蔚瑞華， 徐立鴻

(同濟大學(xué) 電子與信息工程學(xué)院,教育部設(shè)施農(nóng)業(yè)網(wǎng)上合作研究中心，上海 200092)

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·儀器設(shè)備研制與開發(fā)·

一種全水域水質(zhì)監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)

蔚瑞華， 徐立鴻

(同濟大學(xué) 電子與信息工程學(xué)院,教育部設(shè)施農(nóng)業(yè)網(wǎng)上合作研究中心，上海 200092)

為提高水產(chǎn)養(yǎng)殖業(yè)的自動化水平，應(yīng)用嵌入式單片機技術(shù)設(shè)計實現(xiàn)了一套低成本集約化水產(chǎn)養(yǎng)殖監(jiān)控系統(tǒng)，實現(xiàn)水產(chǎn)養(yǎng)殖環(huán)境中溶氧、pH值、水溫、氨氮等多個水質(zhì)參數(shù)的在線的定點和移動監(jiān)測，并能通過配置的執(zhí)行機構(gòu)進(jìn)行水環(huán)境自動調(diào)控。本系統(tǒng)中定點監(jiān)測采用了分布在池塘采樣點的水泵連接采樣池方式，移動監(jiān)測采用了具有傳感器和ZigBee定位功能的水質(zhì)參數(shù)采集裝置，均可實現(xiàn)全水域水質(zhì)參數(shù)的采集，大大節(jié)省了傳感器的布置和維護(hù)成本。監(jiān)控基站可以通過其自帶的人機交互模塊進(jìn)行實時顯示，并存入基站自帶存儲模塊實現(xiàn)數(shù)據(jù)備份，且能夠通過RS485通信方式傳輸?shù)竭h(yuǎn)程控制中心主機的上位機軟件，以便于進(jìn)行進(jìn)一步的智能控制和分析。該系統(tǒng)具有低成本、高可靠性、模塊化軟硬件設(shè)計等優(yōu)點。

水產(chǎn)養(yǎng)殖監(jiān)控; 定點監(jiān)測; 移動監(jiān)測； 全水域水質(zhì)參數(shù)監(jiān)測； 自動監(jiān)控

0 引 言

近年來，國內(nèi)外一些地區(qū)提出了采用集約化(工廠化)的養(yǎng)殖方式[1-2]，建立一個水體循環(huán)的封閉式養(yǎng)殖工廠，通過一系列的生物和物理手段對養(yǎng)殖水體進(jìn)行監(jiān)控，人為地創(chuàng)造一個非常適合魚類生活的水域環(huán)境。與傳統(tǒng)的水產(chǎn)養(yǎng)殖環(huán)境相比，集約化水產(chǎn)養(yǎng)殖主要控制水體的溫度、溶氧、pH、氨氮等指標(biāo)，這些指標(biāo)的控制工作量大且晝夜不間斷，因此必須利用計算機來檢測和控制相關(guān)設(shè)備，并且采用了自動化的監(jiān)控和養(yǎng)殖技術(shù)[3-7]。現(xiàn)有的集約化水產(chǎn)養(yǎng)殖監(jiān)控系統(tǒng)多采用有線的方式實現(xiàn)監(jiān)控終端與控制中心計算機的數(shù)據(jù)通信[6]。這種定點監(jiān)測的方式，不能完整地了解整個水產(chǎn)養(yǎng)殖環(huán)境的準(zhǔn)確參數(shù)，并且由于一個養(yǎng)殖基地多個水塘，每個水塘建立一個基站[8]的話，投資和維護(hù)成本高，經(jīng)濟效益難以保證。因此迫切需要一種具備高可靠性和高利用率的，同時能夠全范圍檢測水產(chǎn)養(yǎng)殖環(huán)境的集約化水產(chǎn)養(yǎng)殖自動化監(jiān)控系統(tǒng)。近年來，隨著無線傳感器[9-10]技術(shù)的興起，無線傳感器的技術(shù)也被應(yīng)用到了水產(chǎn)養(yǎng)殖的環(huán)境監(jiān)控中，但方案中提供的無線傳感器需要在多點以無線形式布置傳感器[11]，雖然解決了全水域的水質(zhì)監(jiān)控問題，但傳感器成本投入過大，同時也造成了很大的維護(hù)成本。

本文運用嵌入式技術(shù)和傳感器檢測技術(shù)開發(fā)了一套集約化水產(chǎn)養(yǎng)殖系統(tǒng)，具有定點監(jiān)測和移動監(jiān)測功能。該系統(tǒng)基于采樣池的概念，定點監(jiān)測只需配備一套傳感器即可對池塘的多點以及多池塘的水質(zhì)參數(shù)自動檢測和并進(jìn)行控制的功能；移動監(jiān)測點通過在水域移動的帶有傳感器和定位功能的機構(gòu)來實現(xiàn)，實時采集數(shù)據(jù)并和基站進(jìn)行數(shù)據(jù)通訊?，F(xiàn)場監(jiān)控基站還提供了遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)通信的接口，為遠(yuǎn)程主機提供數(shù)據(jù)服務(wù)，并可以接受其相應(yīng)控制指令，因而能夠充分發(fā)揮遠(yuǎn)離水產(chǎn)養(yǎng)殖現(xiàn)場且功能強大的計算機復(fù)雜數(shù)據(jù)分析和控制決策能力，為集約化水產(chǎn)養(yǎng)殖的智能化研究提供了分析基礎(chǔ)和決策實施通道。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計方案

一個大型的養(yǎng)殖基地往往有多個池塘，而水質(zhì)檢測的傳感器(溶氧、氨氮、pH值等)非常昂貴，如果在每個池塘配備一套，勢必造成了成本增加、維護(hù)困難,而且只能完成定點檢測，不能充分反映池塘內(nèi)各點的水質(zhì)參數(shù)變化。為此，我們提出了基于采樣池水質(zhì)采集裝置，可以對多個池塘進(jìn)行多點采樣，這樣只需在采樣池中配備一套傳感器，在各個池塘設(shè)置多個取水點，采用水泵的形式，將池塘各采集點的水采集至放置有各種水質(zhì)傳感器的采樣池中，當(dāng)測量完成后，可根據(jù)采集的水質(zhì)參數(shù)進(jìn)行相應(yīng)的水產(chǎn)養(yǎng)殖執(zhí)行機構(gòu)的控制，并且控制水閥將采樣池中的水排掉，并依次輪詢。

該集約化水產(chǎn)養(yǎng)殖監(jiān)控系統(tǒng)系統(tǒng)的總體功能結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。通過水泵和電磁閥將多個池塘的水分別采集至采樣池，現(xiàn)場監(jiān)控基站對采樣池的水質(zhì)參數(shù)進(jìn)行采集，并相應(yīng)地控制各池塘的水產(chǎn)養(yǎng)殖執(zhí)行機構(gòu)；通過圖形化的人機交互界面進(jìn)行傳感器參數(shù)和采集通道參數(shù)的設(shè)置，完成數(shù)據(jù)的實時采集、實時分析、實時存儲和實時控制的功能。如圖1所示，系統(tǒng)總體上分為三級[12]：遠(yuǎn)程控制中心主機、監(jiān)控基站、現(xiàn)場級(包括基于采樣池的定點水質(zhì)參數(shù)采集裝置和機器魚移動水質(zhì)采集裝置)。

圖1 集約化水產(chǎn)養(yǎng)殖監(jiān)控系統(tǒng)總體框架圖

系統(tǒng)參照分布式控制系統(tǒng)的設(shè)計理念，將整體框架分為兩個層次，上層主要由中心計算機等上位機組成，中心計算機采用數(shù)據(jù)庫等技術(shù)負(fù)責(zé)處理和維護(hù)下層各基站的數(shù)據(jù)；下層主要由各個現(xiàn)場監(jiān)控基站等下位機組成，各個現(xiàn)場監(jiān)控基站負(fù)責(zé)處理各個現(xiàn)場點的事件，并記錄和上傳至上層供決策和處理。所有基站均通過一定通信方式與同一個中心主機進(jìn)行通信，且因為采用分布式控制方式的系統(tǒng)規(guī)模往往都較大，故往往下級基站與中心主機的通信方式需要支持工業(yè)級遠(yuǎn)程通信能力。各個基站之間不能直接和同級基站進(jìn)行通信，該方式能夠減少各個基站之間耦合性，防止有效單個基站導(dǎo)致的系統(tǒng)癱瘓。系統(tǒng)目前已實現(xiàn)部分水質(zhì)參數(shù)的閉環(huán)控制功能，實現(xiàn)了水質(zhì)各個參數(shù)的分布式數(shù)據(jù)采集和集中數(shù)據(jù)管理功能，是一個開環(huán)和閉環(huán)相結(jié)合、半自動和自動控制相結(jié)合的數(shù)據(jù)采集監(jiān)測和控制系統(tǒng)。

2 全水域水質(zhì)采集裝置

2.1 基于采樣池的水質(zhì)參數(shù)定點采集裝置

定點水質(zhì)采集裝置是由多池塘水泵抽排水系統(tǒng)、采樣池、各類水質(zhì)檢測傳感器組成。該采集裝置用以配合監(jiān)控基站完成多個池塘的定點水質(zhì)參數(shù)集中采集。

如圖2所示，多個池塘的多點采集可通過水泵和電磁閥來完成，根據(jù)水泵和電磁閥的工作過程，加入延時繼電器以減少現(xiàn)場監(jiān)控基站所需的I/O口，這樣在水泵開啟時，可先將管道中的舊水排空，繼而兩位三通電磁閥打開，將新水注入采樣池進(jìn)行水質(zhì)參數(shù)的采集，完畢后打開排水閥排空采樣池以進(jìn)行下一個點的輪詢采集。采樣池中布置有水質(zhì)傳感器，現(xiàn)場監(jiān)控基站通過A/D端口進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。

圖2 采樣池水質(zhì)采集裝置

操作人員可根據(jù)各個水泵與采樣池之間的距離長度、水泵的功率和水管直徑等設(shè)置各個水泵的運行時間以及排水泵的開啟、運行時間。根據(jù)實際測試結(jié)果，各個水泵的運行時間在70～120 s，其中包括了每次排舊水的時間，每次輪詢需要30～60 s的排水管中舊水時間。所選取的延時繼電器全部為模塊式可插拔，根據(jù)需要可方便地?fù)Q成90、60、30 s等不同類型的延時繼電器。

本項目采樣池中的傳感器采用了德國WTW公司的IQ Sensor系列傳感器，IQ Sensor Net具有模塊化擴展系統(tǒng)功能，具體包括：SensoLyt? 700pH SEA(內(nèi)置NTC 溫度探頭)pH傳感器、TriOxmatic?700IQ熒光溶氧傳感、AmmoLyt?氨氮傳感器、TetraCon? 700 IQ 4 極式電導(dǎo)傳感器，溫度選用了上述pH值傳感器中內(nèi)置的NTC 溫度探頭。

2.2 移動水質(zhì)參數(shù)采集裝置

移動水質(zhì)采集裝置由基于ZigBee的定位系統(tǒng)和搭載傳感器的可移動機器魚實現(xiàn)。項目中可移動機器魚為一條搭載了ARM控制系統(tǒng)和ZigBee通信節(jié)點的仿真魚，該ARM控制系統(tǒng)可搭載溫度、pH值、壓力等水質(zhì)傳感器，同時提供了ZigBee通信接口，以實現(xiàn)將水質(zhì)參數(shù)發(fā)送給ZigBee網(wǎng)關(guān)協(xié)調(diào)器的功能。移動水質(zhì)采集裝置主要負(fù)責(zé)完成所需的各點的水質(zhì)參數(shù)采集，同時將定位系統(tǒng)的位置信息，組成可移動的水質(zhì)信息的完整數(shù)據(jù)報文通過ZigBee無線通信技術(shù)發(fā)送給ZigBee網(wǎng)關(guān)協(xié)調(diào)器，然后由網(wǎng)關(guān)協(xié)調(diào)器將數(shù)據(jù)報文轉(zhuǎn)發(fā)給基站進(jìn)行后續(xù)處理。同時移動水質(zhì)采集裝置將負(fù)責(zé)接收和處理監(jiān)控基站發(fā)來的輪詢控制信息以及機器魚運動線路控制等信息。

ZigBee無線組網(wǎng)定位系統(tǒng)由網(wǎng)關(guān)協(xié)調(diào)器、ZigBee路由器和ZigBee終端設(shè)備(端節(jié)點)組成[13-14]。根據(jù)ZigBee無線組網(wǎng)技術(shù)和水產(chǎn)養(yǎng)殖應(yīng)用環(huán)境的現(xiàn)狀及特點，將采用樹形組網(wǎng)方式實現(xiàn)，即網(wǎng)關(guān)協(xié)調(diào)器承擔(dān)PAN(Personal Area Network)組建及網(wǎng)絡(luò)控制中心的角色，路由器作為網(wǎng)絡(luò)中數(shù)據(jù)傳輸?shù)臉蛄?，將協(xié)調(diào)器發(fā)送的周期廣播信息發(fā)送到其他路由器和終端設(shè)備，也能將其他設(shè)備轉(zhuǎn)發(fā)來的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)到數(shù)據(jù)的目的地。

3 現(xiàn)場監(jiān)控基站

現(xiàn)場監(jiān)控基站主要由主控制模塊和人機交互模塊組成，且相互間分別由各自的單片機進(jìn)行獨立控制，因此監(jiān)控基站的軟件設(shè)計包括主控制模塊和人機交互模塊的軟件設(shè)計兩部分。其中人機交互模塊的最主要的設(shè)計是LCD顯示設(shè)計。

3.1 監(jiān)控基站硬件設(shè)計

監(jiān)控基站主要負(fù)責(zé)完成定點和移動水質(zhì)參數(shù)的采集、處理和顯示，同時將采集到的水質(zhì)參數(shù)上傳至遠(yuǎn)程控制中心，供遠(yuǎn)程控制中心進(jìn)行水質(zhì)狀態(tài)的評估和監(jiān)控，負(fù)責(zé)接收遠(yuǎn)程控制中心的控制指令，并按其指令內(nèi)容完成水質(zhì)參數(shù)的輪詢控制以及實現(xiàn)養(yǎng)殖執(zhí)行機構(gòu)的開關(guān)控制?，F(xiàn)場監(jiān)控基站的組成原理如圖3所示。

圖3 現(xiàn)場監(jiān)控基站原理圖

本系統(tǒng)中，主控模塊采用了MSP430FG4618單片機，MSP430FG4618是16位超低功耗MCU，具有116KB閃存、8KB RAM、12位ADC、雙DAC、2個16位定時器、2個UART、2個SPI(其中一個SPI和UART復(fù)用端口)、1個I2C、DMA、3個OPAMP和16段LCD，并可用UART多串口擴展芯片(SP2338DP)按需要將其擴展至多個較高波特率的UART串口，由于監(jiān)控程序和水質(zhì)參數(shù)的存儲占用較大的RAM 和Flash，并且要求較高的運算速率。

A/D芯片選用了TLC1549，同時配以多路選通器CD4051和放大器LM358，實現(xiàn)最多8路水質(zhì)參數(shù)的模擬量采集。

RS485電平轉(zhuǎn)換芯片選用SN75176A，具備單路RS485通信功能。電源隔離部分加入了3塊光電信號隔離芯片TLP521，采用了順源科技有限公司的DC/DC專用芯片B0505SW1實現(xiàn)了RS485輸入5V到輸出5V的電源隔離，避免RS485外部信號的干擾。

RS232電平轉(zhuǎn)換芯片選用了SP232(MAX232)，可以實現(xiàn)UART電平到RS232標(biāo)準(zhǔn)電平間的轉(zhuǎn)換。

繼電器驅(qū)動執(zhí)行機構(gòu)選用了ORWH-SH-112D，并根據(jù)選用的繼電器驅(qū)動電流要求，輸入側(cè)電流驅(qū)動芯片為東芝公司的ULN28039，選用了摩托羅拉公司的ULN2804芯片，通過達(dá)林頓三極管陣列實現(xiàn)電流放大。

3.2 監(jiān)控基站A/D數(shù)據(jù)處理

在實際使用過程中，傳感器數(shù)據(jù)在經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換后，往往轉(zhuǎn)換后的值和傳感器實際采集值有一定差異，主要有以下幾個原因：①由于實際應(yīng)用環(huán)境中本身存在噪聲、電磁信號干擾，造成監(jiān)控基站采集到的數(shù)據(jù)本身就是不穩(wěn)定的，有時甚至是明顯偏離上次采集到的數(shù)值，即不連續(xù)的；②由于傳感器采集到的模擬信號(4～20 mA電流信號)離監(jiān)控基站有一定距離里，約3 m，故存在一定的傳輸損耗，且一般信號電流越大，損耗越大。

綜合上述幾個產(chǎn)生A/D數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換偏差的原因，并結(jié)合現(xiàn)場實際的測試情況，對于傳感器采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行了如下針對性的軟件濾波和軟件補償，可以較好地滿足實際應(yīng)用的需要。

(1) 軟件濾波。選用了平均值濾波法和剔除壞值濾波法，本項目根據(jù)控制精度要求和采樣時間允許值，取平均值濾波法中的平均采集次數(shù)為200次，同時設(shè)定壞值評價標(biāo)準(zhǔn)為10，即為A/D轉(zhuǎn)換范圍(256～1 024)的約1/7。整個濾波程序的步驟為：①求取最近200次的A/D轉(zhuǎn)換值；②求取壞值濾波法的評價標(biāo)準(zhǔn)，即為所測200次的平均值；③執(zhí)行壞值濾波法，剔除符合壞值特征的數(shù)據(jù)(與“壞值評價標(biāo)準(zhǔn)值”相差100以上)；④執(zhí)行平均值濾波法，即將壞值剔除后的數(shù)據(jù)求取平均值，幾位最終濾波后的結(jié)果。

(2) 傳感器數(shù)據(jù)標(biāo)定?，F(xiàn)場監(jiān)控基站采集并經(jīng)過濾波后的數(shù)據(jù)還需要進(jìn)行與標(biāo)準(zhǔn)儀器的對比進(jìn)行非線性的擬合函數(shù)標(biāo)定，表1所示為傳感器標(biāo)定時的溶氧數(shù)據(jù)。

對兩組患者護(hù)理中發(fā)生不良事件的情況進(jìn)行統(tǒng)計，采用院內(nèi)自制的調(diào)差表，對高危藥物外滲、患者身份識別錯誤、用藥錯誤及患者墜床的發(fā)生率進(jìn)行計算。

表1 傳感器標(biāo)定的溶氧數(shù)據(jù)

通過軟件濾波和軟件補償技術(shù)，現(xiàn)場基站采集到的傳感器數(shù)據(jù)與實際數(shù)據(jù)的誤差基本可控制在0.5%相對精度范圍內(nèi)。

3.3 基于專家系統(tǒng)的智能控制

現(xiàn)場監(jiān)控基站和遠(yuǎn)程控制中心主機間采用RS485方式通信，RS485的通信波特率設(shè)為2 400 bit/s，現(xiàn)場監(jiān)控基站通信端采用了光電耦合和DC/DC電源隔離技術(shù)，以及帶有防浪涌電壓及串模干擾功能，在通信協(xié)議上參考了MODBUS協(xié)議，具有可擴展性強，帶奇偶校驗和雙字節(jié)幀頭和握手反饋功能。同時加入了看門狗復(fù)位電路，現(xiàn)場監(jiān)控基站在等待遠(yuǎn)程控制中心數(shù)據(jù)超過2 s仍未收到將放棄此次操作，這樣可以防止通信假死(即基站“死等”控制中心數(shù)據(jù))導(dǎo)致的整個通信系統(tǒng)癱瘓。這些功能可以較好地保障傳輸數(shù)據(jù)的發(fā)送與接收端的一致性，防止出現(xiàn)控制中心的數(shù)據(jù)在傳輸過程中的突變(比如開關(guān)增氧機等操作引起的災(zāi)難性后果。

主機控制軟件通過美國NI (National Instruments)公司的可視化編程工具Labview設(shè)計實現(xiàn)，遠(yuǎn)程控制中心主機主要包括如下基本控制模塊：數(shù)據(jù)庫管理頁面、水質(zhì)上下限設(shè)置頁面、定時控制設(shè)置頁面、系統(tǒng)設(shè)置頁面、水質(zhì)狀況實時顯示頁面。各模塊之間相互獨立，提高了軟件可靠性和效率。

具體功能說明如下：數(shù)據(jù)庫管理頁面負(fù)責(zé)將采集到的所有水質(zhì)參數(shù)的數(shù)據(jù)管理和維護(hù)，數(shù)據(jù)庫使用的是MySQL5.1；水質(zhì)上下限設(shè)置頁面負(fù)責(zé)設(shè)定水質(zhì)參數(shù)的上下限，以實現(xiàn)自動超限報警以及通知監(jiān)控基站進(jìn)行報警動作的功能；系統(tǒng)設(shè)置頁面負(fù)責(zé)完成系統(tǒng)時間和控制方式選擇(自動或者半自動控制方式)等系統(tǒng)參數(shù)配置；水質(zhì)狀況實時顯示頁面將實時顯示獲取到的定點和移動水質(zhì)參數(shù)，并顯示在遠(yuǎn)程監(jiān)控室的電腦屏幕上，供水產(chǎn)養(yǎng)殖人員進(jìn)行實時便捷的水質(zhì)監(jiān)控。

根據(jù)實測的水質(zhì)參數(shù)，該監(jiān)控系統(tǒng)可根據(jù)后臺的專家?guī)熳詣釉\斷是否需要開啟或者關(guān)閉水產(chǎn)養(yǎng)殖的執(zhí)行機構(gòu)(如增氧機，投餌機等)，同時還設(shè)置了人工交互決策的功能，由用戶選擇合適的方案進(jìn)行控制?；趯＜蚁到y(tǒng)[16-17]的智能控制流程圖如圖4所示。

圖4 基于專家系統(tǒng)的智能化決策控制

由于不同的養(yǎng)殖品種會有不同的適宜范圍，均可在中心主機軟件控制平臺監(jiān)控主界面進(jìn)行設(shè)定。以南美白對蝦為例，參數(shù)要求為：溶氧4～7 mg/L，電導(dǎo)650～1 100 μS/cm，pH6.5～8.5，溫度20～27 ℃，氨氮小于9 mg/L。綜合上述參數(shù)的適宜范圍，可以設(shè)定相應(yīng)的報警上下限和標(biāo)準(zhǔn)值，用于實現(xiàn)水質(zhì)的自動或者半自動控制。例如，可以在遠(yuǎn)程控制中心主機中設(shè)定溶氧的水質(zhì)報警下限為3 mg/L，報警上限為6.5 mg/L，則當(dāng)池塘中的溶氧低于3 mg/L時，遠(yuǎn)程主機將下發(fā)開啟相應(yīng)增氧機命令，基站在收到了開啟增氧機命令后，將進(jìn)行通信校驗，并開啟對應(yīng)的增氧機，同時回復(fù)上位機是否開啟成功，上位機通過后續(xù)的水質(zhì)輪詢，判斷出現(xiàn)溶氧報警的池塘的溶氧是否大于或者等于標(biāo)準(zhǔn)值(6.5 mg/L)，如果大于等于標(biāo)準(zhǔn)值，將下發(fā)關(guān)閉增氧機命令，基站收到指令后將關(guān)閉增氧機，實現(xiàn)了池塘溶氧的自動控制過程。

4 應(yīng)用驗證

本系統(tǒng)已經(jīng)在863水產(chǎn)養(yǎng)殖示范基地的南美白對蝦養(yǎng)殖現(xiàn)場進(jìn)行了試運行，養(yǎng)殖現(xiàn)場共有4個池塘，大小均約為40 m×130 m。1～3號池塘各均勻設(shè)置了3個抽水泵，最后1個池塘設(shè)有2個抽水泵，在2號和3號池塘之間設(shè)有現(xiàn)場控制室，內(nèi)含采樣池、傳感器等的定點水質(zhì)采集系統(tǒng)，同時現(xiàn)場控制室內(nèi)放置了現(xiàn)場監(jiān)控基站，基站在采集完所有水質(zhì)后，會通過RS485通信傳送水質(zhì)數(shù)據(jù)到150 m外的遠(yuǎn)程控制中心，實現(xiàn)了水質(zhì)參數(shù)的自動監(jiān)控。現(xiàn)場運行效果良好，可以自動完成整個水質(zhì)檢測和控制的流程，養(yǎng)殖人員可以在遠(yuǎn)程控制中心實時觀測養(yǎng)殖水狀況，同時可以在監(jiān)控室內(nèi)隨時通過電腦來控制各個池塘養(yǎng)殖執(zhí)行機構(gòu)如增氧機等的開啟和關(guān)閉狀態(tài)。

5 結(jié) 語

本文應(yīng)用嵌入式技術(shù)和控制理論設(shè)計了集約化水產(chǎn)養(yǎng)殖系統(tǒng)現(xiàn)場監(jiān)控基站和遠(yuǎn)程控制中心的主機監(jiān)控軟件，結(jié)合相關(guān)傳感器，實現(xiàn)了水質(zhì)參數(shù)的自動檢測、監(jiān)測、預(yù)報，并根據(jù)專家系統(tǒng)實現(xiàn)了自動控制，為后續(xù)進(jìn)一步的技術(shù)研究提供了有效的應(yīng)用基礎(chǔ)。該系統(tǒng)解決了傳統(tǒng)的養(yǎng)殖業(yè)水質(zhì)參數(shù)采集困難，改變了原先由人工檢測并監(jiān)控的落后局面，能夠很好地滿足養(yǎng)殖基地水質(zhì)監(jiān)控要求，且具有較高的實用性和可靠性。

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Design and Implementation of Integrated Whole-scale Water Quality Monitoring System

WEIRui-hua,XULi-hong

(School of Electronics and Information Engineering, Web-Cooperative Research Center of for Facility Agriculture,the Ministry of Education, Tongji University, Shanghai 200092, China)

To achieve the aquaculture automation, a low-cost monitor and control system is designed for the aquaculture water environment by using the embedded system technology. This system can realize not only the on-line fixed point and mobile monitoring of water parameters including dissolved oxygen, pH, ammonia, temperature, and conductivity, etc; but also the water environment automatic control through the accompanied actuator. The fixed-point monitoring system has a sample pond which can collect the water of several different areas through water pumps; while the mobile monitoring system is an equipment has the sensors and ZigBee positioning function. The system can accomplish the whole-scale water monitoring, and save the initial invest and maintenance cost. The interactive modular in the base station can display the real-time water parameters for the aquaculture environment; while the data saving modular can realize the water parameter backup. The base station can also communicate through RS485 with the host computer, which can realize the intelligent control and further analysis. This system has the advantages of low cost, high reliability, modular hardware and software design etc.

aquaculture environment monitor; fixed-point monitor; mobile monitor; whole-scale water parameter monitor; automatic control and monitor

2015-03-26

國家863計劃(2012AA10A507)；國家自然科學(xué)基金項目(61174090);同濟大學(xué)青浦區(qū)聯(lián)合項目

蔚瑞華(1979-)，女，山西交城人，博士，講師，主要從事控制理論與應(yīng)用，設(shè)施農(nóng)業(yè)水產(chǎn)養(yǎng)殖監(jiān)控系統(tǒng)研究。

Tel.: 021-69584663-12;E-mail: weiruihua@#edu.cn

TP 274

A

1006-7167(2016)01-0034-05