張 剛，胡洋洋，韓祥蘭，王 振，陳躍華

（1. 寧波大學(xué)海運學(xué)院，寧波 315211；2. 浙江大學(xué)寧波理工學(xué)院計算機與數(shù)據(jù)工程分院，寧波 315110）

0 引 言

中國是淡水珍珠養(yǎng)殖大國，淡水珍珠年產(chǎn)量高達2 000 t，占全球80%以上，是極具優(yōu)勢的民族產(chǎn)業(yè)[1]。淡水珍珠蚌的成長過程本身不會造成水體污染[2]，但廣大養(yǎng)殖戶為追求經(jīng)濟效益，長期實行“大量施肥—培養(yǎng)浮游生物—養(yǎng)殖河蚌—收獲珍珠”的傳統(tǒng)粗放式養(yǎng)殖，造成水體污染、富營養(yǎng)化、生態(tài)環(huán)境惡化等破壞性影響，阻礙了該行業(yè)的可持續(xù)發(fā)展[3]。在“五水共治”、剿滅Ⅴ類水的環(huán)保政策下，地方政府開展了珍珠養(yǎng)殖業(yè)污染大整治行動，傳統(tǒng)珍珠養(yǎng)殖業(yè)必須轉(zhuǎn)型升級，科學(xué)合理地進行養(yǎng)殖[4]。為此，本研究探究“智能大棚—立體多層籠養(yǎng)—優(yōu)質(zhì)微藻供餌—循環(huán)水工廠化養(yǎng)殖”這一新型模式下的水質(zhì)監(jiān)控問題，研發(fā)分布式水質(zhì)監(jiān)控系統(tǒng)[5-6]。

國內(nèi)外在水產(chǎn)養(yǎng)殖水質(zhì)監(jiān)控方面進行了大量研究[7-10]，國外漁業(yè)發(fā)達的國家如美國、挪威、日本、加拿大等，水產(chǎn)養(yǎng)殖智能化監(jiān)控研發(fā)和應(yīng)用水平較高，Borstel 等[11]開發(fā)了1 套機器人系統(tǒng)，用戶可自定義控制各養(yǎng)殖塘的監(jiān)測和養(yǎng)殖任務(wù)；法國的Ifishienci 項目則基于物聯(lián)網(wǎng)平臺，建立了集成水質(zhì)監(jiān)測系統(tǒng)、智能設(shè)備控制、魚類行為分析的多功能養(yǎng)殖平臺[12]。在國內(nèi)，水產(chǎn)養(yǎng)殖水質(zhì)監(jiān)控的研究緊跟國際步伐：史兵等[13]設(shè)計了基于無線傳感網(wǎng)絡(luò)的智能監(jiān)控系統(tǒng)并在規(guī)模化水產(chǎn)養(yǎng)殖中應(yīng)用；楊旭輝等[14]基于ZigBee 技術(shù)設(shè)計了節(jié)能型水產(chǎn)養(yǎng)殖環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)，用于實時監(jiān)測水溫、pH 值、溶解氧和濁度等參數(shù)；劉雨青等[15]設(shè)計了包含水質(zhì)監(jiān)測、氣象監(jiān)測、視頻監(jiān)控和智能控制的全方位監(jiān)控系統(tǒng)并應(yīng)用于螃蟹養(yǎng)殖基地；宦娟等[16]研發(fā)了基于窄帶物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的養(yǎng)殖塘水質(zhì)監(jiān)測系統(tǒng)，可遠程采集和存儲節(jié)點信息，并對養(yǎng)殖塘進行智能控制。以上研究均促進了水產(chǎn)養(yǎng)殖業(yè)的發(fā)展，為研究淡水珍珠蚌養(yǎng)殖分布式水質(zhì)監(jiān)控系統(tǒng)提供了有益參考。

本研究針對淡水珍珠蚌工廠化循環(huán)水養(yǎng)殖模式下的水質(zhì)監(jiān)控需求，開發(fā)了1 套基于ZigBee 無線傳感網(wǎng)絡(luò)的分布式水質(zhì)監(jiān)控系統(tǒng)。系統(tǒng)以可編程控制器（Programmable Logic Controller，PLC）與MCGS 觸控屏作為下位監(jiān)控系統(tǒng)核心，采用RS485、ZigBee 和以太網(wǎng)組合的方式進行數(shù)據(jù)傳輸，實現(xiàn)對水質(zhì)、氣象環(huán)境的全天候監(jiān)控，藻類供餌自動控制以及循環(huán)水處理設(shè)備的啟停控制，并基于MCGS 網(wǎng)絡(luò)版組態(tài)和SQL Server 數(shù)據(jù)庫軟件構(gòu)建上位機數(shù)據(jù)管理中心。

1 養(yǎng)殖環(huán)境及方案設(shè)計

系統(tǒng)的方案設(shè)計結(jié)合養(yǎng)殖場實際情況和養(yǎng)殖戶的功能需求，綜合考慮其適用性、可靠性、經(jīng)濟性。本研究養(yǎng)殖場地選址在靠近淡水水源的戶外環(huán)境，實行“立體多層籠養(yǎng)—微藻供餌—循環(huán)水養(yǎng)殖”的創(chuàng)新模式，現(xiàn)場布局如圖1 所示。場地搭建有2 座大棚（各0.07 hm2），每座大棚覆蓋下建有長方形養(yǎng)殖水池（單個面積約0.07 hm2），長約100 m，深度2～3 m，養(yǎng)殖密度最高可達300 只/m3。在養(yǎng)殖水池一端設(shè)有藻類培養(yǎng)池以提供餌料，另一端設(shè)有配套的循環(huán)水處理系統(tǒng)。根據(jù)“機械過濾和泡沫分離—沙濾沉淀—化學(xué)處理—微藻培養(yǎng)—珍珠蚌投喂”等策略，對養(yǎng)殖尾水采用蛋白質(zhì)分離器快速去除水中的雜質(zhì)、排泄物和多余的餌料等，處理水進一步過濾（沙濾池），在沉淀池存儲。部分處理水用于珍珠蚌養(yǎng)殖添加水，部分處理水經(jīng)消毒后再用于微藻規(guī)?；囵B(yǎng)，從而實現(xiàn)養(yǎng)殖用水的循環(huán)利用、無害化處理和達標排放。

圖1 珍珠蚌養(yǎng)殖區(qū)域布局示意圖 Fig.1 Layout of pearl mussel aquaculture area

系統(tǒng)的監(jiān)測功能包括：①養(yǎng)殖水質(zhì)的實時監(jiān)測，在每個長方形養(yǎng)殖池中分散布置了2 個水質(zhì)監(jiān)測節(jié)點，為減少布線選用無線組網(wǎng)方式；②氣象因素也會影響珍珠蚌的生長[17]，現(xiàn)場應(yīng)設(shè)置氣象監(jiān)測以實時獲取氣象信息；③對水質(zhì)和氣象監(jiān)測信息進行匯總，不僅要在現(xiàn)場實時顯示和預(yù)警，還要進行存儲以供后續(xù)分析?？刂撇糠秩蝿?wù)包括：①結(jié)合水質(zhì)監(jiān)測情況，完成對相關(guān)循環(huán)水處理設(shè)備的啟停控制功能；②實現(xiàn)藻類餌料的自動投喂功能，即根據(jù)養(yǎng)殖池中藻類濃度情況，系統(tǒng)可自動選擇是否對其補充藻類培養(yǎng)液。最后對整個系統(tǒng)監(jiān)測和控制功能兩大部分進行上位機集成，實現(xiàn)一體化操作和管理。

綜上，本研究基于ZigBee 無線傳感網(wǎng)絡(luò)搭建了1 套分布式監(jiān)控系統(tǒng)。系統(tǒng)采用現(xiàn)場感知層、傳輸層、應(yīng)用層相結(jié)合的3 層體系架構(gòu)，主要由水質(zhì)監(jiān)測節(jié)點、氣象監(jiān)測節(jié)點、設(shè)備控制節(jié)點和監(jiān)控中心組成，形成從現(xiàn)場信息的采集、傳輸和存儲、遠程報警以及操作指令下發(fā)的一站式監(jiān)控體系，如圖2 所示。

1）現(xiàn)場感知層：主要包括水質(zhì)監(jiān)測節(jié)點、氣象監(jiān)測節(jié)點、設(shè)備控制節(jié)點和現(xiàn)場傳感網(wǎng)絡(luò)，通過使用RS485、ZigBee 組合的通信方式[18]，執(zhí)行上級的操作指令，將現(xiàn)場采集的實時數(shù)據(jù)向上傳輸；

2）傳輸層：包括PLC 和ZigBee 協(xié)調(diào)器，一方面?zhèn)鬟f應(yīng)用層下發(fā)的命令，另一方面將感知層的監(jiān)測數(shù)據(jù)匯聚至PLC，PLC 通過串口對接現(xiàn)場觸摸屏，并通過CP243-1 網(wǎng)絡(luò)模塊上傳數(shù)據(jù)至上位機；

3）應(yīng)用層：現(xiàn)場MCGS 觸控屏對水質(zhì)和氣象監(jiān)測數(shù)據(jù)進行實時圖形化顯示、報警等功能，并可人為下發(fā)一些設(shè)備控制指令，監(jiān)控中心上位機實時顯示監(jiān)測數(shù)據(jù)，并存儲至數(shù)據(jù)庫中作后續(xù)分析和處理。

整個監(jiān)控系統(tǒng)的搭建過程分為兩大部分，第一部分是硬件平臺與下位監(jiān)控系統(tǒng)的搭建工作，包括下位系統(tǒng)各環(huán)節(jié)的硬件設(shè)備選型、連接、組網(wǎng)調(diào)試和相關(guān)程序設(shè)計等；第二部分是遠程上位機MCGS 監(jiān)控系統(tǒng)和SQL Server 數(shù)據(jù)庫的開發(fā)與實現(xiàn)。

圖2 監(jiān)控系統(tǒng)架構(gòu)圖 Fig.2 Architecture diagram of monitoring system

2 硬件平臺與下位監(jiān)控系統(tǒng)

2.1 硬件設(shè)備選型

整個下位監(jiān)控系統(tǒng)硬件設(shè)備，自下而上包括現(xiàn)場水質(zhì)監(jiān)測節(jié)點、氣象監(jiān)測節(jié)點、設(shè)備控制節(jié)點、ZigBee 組網(wǎng)設(shè)備、PLC 控制器和現(xiàn)場觸摸屏等。本系統(tǒng)對硬件器材盡量選擇通用型器件，要求產(chǎn)品耐用性好，操作原理簡單，價格合適并且容易購買，使整套系統(tǒng)的投資花費完全在養(yǎng)殖戶的承擔和接受范圍之內(nèi)。為提升系統(tǒng)與實際生產(chǎn)的契合度，綜合考慮本項目對監(jiān)控系統(tǒng)的功能需求、硬件設(shè)備的性能參數(shù)以及經(jīng)濟成本，本系統(tǒng)所需硬件設(shè)備統(tǒng)計如表1 所示。

表1 硬件設(shè)備列表 Table 1 Hardware device list

1）水質(zhì)監(jiān)測節(jié)點

針對淡水珍珠蚌對養(yǎng)殖水質(zhì)的要求，查閱相關(guān)資料[19-21]并結(jié)合實際養(yǎng)殖經(jīng)驗，需對溫度、pH 值、溶解氧3 個常規(guī)以及氨氮量、鈣離子濃度和藻類密度進行監(jiān)測。氨氮是藻類生長必須的營養(yǎng)元素，也是衡量養(yǎng)殖水體肥瘦程度的指標，當水體中氨氮量低于0.1 mg/L 時，說明水質(zhì)太瘦不能滿足餌料增殖的需要，而當氨氮量高過2 mg/L，說明水體污染較嚴重，會影響蚌的生長和成活；鈣是珍珠和蚌殼的主要成份，通常要求水中含鈣量在10 mg/L以上；藻類濃度主要是為了反映水池中餌料的剩余情況，考慮到實際應(yīng)用情況和經(jīng)濟成本，本系統(tǒng)選用光源波長470 nm 的熒光葉綠素傳感器進行測量[22-23]。

2）氣象監(jiān)測節(jié)點

淡水珍珠蚌雖養(yǎng)殖在水里，但不同的生長階段會受周邊氣象因素的影響，如溫度、光照、風(fēng)等[17]。本系統(tǒng)選用山東建大仁科公司的RS-QXZ 型氣象站設(shè)備，包括風(fēng)速計、風(fēng)向儀和多要素百葉箱，配合專用的氣象監(jiān)控主機，對風(fēng)速、風(fēng)向、溫度、濕度、光照度和大氣壓力等氣象要素進行實時監(jiān)測。

3）設(shè)備控制節(jié)點

本系統(tǒng)使用PLC 對藻類供餌系統(tǒng)的抽水泵和其他循環(huán)水處理設(shè)備進行控制[24]，需要配備多個繼電器。由于現(xiàn)場一些電機、水泵和電閥等需要大功率輸出，工作電壓通常為220 V 或380 V，普通繼電器無法滿足使用要求，還需要在繼電器和現(xiàn)場設(shè)備之間添加一個交流接觸器。

4）ZigBee 通訊設(shè)備

近年來ZigBee、Wi-Fi、3G/4G 等無線通信技術(shù)在農(nóng)業(yè)信息化方面應(yīng)用廣泛，結(jié)合本系統(tǒng)實際運用場景，現(xiàn)場所需數(shù)據(jù)采集點較少，數(shù)據(jù)傳輸量不是很大且通信距離大多在100 m 以內(nèi)，故選用ZigBee 組建無線網(wǎng)絡(luò)。ZigBee 技術(shù)自有無線通信標準，組網(wǎng)能力強，具有能耗低、復(fù)雜度低、成本低、可靠性高等優(yōu)點[25]，非常適合本系統(tǒng)使用。本研究選用中鼎泰克公司DRF2659C 型ZigBee 模塊，該設(shè)備采用CC2630 芯片，性能優(yōu)越，主要功能是RS485 轉(zhuǎn)ZigBee 無線數(shù)據(jù)透明傳輸，可與本系統(tǒng)相關(guān)設(shè)備直接相連。

5）PLC 和觸摸屏

本研究選用西門子S7-200 系列CPU226CN 控制器，該控制器有24 入/16 出（24 inputs/16 outputs）數(shù)字量I/O口和2 個RS-485 通訊接口，可充分滿足使用需求，并為后續(xù)功能擴充留有操作空間。由于PLC 和上位機采用以太網(wǎng)方式進行通訊，還需添加CP243-1 以太網(wǎng)擴展模塊才能實現(xiàn)。另外本系統(tǒng)選用昆侖通態(tài)公司生產(chǎn)的TPC1061Ti 型號觸摸屏，該設(shè)備屏幕尺寸較大，自帶128 M 存儲空間，通信接口多且支持RS485、RS232、TCP/IP 等多種通訊方式，配合該公司MCGS 嵌入版軟件完成人機交互界面的開發(fā)工作。

2.2 下位監(jiān)控系統(tǒng)搭建

2.2.1 硬件設(shè)備連接

1）ZigBee 無線組網(wǎng)

根據(jù)不同網(wǎng)絡(luò)功能，ZigBee 網(wǎng)絡(luò)節(jié)點可分為協(xié)調(diào)器、路由器和終端[26-27]，本系統(tǒng)ZigBee 網(wǎng)絡(luò)負責水質(zhì)和氣象監(jiān)測信息的遠程無線傳輸工作。共設(shè)置6 個ZigBee 節(jié)點，其中1 個協(xié)調(diào)器節(jié)點作為網(wǎng)絡(luò)匯聚中心，負責組建和管理ZigBee 網(wǎng)絡(luò)，其余5 個為路由器節(jié)點，分別與各水質(zhì)和氣象監(jiān)測節(jié)點連接，負責收集各傳感器數(shù)據(jù)并匯集到協(xié)調(diào)器中心節(jié)點處，再通過串口傳送到PLC 中。

本系統(tǒng)ZigBee 組網(wǎng)工作：先將一個模塊設(shè)置為協(xié)調(diào)器，設(shè)PAN ID 為2A01，頻道20，透明傳輸模式，網(wǎng)絡(luò)地址為0，波特率9 600 bps，8 位數(shù)據(jù)位，1 位停止位，無校驗，可同時將路由器參數(shù)設(shè)置好并保存在協(xié)調(diào)器中；其他路由器模塊無需設(shè)置參數(shù)，只要連按3 次功能鍵便會開始自動尋找已建好的網(wǎng)絡(luò)，加入成功后該模塊上的 LED4 信號燈開始慢閃，之前設(shè)置的網(wǎng)絡(luò)參數(shù)會自動寫給新加入的路由器。當協(xié)調(diào)器出現(xiàn)故障或損壞時，只需將新的模塊設(shè)置成與原來參數(shù)一致，即可直接更換，極大簡化了設(shè)備維護工作。

2）水質(zhì)和氣象監(jiān)測節(jié)點

本系統(tǒng)現(xiàn)場監(jiān)測環(huán)節(jié)所有傳感器均采用 RS485（Modbus RTU 協(xié)議）數(shù)字信號輸出的串行通訊方式。

在水質(zhì)監(jiān)測節(jié)點處，水溫、pH 值、溶解氧和氨氮4個參數(shù)變量由KM-MU 多參數(shù)監(jiān)測儀進行采集，該儀器使用220 V 交流供電，兩線制差分方式傳輸信號，其接線盤上對每個參數(shù)的傳感器都留有獨立的信號通道接口，便于靈活操作及后期維護；在儀器的信號輸出端有RS485 接口RS485+、RS485-，從2 個接口引出兩條線（對應(yīng)A 和B）連接至ZigBee 模塊的485A、485B 接口上即可進行通訊。另外，鈣離子和葉綠素傳感器均使用12 V直流供電，同樣配有RS485 信號線接口，接線方法相同。由于單個ZigBee 模塊接口有限，這里選擇添加一個多路RS485 集線器先對多個傳感器的信號進行匯集，然后再與該節(jié)點處的ZigBee 路由器連接進行信號傳輸。

在氣象監(jiān)測節(jié)點處，使用配套的氣象監(jiān)控主機分配各個氣象變量的數(shù)據(jù)通道，并在其儀表盤上顯示實時監(jiān)測數(shù)據(jù)。先把氣象監(jiān)控主機上的Modbus-RTU 主站接口與百葉箱、風(fēng)速和風(fēng)向等從站變送器信號輸出端相連，對每個變送器的監(jiān)測數(shù)據(jù)進行匯集并存儲到主機內(nèi)分配好的寄存器單元內(nèi)；然后將主機的Modbus-RTU 從站數(shù)據(jù)輸出端口485A 和485B，與ZigBee 路由器信號接口對接，通過ZigBee 網(wǎng)絡(luò)將主機中匯集的監(jiān)測數(shù)據(jù)上傳至匯聚節(jié)點處的PLC 中。水質(zhì)和氣象監(jiān)測節(jié)點處設(shè)備連接如圖3 所示。

圖3 下位監(jiān)測系統(tǒng)連接 Fig.3 Connection diagram of lower monitoring system

3）數(shù)據(jù)匯聚節(jié)點

包括Zigbee 協(xié)調(diào)器節(jié)點、PLC 控制器和MCGS 觸摸之間的連接，如圖3 所示。ZigBee 協(xié)調(diào)器模塊與PLC 控制器的通訊沒有用到I/O 接口，通過PORT1 口以RS485數(shù)字信號的方式將匯集的數(shù)據(jù)傳遞給PLC；PLC 的另一個通訊串口PORT0 用于和MCGS 觸摸屏連接，只需一根DB9 接線即可完成。在現(xiàn)場使用時，此部分設(shè)備統(tǒng)一安裝在防水控制箱中。

4）設(shè)備控制節(jié)點

本系統(tǒng)設(shè)備控制采用有線連接方式，由于現(xiàn)場有多臺大功率用電設(shè)備，普通的繼電器控制板無法在高電壓和電流情況下長期運轉(zhuǎn)[28]，故選用施耐德RXM2LB2BD 24 V 插拔式小型中間繼電器，同時搭配正泰CJX2-2501型交流接觸器使用，連接方式如圖4 所示。繼電器在接到PLC 控制器輸出端發(fā)出的指令之后，控制交流接觸器的吸合，從而控制現(xiàn)場設(shè)備運轉(zhuǎn)。

圖4 設(shè)備控制節(jié)點連接 Fig.4 Equipment control node connection

2.2.2 PLC 采集和控制程序

1）PLC 數(shù)據(jù)采集程序

使用S7-200 PLC 作為下位系統(tǒng)控制器，基于Modbus RTU 協(xié)議采集各傳感器數(shù)據(jù)[29-30]。在編寫程序前需分配好各傳感器的Modbus 從站地址：對多參數(shù)水質(zhì)監(jiān)測儀和氣象站，用自帶儀表設(shè)置其Modbus 從站地址為1-5；對葉綠素和鈣離子傳感器，使用串口調(diào)試軟件進行設(shè)置，如葉綠素傳感器發(fā)送命令碼流01 06 00 02 00 00 06 1F C6，返回信息02 06 00 02 00 00 06 5F D3 即可設(shè)其從站地址為6，設(shè)兩個葉綠素傳感器從站地址為6、7，鈣離子傳感器從站地址為8-11。接著進行采集程序的編寫，目的是PLC 對傳感器發(fā)布數(shù)據(jù)采集命令，然后對采集的數(shù)據(jù)進行格式處理并保存到相應(yīng)存儲區(qū)中，地址分配如表2 所示。以一臺水質(zhì)傳感器的溫度采集程序為例：

步驟1：首先設(shè)置S7-200PLC 的Modbus 主站程序參數(shù)，傳輸波特率9 600，0 無校驗，Mode 模式總是處于觸發(fā)狀態(tài)，主站等待從站相應(yīng)時間為1 000 ms；

步驟2：接著對水質(zhì)傳感器的數(shù)據(jù)進行采集，這里水質(zhì)傳感器的Modbus 從站地址為3，溫度數(shù)據(jù)地址為保持寄存器的40307 地址位，數(shù)據(jù)個數(shù)為4，將溫度數(shù)據(jù)采集后先放入PLC 中的VD20 存儲區(qū)；

步驟3：最后對步驟2 的溫度數(shù)據(jù)進行大小、格式轉(zhuǎn)換并存儲以正確顯示，用實數(shù)除法指令將VD20 存儲的數(shù)值除以1.0 得到一個新的32 位浮點數(shù)并存儲在VD70 存儲區(qū)，這樣MCGS 組態(tài)只需讀取VD70 得數(shù)據(jù)即可獲得采集的溫度值。其他變量的采集程序均與此類似，不再進行描述。

表2 可編程控制器中數(shù)據(jù)存儲地址 Table 2 Data storage address in PLC

2）PLC 設(shè)備控制程序

本系統(tǒng)對弧形篩固液分離機、微濾器、蛋白分離器等水處理設(shè)備，在PLC 中設(shè)計了一鍵啟?？刂乒δ?；對藻類自動供餌系統(tǒng)實行雙位控制策略[31]。實際養(yǎng)殖數(shù)據(jù)記錄表明，當水體中二形柵藻餌料的密度低于30 萬個/mL 時，所養(yǎng)珍珠蚌的活力較低，難以維持正常生長需要。使用熒光葉綠素傳感器對密度約為30 萬個/mL 的藻類溶液進行多次數(shù)、等間隔測量，結(jié)果顯示其對應(yīng)的葉綠素含量檢測值在15 μg/L，±10%范圍內(nèi)波動。所以設(shè)養(yǎng)殖水池的葉綠素下限值為15 μg/L，當實際檢測值低于該值時，PLC 輸出端給繼電器發(fā)送信號，控制水泵抽取培養(yǎng)池藻類溶液供給養(yǎng)殖池，直到養(yǎng)殖水池中葉綠素檢測值高于16.5 μg/L 時停止水泵運轉(zhuǎn)。此外，藻類供餌控制還設(shè)置手動模式，可人為控制抽水泵的啟停。PLC 控制程序I/O 點分配如表3 所示。

表3 可編程控制器程序輸入/輸出點分配表 Table 3 PLC control program I/O points distribution table

2.2.3 觸摸屏組態(tài)實現(xiàn)

MCGS 觸摸屏是現(xiàn)場人機交互的重要環(huán)節(jié)，主要功能包括實時數(shù)據(jù)顯示報警界面、變化曲線顯示界面及設(shè)備控制界面。在PC 端MCGS 嵌入版軟件中進行組態(tài)界面開發(fā)，首先是建立與PLC 的數(shù)據(jù)連接，在設(shè)備窗口中添加“通用串口父設(shè)備”與“西門子_S7200PPI”設(shè)備；接著在“西門子_S7200PPI”設(shè)備編輯窗口進行數(shù)據(jù)通道設(shè)置，包括I 寄存器、Q 寄存器和V 存儲區(qū)的數(shù)據(jù)，建立MCGS 數(shù)據(jù)通道與PLC 存儲區(qū)中變量數(shù)據(jù)的映射關(guān)系；然后進行各功能動畫界面的設(shè)計，如圖5 所示。對組態(tài)工程使用計數(shù)檢查，本觸摸屏MCGS 組態(tài)總計使用變量數(shù)56 個，其中28 個數(shù)值量包括所有水質(zhì)和氣象監(jiān)測變量（對應(yīng)表2 的數(shù)據(jù)變量），4 個組對象指的是4 個水質(zhì)監(jiān)測點數(shù)據(jù)組，20 個開關(guān)量即設(shè)備控制程序的I/O 點（對應(yīng)表3 中的分配點），和4 個系統(tǒng)內(nèi)建字符量。

圖5 MCGS 觸摸屏組態(tài)界面 Fig.5 MCGS touch screen configuration interface

在數(shù)據(jù)顯示窗口，對所有顯示數(shù)據(jù)的標簽，參照表2中的數(shù)據(jù)對象地址建立好與之逐一對應(yīng)的通道連接，添加報警顯示框構(gòu)件并關(guān)聯(lián)到相關(guān)數(shù)據(jù)組對象。Tpc1061Ti型觸摸屏帶有128 M 存儲空間，除自身程序占用外還可以存盤數(shù)據(jù)，在變化曲線界面窗口添加歷史曲線構(gòu)件，與存盤數(shù)據(jù)組連接并設(shè)置好對應(yīng)的曲線標識，對最近1天之內(nèi)存盤的水質(zhì)數(shù)據(jù)作變化曲線顯示。在設(shè)備控制界面，主要功能是顯示現(xiàn)場養(yǎng)殖設(shè)備的運行狀態(tài)和發(fā)布簡單的控制指令。每個設(shè)備在觸摸屏界面上都有對應(yīng)的名稱標簽，在標簽旁添加按鈕和指示燈元件，結(jié)合PLC 控制程序的I/O 點分配將動畫元件關(guān)聯(lián)到對應(yīng)的I/Q 寄存器地址，設(shè)置指示燈為紅色代表對應(yīng)設(shè)備處于停止狀態(tài)，另外可通過操作按鈕對相關(guān)Q 寄存器數(shù)據(jù)對象執(zhí)行置以1、清0 等操作。

3 上位監(jiān)控系統(tǒng)開發(fā)

上位監(jiān)控系統(tǒng)的開發(fā)一是為了通過MCGS 網(wǎng)絡(luò)版軟件窗口，實現(xiàn)監(jiān)測數(shù)據(jù)實時顯示和報警、變化曲線顯示、數(shù)據(jù)瀏覽報表等功能；二是通過MCGS 軟件與SQL Server 數(shù)據(jù)庫軟件對接，建立水質(zhì)監(jiān)測數(shù)據(jù)庫。主要開發(fā)工作包括MCGS 網(wǎng)絡(luò)版與PLC 的通訊連接、用戶組態(tài)界面開發(fā)、SQL Server 數(shù)據(jù)庫的建立等，上位監(jiān)控系統(tǒng)架構(gòu)如圖6 所示。

1）上位機與PLC 的數(shù)據(jù)連接

現(xiàn)場S7-200 PLC 與上位機通過CP243-1 以太網(wǎng)模塊進行通訊。首先在STEP7 軟件中使用“以太網(wǎng)向?qū)А痹O(shè)置CP234-1 模塊IP 地址為10.22.28.251 并作為服務(wù)器，接受來自“10.22.28.237”地址的客戶機的連接請求；接著在MCGS 組態(tài)軟件設(shè)備窗口中添加“通用TCP/IP 父設(shè)備”及“西門子PLC-S7200-CP243-1 設(shè)備驅(qū)動”，設(shè)置上位機屬性為客戶端且IP 地址為10.22.28.237，遠程IP地址即 CP243-1 模塊的 IP 地址；然后對西門子PLC-S7200-CP243-1 設(shè)備驅(qū)動進行設(shè)置，在“內(nèi)部屬性”中對建立組態(tài)數(shù)據(jù)通道與PLC 存儲區(qū)的映射關(guān)系。本系統(tǒng)上位機組態(tài)總計36 個變量數(shù)，包括28 個數(shù)值量、4 個組對象和4 個內(nèi)建字符量。

圖6 上位監(jiān)控系統(tǒng)架構(gòu) Fig.6 Architecture of upper monitoring system

2）MCGS 組態(tài)開發(fā)

本系統(tǒng)在MCGS 網(wǎng)絡(luò)版組態(tài)環(huán)境中開發(fā)上位機監(jiān)控界面，包括實時數(shù)據(jù)顯示界面、監(jiān)測報警記錄、變化曲線顯示界面和數(shù)據(jù)瀏覽界面（圖7）。數(shù)據(jù)顯示與報警、變化曲線功能與觸摸屏組態(tài)開發(fā)類似，不再重復(fù)。此外，上位機組態(tài)界面添加了存盤數(shù)據(jù)瀏覽和報表輸出的功能，通過添加對應(yīng)功能的組態(tài)策略，并在數(shù)據(jù)瀏覽界面設(shè)置了點擊按鈕即可一鍵調(diào)用。存盤數(shù)據(jù)瀏覽功能就是將上位機存儲的歷史水質(zhì)數(shù)據(jù)以表格形式顯示在界面上進行瀏覽查閱，Excel 報表輸出需先選擇好數(shù)據(jù)來源并建好對應(yīng)名稱的表格文件，然后通過界面按鈕調(diào)用該策略將存儲的歷史水質(zhì)數(shù)據(jù)寫入建好的Excel 表格中。

圖7 MCGS 上位機顯示界面 Fig.7 MCGS upper computer display interface

3）SQL Server 數(shù)據(jù)庫存儲

上位機選擇用MCGS 組態(tài)網(wǎng)絡(luò)版與SQL Server 數(shù)據(jù)庫軟件對接，建立水質(zhì)監(jiān)測歷史數(shù)據(jù)庫。先在SQL Server數(shù)據(jù)庫建立名為“珍珠蚌水質(zhì)監(jiān)測”的數(shù)據(jù)庫和各個水質(zhì)監(jiān)測點命名的數(shù)據(jù)表，接著在MCGS 網(wǎng)絡(luò)版組態(tài)軟件通過“數(shù)據(jù)庫連接設(shè)置”里選擇將組態(tài)實時數(shù)據(jù)存盤至SQL Server 數(shù)據(jù)庫中建好的數(shù)據(jù)庫和對應(yīng)的數(shù)據(jù)表內(nèi)。在SQL Server 數(shù)據(jù)庫中，通過“代理服務(wù)—作業(yè)”功能對水質(zhì)數(shù)據(jù)庫進行定期外存儲和清理設(shè)置。

4 現(xiàn)場試驗

為驗證系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)傳輸通信的穩(wěn)定性、水質(zhì)監(jiān)測數(shù)據(jù)的準確性，將本研究設(shè)計的水質(zhì)監(jiān)測系統(tǒng)應(yīng)用在養(yǎng)殖基地進行現(xiàn)場測試（圖8），主要包括網(wǎng)絡(luò)丟包率測試和水質(zhì)檢測數(shù)據(jù)誤差對比。

圖8 現(xiàn)場控制箱與水質(zhì)監(jiān)測節(jié)點 Fig.8 Field control box and water quality monitor

1）系統(tǒng)通信穩(wěn)定性測試

以4 個水質(zhì)監(jiān)測采集點為測試對象，設(shè)定傳感器每間隔1 min 進行1 次數(shù)據(jù)采集，選取2019 年6 月27 日17 時至6 月30 日15 時共計70 h 時間段的采集數(shù)據(jù)作為樣本，則每個監(jiān)測點應(yīng)上傳數(shù)據(jù)各4 200 條，對上位機存儲的數(shù)據(jù)庫進行讀取并作對照分析（表4）。結(jié)果表明本系統(tǒng)監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)通信成功率在98%，平均丟包率1.98%，可滿足實際使用需求。

表4 數(shù)據(jù)丟失率分布 Table 4 Distribution of data loss rate

2）檢測數(shù)據(jù)準確性測試

選擇對養(yǎng)殖水質(zhì)的pH 值、溫度、溶解氧和氨氮量4個參數(shù)做誤差試驗，在開始試驗前需要對傳感器進行校準以消除偏差。對pH 電極，分別用4.00、6.86 和9.18的標準緩沖溶液進行多點校準；對溶解氧電極，先用約25 g 無水Na2SO3溶液和500 mL 蒸餾水配置溶解氧零點校正液，然后在25 ℃條件下進行滿量程校驗；對氨氮傳感器，分別用濃度為2.39、6.48 和11.8 mg/L 的溶液進行多點校準。實際測試時，選取1 號水質(zhì)監(jiān)測節(jié)點數(shù)據(jù)與哈希HQd 系列和DR900 水質(zhì)分析儀作24 h 采集數(shù)據(jù)對比，采集時間間隔30 min，數(shù)據(jù)對比結(jié)果表明本系統(tǒng)監(jiān)測數(shù)據(jù)與哈希水質(zhì)分析儀測試值差距不大，pH 值誤差在±0.3 范圍內(nèi)，溫度誤差為±0.4 ℃，溶解氧誤差為±0.3 mg /L，氨氮誤差為±0.04 mg/L，可以滿足珍珠蚌養(yǎng)殖對水質(zhì)監(jiān)測的使用要求（圖9）。

圖9 pH 值、水溫、溶解氧和氨氮對比測試圖 Fig.9 Comparison test results of pH, water temperature, dissolved oxygen and ammonia nitrogen

5 結(jié) 論

本研究針對淡水珍珠蚌“立體多層籠養(yǎng)—微藻供餌—循環(huán)水養(yǎng)殖”新型模式下的水質(zhì)監(jiān)控需求，采用無線組網(wǎng)方式搭建了1 套分布式監(jiān)控系統(tǒng)，實現(xiàn)了對水質(zhì)參數(shù)（水溫、pH、溶解氧、氨氮、鈣離子和藻密度）、氣象因素（溫度、濕度、風(fēng)向、風(fēng)速、氣壓和光照）的全天候監(jiān)測功能，對循環(huán)水處理設(shè)備的啟停控制以及藻類供餌自動控制功能。系統(tǒng)有助于連續(xù)跟蹤監(jiān)測珍珠蚌養(yǎng)殖水環(huán)境的理化因子、生物因子（微藻）和珍珠蚌生長與產(chǎn)珠質(zhì)量的相關(guān)性，并構(gòu)建了養(yǎng)殖水質(zhì)數(shù)據(jù)庫，可為科學(xué)飼養(yǎng)提供決策依據(jù)。整個系統(tǒng)的搭建契合實際生產(chǎn)使用需求，設(shè)備操作簡單易學(xué)，簡化了日常管理和維護工作。實際使用中系統(tǒng)可長時間穩(wěn)定工作，通信成功率98%以上，溶解氧測量誤差為±0.3 mg/L，溫度為±0.4 ℃，pH 值為±0.3，氨氮誤差為±0.04 mg/L，可以滿足淡水珍珠蚌養(yǎng)殖監(jiān)控需求。

本監(jiān)控系統(tǒng)可為淡水珍珠蚌新型養(yǎng)殖模式的應(yīng)用提供相關(guān)技術(shù)支持，有利于為淡水珍珠蚌養(yǎng)殖業(yè)轉(zhuǎn)型升級打開新局面，但在養(yǎng)殖設(shè)備、藻類供餌系統(tǒng)的控制方面仍有改進空間。下一步將在現(xiàn)有的基礎(chǔ)之上，結(jié)合淡水珍珠蚌的生長習(xí)性，對養(yǎng)殖池藻類濃度的控制方法采取如比例—積分—微分（Proportion Integration Differentiation，PID）控制、模糊控制策略等進一步研究，做到投喂更加精準化和智能化。