張紅燕，袁永明,馬曉飛，施珮

　　（中國水產(chǎn)科學(xué)研究院淡水漁業(yè)研究中心 農(nóng)業(yè)部淡水漁業(yè)和種質(zhì)資源利用重點實驗室，江蘇 無錫 214081）

       摘要：池塘養(yǎng)殖用工成本、能源及飼料消耗越來越高，消費者對水產(chǎn)品質(zhì)量也更加重視，傳統(tǒng)池塘養(yǎng)殖技術(shù)不能充分滿足現(xiàn)代化水產(chǎn)養(yǎng)殖生產(chǎn)的基本需求，應(yīng)用自動化精準控制技術(shù)實現(xiàn)池塘養(yǎng)殖自動控制，能夠有效降低養(yǎng)殖用工成本、減少能源飼料浪費、提高水產(chǎn)品質(zhì)量。文章根據(jù)池塘養(yǎng)殖一般流程以及自動控制需求，設(shè)計了池塘養(yǎng)殖自動控制系統(tǒng)，詳細分析了系統(tǒng)結(jié)構(gòu)組成及功能，闡述了系統(tǒng)硬件設(shè)備的選型與集成，介紹了系統(tǒng)主要軟件的編程原理和開發(fā)實現(xiàn)。

　　關(guān)鍵詞：池塘養(yǎng)殖；自動控制；自動增氧；自動調(diào)水

　　中圖分類號：TP311文獻標識碼：ADOI： 10.19358/j.issn.1674-7720.2017.01.030

　　引用格式：張紅燕，袁永明,馬曉飛，等. 池塘養(yǎng)殖自動控制系統(tǒng)研發(fā)［J］.微型機與應(yīng)用，2017,36（1）：99-102.

0引言

　　我國水產(chǎn)養(yǎng)殖主要以傳統(tǒng)的池塘養(yǎng)殖生產(chǎn)方式為主，隨著自動化養(yǎng)殖設(shè)備的推廣和普及，水質(zhì)監(jiān)測、自動控制以及智能養(yǎng)殖等技術(shù)手段在池塘養(yǎng)殖中的應(yīng)用越來越廣泛。目前，我國池塘養(yǎng)殖生產(chǎn)中的自動設(shè)備控制主要依靠養(yǎng)殖者的經(jīng)驗和習慣，不能按需控制、預(yù)警控制和精準控制，在造成電力、飼料、人工等生產(chǎn)成本浪費的同時不能滿足現(xiàn)代化精準池塘養(yǎng)殖管理的需求［1］。因而，研發(fā)一種能夠有效降低養(yǎng)殖用工成本、減少能源飼料浪費、提高水產(chǎn)品質(zhì)量的池塘養(yǎng)殖自動控制系統(tǒng)十分必要。

1系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與工作原理

　　池塘養(yǎng)殖自動控制系統(tǒng)主要由養(yǎng)殖環(huán)境監(jiān)測模塊、自動控制模塊、專家系統(tǒng)模塊以及人機交互模塊組成，各功能模塊之間通過混合組網(wǎng)實現(xiàn)通信和數(shù)據(jù)傳遞。通過系統(tǒng)軟硬件設(shè)備設(shè)施的集成，系統(tǒng)能夠完成和實現(xiàn)養(yǎng)殖環(huán)境監(jiān)測、養(yǎng)殖精準控制、養(yǎng)殖方案更新和養(yǎng)殖現(xiàn)場查看等功能。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

　　系統(tǒng)首次運行時，用戶可以使用遠程配置程序或現(xiàn)場配置終端將養(yǎng)殖方案配置到控制器；養(yǎng)殖過程中，控制器實時采集養(yǎng)殖環(huán)境參數(shù)并上傳至物聯(lián)服務(wù)系統(tǒng)［2］，同時根據(jù)環(huán)境數(shù)據(jù)和已下載的養(yǎng)殖方案進行精準控制；物聯(lián)服務(wù)系統(tǒng)將控制器上傳的數(shù)據(jù)進行智能分析和處理，通過專家系統(tǒng)［3］判斷當前養(yǎng)殖環(huán)境狀況，對于異常狀況及時生成控制處理方案，通過控制器及時處理異常，對于非異常狀況則智能生成下一階段的養(yǎng)殖控制方案，并將新方案與現(xiàn)有方案進行差異化比對后下載更新到控制器；控制器下載配置完養(yǎng)殖控制方案后可以獨立運行，對養(yǎng)殖過程進行精準控制。系統(tǒng)工作流程如圖2所示。

2系統(tǒng)硬件選型與設(shè)計

　　系統(tǒng)硬件主要包括水質(zhì)和氣象環(huán)境傳感器、水產(chǎn)養(yǎng)殖自動控制器（PLC743）、數(shù)據(jù)通信單元和自動控制設(shè)備等。各硬件設(shè)備之間通過有線或無線進行通信連接，實現(xiàn)各個設(shè)備之間的互聯(lián)互通，硬件設(shè)備的有效集成和互聯(lián)保證了系統(tǒng)各項功能的穩(wěn)定運行和實現(xiàn)。

　　2.1水質(zhì)和氣象傳感器

　　水質(zhì)和氣象傳感器是實現(xiàn)系統(tǒng)水質(zhì)監(jiān)測功能進而實現(xiàn)精準控制的重要設(shè)備，系統(tǒng)選用測量準確、工作穩(wěn)定的溶解氧傳感器、pH傳感器以及多參數(shù)氣象站傳感器實現(xiàn)水質(zhì)和氣象環(huán)境的實時監(jiān)測。水質(zhì)傳感器設(shè)備采取投入式安裝方式，安裝于配套的水質(zhì)傳感器安裝浮標，采用太陽能鋰電池供電，有效持續(xù)工作時長可達45天；氣象傳感器為集成式多參數(shù)氣象站，采用配套氣象站安裝立桿安裝，采用混合供電方式，有效保證設(shè)備正常運行。

　　2.2智能控制器單元

　　可編程邏輯控制器［4］（PLC）是配備了微處理器的工業(yè)計算機，系統(tǒng)選用西門子S7200系列CPU224XP AC/DC/RLY型PLC［5］，它集成了14路開關(guān)量輸入和10路繼電器輸出，配有2路模擬量輸入和1路模擬量輸出，具有2個RS485通信接口，支持PPI、ModBus、MPI通信協(xié)議和自由方式通信。智能控制器接線圖如圖3。

　　系統(tǒng)使用PLC的PORT0通信口完成控制器與服務(wù)器端的通信，使用PORT1通信口接收傳感器設(shè)備的監(jiān)測數(shù)據(jù)；使用第一組繼電器Q0.0~0.3控制投飼機，完成養(yǎng)殖投飼，使用對應(yīng)的開關(guān)量輸入I0.0~0.3監(jiān)測投飼機運行狀態(tài)；使用第二組繼電器Q0.4~0.6控制葉輪式增氧機，其中Q0.4為增氧控制，Q0.5為調(diào)水控制，Q0.6為定時控制，并使用對應(yīng)的開關(guān)量輸入I0.4~0.6監(jiān)測增氧機運行狀態(tài)；使用第三組繼電器Q0.7~1.1控制潛水泵，完成進排水操作，使用開關(guān)量輸入I0.7~1.1監(jiān)測潛水泵運行狀態(tài)。

　　2.3數(shù)據(jù)通信單元

　　控制器與傳感器、控制器與服務(wù)器之間的互聯(lián)互通需要借助通信模塊實現(xiàn)，系統(tǒng)選用ZigBee通信方式［6］實現(xiàn)傳感器與控制器自組網(wǎng)和數(shù)據(jù)通信；使用TCP/IP-RS485轉(zhuǎn)換器實現(xiàn)控制器的網(wǎng)絡(luò)接入和數(shù)據(jù)通信，在不具備寬帶上網(wǎng)條件的野外，池塘通過GPRS/WCDMA/LTE等支持2G/3G/4G數(shù)據(jù)傳輸?shù)耐ㄐ拍K實現(xiàn)控制器與服務(wù)器的數(shù)據(jù)通信。系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)如圖4。

　　2.4自動養(yǎng)殖設(shè)備

　　池塘養(yǎng)殖生產(chǎn)中增氧機、投飼機、水泵等設(shè)備最為常用，不穩(wěn)定的電力供應(yīng)、超負荷的運轉(zhuǎn)以及工人操作不當?shù)惹闆r均會造成電機燒毀等損失或事故［7］。系統(tǒng)根據(jù)養(yǎng)殖池塘現(xiàn)有自動養(yǎng)殖設(shè)備負荷，為每一路養(yǎng)殖設(shè)備單獨配套集成最適合的電氣保護設(shè)備，配合智能控制器的智能養(yǎng)殖控制方案，實現(xiàn)自動養(yǎng)殖設(shè)備的精準控制、狀態(tài)監(jiān)測和斷電保護。系統(tǒng)選用CDP632系列電動機專用斷路器對增氧機進行電氣保護，能夠及時切斷電動機供電，有效保護電動機不受過載、缺相、短路等用電異常情況的影響；使用CJX2系列小型交流接觸器與智能PLC控制器連接，控制電動機的啟動停止，并使用該型號交流接觸器的常開觸點監(jiān)測設(shè)備運行狀態(tài)。系統(tǒng)增氧機接線圖如圖5。

　　圖5中，QS為電動機斷路器開關(guān)，F(xiàn)R為電動機斷路器中的熱繼電器保護裝置，F(xiàn)U為熔斷器，KM為交流接觸器，KM′為控制觸點，KM*為常開觸點，SA為增氧機手動開關(guān)。其作用原理為：閉合斷路器QS，PLC控制器會根據(jù)環(huán)境狀況和控制方案進行自動精準控制，滿足控制條件，PLC輸出端Q0.4繼電器動作，交流接觸器KM吸合，增氧機開啟，到達指定條件，KM釋放，增氧機停止；手動閉合增氧機手動開關(guān)SA，交流接觸器KM吸合，增氧機開啟，斷開SA，KM釋放，增氧機停止；當增氧機運行過程中出現(xiàn)異常狀況，F(xiàn)R內(nèi)部發(fā)熱使其內(nèi)部雙金屬片彎曲，推動電動機斷路器內(nèi)部閉合觸點斷開，交流接觸器斷開，完成電氣保護。

3系統(tǒng)軟件設(shè)計

　　系統(tǒng)軟件設(shè)計包括控制器程序設(shè)計、控制器遠程配置程序設(shè)計以及現(xiàn)場配置終端程序設(shè)計，以實現(xiàn)數(shù)據(jù)通信、控制器配置、養(yǎng)殖環(huán)境監(jiān)測和精準養(yǎng)殖控制等功能。

　　3.1控制器程序設(shè)計

　　控制器程序設(shè)計使用SIEMENS S7200PLC配套程序開發(fā)平臺STEP 7Micro/WIN V4.09.25進行編程實現(xiàn)，開發(fā)過程需要導(dǎo)入ModBus協(xié)議庫［8］以實現(xiàn)PLC控制器的ModBusRTU通信功能，并使用MBUS_INIT、MBUS_SLAVE初始化PLC從站功能，實現(xiàn)與服務(wù)器間的通信；使用MBUS_CTRL、MBUS_MSG初始化PLC主站功能，實現(xiàn)與傳感器間的通信。能夠連接7個支持ModBusRTU通信協(xié)議的傳感器接入，同時監(jiān)測15個環(huán)境參數(shù)；采用4組定時控制器實現(xiàn)投飼機的定時投飼功能，結(jié)合環(huán)境參數(shù)實現(xiàn)投飼機智能控制；以水體溶解氧相對飽和度以及氧分壓為依據(jù)，實現(xiàn)增氧機智能增氧和調(diào)水功能，使用不同的繼電輸出控制同一臺增氧機進行增氧和調(diào)水?？刂破鞒绦蜻\行流程如圖6。

　　3.2控制器遠程配置程序設(shè)計

　　控制器遠程配置程序（ITSStool）使用C語言設(shè)計開發(fā)，實現(xiàn)對于控制器的遠程配置。遠程配置程序通過RS232/485直聯(lián)方式或TCP/IP遠程通信方式實現(xiàn)配置指令的傳輸及配置。用戶通過程序可以掃描并連接在線控制器設(shè)備，上載控制器現(xiàn)有配置，批量或逐條下載配置到控制器；通過配置界面完成傳感器、控制器、定時器、輸出控制、狀態(tài)監(jiān)測等功能配置，并查看實時環(huán)境監(jiān)測數(shù)據(jù)和設(shè)備運行狀態(tài)。遠程配置程序運行流程如圖7。

　　3.3控制器現(xiàn)場配置終端程序設(shè)計

　　現(xiàn)場配置終端選用兼容西門子TD200系列的MD204L文本顯示屏，使用MD204L配套編輯軟件TP200CN進行現(xiàn)場配置終端程序設(shè)計，實現(xiàn)對于控制器的現(xiàn)場配置：MD204L通過PPI協(xié)議［9］與西門子S7200系列PLC的編程口或擴展通信口直接通信；用戶使用通信電纜完成MD204L與控制器的連接，進行包括通信參數(shù)在內(nèi)的全部控制器參數(shù)的配置?？刂破鳜F(xiàn)場配置終端如圖8。

4結(jié)論

　　池塘養(yǎng)殖自動控制系統(tǒng)綜合運用傳感器技術(shù)、無線通信技術(shù)、自動化控制技術(shù)，實現(xiàn)池塘養(yǎng)殖精準控制管理。系統(tǒng)能夠有效降低生產(chǎn)成本、提高水產(chǎn)品質(zhì)量，同時可以減輕勞動強度、擴大生產(chǎn)規(guī)模、提高生產(chǎn)管理的自動化程度，對現(xiàn)代水產(chǎn)養(yǎng)殖業(yè)發(fā)展具有重要的推動作用。

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