劉立敬

摘 要：文章主要介紹水族館中一種海水溫度與循環(huán)系統(tǒng)水泵運(yùn)行狀態(tài)集中監(jiān)測系統(tǒng)，詳細(xì)說明了系統(tǒng)中各個(gè)部分（現(xiàn)場儀表層、網(wǎng)絡(luò)傳輸層、服務(wù)管理層）的原理與組成，為海洋生物飼養(yǎng)工作提供了良好的監(jiān)測手段。

關(guān)鍵詞：海水溫度；水泵運(yùn)行狀態(tài)；監(jiān)測

中圖分類號(hào)：TU831.3+6 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：2095-2945（2018）25-0185-02

Abstract： This paper mainly introduces a centralized monitoring system of seawater temperature and circulating system water pump operation state in aquarium， and explains in detail the principle and composition of each part of the system （field instrument level， network transmission level， and service management level）. It provides a good monitoring method for marine animal feeding.

Keywords： sea water temperature； pump operation state； monitoring

引言

隨著當(dāng)今科學(xué)技術(shù)不斷發(fā)展，智能化海產(chǎn)養(yǎng)殖技術(shù)不僅發(fā)展成為一種新的趨勢，而且已經(jīng)在我國水族館海洋生物的飼養(yǎng)中得到廣泛應(yīng)用。海水溫度、pH值、鹽度、亞硝酸鹽、溶解氧、濁度等指標(biāo)是水族館中海洋生物生存環(huán)境水質(zhì)的重要參數(shù)，這些指標(biāo)都將與海洋生物的存活率息息相關(guān)?；谝陨线@些要素，我們必須在海洋生物的日常飼養(yǎng)與展示過程中加以監(jiān)視與控制。本文重點(diǎn)對(duì)水族館內(nèi)海洋生物生存環(huán)境的溫度以及其循環(huán)過濾系統(tǒng)中水泵的運(yùn)行狀態(tài)這兩個(gè)參數(shù)進(jìn)行監(jiān)控與測量，因?yàn)樗鼈冴P(guān)乎著水族館中海洋生物的生存質(zhì)量?，F(xiàn)在水族館海洋生物飼養(yǎng)區(qū)域內(nèi)建立一套海水溫度與循環(huán)過濾系統(tǒng)水泵運(yùn)行狀態(tài)實(shí)時(shí)監(jiān)測系統(tǒng)，它不但能夠讓水族飼養(yǎng)人員快速掌握海洋生物生存的環(huán)境，便于他們采取相應(yīng)的調(diào)整工作，而且還可以給海洋生物提供一個(gè)良好的生存環(huán)境，有利于海洋生物的展示。

青島水族館位于山東省青島市市南區(qū)萊陽路4號(hào)，建成于1932年，整個(gè)建筑面積近800平方米，布局為一層展廳為28個(gè)側(cè)壁式展缸，負(fù)一層與二層為32個(gè)實(shí)驗(yàn)類型展缸，共計(jì)60個(gè)展缸。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)背景與意義

在傳統(tǒng)的海產(chǎn)養(yǎng)殖中，飼養(yǎng)過程中的各種參數(shù)（溫度、pH、鹽度等）主要依靠人工離線式測量來獲取，存在著耗時(shí)長、數(shù)據(jù)不完整、不準(zhǔn)確的缺陷，不能夠?qū)崟r(shí)掌握海洋生物生活的環(huán)境。為了提高水族館中海洋生物飼養(yǎng)的效率，充分利用現(xiàn)代自動(dòng)化儀表與網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，建立一套海洋生物水質(zhì)與設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)勢在必行。本文在此僅選取海水溫度和循環(huán)過濾系統(tǒng)中水泵的運(yùn)行狀態(tài)兩個(gè)參數(shù)（溫度值與數(shù)字輸入開關(guān)量）來建立海洋生物生態(tài)環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)。本系統(tǒng)主要利用單片機(jī)檢測技術(shù)、Modbus-RTU通訊協(xié)議以及組態(tài)技術(shù)，通過場館內(nèi)局域網(wǎng)絡(luò)將現(xiàn)場海水溫度數(shù)據(jù)以及水泵狀態(tài)數(shù)據(jù)傳輸上傳至服務(wù)器，由上位機(jī)旭泰軟件對(duì)現(xiàn)場儀表數(shù)據(jù)進(jìn)行采集和儲(chǔ)存。

2 系統(tǒng)概述

系統(tǒng)采用分布式結(jié)構(gòu)，網(wǎng)絡(luò)化布局。整個(gè)系統(tǒng)按照功能結(jié)構(gòu)可以劃分為三層，即現(xiàn)場儀表層、網(wǎng)絡(luò)傳輸層、服務(wù)管理層。

2.1 現(xiàn)場儀表層

現(xiàn)場儀表層主要作用是通過現(xiàn)場儀表傳感器采集信號(hào)，將傳感器信號(hào)輸入到儀表采集模塊?，F(xiàn)場儀表均采用RS485接口與Modbus-RTU 通訊協(xié)議。根據(jù)青島水族館展缸及配電箱布局位置，采用溫度采集模塊六塊，開關(guān)量采集模塊四塊。

2.1.1 溫度采集

溫度傳感器采用美國 Dallas 半導(dǎo)體公司的數(shù)字化溫度傳感器 DS18B20，傳感器采用不銹鋼外殼封裝， 防水防潮。專門設(shè)計(jì)的傳感器不銹鋼外殼，僅有 0.15mm 的壁厚，具有很小的蓄熱量，采用金屬墊模工藝讓 DS18B20 與不銹鋼內(nèi)壁充分接觸，同時(shí)采用導(dǎo)熱性高的密封膠灌封，保證了溫度傳感器的高靈敏性，極小的溫度延遲。在不銹鋼外層再外套上一個(gè)陶瓷進(jìn)行封裝，這樣能夠抵御海水環(huán)境腐蝕，滿足現(xiàn)場海水測溫要求。采用特制防水電纜，使得傳感器導(dǎo)線電阻率極低。

溫度采集模塊采用強(qiáng)驅(qū)動(dòng)能力遠(yuǎn)程數(shù)字化單片機(jī)，它可以同時(shí)連接10個(gè)通道，每個(gè)通道以總線的方式并聯(lián)1-10個(gè)數(shù)字溫度傳感器（DS18B20）。上位機(jī)（組態(tài)王）通過標(biāo)準(zhǔn)的 Modbus-RTU 協(xié)議向溫度采集模塊發(fā)出溫度采集指令，溫度模塊將采集到的溫度數(shù)據(jù)通過自身的RS485接口反饋到上位機(jī)，以此完成了溫度采集的任務(wù)。

2.1.2 開關(guān)量采集

開關(guān)量（數(shù)字量輸入）模塊主要由電源電路、隔離開關(guān)量輸入電路、隔離RS485收發(fā)電路及MCU等部分組成。采用高速ARM處理器作為控制單元，擁有隔離的RS485通訊接口，具有ESD、過壓、過流保護(hù)功能，通訊穩(wěn)定可靠。開關(guān)量（數(shù)字量輸入）主要采集現(xiàn)場配電箱中的水泵熱繼電器下端的開關(guān)量，經(jīng)過小型中間繼電器的轉(zhuǎn)換，采樣信號(hào)由220V AC轉(zhuǎn)變?yōu)槟K可以輸入的12-30V的DC信號(hào)。

2.2 網(wǎng)絡(luò)傳輸層

中間層位于現(xiàn)場層與服務(wù)管理層之間，我們在這里采用高性能、嵌入式串口服務(wù)器來實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場層的儀表信號(hào)到網(wǎng)絡(luò)信號(hào)的轉(zhuǎn)換。串口服務(wù)器能夠提供串口轉(zhuǎn)網(wǎng)絡(luò)功能，實(shí)現(xiàn)RS-232/485/422串口與TCP/IP網(wǎng)絡(luò)接口的數(shù)據(jù)雙向透明傳輸。在系統(tǒng)的中間層部署串口服務(wù)器，大大擴(kuò)展了串口設(shè)備（現(xiàn)場儀表）的通信距離，保證了采集數(shù)據(jù)的穩(wěn)定性。在串口服務(wù)器工作模式上，該模塊選擇TCP Client模式。TCP Client為TCP網(wǎng)絡(luò)服務(wù)提供客戶端連接，它能夠主動(dòng)發(fā)起連接并連接服務(wù)管理層，用于實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場層儀表數(shù)據(jù)和服務(wù)管理層數(shù)據(jù)的交互，并且TCP Client 是有連接和斷開的區(qū)別，從而保證數(shù)據(jù)的可靠交換。

2.3 服務(wù)管理層

2.3.1 軟件安裝

服務(wù)管理層主要是在服務(wù)器上部署數(shù)據(jù)采集處理軟件——組態(tài)王，通過該軟件進(jìn)行儀表的選擇、畫面的布局等配置，實(shí)現(xiàn)了標(biāo)準(zhǔn)Modbus RTU協(xié)議的儀表（溫度與數(shù)字開關(guān)量模塊）信號(hào)采集、數(shù)據(jù)處理與儲(chǔ)存等功能。

2.3.2軟件功能的實(shí)現(xiàn)

為實(shí)現(xiàn)對(duì)水族館內(nèi)各個(gè)測溫點(diǎn)與水泵運(yùn)行狀態(tài)的實(shí)時(shí)監(jiān)控，在軟件設(shè)計(jì)上采用樹形框架結(jié)構(gòu)，框架圖如下：

根據(jù)項(xiàng)目需求進(jìn)行組態(tài)化設(shè)計(jì)，本系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了以下功能：（1）系統(tǒng)登錄。系統(tǒng)分為系統(tǒng)管理員與值班員兩個(gè)用戶名。每個(gè)用戶名具有相應(yīng)的權(quán)限。只有輸入正確的賬號(hào)和密碼，才能進(jìn)入系統(tǒng)，否則返回系統(tǒng)初始運(yùn)行界面。（2）監(jiān)測點(diǎn)溫度與水泵狀態(tài)。系統(tǒng)將儀表實(shí)時(shí)溫度與水泵運(yùn)行狀態(tài)顯示在主畫面中，數(shù)據(jù)采集周期設(shè)定為3秒，其中水泵的運(yùn)行狀態(tài)以兩種不同的顏色（紅與綠）進(jìn)行區(qū)分。（3）報(bào)警設(shè)定與實(shí)時(shí)報(bào)警功能。當(dāng)水族館內(nèi)某展池因工作需要暫時(shí)停用，需要關(guān)閉某一展池的溫度和水泵運(yùn)行的報(bào)警功能，只需要點(diǎn)擊報(bào)警關(guān)閉按鈕，系統(tǒng)停止該展池的報(bào)警功能。當(dāng)溫度超過上限、下限設(shè)置和水泵處于關(guān)閉狀態(tài)下，電腦畫面立即轉(zhuǎn)到實(shí)時(shí)報(bào)警畫面，并立即發(fā)出報(bào)警聲音，提示值班人員，當(dāng)值班人員確認(rèn)后報(bào)警聲音才能消除。（4）歷史曲線功能與數(shù)據(jù)報(bào)表。系統(tǒng)可以把展池中的各個(gè)探頭監(jiān)測的溫度數(shù)據(jù)以曲線的形式顯示，從而更加直觀的反映溫度的狀態(tài)。也可以將溫度和水泵運(yùn)行狀態(tài)以報(bào)表的形式儲(chǔ)存在服務(wù)器上，這樣有利于系統(tǒng)數(shù)據(jù)的查閱與分析。

3 結(jié)束語

海水溫度與循環(huán)系統(tǒng)水泵狀態(tài)監(jiān)控系統(tǒng)具有實(shí)時(shí)性、穩(wěn)定性、擴(kuò)展性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，也可以根據(jù)自身需求，對(duì)海水水質(zhì)其他參數(shù)進(jìn)行監(jiān)控與記錄。該系統(tǒng)自2015年年初設(shè)計(jì)安裝并投入使用，通過對(duì)水族館內(nèi)展池內(nèi)海水溫度與循環(huán)系統(tǒng)水泵運(yùn)行狀態(tài)的實(shí)時(shí)監(jiān)測，能夠?qū)崿F(xiàn)水族飼養(yǎng)設(shè)備的故障預(yù)警功能，極大的降低了值班人員的勞動(dòng)強(qiáng)度，提高了飼養(yǎng)人員的工作效率，有利于海洋生物飼養(yǎng)工作的開展，為海洋生物人工飼養(yǎng)提供了良好的監(jiān)測手段。

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