張紅燕，袁永明,馬曉飛，施珮

　?。ㄖ袊?guó)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(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇 無(wú)錫 214081）

       摘要：池塘養(yǎng)殖用工成本、能源及飼料消耗越來(lái)越高，消費(fèi)者對(duì)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(dòng)化精準(zhǔn)控制技術(shù)實(shí)現(xiàn)池塘養(yǎng)殖自動(dòng)控制，能夠有效降低養(yǎng)殖用工成本、減少能源飼料浪費(fèi)、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(dòng)控制需求，設(shè)計(jì)了池塘養(yǎng)殖自動(dòng)控制系統(tǒng)，詳細(xì)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(kāi)發(fā)實(shí)現(xiàn)。

　　關(guān)鍵詞：池塘養(yǎng)殖；自動(dòng)控制；自動(dòng)增氧；自動(dòng)調(diào)水

　　中圖分類(lèi)號(hào)：TP311文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)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(dòng)控制系統(tǒng)研發(fā)［J］.微型機(jī)與應(yīng)用，2017,36（1）：99-102.

0引言

　　我國(guó)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(dòng)化養(yǎng)殖設(shè)備的推廣和普及，水質(zhì)監(jiān)測(cè)、自動(dòng)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(lái)越廣泛。目前，我國(guó)池塘養(yǎng)殖生產(chǎn)中的自動(dòng)設(shè)備控制主要依靠養(yǎng)殖者的經(jīng)驗(yàn)和習(xí)慣，不能按需控制、預(yù)警控制和精準(zhǔn)控制，在造成電力、飼料、人工等生產(chǎn)成本浪費(fèi)的同時(shí)不能滿足現(xiàn)代化精準(zhǔn)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(fèi)、提高水產(chǎn)品質(zhì)量的池塘養(yǎng)殖自動(dòng)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(dòng)控制系統(tǒng)主要由養(yǎng)殖環(huán)境監(jiān)測(cè)模塊、自動(dòng)控制模塊、專(zhuān)家系統(tǒng)模塊以及人機(jī)交互模塊組成，各功能模塊之間通過(guò)混合組網(wǎng)實(shí)現(xiàn)通信和數(shù)據(jù)傳遞。通過(guò)系統(tǒng)軟硬件設(shè)備設(shè)施的集成，系統(tǒng)能夠完成和實(shí)現(xiàn)養(yǎng)殖環(huán)境監(jiān)測(cè)、養(yǎng)殖精準(zhǔn)控制、養(yǎng)殖方案更新和養(yǎng)殖現(xiàn)場(chǎng)查看等功能。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

　　系統(tǒng)首次運(yùn)行時(shí)，用戶可以使用遠(yuǎn)程配置程序或現(xiàn)場(chǎng)配置終端將養(yǎng)殖方案配置到控制器；養(yǎng)殖過(guò)程中，控制器實(shí)時(shí)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(shí)根據(jù)環(huán)境數(shù)據(jù)和已下載的養(yǎng)殖方案進(jìn)行精準(zhǔn)控制；物聯(lián)服務(wù)系統(tǒng)將控制器上傳的數(shù)據(jù)進(jìn)行智能分析和處理，通過(guò)專(zhuān)家系統(tǒng)［3］判斷當(dāng)前養(yǎng)殖環(huán)境狀況，對(duì)于異常狀況及時(shí)生成控制處理方案，通過(guò)控制器及時(shí)處理異常，對(duì)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(jìn)行差異化比對(duì)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(dú)立運(yùn)行，對(duì)養(yǎng)殖過(guò)程進(jìn)行精準(zhǔn)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(jì)

　　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(dòng)控制器（PLC743）、數(shù)據(jù)通信單元和自動(dòng)控制設(shè)備等。各硬件設(shè)備之間通過(guò)有線或無(wú)線進(jìn)行通信連接，實(shí)現(xiàn)各個(gè)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(xiàng)功能的穩(wěn)定運(yùn)行和實(shí)現(xiàn)。

　　2.1水質(zhì)和氣象傳感器

　　水質(zhì)和氣象傳感器是實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)水質(zhì)監(jiān)測(cè)功能進(jìn)而實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)控制的重要設(shè)備，系統(tǒng)選用測(cè)量準(zhǔn)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(shí)現(xiàn)水質(zhì)和氣象環(huán)境的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。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(biāo)，采用太陽(yáng)能鋰電池供電，有效持續(xù)工作時(shí)長(zhǎng)可達(dá)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(yùn)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(jì)算機(jī)，系統(tǒng)選用西門(mén)子S7200系列CPU224XP AC/DC/RLY型PLC［5］，它集成了14路開(kāi)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(gè)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(cè)數(shù)據(jù)；使用第一組繼電器Q0.0~0.3控制投飼機(jī)，完成養(yǎng)殖投飼，使用對(duì)應(yīng)的開(kāi)關(guān)量輸入I0.0~0.3監(jiān)測(cè)投飼機(jī)運(yùn)行狀態(tài)；使用第二組繼電器Q0.4~0.6控制葉輪式增氧機(jī)，其中Q0.4為增氧控制，Q0.5為調(diào)水控制，Q0.6為定時(shí)控制，并使用對(duì)應(yīng)的開(kāi)關(guān)量輸入I0.4~0.6監(jiān)測(cè)增氧機(jī)運(yùn)行狀態(tài)；使用第三組繼電器Q0.7~1.1控制潛水泵，完成進(jìn)排水操作，使用開(kāi)關(guān)量輸入I0.7~1.1監(jiān)測(cè)潛水泵運(yùn)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(shí)現(xiàn)，系統(tǒng)選用ZigBee通信方式［6］實(shí)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(shí)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(guò)GPRS/WCDMA/LTE等支持2G/3G/4G數(shù)據(jù)傳輸?shù)耐ㄐ拍K實(shí)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?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖4。

　　2.4自動(dòng)養(yǎng)殖設(shè)備

　　池塘養(yǎng)殖生產(chǎn)中增氧機(jī)、投飼機(jī)、水泵等設(shè)備最為常用，不穩(wěn)定的電力供應(yīng)、超負(fù)荷的運(yùn)轉(zhuǎn)以及工人操作不當(dāng)?shù)惹闆r均會(huì)造成電機(jī)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(dòng)養(yǎng)殖設(shè)備負(fù)荷，為每一路養(yǎng)殖設(shè)備單獨(dú)配套集成最適合的電氣保護(hù)設(shè)備，配合智能控制器的智能養(yǎng)殖控制方案，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)養(yǎng)殖設(shè)備的精準(zhǔn)控制、狀態(tài)監(jiān)測(cè)和斷電保護(hù)。系統(tǒng)選用CDP632系列電動(dòng)機(jī)專(zhuān)用斷路器對(duì)增氧機(jī)進(jìn)行電氣保護(hù)，能夠及時(shí)切斷電動(dòng)機(jī)供電，有效保護(hù)電動(dòng)機(jī)不受過(guò)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(dòng)機(jī)的啟動(dòng)停止，并使用該型號(hào)交流接觸器的常開(kāi)觸點(diǎn)監(jiān)測(cè)設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)。系統(tǒng)增氧機(jī)接線圖如圖5。

　　圖5中，QS為電動(dòng)機(jī)斷路器開(kāi)關(guān)，F(xiàn)R為電動(dòng)機(jī)斷路器中的熱繼電器保護(hù)裝置，F(xiàn)U為熔斷器，KM為交流接觸器，KM′為控制觸點(diǎn)，KM*為常開(kāi)觸點(diǎn)，SA為增氧機(jī)手動(dòng)開(kāi)關(guān)。其作用原理為：閉合斷路器QS，PLC控制器會(huì)根據(jù)環(huán)境狀況和控制方案進(jìn)行自動(dòng)精準(zhǔn)控制，滿足控制條件，PLC輸出端Q0.4繼電器動(dòng)作，交流接觸器KM吸合，增氧機(jī)開(kāi)啟，到達(dá)指定條件，KM釋放，增氧機(jī)停止；手動(dòng)閉合增氧機(jī)手動(dòng)開(kāi)關(guān)SA，交流接觸器KM吸合，增氧機(jī)開(kāi)啟，斷開(kāi)SA，KM釋放，增氧機(jī)停止；當(dāng)增氧機(jī)運(yùn)行過(guò)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(dòng)電動(dòng)機(jī)斷路器內(nèi)部閉合觸點(diǎn)斷開(kāi)，交流接觸器斷開(kāi)，完成電氣保護(hù)。

3系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

　　系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)包括控制器程序設(shè)計(jì)、控制器遠(yuǎn)程配置程序設(shè)計(jì)以及現(xiàn)場(chǎng)配置終端程序設(shè)計(jì)，以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)通信、控制器配置、養(yǎng)殖環(huán)境監(jiān)測(cè)和精準(zhǔn)養(yǎng)殖控制等功能。

　　3.1控制器程序設(shè)計(jì)

　　控制器程序設(shè)計(jì)使用SIEMENS S7200PLC配套程序開(kāi)發(fā)平臺(tái)STEP 7Micro/WIN V4.09.25進(jìn)行編程實(shí)現(xiàn)，開(kāi)發(fā)過(guò)程需要導(dǎo)入ModBus協(xié)議庫(kù)［8］以實(shí)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(shí)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(shí)現(xiàn)與傳感器間的通信。能夠連接7個(gè)支持ModBusRTU通信協(xié)議的傳感器接入，同時(shí)監(jiān)測(cè)15個(gè)環(huán)境參數(shù)；采用4組定時(shí)控制器實(shí)現(xiàn)投飼機(jī)的定時(shí)投飼功能，結(jié)合環(huán)境參數(shù)實(shí)現(xiàn)投飼機(jī)智能控制；以水體溶解氧相對(duì)飽和度以及氧分壓為依據(jù)，實(shí)現(xiàn)增氧機(jī)智能增氧和調(diào)水功能，使用不同的繼電輸出控制同一臺(tái)增氧機(jī)進(jìn)行增氧和調(diào)水?？刂破鞒绦蜻\(yùn)行流程如圖6。

　　3.2控制器遠(yuǎn)程配置程序設(shè)計(jì)

　　控制器遠(yuǎn)程配置程序（ITSStool）使用C語(yǔ)言設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)，實(shí)現(xiàn)對(duì)于控制器的遠(yuǎn)程配置。遠(yuǎn)程配置程序通過(guò)RS232/485直聯(lián)方式或TCP/IP遠(yuǎn)程通信方式實(shí)現(xiàn)配置指令的傳輸及配置。用戶通過(guò)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(guò)配置界面完成傳感器、控制器、定時(shí)器、輸出控制、狀態(tài)監(jiān)測(cè)等功能配置，并查看實(shí)時(shí)環(huán)境監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)和設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)。遠(yuǎn)程配置程序運(yùn)行流程如圖7。

　　3.3控制器現(xiàn)場(chǎng)配置終端程序設(shè)計(jì)

　　現(xiàn)場(chǎng)配置終端選用兼容西門(mén)子TD200系列的MD204L文本顯示屏，使用MD204L配套編輯軟件TP200CN進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)配置終端程序設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)對(duì)于控制器的現(xiàn)場(chǎng)配置：MD204L通過(guò)PPI協(xié)議［9］與西門(mén)子S7200系列PLC的編程口或擴(kuò)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(jìn)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(chǎng)配置終端如圖8。

4結(jié)論

　　池塘養(yǎng)殖自動(dòng)控制系統(tǒng)綜合運(yùn)用傳感器技術(shù)、無(wú)線通信技術(shù)、自動(dòng)化控制技術(shù)，實(shí)現(xiàn)池塘養(yǎng)殖精準(zhǔn)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(shí)可以減輕勞動(dòng)強(qiáng)度、擴(kuò)大生產(chǎn)規(guī)模、提高生產(chǎn)管理的自動(dòng)化程度，對(duì)現(xiàn)代水產(chǎn)養(yǎng)殖業(yè)發(fā)展具有重要的推動(dòng)作用。

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