魚塘含氧量自動檢測控制裝置研究

張 雪，梁振江，謝廷道，王曉寧

(中國計量學院計量測試工程學院，浙江杭州 310018)

魚塘含氧量自動檢測控制裝置研究

張 雪，梁振江，謝廷道，王曉寧

(中國計量學院計量測試工程學院，浙江杭州 310018)

傳統(tǒng)的養(yǎng)魚方法只注重向池塘大量投餌施肥，使池塘生態(tài)系常常處于“生態(tài)飽和”的狀態(tài)下，同時導致水體含氧量不足。為了提高魚類產(chǎn)品飼養(yǎng)的質(zhì)量和數(shù)量，提升水產(chǎn)養(yǎng)殖技術的自動化水平，減輕漁民的勞動強度，降低水產(chǎn)養(yǎng)殖的成本，研制了一種魚塘含氧量自動檢測控制裝置，實時監(jiān)測水中的含氧量，自動啟動水產(chǎn)增氧設備的運行，使魚塘中水的含氧量的上下限保持在設定范圍內(nèi)，有效提高了魚類的安全性，從而降低養(yǎng)殖成本。

魚塘；含氧量；自動檢測裝置

水體含氧量不僅是衡量水質(zhì)的重要指標，也是影響魚類生長的主要因素之一。當水體含氧量低于臨界氧濃度時，大多數(shù)魚類都會出現(xiàn)生長減慢現(xiàn)象。由于含氧量會隨著環(huán)境溫度、水體酸堿度和魚類活躍程度等因素而變化，因此對魚塘中含氧量進行自動檢測并進行實時增氧控制具有重要意義[1-2]。

在傳統(tǒng)魚類養(yǎng)殖過程中，通常通過觀察魚類是否有浮頭情況來判斷水中含氧量是否低于魚類生長需求，這種觀察的方法存在勞動強度大、實時性差、事后控制不及時等問題，一定程度上影響了魚類生長，增加了額外的養(yǎng)殖成本[3]。

目前市場上也有含氧量檢測儀器，但這種儀器通常采用人工采集水樣送回室內(nèi)檢測方案，難以實現(xiàn)魚塘中央水質(zhì)的檢測，并且也存在滯后性問題。筆者針對魚塘水質(zhì)中檢測與供氧不及時問題進行研究，并實現(xiàn)對魚塘水質(zhì)的實時多點檢測，當水體溶解氧含量低于設定值時，系統(tǒng)自動啟動增氧設備，給水體自動增氧，克服了傳統(tǒng)的方式中供氧遲滯現(xiàn)象，同時對該裝置的含氧量檢測精度及整體功能在魚塘中進行試驗。

1 系統(tǒng)總體方案設計

含氧量自動檢測裝置主要由傳感器檢測模塊、終端控制模塊、ZigBee無線通信模塊和增氧設備控制端子4部分組成。整個裝置功能的完成是利用溶解氧傳感器采集當前水體含氧量，經(jīng)數(shù)據(jù)處理后傳送給終端控制模塊進行判斷，在超出設定閾值時，通過無線通信協(xié)議發(fā)送到增氧設備控制端，控制增氧設備的開啟或關閉，從而調(diào)節(jié)魚塘中氧含量。系統(tǒng)整體框圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)整體框架

整個系統(tǒng)采用主從設計方式，主機和從機之間采用無線射頻的方式進行通信。從機建立無人監(jiān)測站以監(jiān)測和記錄沿線各點的水質(zhì)變化，實時測量魚塘中的溶解氧和溫度；主機將從機發(fā)送來的信號在液晶屏上顯示，同時主機上可以根據(jù)不同的季節(jié)和時段進行溶解氧上下限的設定，以便于啟停增氧設備；增氧設備的啟動命令由主機發(fā)出，由從機來執(zhí)行啟動控制信號，啟動增氧設備的系統(tǒng)也備有手動方式。

2 系統(tǒng)單元實現(xiàn)

該系統(tǒng)主要包括溶解氧傳感器、單片機終端控制模塊、ZigBee無線通信模塊、增氧設備控制模塊等單元。

2.1 溶解氧傳感器 該系統(tǒng)采用極譜型隔膜氧電極傳感器，由陰極和陽極構成，電極腔內(nèi)充有特制電解液，當2個電極上加有固定的極化電壓時，氧在陰極上發(fā)生氧化—還原反應產(chǎn)生擴散電流，電極電流可近似表示為[4-5]：

(1)

式中，n為電極反應時的電子傳遞數(shù)；F為法拉第常數(shù)；K為膜透氣率；S為電極工作有效面積；P為隔膜透過系數(shù)；C為水中氧濃度；D為隔膜厚度。

因陰極還原反應速度很快，氧在陰極附近幾乎不積累，在傳感器隔膜厚度和電極有效工作面積一定時，電極兩端的電流僅與被測溶液氧濃度及隔膜透氣率有關；當電極參數(shù)一定時，在一定溫度下穩(wěn)定后電極產(chǎn)生的電流與被測氧濃度呈線性關系，可用來指示氧濃度，但由于不同溫度下隔膜的氧穿透系數(shù)不同和氧在電解質(zhì)溶液中的擴散系數(shù)會變化，導致電極產(chǎn)生的電流信號隨溫度的改變而變化[6]，因此設計溫度補償電路[7](圖2)，以減小溫度的改變對檢測結果的影響。

圖2 信號轉(zhuǎn)換及溫度補償電路

U為高增益放大器，負極為虛地，即：

(2)

其中，RF=(Rf+Rb+Rt)，RF為電路負反饋總電阻；Rt為熱敏電阻和2電阻串并聯(lián)的等效電阻。

設電路流過的最大電流為Imax，即：

(3)

根據(jù)傳感器資料可知，采用的DOG-2000溶氧傳感器薄膜透氣性與溫度的變化系數(shù)大約為每度增加3%。因此，溫度補償電路應實現(xiàn)當溫度偏離額定溫度27 ℃時每增加1 ℃，RF應減小3%，可見熱敏電阻應選用負溫度系數(shù)。

2.2 單片機終端控制模塊 單片機終端控制模塊包括中央處理器、數(shù)據(jù)采集轉(zhuǎn)換部分和顯示部分。該裝置采用AT89C51單片機作為終端控制模塊，其內(nèi)部有4kB的E2PROM和128BRAM，存儲器資源滿足系統(tǒng)要求，因此不需要外擴存儲器。模數(shù)轉(zhuǎn)換部分采用TI公司的TLC1543，來完成氧含量和溫度傳感器信號的A/D轉(zhuǎn)換。它具有輸入通道多、性價比高、易于與單片機接口的特點，可廣泛用于各種數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。顯示部分由單片機控制LCD12864液晶顯示設定含氧量、當前含氧量和當前溫度值。

2.3ZigBee無線通信模塊 該裝置采用基于ZigBee無線通信模塊實現(xiàn)終端控制器與從機之間的無線通信。ZigBee傳輸模塊是將采集到的信息數(shù)據(jù)以無線方式發(fā)送出去，具有傳輸速率低、功耗低、成本低、網(wǎng)絡容量大、安全性好等特點，是自動化控制系統(tǒng)和工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中的首選網(wǎng)絡[8]。該裝置發(fā)送節(jié)點和接收節(jié)點統(tǒng)一采用UBEC公司推出的高度整合的SoC芯片UZ2400無線射頻芯片實現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸。

2.4 增氧設備控制模塊 由于增氧設備是大功率器件，工作電壓為220V，而單片機是一個弱電器件，驅(qū)動電流為毫安級，不能直接用單片機控制增氧設備，中間要加入繼電器模塊[9]。當繼電器閉合時，通過無線傳輸模塊控制增氧設備開始工作；反之，繼電器斷開，增氧設備停止工作。電路原理如圖3所示。

圖3 增氧設備的控制驅(qū)動電路

3 應用

3.1 系統(tǒng)檢測方案 以0.2 hm2大小魚塘為例，一般情況下面積0.33 hm2以下的魚塘可選用1臺功率1.5 kW的增氧設備。從圖4可以看出，中間為增氧設備，在魚塘中設置4個檢測點，接下來以單點檢測為例，說明該裝置的具體工作流程。

圖4 魚塘水面示意

該裝置采用上海博?？萍忌a(chǎn)的DOG-2000溶氧傳感器，其檢測范圍為0.02～20.00 mg/L，分辨率為0.01 mg/L，溶氧響應時間為30 s內(nèi)可達95%(25 ℃)。由于傳感器放置在魚塘中，考慮到供電方便和安全，采用蓄電池供電。

終端控制模塊控制傳感器每2 h工作1次，每次工作持續(xù)5 min，在工作時間內(nèi)傳感器每3 s采集1次數(shù)據(jù)。若連續(xù)15次檢測到氧含量低于閾值，則終端控制模塊向增氧設備端子發(fā)出信號，控制增氧設備開始工作供氧。在增氧設備開始工作2 h后若檢測到的氧含量大于閾值，則向增氧設備發(fā)出信號，停止工作。

3.2 系統(tǒng)測試 選用X88/AP-01測氧儀與該裝置對7種不同溶液進行含氧量測定對比試驗。由表1可知，與X88/AP-01測氧儀相比該裝置的相對誤差保持在±1.3%范圍內(nèi)，說明該裝置檢測的可信度高。

表1 不同儀器測定含氧量的比較

對該裝置在大小為0.2 hm2的魚塘進行系統(tǒng)測試，將溶解氧傳感器固定魚塘中，增氧設備固定在魚塘中央，主機放在控制室，通過試驗觀察系統(tǒng)是否能正常運行。經(jīng)過觀察可知，當傳感器檢測到的氧含量低于設定閾值時，主機控制增氧設備開始工作；經(jīng)過2 h傳感器再次檢測，此時魚塘氧含量大于設定閾值，主機控制增氧設備停止工作。同時檢驗增氧設備手動控制方式也能正常運行，認為該系統(tǒng)可正常運行。

4 小結

筆者介紹了1種魚塘含氧量自動檢測裝置，通過對養(yǎng)殖環(huán)境中溶解氧和溫度的檢測，根據(jù)水中氧含量的變化實現(xiàn)對水產(chǎn)增氧設備的實時控制，從而避免目前普通水產(chǎn)養(yǎng)殖場中增氧設備長時間連續(xù)工作，實現(xiàn)節(jié)約電能、降低成本、提高產(chǎn)量。此外，用戶可根據(jù)魚塘的實際情況靈活設置采樣點的個數(shù)，以獲得最大投資效益。經(jīng)過進一步的擴充，該系統(tǒng)可實現(xiàn)水質(zhì)中的酸堿度、氨氮、硫化氫等指標的檢測，同時完成實時控制其他漁業(yè)機械，從而對水質(zhì)進行有效監(jiān)控。

[1] 可敬，楊世鳳，侯海嶺．水產(chǎn)養(yǎng)殖環(huán)境無線監(jiān)控系統(tǒng)的研究[J]．天津科技大學學報，2007，22(4)：98-101.

[2] 王能貽．國內(nèi)外工業(yè)化養(yǎng)魚新技術[J]．漁業(yè)現(xiàn)代化，2006，1(9)：9-11.

[3] 陳郡，王濤.魚塘溶氧量自動監(jiān)控系統(tǒng)的設計[J].安徽農(nóng)業(yè)科學，2009，37(24)：11718-11721.

[4] 差全性.電極過程動力學導論[M].北京：科學出版社，2002.

[5] 在線分析儀表基礎教程[EB/OL].(2010-08-27)http：//www.docin.com/p-74494697.html.

[6] 劉慶，鄒應全，行鴻彥.基于MSP430單片機的溶解氧測量儀[J].儀表技術與傳感器，2009(9)：33-35.

[7] 舒迪，邱發(fā)強，祁欣.數(shù)字式微量溶解氧分析儀的研究[J].2010(11)：14-18.

[8] 閆敏杰，夏寧，侯春生，等.基于無線傳感器網(wǎng)絡的魚塘監(jiān)控系統(tǒng)[J].中國農(nóng)學通報，2010，26(16)：388-392.

[9] 周曉紅.池塘增氧機的作用、原理及使用方法[J].機械設備，2011(4)：268.

Research on an Automatically Detection and Control Device for Oxygen Content in Fish Pool

ZHANG Xue et al

(College of Metrology and Measurement Engineering, China Jiliang University, Hangzhou, Zhejiang 310018)

The traditional way of feeding fish is pouring a large amount of baits and fertilizer into fish pool to keep it “Ecological Saturated”. However, this way leads to shortage of oxygen in water. This paper introduces an automatically detection and control device for oxygen content in fish pool. The device was designed to improve the quality and quantity of fish, to increase the automation of aquaculture, to lighten the labor intensity of fishermen, and to reduce the cost of aquaculture. This device can detect the oxygen content in fish pool in time and control the aerator automatically. All these can keep the change of oxygen content in a setting range and thus increase the safety of aquatic product.

Fish pool; Oxygen content; Automatic detection device

國家級大學生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓練計劃項目(201210356002)。

張雪(1991- )，女，陜西西安人，本科生，專業(yè)：測控技術與儀器。

2014-04-28

S 932.9

A

0517-6611(2014)15-04656-02