水產養殖溫度調控系統智能化設計

吳小峰

(南通航運職業技術學院，江蘇 南通 226010)

0 引言

隨著我國水產養殖業的不斷發展與進步，應用于水產養殖的裝置控制與調節水平亦逐步向智能化方向轉變。根據養殖作物水體的參數特征，相關專家與學者分別從不同角度展開研究，如pH值監測、溶解氧監測及濁度監測等，通過一系列地自動智能監測，實時掌握水體內部的參數變化情況，并及時采取相關養殖措施，保證整體水域環境良好，以提高養殖產量與質量。融入物聯網及無線傳感器等技術于水產養殖智能控制系統，是近年來的研究熱點，筆者在借鑒前人研究的基礎上，針對水產養殖的參數之一—水體溫度展開論述，進行溫度調控系統的智能化應用設計。

1 水產養殖系統監測

在水產養殖中，溫度對養殖作物的存活率及質量起到關鍵性的作用。隨著大規模農業水產養殖的發展，在線監測技術不斷應用于水產養殖領域，水產養殖系統的監測作為新興自動化控制技術的產物，其監測原理可簡要描述為：在監控中心的主控下，安裝在水域內部的若干傳感裝置，通過對水體內部的溫度、pH、溶解氧及電導率等參數進行數據采集，并通過專用控制器處理后傳輸到中央控制系統；在水產養殖現場與中央控制系統實現通信后，對各個監測數據參數進行數據對比，超出一定的閾值范圍，需要工作人員及時進行操作調整，確保各水質參數適合水體內養殖物的成活。整個監測系統各個模塊之間實現互相協調控制，關鍵技術如PID、ZigBee及模糊控制等被應用于相關控制環節與裝置，整個監測系統形成閉環控制有機整體，完成水產養殖系統監測工作。其監測系統結構如圖1所示。

2 溫控系統設計

2.1 系統硬件設計

針對溫度調控系統進行劃分，將水產養殖區域簡化(見圖2)，各節點分布著無限路由及傳遞感應裝置用來重點采集水體溫度信息。系統硬件方面選取低能耗、高精度進行組裝，主要傳感器節點功能圖如圖3所示。在電源模塊的供電之下，控制模塊發揮主體作用，通過信號調理回路實現水體溫度信息傳遞，并經轉化放大之后送入無線通訊模塊。經比選采用DS18B20作為溫度傳感裝置主體芯片，控制電路為單通道控制，可有效防干擾、穩定性強。圖4給出溫控系統節能模塊電路連接圖，可保證硬件裝置整體工作時間持續低耗。

圖1 水產養殖監測系統簡圖Fig.1 Brief diagram of the monitoring system of the aquaculture

圖2 水產養殖環境監測區域簡化圖Fig.2 Simplified diagram of the monitoring area of the aquaculture environment

圖3 溫控系統硬件設計連接圖Fig.3 Hardware design connection diagram of the temperature control system

圖4 溫控系統節能模塊電路圖Fig.4 Energy saving module circuit diagram of the temperature control system

針對水產作物生存環境的特點，通過表1所列性能參數對比，選取模糊PID控制理論，對水產養殖的溫度實現微型調控，以提高溫度調控系統的精度要求。控制器設計參數依照模糊控制規則編碼并根據如下公式進行動態匹配，即

KPΔe(t)+KIe(t)+KD[Δe(t)-Δe(t-1)]

表1 不同控制器性能參數對比Table 1 Parameters comparison of performance between the different controllers

2.2 系統軟件設計

溫度調控系統軟件程序設計的核心在于算法的選取，合適的算法能夠得到符合實際水產養殖的溫度采集與監控效果。依據上述對硬件組成元件的選型及控制電路設計，實現信號的識別、采集與傳輸，進入與上位機通訊環節，主要利用通訊轉換器、A/D轉換放大原理和門禁控制器等裝置。擬設計的溫控系統軟件包含設計程序初始化、畫面顯示、打開與關閉及溫度曲線的生成等程序，此處給出溫度上下限控制報警關鍵程序代碼如下：

…

…

if(FtempRec.temp[i-1]>

tempHighlimit)

or (FtempRec.temp[i-1]<

tempLowlimit)

then

begin

tmpledt.Font.Color:=clRed;

tmpStr:=tmpStr+ Format(‵%d,′,

[i]);

if not tmpBool then

tmpBool:= True;

if tmpBool then

begin

lbWarn.Caption:= tmpStr+ ‵溫度超限！′;

Windows.Beep(2500,200);

Windows.Beep(2000,200);

end

else

lbWarn.Caption:=″;

…

…

主體調控系統軟件界面設置完成之后，需要傳送至客戶端供養殖監護人員實時監視與調控，此控制系統采用如下關鍵程序代碼實現通信：

…

Dim sendDate As Byte

Dim RecDate As Byte

Dim Prirate Sub Form_load()

…

MSComm1.CommPort=4

MSComm1.InputMode=19

MSComm1.Settings=”9600,0,8,1”

MSComm1.InputLen=0

MSComm1.RThreshould=1

MSComm1.RThreshould=0

if MSComm1.PortOpen=False

then

end if

end Sub

…

3 調控與測試

在核心控制理論算法之下，利用設計的溫度調控軟件及裝置進行模擬調控，可以實現溫度的識別顯示與高低值報警等功能。圖5為設計的溫控軟件調控系統監視畫面。從畫面上可以清晰看出：溫度編碼的實際溫度值及不符合條件的溫度，需工作人員及時發現并做出調整。此溫度來源于水產養殖環境區域模擬狀態下的各個節點分布的溫度傳感裝置，通過智能化控制實現水產養殖的溫度參數化，驗證智能化設計的可行性之后進行試驗地測試。

圖5 溫度調控系統監視畫面Fig.5 Monitoring picture of the temperature control system

選取某水產養殖區域面積為20m×20m，對水域環境的溫度測試精度及傳送數據穩定性進行試驗。試驗記錄數據如表2所示。由表2可看出：將水域環境對比溫度設置為23℃，其溫度調控系統的測試精度可達5%左右；對于無線傳感裝置的節點誤差控制在±0.3%范圍內，水產養殖作業人員只需根據該溫度調控系統的現場監測數據，利用已編制導入的智能控制程序進行選取與點擊，便可實現水產養殖的溫度智能化控制。

表2 溫度測試精度及測試節點傳輸數據記錄Table 2 Records of the temperature test accuracy and the transmit data of the test nodes

4 結論

1)通過對水產養殖在線監測系統原理進行掌握，針對溫度調控系統進行智能化研究和設計，設計了一種基于無線傳感與核心算法相結合的溫控系統。

2)該水產養殖溫度調控系統通過硬件選型與軟件程序編制，實現溫度精確測量與調控，經試驗，精確度控制在5%左右，信號數據傳輸誤差控制在0.3%左右，驗證了溫度調控系統智能化設計的合理性。

3)本溫度控制系統的創新點在于將智能降耗理念運用于電源控制模塊，大大提高溫調系統的整體工作效果，為水產養殖人員提供水產環境信息時間得到延長。

4)針對水產養殖環境進行溫度智能化研究，有利于更為精確、高效地了解養殖環境信息，便于養殖人員實時監控并作出調整，這一思想可用于pH、電導率等其他關鍵參數專項研究開發，有一定的推廣與參考價值。