張 雪，梁振江，謝廷道，王曉寧

(中國(guó)計(jì)量學(xué)院計(jì)量測(cè)試工程學(xué)院，浙江杭州 310018)

魚(yú)塘含氧量自動(dòng)檢測(cè)控制裝置研究

張 雪，梁振江，謝廷道，王曉寧

(中國(guó)計(jì)量學(xué)院計(jì)量測(cè)試工程學(xué)院，浙江杭州 310018)

傳統(tǒng)的養(yǎng)魚(yú)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(shí)導(dǎo)致水體含氧量不足。為了提高魚(yú)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(shù)的自動(dòng)化水平，減輕漁民的勞動(dòng)強(qiáng)度，降低水產(chǎn)養(yǎng)殖的成本，研制了一種魚(yú)塘含氧量自動(dòng)檢測(cè)控制裝置，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)水中的含氧量，自動(dòng)啟動(dòng)水產(chǎn)增氧設(shè)備的運(yùn)行，使魚(yú)塘中水的含氧量的上下限保持在設(shè)定范圍內(nèi)，有效提高了魚(yú)類的安全性，從而降低養(yǎng)殖成本。

魚(yú)塘；含氧量；自動(dòng)檢測(cè)裝置

水體含氧量不僅是衡量水質(zhì)的重要指標(biāo)，也是影響魚(yú)類生長(zhǎng)的主要因素之一。當(dāng)水體含氧量低于臨界氧濃度時(shí)，大多數(shù)魚(yú)類都會(huì)出現(xiàn)生長(zhǎng)減慢現(xiàn)象。由于含氧量會(huì)隨著環(huán)境溫度、水體酸堿度和魚(yú)類活躍程度等因素而變化，因此對(duì)魚(yú)塘中含氧量進(jìn)行自動(dòng)檢測(cè)并進(jìn)行實(shí)時(shí)增氧控制具有重要意義[1-2]。

在傳統(tǒng)魚(yú)類養(yǎng)殖過(guò)程中，通常通過(guò)觀察魚(yú)類是否有浮頭情況來(lái)判斷水中含氧量是否低于魚(yú)類生長(zhǎng)需求，這種觀察的方法存在勞動(dòng)強(qiáng)度大、實(shí)時(shí)性差、事后控制不及時(shí)等問(wèn)題，一定程度上影響了魚(yú)類生長(zhǎng)，增加了額外的養(yǎng)殖成本[3]。

目前市場(chǎng)上也有含氧量檢測(cè)儀器，但這種儀器通常采用人工采集水樣送回室內(nèi)檢測(cè)方案，難以實(shí)現(xiàn)魚(yú)塘中央水質(zhì)的檢測(cè)，并且也存在滯后性問(wèn)題。筆者針對(duì)魚(yú)塘水質(zhì)中檢測(cè)與供氧不及時(shí)問(wèn)題進(jìn)行研究，并實(shí)現(xiàn)對(duì)魚(yú)塘水質(zhì)的實(shí)時(shí)多點(diǎn)檢測(cè)，當(dāng)水體溶解氧含量低于設(shè)定值時(shí)，系統(tǒng)自動(dòng)啟動(dòng)增氧設(shè)備，給水體自動(dòng)增氧，克服了傳統(tǒng)的方式中供氧遲滯現(xiàn)象，同時(shí)對(duì)該裝置的含氧量檢測(cè)精度及整體功能在魚(yú)塘中進(jìn)行試驗(yàn)。

1 系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì)

含氧量自動(dòng)檢測(cè)裝置主要由傳感器檢測(cè)模塊、終端控制模塊、ZigBee無(wú)線通信模塊和增氧設(shè)備控制端子4部分組成。整個(gè)裝置功能的完成是利用溶解氧傳感器采集當(dāng)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(jìn)行判斷，在超出設(shè)定閾值時(shí)，通過(guò)無(wú)線通信協(xié)議發(fā)送到增氧設(shè)備控制端，控制增氧設(shè)備的開(kāi)啟或關(guān)閉，從而調(diào)節(jié)魚(yú)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(gè)系統(tǒng)采用主從設(shè)計(jì)方式，主機(jī)和從機(jī)之間采用無(wú)線射頻的方式進(jìn)行通信。從機(jī)建立無(wú)人監(jiān)測(cè)站以監(jiān)測(cè)和記錄沿線各點(diǎn)的水質(zhì)變化，實(shí)時(shí)測(cè)量魚(yú)塘中的溶解氧和溫度；主機(jī)將從機(jī)發(fā)送來(lái)的信號(hào)在液晶屏上顯示，同時(shí)主機(jī)上可以根據(jù)不同的季節(jié)和時(shí)段進(jìn)行溶解氧上下限的設(shè)定，以便于啟停增氧設(shè)備；增氧設(shè)備的啟動(dòng)命令由主機(jī)發(fā)出，由從機(jī)來(lái)執(zhí)行啟動(dòng)控制信號(hào)，啟動(dòng)增氧設(shè)備的系統(tǒng)也備有手動(dòng)方式。

2 系統(tǒng)單元實(shí)現(xiàn)

該系統(tǒng)主要包括溶解氧傳感器、單片機(jī)終端控制模塊、ZigBee無(wú)線通信模塊、增氧設(shè)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(yáng)極構(gòu)成，電極腔內(nèi)充有特制電解液，當(dāng)2個(gè)電極上加有固定的極化電壓時(shí)，氧在陰極上發(fā)生氧化—還原反應(yīng)產(chǎn)生擴(kuò)散電流，電極電流可近似表示為[4-5]：

(1)

式中，n為電極反應(yīng)時(shí)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(guò)系數(shù)；C為水中氧濃度；D為隔膜厚度。

因陰極還原反應(yīng)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(shí)，電極兩端的電流僅與被測(cè)溶液氧濃度及隔膜透氣率有關(guān)；當(dāng)電極參數(shù)一定時(shí)，在一定溫度下穩(wěn)定后電極產(chǎn)生的電流與被測(cè)氧濃度呈線性關(guān)系，可用來(lái)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(kuò)散系數(shù)會(huì)變化，導(dǎo)致電極產(chǎn)生的電流信號(hào)隨溫度的改變而變化[6]，因此設(shè)計(jì)溫度補(bǔ)償電路[7](圖2)，以減小溫度的改變對(duì)檢測(cè)結(jié)果的影響。

圖2 信號(hào)轉(zhuǎn)換及溫度補(bǔ)償電路

U為高增益放大器，負(fù)極為虛地，即：

(2)

其中，RF=(Rf+Rb+Rt)，RF為電路負(fù)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(shè)電路流過(guò)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(bǔ)償電路應(yīng)實(shí)現(xiàn)當(dāng)溫度偏離額定溫度27 ℃時(shí)每增加1 ℃，RF應(yīng)減小3%，可見(jiàn)熱敏電阻應(yīng)選用負(fù)溫度系數(shù)。

2.2 單片機(jī)終端控制模塊 單片機(jī)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(jī)作為終端控制模塊，其內(nèi)部有4kB的E2PROM和128BRAM，存儲(chǔ)器資源滿足系統(tǒng)要求，因此不需要外擴(kuò)存儲(chǔ)器。模數(shù)轉(zhuǎn)換部分采用TI公司的TLC1543，來(lái)完成氧含量和溫度傳感器信號(hào)的A/D轉(zhuǎn)換。它具有輸入通道多、性價(jià)比高、易于與單片機(jī)接口的特點(diǎn)，可廣泛用于各種數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。顯示部分由單片機(jī)控制LCD12864液晶顯示設(shè)定含氧量、當(dāng)前含氧量和當(dāng)前溫度值。

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

2.4 增氧設(shè)備控制模塊 由于增氧設(shè)備是大功率器件，工作電壓為220V，而單片機(jī)是一個(gè)弱電器件，驅(qū)動(dòng)電流為毫安級(jí)，不能直接用單片機(jī)控制增氧設(shè)備，中間要加入繼電器模塊[9]。當(dāng)繼電器閉合時(shí)，通過(guò)無(wú)線傳輸模塊控制增氧設(shè)備開(kāi)始工作；反之，繼電器斷開(kāi)，增氧設(shè)備停止工作。電路原理如圖3所示。

圖3 增氧設(shè)備的控制驅(qū)動(dòng)電路

3 應(yīng)用

3.1 系統(tǒng)檢測(cè)方案 以0.2 hm2大小魚(yú)塘為例，一般情況下面積0.33 hm2以下的魚(yú)塘可選用1臺(tái)功率1.5 kW的增氧設(shè)備。從圖4可以看出，中間為增氧設(shè)備，在魚(yú)塘中設(shè)置4個(gè)檢測(cè)點(diǎn)，接下來(lái)以單點(diǎn)檢測(cè)為例，說(shuō)明該裝置的具體工作流程。

圖4 魚(yú)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(cè)范圍為0.02～20.00 mg/L，分辨率為0.01 mg/L，溶氧響應(yīng)時(shí)間為30 s內(nèi)可達(dá)95%(25 ℃)。由于傳感器放置在魚(yú)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(shí)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(cè)到氧含量低于閾值，則終端控制模塊向增氧設(shè)備端子發(fā)出信號(hào)，控制增氧設(shè)備開(kāi)始工作供氧。在增氧設(shè)備開(kāi)始工作2 h后若檢測(cè)到的氧含量大于閾值，則向增氧設(shè)備發(fā)出信號(hào)，停止工作。

3.2 系統(tǒng)測(cè)試 選用X88/AP-01測(cè)氧儀與該裝置對(duì)7種不同溶液進(jìn)行含氧量測(cè)定對(duì)比試驗(yàn)。由表1可知，與X88/AP-01測(cè)氧儀相比該裝置的相對(duì)誤差保持在±1.3%范圍內(nèi)，說(shuō)明該裝置檢測(cè)的可信度高。

表1 不同儀器測(cè)定含氧量的比較

對(duì)該裝置在大小為0.2 hm2的魚(yú)塘進(jìn)行系統(tǒng)測(cè)試，將溶解氧傳感器固定魚(yú)塘中，增氧設(shè)備固定在魚(yú)塘中央，主機(jī)放在控制室，通過(guò)試驗(yàn)觀察系統(tǒng)是否能正常運(yùn)行。經(jīng)過(guò)觀察可知，當(dāng)傳感器檢測(cè)到的氧含量低于設(shè)定閾值時(shí)，主機(jī)控制增氧設(shè)備開(kāi)始工作；經(jīng)過(guò)2 h傳感器再次檢測(cè)，此時(shí)魚(yú)塘氧含量大于設(shè)定閾值，主機(jī)控制增氧設(shè)備停止工作。同時(shí)檢驗(yàn)增氧設(shè)備手動(dòng)控制方式也能正常運(yùn)行，認(rèn)為該系統(tǒng)可正常運(yùn)行。

4 小結(jié)

筆者介紹了1種魚(yú)塘含氧量自動(dòng)檢測(cè)裝置，通過(guò)對(duì)養(yǎng)殖環(huán)境中溶解氧和溫度的檢測(cè)，根據(jù)水中氧含量的變化實(shí)現(xiàn)對(duì)水產(chǎn)增氧設(shè)備的實(shí)時(shí)控制，從而避免目前普通水產(chǎn)養(yǎng)殖場(chǎng)中增氧設(shè)備長(zhǎng)時(shí)間連續(xù)工作，實(shí)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(yú)塘的實(shí)際情況靈活設(shè)置采樣點(diǎn)的個(gè)數(shù)，以獲得最大投資效益。經(jīng)過(guò)進(jìn)一步的擴(kuò)充，該系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)水質(zhì)中的酸堿度、氨氮、硫化氫等指標(biāo)的檢測(cè)，同時(shí)完成實(shí)時(shí)控制其他漁業(yè)機(jī)械，從而對(duì)水質(zhì)進(jìn)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(wú)線監(jiān)控系統(tǒng)的研究[J]．天津科技大學(xué)學(xué)報(bào)，2007，22(4)：98-101.

[2] 王能貽．國(guó)內(nèi)外工業(yè)化養(yǎng)魚(yú)新技術(shù)[J]．漁業(yè)現(xiàn)代化，2006，1(9)：9-11.

[3] 陳郡，王濤.魚(yú)塘溶氧量自動(dòng)監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)[J].安徽農(nóng)業(yè)科學(xué)，2009，37(24)：11718-11721.

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[9] 周曉紅.池塘增氧機(jī)的作用、原理及使用方法[J].機(jī)械設(shè)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(guó)家級(jí)大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計(jì)劃項(xiàng)目(201210356002)。

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

2014-04-28

S 932.9

A

0517-6611(2014)15-04656-02