沈楠楠，袁永明，，馬曉飛

（1. 南京農(nóng)業(yè)大學(xué)無錫漁業(yè)學(xué)院，江蘇 無錫 214081；2. 中國水產(chǎn)科學(xué)研究院淡水漁業(yè)研究中心，國家羅非魚產(chǎn)業(yè)技術(shù)研發(fā)中心，農(nóng)業(yè)部淡水漁業(yè)和種質(zhì)資源利用重點實驗室，江蘇 無錫 214081）

基于水產(chǎn)物聯(lián)服務(wù)平臺的智能增氧控制系統(tǒng)的開發(fā)

沈楠楠1，袁永明1，2*，馬曉飛2

（1. 南京農(nóng)業(yè)大學(xué)無錫漁業(yè)學(xué)院，江蘇 無錫 214081；2. 中國水產(chǎn)科學(xué)研究院淡水漁業(yè)研究中心，國家羅非魚產(chǎn)業(yè)技術(shù)研發(fā)中心，農(nóng)業(yè)部淡水漁業(yè)和種質(zhì)資源利用重點實驗室，江蘇 無錫 214081）

傳統(tǒng)的水產(chǎn)養(yǎng)殖增氧方式已不能滿足現(xiàn)代化與智能化養(yǎng)殖的需求，且現(xiàn)有的自動增氧系統(tǒng)控制方式過于簡單，靈活性較差。為此，開發(fā)了一種基于水產(chǎn)物聯(lián)服務(wù)平臺的智能增氧控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)以水產(chǎn)物聯(lián)服務(wù)平臺為云端數(shù)據(jù)服務(wù)器，以西門子PLC作為現(xiàn)場智能控制節(jié)點，其中智能控制節(jié)點通過GPRS通信方式與水產(chǎn)物聯(lián)服務(wù)系統(tǒng)連接；系統(tǒng)使用光學(xué)溶解氧傳感器進(jìn)行水質(zhì)數(shù)據(jù)的采集，并采用ZigBee無線組網(wǎng)技術(shù)將數(shù)據(jù)傳輸給控制器；控制器利用溶解氧狀態(tài)判定機(jī)制，根據(jù)控制參數(shù)將池塘溶解氧劃分為5個狀態(tài)，并輸出相應(yīng)的控制策略。結(jié)果表明，該系統(tǒng)運行穩(wěn)定，系統(tǒng)通信與數(shù)據(jù)傳輸通暢，監(jiān)測數(shù)據(jù)更新及時，能夠根據(jù)設(shè)定的控制參數(shù)，智能地判定池塘溶解氧狀態(tài)并觸發(fā)系統(tǒng)調(diào)水機(jī)制或增氧機(jī)制。系統(tǒng)達(dá)到智能控制系統(tǒng)設(shè)計要求，穩(wěn)定高效的控制效果降低了養(yǎng)殖風(fēng)險，提高生產(chǎn)效益，具有廣泛推廣應(yīng)用價值。

水產(chǎn)養(yǎng)殖；物聯(lián)服務(wù)系統(tǒng)；溶解氧；智能控制；判定機(jī)制

沈楠楠， 袁永明， 馬曉飛. 基于水產(chǎn)物聯(lián)服務(wù)平臺的智能增氧控制系統(tǒng)的開發(fā)［J］. 農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化研究， 2016， 37（5）: 981-987.

Shen N N， Yuan Y M， Ma X F. Development of intelligent aeration control system based on internet of things services platform［J］. Research of Agricultural Modernization， 2016， 37（5）: 981-987.

我國水產(chǎn)養(yǎng)殖業(yè)發(fā)展迅猛，水產(chǎn)品產(chǎn)量連年穩(wěn)居世界首位。但我國水產(chǎn)養(yǎng)殖業(yè)主要生產(chǎn)方式仍比較落后，一些池塘養(yǎng)殖中使用的機(jī)械設(shè)備如增氧機(jī)、投飼機(jī)等需要根據(jù)人工經(jīng)驗手動的進(jìn)行開關(guān)管理，并不能滿足現(xiàn)代化池塘精準(zhǔn)養(yǎng)殖的基本需求，養(yǎng)殖風(fēng)險過高，人工成本投入過大。而溶解氧是水產(chǎn)養(yǎng)殖中極為重要的制約性因子，溶解氧水平的高低決定著養(yǎng)殖活動能否順利進(jìn)行。因此，建立穩(wěn)定可靠的水產(chǎn)養(yǎng)殖智能增氧控制系統(tǒng)是實現(xiàn)水產(chǎn)養(yǎng)殖現(xiàn)代化的重要技術(shù)問題。

有關(guān)水產(chǎn)養(yǎng)殖智能增氧控制的研究，一些科研工作者開展了相關(guān)的工作。史兵等［1］研究了基于無線傳感網(wǎng)絡(luò)的規(guī)?；a(chǎn)養(yǎng)殖智能監(jiān)控系統(tǒng)，以CC2530芯片為處理中心對養(yǎng)殖池塘的溫度、溶解氧、pH等環(huán)境因子進(jìn)行監(jiān)測與控制；趙三琴等［2］設(shè)計了根據(jù)不同養(yǎng)殖對象設(shè)定溶解氧閾值的魚塘增氧控制系統(tǒng)；無線傳感器網(wǎng)絡(luò)在農(nóng)業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用廣泛［3-4］，一些基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的水環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)的研究中，實現(xiàn)了對水質(zhì)進(jìn)行監(jiān)測、預(yù)警、預(yù)測等功能［5-7］；陳剛等［8］研制了一套基于通用分組無線服務(wù)技術(shù)（General Packet Radio Service， GPRS）技術(shù)的水產(chǎn)養(yǎng)殖無線遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)，通過檢測水溫、pH值、溶氧量等環(huán)境參數(shù)，建立水產(chǎn)養(yǎng)殖管理系統(tǒng)，實現(xiàn)了監(jiān)控中心遠(yuǎn)程控制；朱明瑞等［9］和關(guān)艷如［10］研究了工廠化水產(chǎn)養(yǎng)殖溶解氧自動監(jiān)控系統(tǒng)，該系統(tǒng)以覆膜溶解氧電極作為檢測單元，實現(xiàn)了實時顯示并記錄水體溶解氧變化情況，對增氧設(shè)備進(jìn)行自動控制。

本文基于水產(chǎn)物聯(lián)服務(wù)平臺［11］，以可編程邏輯控制器（Programmable Logic Controller， PLC）為智能控制中心設(shè)計了智能增氧控制系統(tǒng)，實現(xiàn)對池塘養(yǎng)殖環(huán)境實時在線監(jiān)測，采用自行設(shè)計的智能增氧控制策略，自動判定池塘溶解氧狀況，選擇合適的控制機(jī)制，在保證養(yǎng)殖對象基本需氧量的基礎(chǔ)上達(dá)到節(jié)能省電目的，智能地調(diào)控養(yǎng)殖水體溶解氧水平。

1　系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

本研究是以水產(chǎn)物聯(lián)服務(wù)平臺為基礎(chǔ)的智能增氧控制系統(tǒng)。水產(chǎn)物聯(lián)服務(wù)平臺是一個面向水產(chǎn)養(yǎng)殖各個生產(chǎn)環(huán)節(jié)（養(yǎng)殖、加工、物流、市場等），應(yīng)用現(xiàn)代物聯(lián)技術(shù)集成行業(yè)事務(wù)處理應(yīng)用系統(tǒng)的服務(wù)平臺［11］，支持廣泛的有線和無線通信協(xié)議，對設(shè)備具有廣泛的兼容性，即連即用，能夠接入第三方事務(wù)處理應(yīng)用系統(tǒng)和專家系統(tǒng)。其平臺架構(gòu)見圖1。

圖1　水產(chǎn)物聯(lián)服務(wù)平臺架構(gòu)Fig. 1　Architecture of internet of things services platform

智能增氧控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)見圖2。采用西門子S7-200 PLC為智能控制中心負(fù)責(zé)監(jiān)測養(yǎng)殖水體環(huán)境并控制下游增氧設(shè)備，控制器通過GPRS通信方式與水產(chǎn)物聯(lián)服務(wù)系統(tǒng)連接，用戶可以使用個人計算機(jī)（Personal Computer， PC）或移動設(shè)備查看實時監(jiān)測數(shù)據(jù)或?qū)λw溶解氧水平進(jìn)行手動控制。養(yǎng)殖現(xiàn)場采用ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，ZigBee技術(shù)具有低功耗、低成本、短延時、高容量、組網(wǎng)靈活等優(yōu)點，非常適合應(yīng)用于無線數(shù)據(jù)傳輸、無線傳感器網(wǎng)絡(luò)搭建等方面［12］，在設(shè)施場所比較分散的水產(chǎn)養(yǎng)殖、山區(qū)及沿海灘涂的數(shù)據(jù)傳輸應(yīng)用中具有明顯的優(yōu)勢。在本系統(tǒng)中，水質(zhì)傳感器通過終端節(jié)點將數(shù)據(jù)發(fā)送給路由節(jié)點，路由節(jié)點將從各終端節(jié)點傳輸過來的數(shù)據(jù)進(jìn)行整合再發(fā)送給中心節(jié)點，中心節(jié)點與西門子S7-200 PLC通過RS-485通信技術(shù)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，傳感器與ZigBee網(wǎng)絡(luò)采用太陽能電池供電。PLC通過交流接觸器控制增氧機(jī)的啟停。

2　系統(tǒng)主要硬件組成及軟件設(shè)計

智能增氧系統(tǒng)由硬件部分和控制軟件部分組成。硬件部分由傳感器模塊、數(shù)據(jù)傳輸模塊、智能控制器（PLC）模塊、被控制設(shè)備（增氧機(jī)）模塊等組成，傳感器模塊負(fù)責(zé)養(yǎng)殖水體中溶解氧、溫度、pH等水質(zhì)參數(shù)的采集，其可靠性與準(zhǔn)確性是系統(tǒng)穩(wěn)定運行的基礎(chǔ)；數(shù)據(jù)傳輸模塊負(fù)責(zé)傳感器與控制器、控制器與服務(wù)器之間的通信，要求其性能穩(wěn)定、靈活、快速；智能控制器模塊負(fù)責(zé)接收、處理傳感器采集到的數(shù)據(jù)并輸出控制決策，與水產(chǎn)物聯(lián)服務(wù)平臺通信，將數(shù)據(jù)和運行狀態(tài)傳輸?shù)椒?wù)器數(shù)據(jù)庫；被控制設(shè)備（增氧機(jī)）負(fù)責(zé)調(diào)節(jié)養(yǎng)殖水體溶解氧水平，其性能決定系統(tǒng)控制效果。

圖2　智能增氧系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖Fig. 2　Architecture of intelligent aeration control system

2.1系統(tǒng)主要硬件及其主要參數(shù)

采用光學(xué)溶解氧傳感器測量養(yǎng)殖水體中溶解氧、溶氧飽和度、氧分壓、溫度等水質(zhì)參數(shù)。本系統(tǒng)使用的溶解氧傳感器基于熒光淬滅原理，利用氧分子對特定波長的激發(fā)態(tài)熒光具有淬滅作用的原理，根據(jù)光電二極管探測LED光源發(fā)出藍(lán)光照射到熒光蓋帽上激發(fā)的紅光所產(chǎn)生的相位偏移來定量水體中溶解氧含量［13-14］?；跓晒獯銣缭淼娜芙庋鮽鞲衅飨鄬τ趥鹘y(tǒng)的碘量法和Clark溶氧電極法，具有較好的穩(wěn)定性與重復(fù)性，抗干擾能力強(qiáng)，測量過程中不消耗水體中溶解氧，對水體流動性沒有過高的要求，適用于長期監(jiān)測靜止或低流速水體溶解氧含量。本系統(tǒng)使用的溶解氧傳感器具體參數(shù)見表1。

系統(tǒng)采用SZ02型ZigBee作為數(shù)據(jù)傳輸設(shè)備，無線網(wǎng)絡(luò)傳輸波段為F-2.480 GHz。該型ZigBee模塊采用有線RS485通訊協(xié)議與傳感器連接，通過無線 ZigBee進(jìn)行組網(wǎng)通信，具備中繼路由和終端設(shè)備功能，最大視距傳輸距離2 000 m，可以組建星型網(wǎng)、樹型網(wǎng)、鏈型網(wǎng)和網(wǎng)狀網(wǎng)。ZigBee通信網(wǎng)絡(luò)采用DC12 V太陽能電池供電，每個通信節(jié)點與傳感器共同使用一套太陽能電池，能夠長時間穩(wěn)定運行，無需更換電池，降低人力維護(hù)成本。系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸模式為ASCII模式［15］，ASCII數(shù)據(jù)幀具體格式見圖3a，ASCII數(shù)據(jù)幀使用特殊的字符區(qū)分幀起始和幀結(jié)束。數(shù)據(jù)幀必須以一個“冒號”（：）（ASCII十六進(jìn)制3A）起始，以“回車-換行”（CR LF）對（ASCII十六進(jìn)制0D和0A）結(jié)束。

表1　溶解氧傳感器主要參數(shù)Table 1　Parameters of Dissolved Oxygen Sensor

本系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡(luò)采用簇狀網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)（圖3b），由多個子網(wǎng)（Cluster）構(gòu)成一個簇狀網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，每個子網(wǎng)設(shè)置一個簇頭，簇頭在子網(wǎng)內(nèi)的短地址為0，子網(wǎng)內(nèi)其他設(shè)備的短地址由簇頭分配，同時簇頭也負(fù)責(zé)子網(wǎng)與子網(wǎng)之間、子網(wǎng)與中心節(jié)點之間的通信［16］。池塘中靠近中心節(jié)點的終端節(jié)點可直接與中心節(jié)點通信。

圖3　ASCII數(shù)據(jù)幀和網(wǎng)絡(luò)節(jié)點分布圖Fig. 3　ASCII data frame and distribution of nodes

系統(tǒng)采用西門子S7-200 PLC作為智能控制器。PLC是配備了微處理器的工業(yè)計算機(jī)，相比于普通的計算機(jī)其具有更強(qiáng)的與工業(yè)過程相連接的接口和更直接的適用于控制要求的編程語言，在工業(yè)控制中因其可靠性好、穩(wěn)定性高、編程簡單、易于使用等優(yōu)點而廣泛使用［17］。本系統(tǒng)在開發(fā)過程中選用224XPCPU，它集成了14輸入/10輸出共24個數(shù)字量I/O點，2輸入/1輸出共3個模擬量I/O點，可連接7個擴(kuò)展模塊，最大擴(kuò)展至168路數(shù)字量I/O點或38路模擬量I/O點，具有2個RS485通訊/編程口，具有PPI通訊協(xié)議、MPI通訊協(xié)議和自由方式通訊能力。智能控制器接線圖中（圖4a），PORT0和PORT1為2個RS485通訊接口，其中PORT0口與GPRS模塊連接，負(fù)責(zé)控制器與數(shù)據(jù)庫服務(wù)器之間的通信，PORT1口與ZigBee模塊的中心節(jié)點連接，負(fù)責(zé)控制器與各傳感器之間的數(shù)據(jù)傳輸。KM1、KM2、KM3、KM4分別為PLC控制的交流接觸器。

目前我國池塘機(jī)械增氧方式有葉輪式、水車式、螺旋槳式等多種形式，研究表明，葉輪式增氧機(jī)的綜合增氧性能要高于水車式和螺旋槳式［18］。本系統(tǒng)使用無錫凱靈電泵廠生產(chǎn)的葉輪式增氧機(jī)，其主要技術(shù)參數(shù)見表2，其電氣接線圖中M為增氧機(jī)電機(jī)，F(xiàn)R為熱繼電器，F(xiàn)U為熔斷器，QS為隔離開關(guān)（圖4b）。

圖4　控制器及增氧機(jī)接線圖Fig. 4　Wiring diagram of controller and aerator

表2　葉輪增氧機(jī)主要參數(shù)Table 2　Parameters of impeller aerator

2.2系統(tǒng)控制程序設(shè)計

智能增氧系統(tǒng)的核心在于智能控制策略的設(shè)計，本系統(tǒng)以相關(guān)的科學(xué)研究為基礎(chǔ)并借鑒一定的人工經(jīng)驗設(shè)計了智能增氧控制策略。在水產(chǎn)養(yǎng)殖中，不同養(yǎng)殖對象對溶解氧的需求不盡相同，要求系統(tǒng)能夠根據(jù)不同的養(yǎng)殖對象制定相應(yīng)的控制策略。所以，本系統(tǒng)提供能夠根據(jù)不同養(yǎng)殖需求進(jìn)行配置的控制參數(shù)，分別為低限L和最適度C，支持在養(yǎng)殖過程中根據(jù)養(yǎng)殖對象的生長階段動態(tài)地調(diào)整控制參數(shù)。傳統(tǒng)控制器對增氧機(jī)的控制原理是根據(jù)將監(jiān)測到的溶解氧狀況與設(shè)定閾值進(jìn)行比對，實際值低于下限則開啟增氧機(jī)，達(dá)到高限則關(guān)閉，這種控制方法雖然簡單直接，但并不能達(dá)到本系統(tǒng)的智能化要求，所以為了滿足系統(tǒng)智能控制要求，設(shè)計了一套溶解氧判定機(jī)制。

根據(jù)養(yǎng)殖初期設(shè)定的控制參數(shù)，系統(tǒng)將水體溶解氧水平分為五個狀態(tài)，分別為嚴(yán)重缺氧、缺氧、輕微缺氧、溶氧充足以及溶氧過飽和（圖5）?！皣?yán)重缺氧”狀態(tài)和“缺氧”狀態(tài)為緊急狀態(tài)，即水體溶解氧水平低于低限L和略高于低限L，此時需要控制器將增氧機(jī)立即開啟，將溶解氧水平迅速提升到高于低限80%以上?！皣?yán)重缺氧”狀態(tài)和“缺氧”狀態(tài)都為緊急狀態(tài)，但兩者之間的區(qū)別是嚴(yán)重缺氧狀態(tài)需要控制器開啟池塘中所有增氧機(jī)以達(dá)到最大的增氧能力，同時增氧機(jī)開機(jī)時間相對延長，而“缺氧”狀態(tài)溶解氧水平則稍高于低限，并不需要系統(tǒng)提供最大增氧能力，減少增氧機(jī)啟動數(shù)量與時間以達(dá)到節(jié)能省電的目的。

圖5　溶解氧狀態(tài)判定機(jī)制Fig. 5　State decision mechanism of dissolved oxygen

“輕微缺氧”狀態(tài)和“溶氧充足”狀態(tài)為溫和狀態(tài)，此時水體溶解氧水平稍低于最適度C或高于最適度C，控制器在這兩種狀態(tài)下需要繼續(xù)判定溶解氧變化趨勢來決定是否需要開啟增氧機(jī)?！叭苎踹^飽和”狀態(tài)為調(diào)水狀態(tài)，水體中溶解氧來源主要為水體中浮游植物光合作用產(chǎn)氧和大氣中氧氣向水體中擴(kuò)散，在日間天氣晴朗的情況下，浮游植物光合作用旺盛，水體中溶解氧往往出現(xiàn)過飽和的現(xiàn)象，但并不是水中溶解氧越高越好，過高的溶解氧會引起魚類氣泡?。?9］，同時由于日間池塘上層水溫高下層水溫低，上下層水體對流緩慢，導(dǎo)致上下水層溶解氧差值過大，不能充分利用水中浮游植物生產(chǎn)的氧氣，所以系統(tǒng)會在“溶氧過飽和”狀態(tài)下開啟增氧機(jī)，將表層溶解氧運送至下層，均衡池塘整體溶解氧分布狀況。

控制系統(tǒng)運行流程見圖6。首先，開始運行前系統(tǒng)設(shè)置溶解氧飽和度上限、溶解氧最低限L和溶解氧最適度C，然后開始現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集。第一步先判定溶解氧飽和度是否超過設(shè)定值，如果超過設(shè)定上限，系統(tǒng)進(jìn)入調(diào)水狀態(tài)，增氧機(jī)先開機(jī)10 min，然后暫停30 min后再進(jìn)行一次判定，如果溶解氧飽和度仍然超過上限，系統(tǒng)重復(fù)以上動作，否則系統(tǒng)轉(zhuǎn)入第二步判定流程；第二步，系統(tǒng)根據(jù)本文上述判定機(jī)制進(jìn)行判定，若判定結(jié)果為缺氧狀態(tài)，系統(tǒng)根據(jù)缺氧程度選擇控制方式，否則系統(tǒng)轉(zhuǎn)入第三步解氧變化趨勢，如果低于最適度則開機(jī)增氧，否則系統(tǒng)轉(zhuǎn)入監(jiān)視狀態(tài)，持續(xù)監(jiān)測溶解氧變化趨勢。

圖6　系統(tǒng)工作流程圖Fig. 6　Flow chart of the system

為了提高系統(tǒng)穩(wěn)定性，防止因水體不同水層對流交換引起傳感器監(jiān)測數(shù)據(jù)瞬時差值過大或判定界限過于清晰導(dǎo)致控制器頻繁啟停增氧機(jī)，引起系統(tǒng)混亂，本系統(tǒng)在判定機(jī)制之后設(shè)定了一個驗證機(jī)制，當(dāng)控制器判定當(dāng)前池塘處于某一狀態(tài)時，系統(tǒng)將實時溶解氧值與前10組數(shù)據(jù)的平均值進(jìn)行對比，如果差值過大則認(rèn)為是水層對流交換，忽略此次判定結(jié)果，等待下一次判定，反之則輸出控制結(jié)果。此驗證機(jī)制形成了系統(tǒng)緩沖空間，在一定時間內(nèi)延后系統(tǒng)控制輸出，能夠有效的減少因水層對流交換引起的判定誤差，提高系統(tǒng)穩(wěn)定性與可靠性。

水產(chǎn)養(yǎng)殖中水體溶解氧水平的精度控制要求并不是很高，要求控制系統(tǒng)能夠在最短的時間內(nèi)將溶解氧提升到一定水平以滿足養(yǎng)殖對象的生長需求。本系統(tǒng)采用自行設(shè)計的智能增氧控制策略，自動判定池塘溶解氧狀況，選擇合適的控制機(jī)制，在保證養(yǎng)殖對象基本需氧量的基礎(chǔ)上達(dá)到節(jié)能省電的目的，滿足池塘智能增氧控制需求。

3　試驗結(jié)果與分析

為了測試本系統(tǒng)運行的穩(wěn)定性與可靠性，2015年5月19日開始在中國水產(chǎn)科學(xué)研究院淡水漁業(yè)研究中心南泉實驗基地進(jìn)行系統(tǒng)安裝與調(diào)試。試驗池塘面積約0.07 hm2，平均水深1.8 m，養(yǎng)殖模式為羅非魚與家魚混養(yǎng)，養(yǎng)殖密度為28 571尾/hm2。傳感器節(jié)點通過浮筒固定于池塘中，與增氧機(jī)相對距離為5 m，靠近投飼機(jī)一側(cè)，RDO探頭布置于水下0.5 m處；智能控制器安裝于岸邊配電箱內(nèi)，設(shè)定每2 min讀取一次數(shù)據(jù)，24 h不間斷監(jiān)測，通過交流接觸器控制增氧機(jī)；控制參數(shù)設(shè)定為：低限L為3.0 mg/L，最適度C為5.0 mg/L，溶氧飽和度上限為120%。系統(tǒng)自安裝之日起一直穩(wěn)定運行至當(dāng)年養(yǎng)殖周期結(jié)束，期間系統(tǒng)對池塘溶解氧、水溫、溶氧飽和度等水質(zhì)參數(shù)的監(jiān)測穩(wěn)定可靠，數(shù)據(jù)傳輸存儲及時，對池塘溶解氧水平的調(diào)控效果明顯，滿足高密度池塘養(yǎng)殖溶解氧調(diào)控基本需求。

為了說明系統(tǒng)溶解氧調(diào)控效果，選取2015年9月27日至10月3日的數(shù)據(jù)作為實例（圖7），白天日出之后，藻類光合作用產(chǎn)生氧氣，水體溶解氧水平迅速升高，于午后14點左右達(dá)到過飽和狀態(tài)，系統(tǒng)根據(jù)判定結(jié)果輸出調(diào)水機(jī)制，開啟增氧機(jī)促使上下水層水體交換，補(bǔ)償下層水體的氧債，提高池塘整體溶解氧含量，優(yōu)化溶氧分布狀況，所以圖中溶氧曲線于最高點處出現(xiàn)向下波動而又回升的現(xiàn)象。日落之后，浮游植物光合作用停止，池塘中水生動植物、底泥、有機(jī)物等消耗水體中溶解氧，導(dǎo)致水體中溶解氧含量迅速下降，此時系統(tǒng)監(jiān)測到溶解氧含量變化呈下降趨勢并接近最適度，系統(tǒng)適當(dāng)開起部分增氧機(jī)以緩解溶解氧因上半夜過度消耗導(dǎo)致凌晨之后池塘過度缺氧，圖中曲線下降過程中出現(xiàn)回升波動現(xiàn)象即為此機(jī)制工作所致。出現(xiàn)陰雨天氣時，池塘中光合作用效率低下，水體中溶解氧含量水平過低，此時如不及時增加增氧機(jī)開機(jī)時間則會導(dǎo)致夜間池塘整體償還底層氧債而發(fā)生嚴(yán)重缺氧情況，所以如圖中9月27日與10月1日溶氧曲線所示，系統(tǒng)會適當(dāng)延長增氧機(jī)開機(jī)時間與次數(shù)以應(yīng)對極端天氣對池塘溶解氧水平的影響，滿足養(yǎng)殖對象正常生長需求，提高池塘整體溶氧水平。

圖7　試驗池塘溶解氧濃度、溫度變化曲線圖Fig. 7　Dynamic changes of dissolved oxygen concentrate and temperature in test pond

4　結(jié)論

本文探討了基于水產(chǎn)物聯(lián)服務(wù)平臺的水產(chǎn)養(yǎng)殖智能增氧系統(tǒng)。系統(tǒng)采用水產(chǎn)物聯(lián)服務(wù)系統(tǒng)作為系統(tǒng)服務(wù)平臺，無需額外開發(fā)數(shù)據(jù)庫、服務(wù)器、客戶端等軟件服務(wù)平臺，縮短系統(tǒng)開發(fā)時間，節(jié)省開發(fā)成本。為了滿足池塘溶解氧智能化控制要求，設(shè)計了水體溶解氧狀態(tài)判定與調(diào)控機(jī)制，通過試驗驗證，系統(tǒng)能夠準(zhǔn)確判斷當(dāng)前池塘溶解氧狀態(tài)，及時輸出相應(yīng)的控制決策，滿足池塘溶解氧智能控制要求。通過長期運行調(diào)試，基于水產(chǎn)物聯(lián)服務(wù)平臺的智能增氧控制系統(tǒng)能夠穩(wěn)定高效運行，達(dá)到智能控制系統(tǒng)設(shè)計要求，智能調(diào)控水體溶解氧水平，降低養(yǎng)殖風(fēng)險，提高生產(chǎn)效益，具有廣泛推廣應(yīng)用價值。

為研究各水質(zhì)因子對池塘溶解氧的影響，完善系統(tǒng)軟硬件設(shè)計，提高系統(tǒng)穩(wěn)定性與可靠性，將在現(xiàn)有的研究基礎(chǔ)上對系統(tǒng)的可拓展性、控制策略的可預(yù)測性和系統(tǒng)的智能化等方面做進(jìn)一步的研究。

［1］ 史兵， 趙德安， 劉星橋， 等. 基于無線傳感網(wǎng)絡(luò)的規(guī)?；a(chǎn)養(yǎng)殖智能監(jiān)控系統(tǒng)［J］. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報， 2011， 27（9）: 136-140.

Shi B， Zhao D A， Liu X Q， et al. Intelligent monitoring system for industrialized aquaculture based on wireless sensor network［J］. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering，2011， 27（9）: 136-140.

［2］ 趙三琴， 劉昊一， 丁為民， 等. 魚塘增氧控制系統(tǒng)的研制與試驗［J］. 南京農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報， 2015， 38（4）: 682-688.

Zhao S Q， Liu H Y， Ding W M， et al. The development and experiment of aeration control system in pond［J］. Journal of Nanjing Agricultural University， 2015， 38（4）: 682-688.

［3］ 郭文川， 程寒杰， 李瑞明， 等. 基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的溫室環(huán)境信息監(jiān)測系統(tǒng)［J］. 農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報， 2010， 41（7）: 181-185.

Guo W C， Cheng H J， Li R M， et al. Greenhouse monitoring system based on wireless sensor networks［J］. Transactions of the Chinese Society for Agricultural Machinery， 2010， 41（7）: 181-185.

［

4］ 高峰， 盧尚瓊， 徐青香， 等. 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)在設(shè)施農(nóng)業(yè)中的應(yīng)用進(jìn)展［J］. 浙江林學(xué)院學(xué)報， 2010， 27（5）: 762-769.

Gao F， Lu S Q， Xu Q X， et al. Wireless sensor networks and its application in facility agriculture［J］. Journal of Zhejiang Forestry College， 2010， 27（5）: 762-769.

［5］ 鄒賽， 劉昌明， 李法平. 基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的水環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)［J］. 傳感器與微系統(tǒng)， 2010， 29（9）: 104-106.

Chu S， Liu C M， Li F P. Water environment monitoring system based on wireless sensor networks［J］. Transducer and Microsystem Technologies， 2010， 29（9）: 104-106.

［6］ 趙小歡. 基于WSN的水產(chǎn)養(yǎng)殖水質(zhì)在線監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計［D］. 哈爾濱: 哈爾濱理工大學(xué)， 2014.

Zhao X H. The design of water quality monitoring system in aquaculture based on wireless networks［D］. Harbin: Harbin University of Science and Technology， 2014.

［7］ 紀(jì)金水. 基于Zigbee無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的系統(tǒng)設(shè)計［J］. 計算機(jī)工程與設(shè)計， 2007， 28（2）: 404-408.

Ji J S. Zigbee wireless sensor network technology based on system design［J］. Computer Engineering and Design， 2007， 28（2）: 404-408.

［8］ 陳剛， 朱啟兵， 楊慧中. 水產(chǎn)養(yǎng)殖在線監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計［J］. 計算機(jī)與應(yīng)用化學(xué)， 2013， 30（10）: 1139-1142.

Chen G， Zhu Q B， Yang H Z. Design of aquaculture online monitoring system［J］. Computers and Applied Chemistry， 2013，30（10）: 1139-1142.

［9］ 朱明瑞， 曹廣斌， 蔣樹義， 等. 工廠化水產(chǎn)養(yǎng)殖溶解氧自動監(jiān)控系統(tǒng)的研究［J］. 大連水產(chǎn)學(xué)院學(xué)報， 2007， 22（3）: 226-230.

Zhu M R， Cao G B， Jiang S Y， et al. Automatic monitoring and control system of dissolved oxygen levels in recirculating aquaculture［J］. Journal of Dalian Fisheries University， 2007，22（3）: 226-230.

［10］ 關(guān)艷如. 工廠化養(yǎng)殖監(jiān)控系統(tǒng)的研究與設(shè)計［D］. 湛江: 廣東海洋大學(xué)， 2013.

Guan Y R. Research and design of monitoring system of industrial aquaculture［D］. Zhanjiang: Guangdong Ocean University， 2013.

［11］ 馬曉飛， 袁永明， 張紅燕， 等. 水產(chǎn)物聯(lián)服務(wù)平臺研究與開發(fā)［J］.農(nóng)業(yè)網(wǎng)絡(luò)信息， 2013（10）: 15-19.

Ma X F， Yuan Y M， Zhang H Y， et al. Research and development of aquaculture internet things service platform［J］. Agriculture Network Information， 2013（10）: 15-19.

［12］ 包長春， 石瑞珍， 馬玉泉， 等. 基于ZigBee技術(shù)的農(nóng)業(yè)設(shè)施測控系統(tǒng)的設(shè)計［J］. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報， 2007， 23（8）: 160-164.

Bao C C， Shi R Z， Ma Y Q， et al. Design and realization of measuring and controlling system based on ZigBee technology in agricultural facilities［J］. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering， 2007， 23（8）: 160-164.

［13］ 尚景玉， 唐玉宏. 溶解氧傳感器研究進(jìn)展［J］. 微納電子技術(shù)，2014， 51（3）: 168-175.

Shang J Y， Tang Y H. Research progress of the dissolved oxygen sensor［J］. Micronanoelectronic Technology， 2014， 51（3）: 168-175.

［14］ 李學(xué)勝， 盧欣春， 羅孝兵， 等. 熒光猝滅法溶解氧傳感器的研制［J］. 自動化與儀表， 2013（4）: 17-20.

Li X S， Lu X C， Luo X B， et al. Development of the Fluorescence Quenching Dissolved Oxygen Sensor［J］. Automation & Instrumentation， 2013（4）: 17-20.

［15］ 耿立中， 王鵬， 馬騁， 等. RS485高速數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議的設(shè)計與實現(xiàn)［J］. 清華大學(xué)學(xué)報（自然科學(xué)版）， 2008， 48（8）: 1311-1314.

Geng L Z， Wang P， Ma C， et al. Design and implement of RS485 high speed data communications protocol［J］. Journal of Tsinghua University （Science and Technology）， 2008， 48（8）: 1311-1314.

［16］ 牟杰， 蔡自興， 劉麗玨. ZigBee簇狀網(wǎng)的OMNeT++仿真模型［J］. 智能系統(tǒng)學(xué)報， 2012， 7（1）: 56-60.

Mou J， Cai Z X， Liu L Y. A simulation of the ZigBee clustertree network in OMNeT++［J］. CAAI Transactions on Intelligent Systems， 2012， 7（1）: 56-60.

［17］ 王秀. 基于PLC和GPRS的外加熱干燥遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計［D］.西安: 西安科技大學(xué)， 2013. Wang X. Design of external heating drying remote monitor system based on PLC & GPRS［D］. Xi’an: Xi’an University of Science and Technology， 2013.

［18］ 谷堅， 顧海濤， 門濤， 等. 幾種機(jī)械增氧方式在池塘養(yǎng)殖中的增氧性能比較［J］. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報， 2011， 27（1）: 148-152.

Gu J， Gu H T， Men T， et al. Performance comparison for different mechanical aeration methods in pond［J］. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering， 2011， 27（1）: 148-152.

［19］ 董杰英， 楊宇， 韓昌海， 等. 魚類對溶解氣體過飽和水體的敏感性分析［J］. 水生態(tài)學(xué)雜志， 2012， 33（3）: 85-89.

Dong J Y， Yang Y， Han C H， et al. Analysis on sensitivity of fishes to dissolved gas supersaturated water［J］. Journal of Hydroecology，2012， 33（3）: 85-89.

（責(zé)任編輯：童成立）

Development of intelligent aeration control system based on internet of things services platform

SHEN Nan-nan1， YUAN Yong-ming1，2， MA Xiao-fei2
（1. Wuxi Fisheries College， Nanjing Agricultural University， Wuxi， Jiangsu 214081， China； 2. Freshwater Fisheries Research Center of Chinese Academy of Fishery Sciences， Tilapia Industrial Research Center of China Agriculture Research System， Key Laboratory of Freshwater Fisheries and Germplasm Resources Utilization of Ministry of Agriculture， Wuxi， Jiangsu 214081， China）

Traditional methods of aeration cannot meet the needs of modern and intelligent aquaculture with the advance of technology. Control strategies in existing automatic aeration systems are not smart enough to react to the changes in dissolved oxygen. The development of this intelligent aeration control system was to solve above problems. Programmable logic controller （PLC） was used as the central progressing unit （CPU） in intelligent aeration control system which was based on the Internet of Things services platform. PLC was connected to the Internet by GPRS modem to communicate with the server and exchange data with the database. Optical dissolved oxygen sensors were adjusted to the system to monitor water quality and collect data. The wireless sensor network， which was based on ZigBee technology， was to transmit data in the intelligent system. Coordinator was installed beside the PLC to coordinate other devices in the pond. The wireless sensor network was powered by solar cells which were mounted on the float bowls. Being dependent on the control parameters， the controller used dissolved oxygen status determination mechanism to divide dissolved oxygen into five states， and outputting a corresponding control strategy. The results show that the intelligent control system can run stably under a long term operation test. Communication and data transmission between controller and server or devices were unobstructed， timely and reliable. The control system can determine the status of the pond dissolved oxygen based on the settings of the control parameter， and trigger the system mechanisms for water diversion or aeration intelligently. Design of intelligent aeration control system achieves the requirements for ponds aquaculture because of stable and efficient control effect. Risks of the fish-farming under the management of intelligent aeration control system can be reduced and production efficiency was improved. The system can beunattended and would be more efficient and popular when it is utilized widely in aquaculture.

aquaculture， internet of things services system， dissolved oxygen， intelligent control， decision mechanism

Special Fund of Modern Agricultural Industry Technology System Construction （CARS-49）； the Fundamental Research Funds for National Nonprofit Institute Research （2015JBFM22）.

YUAN Yong-ming， E-mail: yuan@ffrc.cn.

8 April， 2016；Accepted 2 July， 2016

S220； S969

A

1000-0275（2016）05-0981-07

10.13872/j.1000-0275.2016.0079

現(xiàn)代農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)技術(shù)體系專項資金資助（CARS-49）；中央級公益性科研院所基本科研業(yè)務(wù)費專項資金（中國水產(chǎn)科學(xué)研究院淡水漁業(yè)研究中心）（2015JBFM22）。

沈楠楠（1991-），男，江蘇徐州人，碩士研究生，主要從事漁業(yè)經(jīng)濟(jì)與信息技術(shù)研究，E-mail: shnn16@163.com；通訊作者：袁永明（1961-），男，江蘇常熟人，研究員，碩士生導(dǎo)師，主要從事產(chǎn)業(yè)經(jīng)濟(jì)與信息技術(shù)應(yīng)用研究，E-mail: yuan@ffrc.cn。

2016-04-08，接受日期：2016-07-02