump control circuit. Modbus protocol was jointed to the software system to monitor the zebrafish breeding system’s parameters and control command. Tested and debugged results illustrate the automatic breeding control system suits for the zebrafish breeding, and can match the requirements of the reliable system with highly efficient and stable operation, reduce manual intervention, and highly improve the quality of experimental zebrafish cultivation.

zebrafish breeding; conductivity; pH; dissolved oxygen; automatic control

國家重大科學儀器設備開發專項(2012YQ15008705)；浙江省科技計劃項目(2015C33009)；嘉興市科技計劃項目(2015AY11008)

TP273

A

10.19358/j.issn.1674- 7720.2017.16.026

喬新勇，蔡強，王振華，等.斑馬魚養殖自動控制系統的設計與實現[J].微型機與應用，2017,36(16)：92-95,98.

2017-01-16)

喬新勇(1993-)，男，碩士研究生，主要研究方向：電子系統集成、環境檢測儀器技術。

蔡強(1972-)，男，研究員，主要研究方向：環境檢測儀器、食品工程。

王振華(1984-)，男，副研究員，主要研究方向：光學檢測儀器開發。