黃種明，許志龍，曹志翔，郭更生

(1.集美大學(xué)海洋裝備與機(jī)械工程學(xué)院，福建廈門 361021；2.集美大學(xué)理學(xué)院，福建廈門 361021)

0 引言

池塘循環(huán)流水養(yǎng)殖(internal-circulation pond aquaculture，IPA)模式將池塘分為流水養(yǎng)魚區(qū)和循環(huán)水凈化處理區(qū)，具有水資源利用效率高、節(jié)地高效、水質(zhì)好等優(yōu)點(diǎn)，契合水生態(tài)環(huán)境保護(hù)的要求，近年來得到普遍的應(yīng)用推廣[1-2]。池塘循環(huán)流水養(yǎng)殖的關(guān)鍵技術(shù)之一是控制系統(tǒng)，國內(nèi)外專家學(xué)者對養(yǎng)殖控制系統(tǒng)進(jìn)行了大量研究。為了實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控水產(chǎn)養(yǎng)殖的狀況，李慧等[3]開發(fā)了一種水產(chǎn)養(yǎng)殖遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)，該系統(tǒng)基于物聯(lián)網(wǎng)Android平臺(tái)實(shí)現(xiàn)了多傳感器數(shù)據(jù)的遠(yuǎn)程采集和存儲(chǔ)，用戶可用手機(jī)隨時(shí)在線查看和獲取養(yǎng)殖信息。顏波等[4]結(jié)合無線傳感網(wǎng)絡(luò)與RFID技術(shù)設(shè)計(jì)了一種自動(dòng)化養(yǎng)殖監(jiān)控系統(tǒng)并應(yīng)用于羅非魚養(yǎng)殖實(shí)踐中，試驗(yàn)結(jié)果表明該系統(tǒng)可自動(dòng)控制養(yǎng)殖裝備。張剛等[5]基于無線傳感網(wǎng)絡(luò)研發(fā)了一種應(yīng)用于淡水珍珠蚌養(yǎng)殖方面的分布式水質(zhì)監(jiān)控系統(tǒng)，有利于促進(jìn)淡水珍珠蚌養(yǎng)殖方式的轉(zhuǎn)變升級(jí)。Huan等[6]開發(fā)了一種基于窄帶物聯(lián)網(wǎng)(narrow band internet of things，NB-IoT)技術(shù)的水產(chǎn)養(yǎng)殖池塘水質(zhì)監(jiān)測系統(tǒng)，能夠遠(yuǎn)程采集和存儲(chǔ)多傳感器的數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)控制和集中管理養(yǎng)殖池。劉雨青等[7]設(shè)計(jì)了一種應(yīng)用于螃蟹養(yǎng)殖的全方位監(jiān)控系統(tǒng)，能夠?qū)崿F(xiàn)養(yǎng)殖過程中的水質(zhì)監(jiān)測、氣象監(jiān)測、視頻監(jiān)控等。Lorena等[8]基于無線傳感網(wǎng)絡(luò)并僅采用低成本的傳感器實(shí)現(xiàn)了養(yǎng)殖池內(nèi)水質(zhì)與魚類的監(jiān)測，同時(shí)可實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的遠(yuǎn)程傳輸及數(shù)據(jù)異常時(shí)的報(bào)警。Abinaya等[9]基于物聯(lián)網(wǎng)設(shè)計(jì)了一種監(jiān)控系統(tǒng)，該系統(tǒng)采用Aurdino處理器能夠自動(dòng)檢測水體溫度、pH值、溶解氧、氨氮等參數(shù)。以上研究對水產(chǎn)養(yǎng)殖裝備的發(fā)展均起到促進(jìn)作用，但這些養(yǎng)殖控制技術(shù)一般只用于檢測淡水養(yǎng)殖水質(zhì)指標(biāo)、控制循環(huán)水泵和增氧機(jī)等裝備，未對海水池塘循環(huán)水養(yǎng)殖控制方法進(jìn)行分析，未探討如何保證海水池塘循環(huán)水養(yǎng)殖的安全性。

針對海水腐蝕性強(qiáng)、污損生物繁殖快等特性，在控制設(shè)備的耐用性、信息采集的穩(wěn)定性等的要求比淡水更高，如何保證海水池塘循環(huán)水養(yǎng)殖的安全性是海水池塘循環(huán)水養(yǎng)殖控制系統(tǒng)研究的重點(diǎn)。本文擬開發(fā)由感知層、傳輸層和應(yīng)用層組成的立體智能控制系統(tǒng)，以實(shí)現(xiàn)對海水池塘循環(huán)水水質(zhì)自動(dòng)檢測和分析，以及智能控制循環(huán)曬網(wǎng)裝置、水射流裝置、清污裝置、投餌機(jī)等關(guān)鍵設(shè)備。

1 海水池塘循環(huán)水養(yǎng)殖模式

循環(huán)水養(yǎng)殖的海水池塘根據(jù)功能分為養(yǎng)殖區(qū)和生態(tài)凈化區(qū)，如圖1所示。其中，養(yǎng)殖區(qū)域在整個(gè)池塘占比較小，約3%～5%。

在養(yǎng)殖區(qū)內(nèi)建造循環(huán)水養(yǎng)殖網(wǎng)箱，對魚類進(jìn)行高密度集中養(yǎng)殖，以便統(tǒng)一管理。在生態(tài)凈化區(qū)通過放養(yǎng)貝類、濾食性魚類及種植水生植物等，對池塘水體進(jìn)行生態(tài)凈化，避免水質(zhì)惡化。

循環(huán)水養(yǎng)殖網(wǎng)箱內(nèi)主要設(shè)計(jì)有水射流器、清污裝置、循環(huán)曬網(wǎng)裝置、集污裝置、投餌機(jī)。水射流裝置采用推流爆氣方式，可以同時(shí)對養(yǎng)殖槽增氧和推流，防止出現(xiàn)缺氧死魚事故，同時(shí)使網(wǎng)箱與池塘內(nèi)的海水流動(dòng)互換，保證網(wǎng)箱內(nèi)的海水質(zhì)量。清污裝置采用旋轉(zhuǎn)毛刷設(shè)計(jì)，定期清理養(yǎng)殖槽內(nèi)剩余餌料和魚兒代謝產(chǎn)物。循環(huán)曬網(wǎng)裝置安裝在網(wǎng)箱端部，每天將攔網(wǎng)從水底轉(zhuǎn)動(dòng)到水面上曝曬，能夠防止藻類、貝類等海洋污損生物的生長堵塞攔魚網(wǎng)。集污裝置與養(yǎng)殖槽尾部相連，收集從養(yǎng)殖槽流出的剩余餌料和魚兒代謝產(chǎn)物，有效改善水質(zhì)。投餌機(jī)安裝在養(yǎng)殖槽頭部，根據(jù)養(yǎng)殖魚品類、大小和氣象等因素自動(dòng)投喂。在整個(gè)海水池塘循環(huán)水養(yǎng)殖生產(chǎn)過程中，采用基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的智能化監(jiān)控系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)養(yǎng)殖自動(dòng)化與信息化。

2 海水池塘循環(huán)水養(yǎng)殖控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 整體設(shè)計(jì)

海水池塘循環(huán)水養(yǎng)殖控制系統(tǒng)采用基于物聯(lián)網(wǎng)的三層立體架構(gòu)，包括感知層、傳輸層、應(yīng)用層。整個(gè)控制系統(tǒng)主要由水質(zhì)監(jiān)測、受控設(shè)備、攝像頭、單片機(jī)控制板、DTU、現(xiàn)場觸摸屏、服務(wù)器、監(jiān)視電腦、APP等組成，實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場與遠(yuǎn)程控制相結(jié)合，信息采集、傳輸、存儲(chǔ)、多元化報(bào)警為一體的全方位監(jiān)控，如圖2 所示。

1)感知層：包括水質(zhì)監(jiān)測節(jié)點(diǎn)、受控設(shè)備節(jié)點(diǎn)、攝像頭和數(shù)據(jù)傳輸線路。采用RS485的通信方式，執(zhí)行上級(jí)的控制指令，并實(shí)時(shí)上傳采集的信息。

2)傳輸層：包括服務(wù)器、DTU傳輸器、單片機(jī)控制板與通信網(wǎng)絡(luò)。單片機(jī)控制板除了傳遞應(yīng)用層下達(dá)的指令外，還將感知層的監(jiān)測信息與現(xiàn)場觸摸屏對接，并通過DTU傳輸器將信息傳輸?shù)椒?wù)器存儲(chǔ)與分析。

3)應(yīng)用層：具有實(shí)時(shí)顯示現(xiàn)場設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)及水質(zhì)監(jiān)測信息、手動(dòng)控制現(xiàn)場設(shè)備、報(bào)警等功能。監(jiān)控電腦與APP可通過Internet搭建網(wǎng)絡(luò)訪問服務(wù)器，實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場信息查詢與控制指令下發(fā)。

整個(gè)海水池塘循環(huán)水養(yǎng)殖控制系統(tǒng)的搭建分為三個(gè)部分：一是搭建硬件平臺(tái)與現(xiàn)場控制系統(tǒng)，包括硬件設(shè)備選型、連接，以及相關(guān)程序設(shè)計(jì)等；二是搭建數(shù)據(jù)傳輸鏈路，包括單片機(jī)控制板與觸摸屏、DTU的數(shù)據(jù)傳輸格式設(shè)計(jì)、編碼、解碼等；三是進(jìn)行服務(wù)器監(jiān)控系統(tǒng)和SQL Server數(shù)據(jù)庫的軟件設(shè)計(jì)、APP程序設(shè)計(jì)。

2.2 硬件設(shè)計(jì)

2.2.1 硬件選型

控制系統(tǒng)硬件設(shè)備主要包含服務(wù)器、DTU傳輸器、單片機(jī)控制板、觸摸屏、受控設(shè)備、水質(zhì)監(jiān)測設(shè)備等。本系統(tǒng)盡量選用通用型硬件器件，要求選用的器材耐用性好，價(jià)格合適并容易購買。

1)受控設(shè)備：根據(jù)養(yǎng)殖要求，現(xiàn)場受控設(shè)備包括用于養(yǎng)殖槽水循環(huán)的水射流器3臺(tái)，用于將水底漁網(wǎng)轉(zhuǎn)到水面曝曬的換網(wǎng)電機(jī)1臺(tái)，用于清理養(yǎng)殖槽底部殘物的清污電機(jī)1臺(tái)和用于投放飼料的投餌機(jī)1臺(tái)。本系統(tǒng)所選的設(shè)備都為AC 220 V供電，功率較低，其中水射流器功率為450 W，換網(wǎng)電機(jī)、清污電機(jī)和投餌機(jī)的功率皆為75 W。

2)水質(zhì)監(jiān)測設(shè)備：針對石斑魚對養(yǎng)殖水質(zhì)的要求，并結(jié)合實(shí)際養(yǎng)殖經(jīng)驗(yàn)，需要對水溫、pH值和溶解氧3個(gè)常規(guī)參數(shù)進(jìn)行監(jiān)測。本系統(tǒng)采用海水pH計(jì)和熒光法海水溶解氧探頭，兩個(gè)設(shè)備都包含智能溫度補(bǔ)償設(shè)計(jì)，精度為0.01。

3)單片機(jī)控制板：本系統(tǒng)采用自主研制的單片機(jī)控制板控制現(xiàn)場設(shè)備及實(shí)時(shí)信息采集，包含6路模擬量輸入、8路帶電流監(jiān)測的開關(guān)量輸出、8路開關(guān)量輸入和3路RS485通信。其中模擬量輸入中，3路用于水質(zhì)參數(shù)采集，3路備用；開關(guān)量輸出中，6路用于現(xiàn)場受控設(shè)備，2路備用；開關(guān)量輸入中，2路用于市電/柴油機(jī)發(fā)電采集，其余備用；RS485通信中，1路與觸摸屏通信，1路連接DTU傳輸器用于數(shù)據(jù)的傳輸，剩余1路備用。

4)DTU傳輸器：根據(jù)實(shí)際運(yùn)行場景，單片機(jī)控制板與服務(wù)器放置距離遠(yuǎn)，數(shù)據(jù)傳輸量小，故采用多功能全網(wǎng)通4G無線數(shù)據(jù)終端，其內(nèi)置低功耗高性能的嵌入式處理器；具備TVS保護(hù)管、復(fù)合式看門狗避免設(shè)備死機(jī)；同時(shí)支持TCP、UDP、DNS、PPP、HTTP和MQTT協(xié)議，可連接大部分物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)。

5)觸摸屏：本系統(tǒng)選用7英寸(17.78 cm)屏，能容納系統(tǒng)需要顯示的信息，且具有RS485和RS232通信端口，配合嵌入式軟件完成人機(jī)交互界面的開發(fā)。

6)服務(wù)器：負(fù)責(zé)將DTU傳輸器傳遞的信息進(jìn)行存儲(chǔ)與分析，并發(fā)出控制指令給單片機(jī)控制板以控制現(xiàn)場設(shè)備；當(dāng)發(fā)生故障時(shí)，將報(bào)警信息通過撥打電話、發(fā)送短信通知管理員。因此，必須保證服務(wù)器的長期穩(wěn)定工作。現(xiàn)有自建和租賃兩種服務(wù)器管理方式，由于自建服務(wù)器需解決電力、空調(diào)、消防、帶寬、24小時(shí)人員監(jiān)控等問題，投入太大，所以本研究采用租賃騰訊服務(wù)器的方式以降低采購及管理成本。

2.2.2 硬件連接

海水池塘循環(huán)水養(yǎng)殖現(xiàn)場控制系統(tǒng)可在本地對周邊水射流器、投餌機(jī)等進(jìn)行控制，并對養(yǎng)殖環(huán)境的水質(zhì)和設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)等信息進(jìn)行實(shí)時(shí)采集，保證系統(tǒng)能連續(xù)、安全可靠運(yùn)行。

硬件連接如圖3所示，整套系統(tǒng)以單片機(jī)控制板作為主控單元。電源切換裝置實(shí)時(shí)監(jiān)測市電狀態(tài)，當(dāng)市電斷電，自動(dòng)切換至自備的柴油機(jī)發(fā)電，實(shí)時(shí)供電給單片機(jī)控制板；同時(shí)單片機(jī)控制板的開關(guān)量輸入端口連接電源切換裝置，用于采集市電/柴油機(jī)發(fā)電信息。單片機(jī)控制板通過帶電流監(jiān)測的開關(guān)量輸出端口驅(qū)動(dòng)水射流器、換網(wǎng)電機(jī)、清污電機(jī)和投餌機(jī)等現(xiàn)場設(shè)備，并實(shí)時(shí)監(jiān)測其電流值，分析受控設(shè)備狀態(tài)。通過模擬量輸入端口連接的溶解氧探頭、pH計(jì)和溫度探頭，實(shí)時(shí)采集溶解氧含量、pH值和水溫等參數(shù)，結(jié)合受控設(shè)備狀態(tài)自動(dòng)調(diào)控現(xiàn)場設(shè)備。單片機(jī)控制板可通過RS485端口與觸摸屏、DTU傳輸器連接，實(shí)時(shí)顯示現(xiàn)場監(jiān)測信息并控制設(shè)備，發(fā)送實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)及報(bào)警信息到遠(yuǎn)程服務(wù)器上。

2.2.3 單片機(jī)控制板設(shè)計(jì)

為減少成本、節(jié)約空間、提高集成度，自主設(shè)計(jì)海水池塘循環(huán)水養(yǎng)殖單片機(jī)控制板。電路板采用STM32F103C8T6單片機(jī)，設(shè)計(jì)有電源模塊、通信模塊、DI輸入模塊、DO輸出模塊、AI輸入模塊等，其中AI輸入模塊包含電流監(jiān)測模塊和水質(zhì)參數(shù)采集。電源模塊通過TPS5430降壓轉(zhuǎn)換器將DC 24 V電源轉(zhuǎn)換成DC 5 V，然后用LM1117低壓線性穩(wěn)壓器轉(zhuǎn)換成單片機(jī)可用的DC 3.3 V。通信模塊利用MAX485ESA芯片將單片機(jī)收發(fā)器轉(zhuǎn)換成RS485，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的收發(fā)。DI輸入模塊設(shè)計(jì)有光電耦合器，實(shí)現(xiàn)市電和柴油機(jī)發(fā)電等信號(hào)采集，同時(shí)將一二級(jí)隔離，降低干擾，保證信號(hào)傳輸穩(wěn)定。DO輸出模塊根據(jù)控制指令，控制繼電器線圈合/斷實(shí)現(xiàn)受控設(shè)備的開關(guān)。AI輸入模塊分成電流監(jiān)測模塊和水質(zhì)參數(shù)采集模塊。電流監(jiān)測模塊將一次電流經(jīng)互感器變成二次電流信號(hào)后，經(jīng)整流橋、濾波電容和TLC2722運(yùn)算放大器等輸入給單片機(jī)，實(shí)現(xiàn)受控設(shè)備的交流電流采集；水質(zhì)參數(shù)采集模塊將水質(zhì)探頭輸出的0～20 mA標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)，經(jīng)濾波電容和運(yùn)算放大器輸入給單片機(jī)，實(shí)現(xiàn)水質(zhì)參數(shù)的采集。部分原理圖如圖4所示。

2.3 報(bào)警設(shè)計(jì)

海水池塘循環(huán)水養(yǎng)殖系統(tǒng)中設(shè)備的安全性能優(yōu)劣是系統(tǒng)能否正常運(yùn)行的關(guān)鍵因素。但是，由于設(shè)備復(fù)雜多樣，運(yùn)行要求不盡相同，需要在對設(shè)備運(yùn)行工況進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)科學(xué)、高效、準(zhǔn)確和穩(wěn)定的報(bào)警系統(tǒng)，以保證系統(tǒng)的安全運(yùn)行。本項(xiàng)目組從以下五方面進(jìn)行設(shè)計(jì)：

1)供電保障：市電和柴油機(jī)發(fā)電雙重保障，一旦市電斷電，立刻啟動(dòng)柴油機(jī)發(fā)電。

2)供氧保證：采用溶解氧傳感器檢測、水花圖像識(shí)別技術(shù)、水射流器流量檢測三大技術(shù)同時(shí)對供氧進(jìn)行監(jiān)控，防止高密度養(yǎng)殖發(fā)生缺氧死魚事故。

3)設(shè)備安全運(yùn)行保障：單片機(jī)控制板上針對設(shè)備堵轉(zhuǎn)、過載等設(shè)計(jì)了安全保護(hù)；采用圖像識(shí)別技術(shù)，對設(shè)備運(yùn)行實(shí)時(shí)分析；并有冗余設(shè)計(jì)，一旦設(shè)備故障可以快速切換到備用設(shè)備，特別是水射流器故障。

4)穩(wěn)定的數(shù)據(jù)傳輸保障：運(yùn)行數(shù)據(jù)通過GPRS無線網(wǎng)絡(luò)、Internet進(jìn)行傳輸。設(shè)計(jì)超時(shí)報(bào)警機(jī)制，防止數(shù)據(jù)漏傳；設(shè)計(jì)校驗(yàn)機(jī)制，防止數(shù)據(jù)誤傳。

5)多元化報(bào)警機(jī)制：設(shè)計(jì)現(xiàn)場和控制室聲光報(bào)警、遠(yuǎn)程電話和短信報(bào)警，實(shí)現(xiàn)多元化報(bào)警機(jī)制，確保故障發(fā)生時(shí)能夠及時(shí)通知到管理人員。

控制系統(tǒng)的具體報(bào)警類型在設(shè)計(jì)時(shí)共分為13種，如表1所示。當(dāng)發(fā)生故障報(bào)警時(shí)，觸摸屏及遠(yuǎn)程監(jiān)控電腦顯示報(bào)警內(nèi)容及報(bào)警原因，同時(shí)撥打電話及發(fā)送短信提醒，短信僅提示報(bào)警內(nèi)容。

表1 報(bào)警類型表Tab.1 Alarm type

2.4 軟件設(shè)計(jì)

2.4.1 觸摸屏人機(jī)交互界面設(shè)計(jì)

為使系統(tǒng)操作更加簡單便捷、安全可靠，現(xiàn)場控制采用觸摸屏人機(jī)交互，主要功能包括實(shí)時(shí)顯示現(xiàn)場設(shè)備狀態(tài)、水質(zhì)參數(shù)、報(bào)警狀態(tài)、設(shè)備控制及參數(shù)設(shè)置。在PC端觸摸屏人機(jī)監(jiān)護(hù)界面設(shè)計(jì)時(shí)，首先建立與單片機(jī)控制板的數(shù)據(jù)連接，在設(shè)備窗口中添加串口設(shè)備“Modbus RTU”，通信參數(shù)為波特率9600 B、8位數(shù)據(jù)位、1位校驗(yàn)位、偶校驗(yàn)；接著進(jìn)行各功能動(dòng)畫界面的設(shè)計(jì)，每個(gè)設(shè)備在觸摸屏界面上都有對應(yīng)的名稱標(biāo)簽，在標(biāo)簽旁添加數(shù)據(jù)顯示、按鈕和指示燈等元件；然后進(jìn)行數(shù)據(jù)通道設(shè)置，主要單片機(jī)控制板保持寄存器4x與變量數(shù)據(jù)的映射關(guān)系，單片機(jī)控制板保持寄存器地址分配如表2所示，開發(fā)的觸摸屏人機(jī)交互界面可實(shí)時(shí)顯示水射流器、換網(wǎng)電機(jī)、清污電機(jī)、投餌機(jī)等設(shè)備的實(shí)時(shí)運(yùn)行狀態(tài)，且直接顯示養(yǎng)殖槽內(nèi)溶解氧、pH值和水溫等參數(shù)的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)。運(yùn)行主界面如圖5所示。

表2 單片機(jī)控制板保持寄存器地址Tab.2 Holdregister addresses of the MCU control board

2.4.2 服務(wù)器管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)

為使管理人員能夠遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)掌握海水池塘循環(huán)水養(yǎng)殖系統(tǒng)的運(yùn)行情況，高效處理突發(fā)狀況，設(shè)計(jì)了服務(wù)器管理系統(tǒng)，即 “海水養(yǎng)殖智慧管理系統(tǒng)”(網(wǎng)頁版)。采用ASP.NET技術(shù)，以C語言編程，結(jié)合SQLsever2014數(shù)據(jù)庫進(jìn)行開發(fā)設(shè)計(jì)。在服務(wù)器端開發(fā)數(shù)據(jù)采集軟件，采用Modbus TCP通信協(xié)議，使單片機(jī)控制板采集的設(shè)備狀態(tài)和水質(zhì)參數(shù)等數(shù)據(jù)通過DTU傳輸器能實(shí)時(shí)發(fā)送到數(shù)據(jù)采集軟件。數(shù)據(jù)采集軟件能解析實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)并保存到數(shù)據(jù)庫中，再根據(jù)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析、判斷，對現(xiàn)場設(shè)備實(shí)現(xiàn)控制。如圖6所示，通過海水養(yǎng)殖智慧管理系統(tǒng)主控界面(實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)界面)，管理人員可了解到現(xiàn)場養(yǎng)殖系統(tǒng)的供電模式、運(yùn)行模式及相應(yīng)設(shè)備(如水射流器、投餌機(jī)、清污電機(jī)、換網(wǎng)電機(jī))的運(yùn)行狀態(tài)；同時(shí)，管理人員可直接在系統(tǒng)上遠(yuǎn)程控制相關(guān)設(shè)備的啟動(dòng)與關(guān)閉。海水養(yǎng)殖智慧管理系統(tǒng)管理人員的用戶權(quán)限分為兩種，分別是漁場管理人員和現(xiàn)場管理人員。漁場管理人員的權(quán)限高于現(xiàn)場管理人員，可對現(xiàn)場管理員和報(bào)警聯(lián)系人進(jìn)行查詢、添加和刪除。

3 海水池塘循環(huán)水養(yǎng)殖測試

3.1 樣機(jī)試制

在福建龍海市大徑養(yǎng)殖場面積為10畝(0.667 hm2)的海水池塘里安裝了一套海水池塘循環(huán)水養(yǎng)殖系統(tǒng)樣機(jī)，如圖7所示。一套養(yǎng)殖系統(tǒng)包括3條養(yǎng)殖槽(22 m×5 m×2 m)，每條養(yǎng)殖槽配備3臺(tái)水射流器、1套水質(zhì)監(jiān)測設(shè)備、1臺(tái)投餌機(jī)、1套清污裝置、1臺(tái)循環(huán)曬網(wǎng)裝置、1個(gè)集污裝置和1個(gè)控制柜；同時(shí)，在養(yǎng)殖系統(tǒng)四角位置分別安裝了一個(gè)監(jiān)控?cái)z像頭用于觀察養(yǎng)殖槽水面情況。

根據(jù)養(yǎng)殖魚類的習(xí)性，通過觸摸屏設(shè)置喂食、運(yùn)動(dòng)、休息、清污等的時(shí)間段。當(dāng)處于喂食和休息時(shí)間段，開啟2臺(tái)水射流器，關(guān)閉清污電機(jī)，在保證增氧量的同時(shí)又降低水流速度，防止魚餌流走影響喂食。當(dāng)處于運(yùn)動(dòng)和清污時(shí)間段，開啟3臺(tái)水射流器及清污電機(jī)，增加流水量，在迫使魚游動(dòng)的過程中，自動(dòng)清理底部的殘餌糞便以保證養(yǎng)殖槽內(nèi)水質(zhì)始終保持良好的狀態(tài)。循環(huán)曬網(wǎng)裝置設(shè)定每天定期運(yùn)行，以保證攔魚網(wǎng)不被海洋污損生物附著并堵塞網(wǎng)眼。同時(shí)控制系統(tǒng)可以根據(jù)攝像頭拍攝的水花情況及設(shè)備運(yùn)行情況，通過圖像識(shí)別技術(shù)判斷現(xiàn)場設(shè)備是否處于正常工作狀態(tài)?，F(xiàn)場的各種數(shù)據(jù)通過DTU傳輸模塊實(shí)時(shí)傳給服務(wù)器，一旦養(yǎng)殖過程中出現(xiàn)設(shè)備故障或水質(zhì)參數(shù)出現(xiàn)異常等情況，控制系統(tǒng)將直接報(bào)警并將故障信息以撥打電話、短信方式發(fā)送給報(bào)警聯(lián)系人，從而使管理員第一時(shí)間了解現(xiàn)場情況，及時(shí)解決問題，避免出現(xiàn)損失。

3.2 樣機(jī)測試

海水池塘循環(huán)水養(yǎng)殖控制系統(tǒng)的遠(yuǎn)程控制指令、數(shù)據(jù)采集及報(bào)警都采用DTU傳輸器進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，故DTU數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆€(wěn)定性直接影響整套系統(tǒng)的運(yùn)行。根據(jù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求，檢測、分析和響應(yīng)時(shí)間須低于5 min，樣機(jī)設(shè)置系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸時(shí)間間隔為36 s，測試主要從兩條數(shù)據(jù)傳輸通信的時(shí)間間隔Δt進(jìn)行分析，判斷其傳輸穩(wěn)定性及對養(yǎng)殖的影響。

為了驗(yàn)證通信數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆€(wěn)定性，選取了試驗(yàn)漁場在2021年5月15日0時(shí)0分至5月19日23時(shí)59分共5 d的通信數(shù)據(jù)傳輸?shù)臅r(shí)間間隔數(shù)據(jù)作為樣本，理論計(jì)算有12 000條數(shù)據(jù)，實(shí)際共接收11 778條數(shù)據(jù)，通信成功率98.15%，丟包率1.85%。通過圖8可以看到通信數(shù)據(jù)傳輸時(shí)間間隔Δt和對應(yīng)的數(shù)據(jù)量和比率。

Δt≤54 s時(shí)數(shù)據(jù)量有11 604條，占總數(shù)據(jù)量的98.52%；55 s≤Δt≤90 s時(shí)數(shù)據(jù)量有147條，占總數(shù)據(jù)量的1.25%；91 s≤Δt≤126 s時(shí)數(shù)據(jù)量有17條，占總數(shù)據(jù)量的0.14%；127 s≤Δt≤162 s時(shí)數(shù)據(jù)量有4條，占總數(shù)據(jù)量的0.03%；Δt≥163s時(shí)數(shù)據(jù)量有6條，占總數(shù)據(jù)量的0.05%。所有數(shù)據(jù)處理時(shí)間間隔都小于5 min，滿足養(yǎng)殖實(shí)際要求。2021年5月—2022年5月，海水池塘循環(huán)水養(yǎng)殖控制系統(tǒng)運(yùn)行了1年，養(yǎng)殖槽各項(xiàng)控制指標(biāo)均滿足海水高密度養(yǎng)殖的安全性要求。

4 結(jié)論

海水池塘循環(huán)水養(yǎng)殖控制系統(tǒng)由感知層、運(yùn)輸層、應(yīng)用層組成。通過感知層的各種水質(zhì)傳感器，可對養(yǎng)殖海水的溶解氧、水溫、pH值等水質(zhì)情況進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測；通過傳輸層實(shí)時(shí)傳輸監(jiān)測數(shù)據(jù)至服務(wù)器進(jìn)行存儲(chǔ)和分析計(jì)算，然后發(fā)送出控制信號(hào)，對水射流器、清污電機(jī)、換網(wǎng)電機(jī)、投餌機(jī)等海水池塘循環(huán)水養(yǎng)殖設(shè)備進(jìn)行智能調(diào)控；通過應(yīng)用層的現(xiàn)場觸摸屏、監(jiān)視電腦或移動(dòng)終端，可隨時(shí)查看現(xiàn)場養(yǎng)殖設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)和水質(zhì)參數(shù)等數(shù)據(jù)，并能對養(yǎng)殖設(shè)備進(jìn)行現(xiàn)場或遠(yuǎn)程控制。當(dāng)受控設(shè)備發(fā)生故障時(shí)，可通過電話、短信和現(xiàn)場報(bào)警等方式通知管理員。經(jīng)測試，該控制系統(tǒng)可在海水池塘循環(huán)水養(yǎng)殖場長時(shí)間穩(wěn)定工作，通信成功率達(dá)98.15%，其監(jiān)控響應(yīng)快且處理時(shí)間短，可確保魚類養(yǎng)殖安全。