工廠化水產(chǎn)養(yǎng)殖水質(zhì)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

肖瑞超，位耀光，他旭翔，張龍

（中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)，北京市農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)工程技術(shù)研究中心，北京 100083）

工廠化水產(chǎn)養(yǎng)殖水質(zhì)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

肖瑞超，位耀光，他旭翔，張龍

（中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)，北京市農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)工程技術(shù)研究中心，北京 100083）

工廠化水產(chǎn)養(yǎng)殖的密度高、風(fēng)險(xiǎn)大，養(yǎng)殖對(duì)象對(duì)pH、溶解氧、溫度、氨氮、亞硝酸鹽等水質(zhì)參數(shù)的變化敏感，受影響嚴(yán)重，監(jiān)測(cè)水質(zhì)參數(shù)極為重要。本文針對(duì)工廠化水產(chǎn)養(yǎng)殖水質(zhì)監(jiān)測(cè)特點(diǎn)和需求，研發(fā)了工廠化水產(chǎn)養(yǎng)殖水質(zhì)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。分析研究pH、溶解氧、溫度、亞硝酸鹽等水質(zhì)參數(shù)的閾值，設(shè)計(jì)水質(zhì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)無線采集節(jié)點(diǎn)和基于Zigbee的無線監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)，建立水質(zhì)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)軟件平臺(tái)。結(jié)果表明，該系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)工廠化水產(chǎn)養(yǎng)殖水質(zhì)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，保證生產(chǎn)安全，提高水產(chǎn)養(yǎng)殖生產(chǎn)效率。

工廠化水產(chǎn)養(yǎng)殖；水質(zhì)監(jiān)測(cè)；無線傳感網(wǎng)絡(luò)

“養(yǎng)魚先養(yǎng)水”，養(yǎng)殖水體是養(yǎng)殖魚類賴以生存的生活環(huán)境，直接關(guān)系到魚類的生長(zhǎng)和發(fā)育，也決定著養(yǎng)殖生產(chǎn)的效率和產(chǎn)品安全。近年來，隨著水產(chǎn)養(yǎng)殖規(guī)模的擴(kuò)大和集約化程度的不斷提高，養(yǎng)殖密度不斷增加，養(yǎng)殖水域環(huán)境不斷惡化，病害發(fā)生率越來越高，引發(fā)水產(chǎn)品質(zhì)量安全問題。因此，構(gòu)建水產(chǎn)養(yǎng)殖水質(zhì)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，及時(shí)掌握養(yǎng)殖魚類的生存環(huán)境，采取有效調(diào)控養(yǎng)殖水質(zhì)，對(duì)于保障養(yǎng)殖生產(chǎn)安全、高效和產(chǎn)品質(zhì)量安全具有重要意義[1]。

水質(zhì)參數(shù)監(jiān)測(cè)是工廠化水產(chǎn)養(yǎng)殖的重要組成部分，是工廠化養(yǎng)殖向自動(dòng)化、大規(guī)模、高密度和高質(zhì)量發(fā)展的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。工廠化水產(chǎn)養(yǎng)殖采用行高密度循環(huán)水魚類養(yǎng)殖的生產(chǎn)方式，高密度、高投入、高產(chǎn)出。工廠化水產(chǎn)養(yǎng)殖集現(xiàn)代工業(yè)工程技術(shù)、水處理技術(shù)、生物技術(shù)于一體，是水產(chǎn)養(yǎng)殖業(yè)的發(fā)展方向[2]。

歐美等發(fā)達(dá)國(guó)家工廠化水產(chǎn)養(yǎng)殖起步較早，已基本進(jìn)入全封閉循環(huán)，“零”排放的標(biāo)準(zhǔn)階段，水循環(huán)利用率達(dá)90%以上，年單產(chǎn)最高達(dá)200～500kg/m3，現(xiàn)在已是產(chǎn)品化的水產(chǎn)養(yǎng)殖監(jiān)控系統(tǒng)，但是成本比較高，推廣較難。我國(guó)的工廠化水產(chǎn)養(yǎng)殖技術(shù)雖然起步較晚，但是作為未來水產(chǎn)養(yǎng)殖業(yè)的發(fā)展趨勢(shì)，近年來發(fā)展迅速。與發(fā)達(dá)國(guó)家技術(shù)密集型的封閉式循環(huán)水養(yǎng)魚相比，我國(guó)的工廠化水產(chǎn)養(yǎng)殖方式還處于初級(jí)階段，絕大部分工廠化水產(chǎn)養(yǎng)殖場(chǎng)的設(shè)備簡(jiǎn)陋，技術(shù)含量低，病害發(fā)生呈蔓延趨勢(shì)[3]。

為滿足工廠化水產(chǎn)養(yǎng)殖中水質(zhì)參數(shù)監(jiān)測(cè)的需要，本研究采用無線數(shù)據(jù)采集節(jié)點(diǎn)和基于Zigbee的無線監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)等，提出并且開發(fā)了工廠化水產(chǎn)養(yǎng)殖水質(zhì)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，可以實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)和遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和調(diào)控水質(zhì)參數(shù)，滿足了日常養(yǎng)殖活動(dòng)的智能化需求管理，以及在水體循環(huán)系統(tǒng)中，對(duì)水質(zhì)參數(shù)的監(jiān)測(cè)，并且引入無線傳感網(wǎng)絡(luò)方便現(xiàn)場(chǎng)養(yǎng)殖員的管理，提高養(yǎng)殖自動(dòng)化、信息化水平，使工廠化水產(chǎn)養(yǎng)殖符合“資源節(jié)約、環(huán)境友好型”的可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略[4,5]。

1 工廠化水產(chǎn)養(yǎng)殖的水質(zhì)要求

在工廠化水產(chǎn)養(yǎng)殖過程中，影響魚類生長(zhǎng)的主要水質(zhì)參數(shù)有pH、溶解氧、溫度、氨氮、亞硝酸鹽等。根據(jù)頒布的GBll601.89規(guī)定，淡水魚類水體的pH應(yīng)在6.5～8.5之間。氨氮是水產(chǎn)養(yǎng)殖中蛋白質(zhì)消化的副產(chǎn)物，每100kg的飼料可以產(chǎn)生2.2kg左右的氨氮，而非離子態(tài)氨氮對(duì)魚類毒性極大。當(dāng)pH=7時(shí)，絕大部分的總氨氮處以離子狀態(tài)；當(dāng)pH＜7時(shí)，硝化菌的活性降低；當(dāng)pH＜6時(shí)，硝化菌將不再轉(zhuǎn)化氨氮，為保證氨氮轉(zhuǎn)化效率，水體pH應(yīng)保持在7以上。魚類生理活動(dòng)和硝化反應(yīng)都是產(chǎn)酸耗堿的過程，水體pH呈降低趨勢(shì)，所以要監(jiān)測(cè)和控制水體pH，確保水體pH能滿足以魚生長(zhǎng)的酸堿環(huán)境[6,7]。

溶解氧是魚類賴以生存和生長(zhǎng)的生命要素，魚蝦蟹類養(yǎng)殖水域溶解氧應(yīng)保持在5～8mg/L，至少要保持在4mg/L以上，冷水性魚類一般要求高于5mg/L或是在水體飽和溶解氧的60%以上[8,9]。在工廠化水產(chǎn)養(yǎng)殖過程中，魚類的生理活動(dòng)需要氧，溶解氧不斷被消耗[10]。石斑魚在適當(dāng)?shù)母哐跸?，食欲旺盛，消化酶功能?qiáng)，生長(zhǎng)快。持續(xù)不斷地為魚類提供充足的溶解氧是工廠化水產(chǎn)養(yǎng)殖水質(zhì)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)正常運(yùn)行的必要條件。

水溫上升，不同魚類的的代謝有所加強(qiáng)。如果溫度過高則會(huì)抑制魚類的正常生活，甚至死亡；如果溫度急劇下降，魚類就會(huì)陷入休眠，降到冰點(diǎn)以下，魚類會(huì)因體液凍結(jié)而死[11]。所以，溫度對(duì)魚類的生長(zhǎng)環(huán)境至關(guān)重要，控制溫度是生產(chǎn)安全的重要方面。

亞硝酸鹽含量是引發(fā)魚病的關(guān)鍵因素。亞硝酸鹽是氨轉(zhuǎn)化為硝酸鹽的中間產(chǎn)物，氨轉(zhuǎn)化為硝酸鹽到阻，水體中就會(huì)積累中間產(chǎn)物—亞硝酸鹽。養(yǎng)殖水域中的亞硝酸鹽可使魚的血液中的亞鐵血紅蛋白被氧化成為高鐵血紅蛋白，抑制血液的載氧能力。魚長(zhǎng)期處于高濃度的亞硝酸鹽水中，就會(huì)發(fā)生黃血病，一般水中的亞硝酸鹽應(yīng)該控制在0.1mg/L以下[8,9]。

2 硬件總體設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)考慮到養(yǎng)殖現(xiàn)場(chǎng)的面積及網(wǎng)絡(luò)覆蓋情況，采用現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控與遠(yuǎn)程監(jiān)控同步工作的模式，主要包括以下四個(gè)部分：

（1）無線數(shù)據(jù)采集節(jié)點(diǎn)：數(shù)據(jù)采集節(jié)點(diǎn)安裝在養(yǎng)殖現(xiàn)場(chǎng)的水面上，與水質(zhì)傳感器直接相連，傳感器采集的水質(zhì)信息通過傳感器信號(hào)線傳送到采集節(jié)點(diǎn)進(jìn)行存儲(chǔ)和發(fā)送；采集節(jié)點(diǎn)為傳感器提供能量，控制傳感器；采集節(jié)點(diǎn)可實(shí)現(xiàn)多傳感器實(shí)時(shí)在線多參數(shù)同時(shí)監(jiān)測(cè)和存儲(chǔ)。

（2）無線匯聚節(jié)點(diǎn)：無線匯聚節(jié)點(diǎn)是WSN內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)與管理節(jié)點(diǎn)的接口。它連接傳感器網(wǎng)絡(luò)與Internet等外部網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)協(xié)議棧之間的通信協(xié)議的轉(zhuǎn)換，還可以發(fā)布管理節(jié)點(diǎn)的監(jiān)測(cè)任務(wù)，把收集的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)到外部網(wǎng)絡(luò)上[12,13]。

（3）數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡(luò)：現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)近距離傳輸和遠(yuǎn)程傳輸。本系統(tǒng)的無線傳感網(wǎng)絡(luò)可實(shí)現(xiàn)2.4GHz短距離通訊和GPRS/CDMA無線通信，采用智能信息采集與控制技術(shù)，具有自動(dòng)網(wǎng)絡(luò)路由選擇、自診斷和智能能量管理等功能。

（4）現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控系統(tǒng)和遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)：感知與控制設(shè)備無線傳感網(wǎng)絡(luò)和具有GPRS/GSM通信功能的中心服務(wù)器與遠(yuǎn)程監(jiān)控中心能夠?qū)崿F(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)以及遠(yuǎn)程的數(shù)據(jù)獲取、系統(tǒng)的組態(tài)信息、系統(tǒng)控制和系統(tǒng)預(yù)警等功能。

系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)組成見圖1。

2.1 無線數(shù)據(jù)采集節(jié)點(diǎn)

無線采集節(jié)點(diǎn)直接連接著水質(zhì)參數(shù)傳感器，主要包括安裝在養(yǎng)殖水域中的pH傳感器、溶解氧傳感器、溫度傳感器以及電導(dǎo)率傳感器等；水質(zhì)參數(shù)傳感器主要選用美國(guó)In-Situ公司的Aqua TROLL°400傳感器，其性能參數(shù)見表1。

圖1 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 A diagram of the system hardware structure

圖2 數(shù)據(jù)采集節(jié)點(diǎn)Fig.2 Data collection node

表1 水質(zhì)參數(shù)傳感器性能參數(shù)Tab.1 The performance of a water quality sensor

無線采集節(jié)點(diǎn)主要包括傳感器接口、供電模塊和主電路模塊等，檢測(cè)到溶解氧、水溫、pH以及電導(dǎo)率等數(shù)值后，對(duì)其進(jìn)行初步的數(shù)據(jù)處理并發(fā)送給無線路由節(jié)點(diǎn)。無線采集節(jié)點(diǎn)包括MCU處理器模塊、供電模塊、電源管理模塊、傳感器接口、Zigbee無線網(wǎng)絡(luò)模塊和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊。其中傳感器信號(hào)與采集節(jié)點(diǎn)的通信采用RS485串口通信；采集節(jié)點(diǎn)需要持續(xù)長(zhǎng)期工作，供電模塊采用太陽(yáng)能電池為傳感器供電。主電路主要由微處理器、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊、無線通信模塊、傳感器以及電源管理模塊等組成，具有處理、存儲(chǔ)和發(fā)送溶解氧傳感器檢測(cè)數(shù)據(jù)的功能，其中主電路模板使用低功耗芯片MSP430 MCU作為微處理器，主要用來控制各模塊的供電、控制傳感器工作，進(jìn)行數(shù)據(jù)的初步處理。無線數(shù)據(jù)采集節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)見圖2。

2.2 無線匯聚節(jié)點(diǎn)

無線匯聚節(jié)點(diǎn)不僅可以連接傳感器網(wǎng)絡(luò)與Internet等外部網(wǎng)絡(luò)，還能實(shí)現(xiàn)協(xié)議棧之間的通信協(xié)議轉(zhuǎn)換，可以同時(shí)發(fā)布管理節(jié)點(diǎn)的監(jiān)測(cè)任務(wù)，并把收集的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)到外部網(wǎng)絡(luò)上，具有較強(qiáng)的通訊能力，擁有統(tǒng)一完整的外部接口[11,12]。水產(chǎn)養(yǎng)殖無線匯聚節(jié)點(diǎn)裝置將部署在水產(chǎn)養(yǎng)殖區(qū)域內(nèi)的每個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)所采集到的數(shù)據(jù)通過短距離的ZigBee無線通信協(xié)議，將得到的參數(shù)傳到匯聚節(jié)點(diǎn)；在匯聚節(jié)點(diǎn)處進(jìn)行信息融合處理，先進(jìn)行信息融合預(yù)處理，進(jìn)行數(shù)據(jù)清理、數(shù)據(jù)變換，進(jìn)而運(yùn)用基于RBF的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法和模糊計(jì)算技術(shù)，將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成一個(gè)簡(jiǎn)單的表示當(dāng)前水質(zhì)狀態(tài)的參數(shù)。同時(shí)匯聚節(jié)點(diǎn)將有兩種方式：有線和無線來連接監(jiān)控中心，近距離的直接通過485接口連接監(jiān)控中心，遠(yuǎn)距離的通過GPRS將表示水質(zhì)狀況的參數(shù)傳輸?shù)奖O(jiān)控中心，監(jiān)控中心實(shí)時(shí)向養(yǎng)殖場(chǎng)內(nèi)的各個(gè)控制節(jié)點(diǎn)發(fā)出控制指令，實(shí)現(xiàn)水產(chǎn)養(yǎng)殖水質(zhì)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)控制。

無線匯聚節(jié)點(diǎn)采用三星公司的S3C2410芯片作為匯聚節(jié)點(diǎn)的中央處理器。該芯片內(nèi)部集成了基于ARM公司的ARM920T核心處理器核的32位微控制器。該處理器擁有16KB指令Cache和16KB數(shù)據(jù)Cache、LCD控制器、NAND Flash控制器、1個(gè)多主I2C總線、1個(gè)I2S總線控制器、4個(gè)PWM定時(shí)器和1個(gè)內(nèi)部定時(shí)器、觸摸屏接口和2個(gè)USB接口控制器、4個(gè) DMA通道、3路UART、2路SPI和并行I/O口，主頻最高可達(dá)203MHz，利用微處理器豐富的外設(shè)及接口，使得它在低成本、低功耗的條件下能夠完成一些功能豐富的應(yīng)用。SPI串口接口實(shí)現(xiàn)S3C2410與XBEE芯片的連接，實(shí)現(xiàn)嵌入式平臺(tái)與傳感器節(jié)點(diǎn)基于ZigBee網(wǎng)絡(luò)的傳感數(shù)據(jù)的傳輸；2路 UART串口則分別與 MC35I芯片及MAXl490芯片連接，實(shí)現(xiàn)匯聚節(jié)點(diǎn)與監(jiān)控中心有線連接或是基于GPRS網(wǎng)絡(luò)的融合數(shù)據(jù)及控制指令的傳輸和相關(guān)數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)等功能（圖3）。

根據(jù)水產(chǎn)養(yǎng)殖的需求，無線匯聚節(jié)點(diǎn)采用基于ZigBee協(xié)議的無線傳感網(wǎng)絡(luò)構(gòu)架。采用樹型網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，該網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)包括一個(gè)無線匯聚節(jié)點(diǎn)（主設(shè)備）、多個(gè)無線傳感器節(jié)點(diǎn)以及無線控制節(jié)點(diǎn)（從設(shè)備）以及中繼節(jié)點(diǎn)構(gòu)成一個(gè)簇，多個(gè)簇構(gòu)成一個(gè)網(wǎng)絡(luò)。

3 軟件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

水質(zhì)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)軟件平臺(tái)可以實(shí)時(shí)監(jiān)控水質(zhì)參數(shù)，實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)及遠(yuǎn)程的數(shù)據(jù)獲取、系統(tǒng)組態(tài)、系統(tǒng)預(yù)警以及報(bào)警等，可以匯總實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，進(jìn)行曲線分析。該軟件系統(tǒng)還包括設(shè)備屬性設(shè)置、監(jiān)測(cè)設(shè)備工程設(shè)置和設(shè)備數(shù)據(jù)的查詢及管理等功能，不僅可以對(duì)水質(zhì)監(jiān)測(cè)和調(diào)控，還可以設(shè)置無線采集節(jié)點(diǎn)、無線匯聚節(jié)點(diǎn)、水質(zhì)傳感器、增氧機(jī)等設(shè)備的屬性，對(duì)設(shè)備狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)測(cè)，以便于設(shè)備在正常狀態(tài)下運(yùn)行，避免出現(xiàn)未知的設(shè)備故障帶來不必要的麻煩。

圖3 匯聚節(jié)點(diǎn)硬件結(jié)構(gòu)圖Fig.3 The hardware structure diagram of aggregate node

圖4 軟件系統(tǒng)功能設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)圖Fig.4 Software system functional design

軟件系統(tǒng)功能結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)見圖4。

本軟件系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)的主要功能如下：

（1）工程設(shè)計(jì)功能

該功能主要涉及工廠化養(yǎng)殖無線采集節(jié)點(diǎn)、無線匯聚節(jié)點(diǎn)、水質(zhì)傳感器、增氧機(jī)等現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備圖形化部署及配置的功能，用戶可將當(dāng)前的設(shè)備圖形化部署在工程里，采用無線傳感網(wǎng)絡(luò)方便用戶對(duì)工程的管理，并可以重復(fù)設(shè)計(jì)幾個(gè)工程，每個(gè)工程都可復(fù)用，方便快捷，用戶操作交互性高。監(jiān)控中心界面對(duì)用戶十分友好，用戶可全面掌控工程設(shè)備狀態(tài)。拖動(dòng)圖形控件部署養(yǎng)殖池、接入點(diǎn)、路由點(diǎn)、采集點(diǎn)、傳感器以及控制閥等設(shè)備；對(duì)部署好的圖形設(shè)備進(jìn)行配置，以與實(shí)際物理設(shè)備關(guān)聯(lián)；部署好的設(shè)備允許用戶拖拽移動(dòng)，雙擊配置屬性，添加關(guān)聯(lián)。

（2）工程配置功能

該功能主要涉及水質(zhì)傳感器、采集節(jié)點(diǎn)、路由節(jié)點(diǎn)以及增氧機(jī)等設(shè)備的信息屬性設(shè)置，包括物理設(shè)備的地址、類型，設(shè)備通道的地址，類型等，主要包括設(shè)備屬性配置、設(shè)備通道屬性配置、設(shè)備系統(tǒng)參數(shù)配置（包括讀取當(dāng)前配置和重新設(shè)置設(shè)備參數(shù)）、設(shè)備休眠狀況配置（包括讀取當(dāng)前配置和重新設(shè)置設(shè)備參數(shù)）。

（3）數(shù)據(jù)查詢保存功能

該功能主要涉及對(duì)設(shè)備環(huán)境配置數(shù)據(jù)的查詢和保存，水質(zhì)環(huán)境傳感器數(shù)據(jù)的查詢和保存，主要包括設(shè)備基本屬性的查詢和保存、設(shè)備通道屬性的查詢和保存、水質(zhì)傳感器實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的查詢（包括圖形界面的實(shí)時(shí)顯示和用戶的命令顯示）。

（4）實(shí)時(shí)監(jiān)控

監(jiān)控當(dāng)前養(yǎng)殖車間池塘的基本信息，如養(yǎng)殖戶、養(yǎng)殖池名稱、手機(jī)號(hào)、面積、水深、水草種類、養(yǎng)殖品種、投放時(shí)間等，養(yǎng)殖車間采集的最新數(shù)據(jù)，水溫及溶解氧的變化趨勢(shì)等。

（5）數(shù)據(jù)匯總

對(duì)車間池塘中溶解氧的最大值、最小值、平均值和水溫的平均值等數(shù)據(jù)進(jìn)行匯總顯示。

（6）曲線分析

可以將水質(zhì)參數(shù)的曲線呈現(xiàn)出來，便于對(duì)水質(zhì)參數(shù)進(jìn)行分析，從而對(duì)水質(zhì)參數(shù)進(jìn)行調(diào)控。

4 系統(tǒng)應(yīng)用實(shí)驗(yàn)及效果

采用本文所開發(fā)系統(tǒng)在萊州明波公司進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)對(duì)養(yǎng)殖水質(zhì)的實(shí)時(shí)監(jiān)控、數(shù)據(jù)分析和增氧機(jī)的自動(dòng)控制等。

（1）實(shí)時(shí)監(jiān)控

可以實(shí)現(xiàn)對(duì)水質(zhì)參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)信息采集、顯示等功能，包括數(shù)據(jù)的采集時(shí)間，設(shè)備的狀態(tài)，溶解氧、水溫、電導(dǎo)率、pH等參數(shù)值以及該參數(shù)值是否正常和增長(zhǎng)趨勢(shì)的顯示。圖5為2017-05-1714:30:31的實(shí)時(shí)監(jiān)控情況。

（2）數(shù)據(jù)分析

該系統(tǒng)可以對(duì)溶解氧、水溫、pH以及電導(dǎo)率等水質(zhì)參數(shù)進(jìn)行連續(xù)分析、掌握數(shù)據(jù)變化趨勢(shì)并進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。系統(tǒng)采集2017-05-15 9:40:43－2017-05-16 9:30:20的數(shù)據(jù)，每10min采樣1次，總共產(chǎn)生68組數(shù)據(jù)，經(jīng)過分析得到如圖6所示的數(shù)據(jù)變化趨勢(shì)。從圖6可以看出，水質(zhì)參數(shù)的變化都在正常范圍內(nèi)。

圖5 實(shí)時(shí)監(jiān)控Fig.5 Real-time monitoring

圖6 數(shù)據(jù)變化曲線分析Fig.6 Data change curve analysis

（3）增氧機(jī)自動(dòng)控制

該系統(tǒng)可定時(shí)控制、自動(dòng)控制增氧機(jī)。如設(shè)置啟動(dòng)時(shí)間為10:00，關(guān)閉時(shí)間為12:00，則到10:00增氧機(jī)自動(dòng)開啟，而到12:00增氧機(jī)自動(dòng)關(guān)閉；還可以設(shè)置開啟值和關(guān)閉值，如設(shè)置開啟值為5mg/L，關(guān)閉值為8mg/L，若實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)的溶解氧值降低到5mg/L時(shí)，增氧機(jī)自動(dòng)開啟，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)的溶解氧達(dá)到8mg/L時(shí)，增氧機(jī)可自動(dòng)關(guān)閉。采用該系統(tǒng)可以智能控制增氧機(jī)開啟時(shí)間，避免傳統(tǒng)方式依賴經(jīng)驗(yàn)控制方式的高能耗問題，系統(tǒng)界面見圖7。

圖7 增氧機(jī)參數(shù)設(shè)置Fig.7 The parameter setting of an aerator

試驗(yàn)測(cè)試結(jié)果表明，該系統(tǒng)性能較穩(wěn)定，可滿足對(duì)水質(zhì)參數(shù)的實(shí)時(shí)監(jiān)控。當(dāng)水質(zhì)參數(shù)不正常時(shí)，也可進(jìn)行調(diào)控，保證魚類生長(zhǎng)在最佳的水質(zhì)環(huán)境中。

5 總結(jié)

結(jié)果表明，水溫、溶解氧、pH、亞硝酸鹽等因素都不同程度地影響著魚類的生長(zhǎng)和發(fā)育。在水產(chǎn)養(yǎng)殖過程中必須對(duì)這些環(huán)境因素進(jìn)行監(jiān)測(cè)，使得水產(chǎn)動(dòng)物生長(zhǎng)在最佳水質(zhì)環(huán)境中，提高水產(chǎn)品質(zhì)量和產(chǎn)量。本系統(tǒng)采用的Zigbee無線傳感網(wǎng)絡(luò)以及現(xiàn)場(chǎng)和遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)，可以更加方便、準(zhǔn)確及時(shí)地掌握水產(chǎn)養(yǎng)殖現(xiàn)場(chǎng)的情況，提高養(yǎng)殖水平。

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A Water Quality Monitoring System in Recirculating Aquaculture

XIAO Rui-chao,WEI Yao-guang,TA Xu-xiang,ZHANG Long
（Beijing Agricultural Science and Technology Network Engineering Technology Research Center,China Agricultural University,Beijing 100083,China）

Recirculating aquaculture playing an important role in the development of fisheries is characterized by high culture density and risk,in which the animals are sensitive to water quality parameters,such as pH,temperature,and levels of dissolved oxygen,ammonia nitrogen and nitrite.Thus,the online water quality parameter monitoring is very important to ensure the health growth of the cultured animals.In this paper,the thresholds of pH,dissolved oxygen,temperature,nitrite and other water quality parameters are evaluated,and a wireless acquisition node and Zigbee wireless monitoring network of water quality monitoring was designed.And then the software platform of water quality monitoring system was developed and tested.The results showed that the real-time monitoring of water quality was conducted by the water quality monitoring system to ensure the safety of production and to improve the production efficiency in the recirculating aquaculture.

industrial aquaculture;water quality monitoring;wireless sensor network

TP274+.5

A

1005-3832（2017）05-0051-06

2017-04-21

山東省自主創(chuàng)新及成果轉(zhuǎn)化專項(xiàng)（2014ZZCX07102）；廣東省省部產(chǎn)學(xué)研結(jié)合項(xiàng)目（2012B090500008）；現(xiàn)代設(shè)施農(nóng)業(yè)環(huán)境控制技術(shù)與智能裝備研究（2017XD001）.

肖瑞超（1989-），男，碩士在讀，從事計(jì)算機(jī)技術(shù)及應(yīng)用研究.E-mail:showric@163.com

位耀光（1976-），男，博士，副教授.E-mail:wyg@cau.edu.cn