工廠化水產養殖水質監測系統

肖瑞超，位耀光，他旭翔，張龍

（中國農業大學，北京市農業物聯網工程技術研究中心，北京 100083）

工廠化水產養殖水質監測系統

肖瑞超，位耀光，他旭翔，張龍

（中國農業大學，北京市農業物聯網工程技術研究中心，北京 100083）

工廠化水產養殖的密度高、風險大，養殖對象對pH、溶解氧、溫度、氨氮、亞硝酸鹽等水質參數的變化敏感，受影響嚴重，監測水質參數極為重要。本文針對工廠化水產養殖水質監測特點和需求，研發了工廠化水產養殖水質監測系統。分析研究pH、溶解氧、溫度、亞硝酸鹽等水質參數的閾值，設計水質監測數據無線采集節點和基于Zigbee的無線監測網絡，建立水質監測系統軟件平臺。結果表明，該系統能夠實現工廠化水產養殖水質實時監測，保證生產安全，提高水產養殖生產效率。

工廠化水產養殖；水質監測；無線傳感網絡

“養魚先養水”，養殖水體是養殖魚類賴以生存的生活環境，直接關系到魚類的生長和發育，也決定著養殖生產的效率和產品安全。近年來，隨著水產養殖規模的擴大和集約化程度的不斷提高，養殖密度不斷增加，養殖水域環境不斷惡化，病害發生率越來越高，引發水產品質量安全問題。因此，構建水產養殖水質監測系統，及時掌握養殖魚類的生存環境，采取有效調控養殖水質，對于保障養殖生產安全、高效和產品質量安全具有重要意義[1]。

水質參數監測是工廠化水產養殖的重要組成部分，是工廠化養殖向自動化、大規模、高密度和高質量發展的關鍵環節。工廠化水產養殖采用行高密度循環水魚類養殖的生產方式，高密度、高投入、高產出。工廠化水產養殖集現代工業工程技術、水處理技術、生物技術于一體，是水產養殖業的發展方向[2]。

歐美等發達國家工廠化水產養殖起步較早，已基本進入全封閉循環，“零”排放的標準階段，水循環利用率達90%以上，年單產最高達200～500kg/m3，現在已是產品化的水產養殖監控系統，但是成本比較高，推廣較難。我國的工廠化水產養殖技術雖然起步較晚，但是作為未來水產養殖業的發展趨勢，近年來發展迅速。與發達國家技術密集型的封閉式循環水養魚相比，我國的工廠化水產養殖方式還處于初級階段，絕大部分工廠化水產養殖場的設備簡陋，技術含量低，病害發生呈蔓延趨勢[3]。

為滿足工廠化水產養殖中水質參數監測的需要，本研究采用無線數據采集節點和基于Zigbee的無線監測網絡等，提出并且開發了工廠化水產養殖水質監測系統，可以實現現場和遠程實時監測和調控水質參數，滿足了日常養殖活動的智能化需求管理，以及在水體循環系統中，對水質參數的監測，并且引入無線傳感網絡方便現場養殖員的管理，提高養殖自動化、信息化水平，使工廠化水產養殖符合“資源節約、環境友好型”的可持續發展戰略[4,5]。

1 工廠化水產養殖的水質要求

在工廠化水產養殖過程中，影響魚類生長的主要水質參數有pH、溶解氧、溫度、氨氮、亞硝酸鹽等。根據頒布的GBll601.89規定，淡水魚類水體的pH應在6.5～8.5之間。氨氮是水產養殖中蛋白質消化的副產物，每100kg的飼料可以產生2.2kg左右的氨氮，而非離子態氨氮對魚類毒性極大。當pH=7時，絕大部分的總氨氮處以離子狀態；當pH＜7時，硝化菌的活性降低；當pH＜6時，硝化菌將不再轉化氨氮，為保證氨氮轉化效率，水體pH應保持在7以上。魚類生理活動和硝化反應都是產酸耗堿的過程，水體pH呈降低趨勢，所以要監測和控制水體pH，確保水體pH能滿足以魚生長的酸堿環境[6,7]。

溶解氧是魚類賴以生存和生長的生命要素，魚蝦蟹類養殖水域溶解氧應保持在5～8mg/L，至少要保持在4mg/L以上，冷水性魚類一般要求高于5mg/L或是在水體飽和溶解氧的60%以上[8,9]。在工廠化水產養殖過程中，魚類的生理活動需要氧，溶解氧不斷被消耗[10]。石斑魚在適當的高氧下，食欲旺盛，消化酶功能強，生長快。持續不斷地為魚類提供充足的溶解氧是工廠化水產養殖水質監測系統正常運行的必要條件。

水溫上升，不同魚類的的代謝有所加強。如果溫度過高則會抑制魚類的正常生活，甚至死亡；如果溫度急劇下降，魚類就會陷入休眠，降到冰點以下，魚類會因體液凍結而死[11]。所以，溫度對魚類的生長環境至關重要，控制溫度是生產安全的重要方面。

亞硝酸鹽含量是引發魚病的關鍵因素。亞硝酸鹽是氨轉化為硝酸鹽的中間產物，氨轉化為硝酸鹽到阻，水體中就會積累中間產物—亞硝酸鹽。養殖水域中的亞硝酸鹽可使魚的血液中的亞鐵血紅蛋白被氧化成為高鐵血紅蛋白，抑制血液的載氧能力。魚長期處于高濃度的亞硝酸鹽水中，就會發生黃血病，一般水中的亞硝酸鹽應該控制在0.1mg/L以下[8,9]。

2 硬件總體設計

本設計考慮到養殖現場的面積及網絡覆蓋情況，采用現場監控與遠程監控同步工作的模式，主要包括以下四個部分：

（1）無線數據采集節點：數據采集節點安裝在養殖現場的水面上，與水質傳感器直接相連，傳感器采集的水質信息通過傳感器信號線傳送到采集節點進行存儲和發送；采集節點為傳感器提供能量，控制傳感器；采集節點可實現多傳感器實時在線多參數同時監測和存儲。

（2）無線匯聚節點：無線匯聚節點是WSN內部網絡與管理節點的接口。它連接傳感器網絡與Internet等外部網絡，實現協議棧之間的通信協議的轉換，還可以發布管理節點的監測任務，把收集的數據轉發到外部網絡上[12,13]。

（3）數據傳輸網絡：現場監測數據近距離傳輸和遠程傳輸。本系統的無線傳感網絡可實現2.4GHz短距離通訊和GPRS/CDMA無線通信，采用智能信息采集與控制技術，具有自動網絡路由選擇、自診斷和智能能量管理等功能。

（4）現場監控系統和遠程監控系統：感知與控制設備無線傳感網絡和具有GPRS/GSM通信功能的中心服務器與遠程監控中心能夠實現現場以及遠程的數據獲取、系統的組態信息、系統控制和系統預警等功能。

系統的硬件結構組成見圖1。

2.1 無線數據采集節點

無線采集節點直接連接著水質參數傳感器，主要包括安裝在養殖水域中的pH傳感器、溶解氧傳感器、溫度傳感器以及電導率傳感器等；水質參數傳感器主要選用美國In-Situ公司的Aqua TROLL°400傳感器，其性能參數見表1。

圖1 系統硬件結構示意圖Fig.1 A diagram of the system hardware structure

圖2 數據采集節點Fig.2 Data collection node

表1 水質參數傳感器性能參數Tab.1 The performance of a water quality sensor

無線采集節點主要包括傳感器接口、供電模塊和主電路模塊等，檢測到溶解氧、水溫、pH以及電導率等數值后，對其進行初步的數據處理并發送給無線路由節點。無線采集節點包括MCU處理器模塊、供電模塊、電源管理模塊、傳感器接口、Zigbee無線網絡模塊和數據存儲模塊。其中傳感器信號與采集節點的通信采用RS485串口通信；采集節點需要持續長期工作，供電模塊采用太陽能電池為傳感器供電。主電路主要由微處理器、數據存儲模塊、無線通信模塊、傳感器以及電源管理模塊等組成，具有處理、存儲和發送溶解氧傳感器檢測數據的功能，其中主電路模板使用低功耗芯片MSP430 MCU作為微處理器，主要用來控制各模塊的供電、控制傳感器工作，進行數據的初步處理。無線數據采集節點結構見圖2。

2.2 無線匯聚節點

無線匯聚節點不僅可以連接傳感器網絡與Internet等外部網絡，還能實現協議棧之間的通信協議轉換，可以同時發布管理節點的監測任務，并把收集的數據轉發到外部網絡上，具有較強的通訊能力，擁有統一完整的外部接口[11,12]。水產養殖無線匯聚節點裝置將部署在水產養殖區域內的每個傳感器節點所采集到的數據通過短距離的ZigBee無線通信協議，將得到的參數傳到匯聚節點；在匯聚節點處進行信息融合處理，先進行信息融合預處理，進行數據清理、數據變換，進而運用基于RBF的神經網絡算法和模糊計算技術，將數據轉換成一個簡單的表示當前水質狀態的參數。同時匯聚節點將有兩種方式：有線和無線來連接監控中心，近距離的直接通過485接口連接監控中心，遠距離的通過GPRS將表示水質狀況的參數傳輸到監控中心，監控中心實時向養殖場內的各個控制節點發出控制指令，實現水產養殖水質實時監測控制。

無線匯聚節點采用三星公司的S3C2410芯片作為匯聚節點的中央處理器。該芯片內部集成了基于ARM公司的ARM920T核心處理器核的32位微控制器。該處理器擁有16KB指令Cache和16KB數據Cache、LCD控制器、NAND Flash控制器、1個多主I2C總線、1個I2S總線控制器、4個PWM定時器和1個內部定時器、觸摸屏接口和2個USB接口控制器、4個 DMA通道、3路UART、2路SPI和并行I/O口，主頻最高可達203MHz，利用微處理器豐富的外設及接口，使得它在低成本、低功耗的條件下能夠完成一些功能豐富的應用。SPI串口接口實現S3C2410與XBEE芯片的連接，實現嵌入式平臺與傳感器節點基于ZigBee網絡的傳感數據的傳輸；2路 UART串口則分別與 MC35I芯片及MAXl490芯片連接，實現匯聚節點與監控中心有線連接或是基于GPRS網絡的融合數據及控制指令的傳輸和相關數據的存儲等功能（圖3）。

根據水產養殖的需求，無線匯聚節點采用基于ZigBee協議的無線傳感網絡構架。采用樹型網絡結構，該網絡結構包括一個無線匯聚節點（主設備）、多個無線傳感器節點以及無線控制節點（從設備）以及中繼節點構成一個簇，多個簇構成一個網絡。

3 軟件系統結構設計

水質監測系統軟件平臺可以實時監控水質參數，實現現場及遠程的數據獲取、系統組態、系統預警以及報警等，可以匯總實時監測數據，進行曲線分析。該軟件系統還包括設備屬性設置、監測設備工程設置和設備數據的查詢及管理等功能，不僅可以對水質監測和調控，還可以設置無線采集節點、無線匯聚節點、水質傳感器、增氧機等設備的屬性，對設備狀態進行監測，以便于設備在正常狀態下運行，避免出現未知的設備故障帶來不必要的麻煩。

圖3 匯聚節點硬件結構圖Fig.3 The hardware structure diagram of aggregate node

圖4 軟件系統功能設計結構圖Fig.4 Software system functional design

軟件系統功能結構設計見圖4。

本軟件系統可以實現的主要功能如下：

（1）工程設計功能

該功能主要涉及工廠化養殖無線采集節點、無線匯聚節點、水質傳感器、增氧機等現場設備圖形化部署及配置的功能，用戶可將當前的設備圖形化部署在工程里，采用無線傳感網絡方便用戶對工程的管理，并可以重復設計幾個工程，每個工程都可復用，方便快捷，用戶操作交互性高。監控中心界面對用戶十分友好，用戶可全面掌控工程設備狀態。拖動圖形控件部署養殖池、接入點、路由點、采集點、傳感器以及控制閥等設備；對部署好的圖形設備進行配置，以與實際物理設備關聯；部署好的設備允許用戶拖拽移動，雙擊配置屬性，添加關聯。

（2）工程配置功能

該功能主要涉及水質傳感器、采集節點、路由節點以及增氧機等設備的信息屬性設置，包括物理設備的地址、類型，設備通道的地址，類型等，主要包括設備屬性配置、設備通道屬性配置、設備系統參數配置（包括讀取當前配置和重新設置設備參數）、設備休眠狀況配置（包括讀取當前配置和重新設置設備參數）。

（3）數據查詢保存功能

該功能主要涉及對設備環境配置數據的查詢和保存，水質環境傳感器數據的查詢和保存，主要包括設備基本屬性的查詢和保存、設備通道屬性的查詢和保存、水質傳感器實時數據的查詢（包括圖形界面的實時顯示和用戶的命令顯示）。

（4）實時監控

監控當前養殖車間池塘的基本信息，如養殖戶、養殖池名稱、手機號、面積、水深、水草種類、養殖品種、投放時間等，養殖車間采集的最新數據，水溫及溶解氧的變化趨勢等。

（5）數據匯總

對車間池塘中溶解氧的最大值、最小值、平均值和水溫的平均值等數據進行匯總顯示。

（6）曲線分析

可以將水質參數的曲線呈現出來，便于對水質參數進行分析，從而對水質參數進行調控。

4 系統應用實驗及效果

采用本文所開發系統在萊州明波公司進行現場試驗，系統實現對養殖水質的實時監控、數據分析和增氧機的自動控制等。

（1）實時監控

可以實現對水質參數進行實時信息采集、顯示等功能，包括數據的采集時間，設備的狀態，溶解氧、水溫、電導率、pH等參數值以及該參數值是否正常和增長趨勢的顯示。圖5為2017-05-1714:30:31的實時監控情況。

（2）數據分析

該系統可以對溶解氧、水溫、pH以及電導率等水質參數進行連續分析、掌握數據變化趨勢并進行統計分析。系統采集2017-05-15 9:40:43－2017-05-16 9:30:20的數據，每10min采樣1次，總共產生68組數據，經過分析得到如圖6所示的數據變化趨勢。從圖6可以看出，水質參數的變化都在正常范圍內。

圖5 實時監控Fig.5 Real-time monitoring

圖6 數據變化曲線分析Fig.6 Data change curve analysis

（3）增氧機自動控制

該系統可定時控制、自動控制增氧機。如設置啟動時間為10:00，關閉時間為12:00，則到10:00增氧機自動開啟，而到12:00增氧機自動關閉；還可以設置開啟值和關閉值，如設置開啟值為5mg/L，關閉值為8mg/L，若實時監測的溶解氧值降低到5mg/L時，增氧機自動開啟，實時監測的溶解氧達到8mg/L時，增氧機可自動關閉。采用該系統可以智能控制增氧機開啟時間，避免傳統方式依賴經驗控制方式的高能耗問題，系統界面見圖7。

圖7 增氧機參數設置Fig.7 The parameter setting of an aerator

試驗測試結果表明，該系統性能較穩定，可滿足對水質參數的實時監控。當水質參數不正常時，也可進行調控，保證魚類生長在最佳的水質環境中。

5 總結

結果表明，水溫、溶解氧、pH、亞硝酸鹽等因素都不同程度地影響著魚類的生長和發育。在水產養殖過程中必須對這些環境因素進行監測，使得水產動物生長在最佳水質環境中，提高水產品質量和產量。本系統采用的Zigbee無線傳感網絡以及現場和遠程監測，可以更加方便、準確及時地掌握水產養殖現場的情況，提高養殖水平。

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A Water Quality Monitoring System in Recirculating Aquaculture

XIAO Rui-chao,WEI Yao-guang,TA Xu-xiang,ZHANG Long
（Beijing Agricultural Science and Technology Network Engineering Technology Research Center,China Agricultural University,Beijing 100083,China）

Recirculating aquaculture playing an important role in the development of fisheries is characterized by high culture density and risk,in which the animals are sensitive to water quality parameters,such as pH,temperature,and levels of dissolved oxygen,ammonia nitrogen and nitrite.Thus,the online water quality parameter monitoring is very important to ensure the health growth of the cultured animals.In this paper,the thresholds of pH,dissolved oxygen,temperature,nitrite and other water quality parameters are evaluated,and a wireless acquisition node and Zigbee wireless monitoring network of water quality monitoring was designed.And then the software platform of water quality monitoring system was developed and tested.The results showed that the real-time monitoring of water quality was conducted by the water quality monitoring system to ensure the safety of production and to improve the production efficiency in the recirculating aquaculture.

industrial aquaculture;water quality monitoring;wireless sensor network

TP274+.5

A

1005-3832（2017）05-0051-06

2017-04-21

山東省自主創新及成果轉化專項（2014ZZCX07102）；廣東省省部產學研結合項目（2012B090500008）；現代設施農業環境控制技術與智能裝備研究（2017XD001）.

肖瑞超（1989-），男，碩士在讀，從事計算機技術及應用研究.E-mail:showric@163.com

位耀光（1976-），男，博士，副教授.E-mail:wyg@cau.edu.cn