張洲，薛小松，謝承輝，查吉，荊懷龍

（1.江蘇農(nóng)林職業(yè)技術學院，江蘇鎮(zhèn)江，212400；2.鎮(zhèn)江惠寧農(nóng)信息科技有限公司，江蘇鎮(zhèn)江， 212400）

0 引言

隨著經(jīng)濟社會的發(fā)展，人們生活水平的提高，對美好生活的需求日益增加。觀賞魚的飼養(yǎng)成了人們追求美好生活的選擇之一。根據(jù)調(diào)研，水族箱魚缸養(yǎng)殖是市場上追捧的熱點。目前市場主流的水族箱，已經(jīng)開始配備自動增氧機、自動過濾器、補光燈、自動投喂等設備。在一定程度上提升了水族箱的飼養(yǎng)功能，但都屬于開環(huán)控制，仍然存在無法滿足水質(zhì)實時監(jiān)測調(diào)控等關鍵問題。對市場要求的寵物飼養(yǎng)精細化、設備智能化、選擇多元化無法提供保障。

本文設計了一種基于Arduino主板的智能魚缸控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)具備測量魚缸外部環(huán)境，如大氣溫度、大氣壓力、大氣濕度的功能。對魚缸內(nèi)部養(yǎng)殖環(huán)境，可以實時監(jiān)測水質(zhì)，如水中氨氮含量、水溫、PH值、濁度、溶解氧等。系統(tǒng)還能將監(jiān)測到的數(shù)據(jù)上傳到云端，通過云平臺對數(shù)據(jù)進行存儲與分析，并對設定的閾值進行預警控制。云平臺通過遠程控制打開關閉控制設備的動作對水質(zhì)進行實時調(diào)整。

1 水質(zhì)監(jiān)測的重要性

養(yǎng)殖魚缸的水質(zhì)好差，直接關系觀賞魚類的生長發(fā)育、病害的發(fā)生，直接影響?zhàn)B殖體驗。調(diào)查發(fā)現(xiàn)，目前飼養(yǎng)主要通過觀察魚類生長狀態(tài)、活性，水的顏色光亮等經(jīng)驗判定水質(zhì)情況，并未重視養(yǎng)殖水的參數(shù)檢測。主要原因是針對觀賞魚缸專門設計的水質(zhì)監(jiān)測設備市場可選范圍較小，且費用昂貴等。但水質(zhì)檢測不精細導致的觀賞魚病害、死亡等事件時有發(fā)生，因此通過科學手段，實時掌握水質(zhì)參數(shù)并及時進行調(diào)整顯得尤為重要[1，2]。

比如在養(yǎng)殖不同品種的魚類時對水溫、水質(zhì)參數(shù)有不同的要求，根據(jù)飼養(yǎng)的不同魚類品種設置不同的生長水質(zhì)環(huán)境參數(shù)，控制水中不同的營養(yǎng)成分，不但可以及時改善水質(zhì)還能提高魚的生命力[3]。數(shù)據(jù)表明影響水質(zhì)參數(shù)幾個重要的指標分別是酸堿度（PH值），氨氮含量，溶解氧，濁度等。PH值過低說明養(yǎng)殖水的酸性增加，酸性水導致魚類血液PH值下降，而血液主要是體內(nèi)氧氣載體，魚類血液載氧量下降，直接導致魚類出現(xiàn)缺氧癥。此時則需要及時打開增氧機提高養(yǎng)殖水的含氧量。一般養(yǎng)殖時，要保證水中含氧量維持在3mg/L-5mg/L之間。而如果PH值過高，則說明揚之水堿性過強，會損壞魚類腮組織。在養(yǎng)殖水中，酸堿度還直接影響水中的浮游生物，浮游生物是養(yǎng)殖水中必不可少的，浮游生物負責吸收養(yǎng)殖水中的營養(yǎng)物質(zhì)，一旦受到破壞，則會影響水中營養(yǎng)物質(zhì)的有效循環(huán)，破壞水質(zhì)[4,5,6]。

氨氮的產(chǎn)生主要是魚類的排泄物和食物殘渣以及有機物的分解而成，如果不及時處理會導致氨氮超標，破壞水質(zhì)，導致魚類患病甚至死亡。一般處理方法是加快過濾，控制投餌量等。總體而言，水質(zhì)中的各項參數(shù)指標相互影響、相互制約。

本文基于此，選擇了幾項重要水質(zhì)參數(shù)選用對應的傳感器設備，設計了一款經(jīng)濟適用的智能魚缸控制系統(tǒng)，主要通過控制水循環(huán)過濾、控制投餌量、增氧、控制溫度等方式實現(xiàn)魚缸內(nèi)部水質(zhì)控制。

2 系統(tǒng)結(jié)構

本文設計的智能魚缸控制系統(tǒng)架構如圖1所示，使用Arduino UNO R3開發(fā)板作為主控單元。

圖1 智能魚缸系統(tǒng)結(jié)構圖

外圍硬件電路包括外部環(huán)境溫濕度傳感器，采用DHT11溫度濕度傳感器，大氣壓力監(jiān)測選用GHHB-485-PVC傳感器，內(nèi)部水溫使用PT100溫度傳感器。其余傳感設備包括有PH值傳感器（RMD-ISHP10），濁度傳感器（RMD-ISST10）,氨氮傳感器（ZZ-WQS-AN-U），溶解氧傳感器（RMD-ISDT10）[7,8,9]。

無線傳輸模塊選用4G模塊進行傳輸，控制單元主要通過繼電器對控制設備進行開關，實際使用過程中可根據(jù)現(xiàn)場情況對上述設備進行選用。

3 硬件模塊

為了方便使用與推廣，本文設計的智能魚缸監(jiān)控系統(tǒng)均采用插拔方式直接連接，所以硬件通訊涉及部分485轉(zhuǎn)串口設計以及多個A/D轉(zhuǎn)換模塊設計。如GHHB-485-PVC大氣壓力傳感器需要485轉(zhuǎn)串口進行通訊，需外接24V單獨供電電源。內(nèi)部水溫使用PT100傳感器（工作環(huán)境溫度：-20℃-80℃），無需單獨供電。PH值傳感器（RMD-ISHP10），濁度傳感器（RMD-ISST10）,氨氮傳感器（ ZZ-WQS-AN-U）均采用485轉(zhuǎn)串口設備進行數(shù)據(jù)通信，無需單獨供電。繼電器模塊則直接根據(jù)云平臺反饋的控制指令，由Arduino的數(shù)字輸出端口進行高低電平切換實現(xiàn)控制。

3.1 Arduino開發(fā)板

Arduino Uno是一款基于ATmega328P的微控制器板。它有14個數(shù)字輸入/輸出引腳(其中6個可用作PWM輸出)，6個模擬輸入，16MHz晶振時鐘，USB連接，電源插孔，ICSP接頭和復位按鈕。該魚缸自動檢測系統(tǒng)中，Arduino開發(fā)板可以對接收到的傳感器信息進行簡單處理和判斷，并通過無線模塊進行數(shù)據(jù)發(fā)送，也可以根據(jù)云平臺傳回的控制指令對終端的控制設備進行控制，控制設備主要包含電磁閥和增氧泵的開關。

3.2 水質(zhì)傳感器模塊

水質(zhì)傳感器模塊包含了水溫傳感器、PH值傳感器、溶解氧傳感器、氨氮傳感器、濁度傳感器等。分別對魚缸內(nèi)的水溫、PH值、氧氣含量、氨氮含量、渾濁度進行監(jiān)測，檢測到的數(shù)據(jù)傳送給Arduino進行后續(xù)處理。

PH值傳感器（RMD-ISHP10），支持485接線方式和4-20mA輸出，測量溫度范圍0-80℃，PH值測量范圍0-14，誤差范圍±0.01。由于PH值受溫度影響較大，通常需要進行溫度補償，此款傳感器自帶溫度補償。投入式溶解氧傳感器（RMDISDT10）,輸出信號485、20mA，自動溫度補償，測量溫度范圍0-60℃，直出信號線。濁度傳感器（RMD-ISST10），測量范圍0-4000NTU，測量精度±1.0%FS,RS-485輸出。氨氮傳感器（ZZ-WQS-AN-U），主要檢測水中銨離子含量，自帶溫度補償模塊，支持RS-485輸出，工作溫度0-40℃。以上傳感器均采用投入式測量方式，采用485轉(zhuǎn)串口的接線方式完成通信。

3.3 大氣環(huán)境傳感器模塊

魚缸外部的大氣環(huán)境是影響水質(zhì)的重要因素，因此對大氣環(huán)境的監(jiān)測尤為重要。如魚缸外部的大氣壓會影響?zhàn)B殖水的含氧量，外部空氣溫度會影響?zhàn)B殖水溫度。外部環(huán)境可作為調(diào)節(jié)養(yǎng)殖水質(zhì)參數(shù)的重要參考。

在設置傳感器初始配置數(shù)據(jù)時，將傳感器通過USB轉(zhuǎn)485進行連接，并連接電腦，上電后，可以在電腦設備管理器中中看到一個COM口端口號如（COM 10）。然后在傳感器監(jiān)控軟件中填入這個串口號（COM 10）。軟件顯示連接成功后，單擊自動獲取當前波特率和地址即可自動探測到當前485總線上的所有設備和波特率。需要注意，使用軟件自動獲取時需要保證485總線上只有一個傳感器。

然后單擊連接設備，即可實時獲取總線上連接的傳感器數(shù)據(jù)信息。接著在傳感器類型處選擇對應傳感器，如這里的大力壓力傳感器、溫度傳感器，模擬量變送器選擇“模擬量變送模塊”，大氣壓傳感器選擇“大氣壓力傳感器”，光照度傳感器選擇“光照20W”，氧氣傳感器選擇“氧氣變送器”，其他的傳感器均選擇默認的“無其他傳感器”。

在斷開設備的情況下點擊通信設置中的設備波特率和設置地址即可完成相關的設置，設置完成后需要重啟設備。最后點擊“自動獲取當前的波特率和地址”可以發(fā)現(xiàn)地址和波特率已經(jīng)改成需要的地址和波特率。本文所選用的其他傳感器設備參數(shù)設置與此類似。

3.4 執(zhí)行器模塊

執(zhí)行器主要通過繼電器模塊實現(xiàn)控制，本系統(tǒng)使用世訊繼電器，該繼電器抗干擾能力強，信號穩(wěn)定，可同時支持交流和直流信號，能實現(xiàn)對家用220V電壓的控制?？赏ㄟ^遠程控制繼電器的開關，實現(xiàn)自動投食器、補光燈、增氧泵的開關，從而調(diào)節(jié)水質(zhì)。

當養(yǎng)殖水體內(nèi)的氨氮含量超標時，控制投食頻次與單次投食量，同時打開增氧泵開關調(diào)節(jié)水質(zhì)。打開補光燈可以促進魚缸中水草和藻類的光合作用，從而釋放一定的氧氣，對魚兒的生長很有利。不過這種情況下，光照時間不能太長，以免水草、藻類瘋長。

4 系統(tǒng)軟件設計

系統(tǒng)開始運行后，首先對各個模塊進行初始化，系統(tǒng)設置每隔60S傳感器檢測一次數(shù)據(jù)，并進行處理，通過無線模塊反饋到云平臺進行存儲于分析。

如圖2所示，為智能魚缸遠程控制結(jié)構圖，當平臺監(jiān)測數(shù)據(jù)顯示水質(zhì)超標時，平臺會自動發(fā)送控制指令請求，通過無線方式將控制指令傳送給智能魚缸端的控制主板?？刂浦靼咫娐钒l(fā)送指令通過高低點平方式控制繼電器模塊，利用繼電器控制水質(zhì)調(diào)節(jié)設備，如增氧泵、加熱器、循環(huán)濾水泵、投料機等?；谠破脚_實現(xiàn)數(shù)據(jù)的遠程存儲與分析，構建了一款能實現(xiàn)遠程智能控制水質(zhì)的智能魚缸系統(tǒng)。該系統(tǒng)可通過傳感器獲得水質(zhì)的實時數(shù)據(jù)并遠程反饋給用戶與云平臺。當水質(zhì)不符合設定值是，通過預警控制系統(tǒng)，遠程控制電磁閥開關，控制增氧泵、補光燈等設備，實現(xiàn)精確調(diào)節(jié)。此外本系統(tǒng)在設置硬件是還考慮了根據(jù)現(xiàn)實情況使用需要，對硬件進行了熱插拔式設計，用戶可以根據(jù)實際使用需要進行自主選擇。

圖2 智能魚缸遠程控制結(jié)構圖

5 結(jié)束語

本文針對觀賞魚魚缸養(yǎng)殖水質(zhì)監(jiān)測困難的問題，設計了一款遠程自動控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)能監(jiān)測魚缸外的大氣溫度和壓力參數(shù)，為缸內(nèi)水質(zhì)調(diào)控提供參照。能實時監(jiān)測魚缸內(nèi)部養(yǎng)殖水的溫度、PH值、氨氮含量、溶解氧、濁度等參數(shù)。并通過遠程傳送到云平臺，在云平臺上實現(xiàn)數(shù)據(jù)記錄與觀察，當水質(zhì)出現(xiàn)問題時通過遠程控制增氧泵、投食器、補光燈等調(diào)節(jié)水質(zhì)。使用熱插拔的方式連接設備，降低了用戶使用操作難度，可維護性強，使用方便。該款能自動監(jiān)測該款智能魚缸系統(tǒng)功能全面、操作簡單、搭建方便、成本低廉、適用范圍廣，具有廣闊的市場價值。