养殖水质在线监测的设计与实践

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本文设计的健康养殖自动化监控系统拟对3个池塘和1个湿地共约3.33hm2水面，应用进口多参数传感器对养殖水质进行数字化自动监控和管理；应用GPRS技术对水质进行远程监控；应用图像监视技术对养殖状态进行生产监视。由于该项目为未来我国池塘养殖技术的示范工程，科技含量和高新技术的应用领先于国内同行，在全国重点养殖区域推广该项目有积极的社会意义和经济意义。硬件系统实现养殖水体在线监控系统主要由水质多参数传感器网络传输、DCS实时分布控制和中央控制等部分组成[7-8]。水质监测。水质监测仪表选用美国YSI公司的600R系列多参数水质传感器，该仪器体积小，成本低，可同时在线监测多个水质指标，运行稳定，维护方便。本系统根据养殖生产的实际需求，拟设定6个取样点作为整个传感器网络的监测点，每3个取样点作为1组铺设取水管道到取样槽，水质传感器放置在特定的取样槽中，每个取样点使用小功率、流速稳定的潜水泵作为取样设备。一是实时监测水质参数，如水温、pH值、溶解氧DO、盐度、ORP等；二是水质监测采用传感器网络节点技术，网络并发工作、有自组织功能，工作稳定。DCS分布控制。现场设置3个室外分布控制箱，箱体采用304不锈钢材质，每个箱体分别控制附近的水泵、增氧机、投饵机和取样泵等电气设备，并预留220V和380V插座各1个。现场控制节点设备采用广州周立功公司推出iCAN-2404模块，该功能模块可用于工业现场，提供4路具有自保持功能的继电器输出通道。模块在工作时，网络中的主控设备通过CAN总线将输出的继电器控制数据传送给模块，模块通过光电隔离后输出驱动继电器，实现对外部设备的控制。一是现场渔业设备采用DCS技术进行实时监控；二是控制节点采用基于CAN总线通信的iCAN现场总线控制系统，自动控制增氧机、饲料投喂设备、取样泵和输水泵等渔业养殖设备，并可实现现在手动按钮控制和中央控制室自动控制两种控制方式；三是系统响应时间10s以内，系统故障率控制在5%以内。集中控制。中央控制室采用台湾研华工业控制计算机做为管理员操作站，内装北京昆仑通态的MCGS通用版组态软件做为系统控制管理平台。由于DCS分布式控制系统采用的是CAN总线协议，因此为使计算机能够兼容iCAN现场总线控制系统，采用在计算机主板内嵌1张CAN通讯接口卡，使其具有CAN协议通信的功能，并接入CANbus网络中与总线进行数据交换。PCI-9820接口卡是一款性能优秀的2通道CAN通讯接口卡，采用32位PCI数据线，兼容PCI2.2规范，即插即用；接口卡的每一路CAN通道均集成独立的隔离保护电路。PCI-9820符合CAN2.0A/B规范，支持0.5~1.0Mbps之间的任意波特率，并提供多个操作系统中的设备驱动、工具软件等，能真正的满足客户的各种应用需求，为工业通讯CAN网络提供了可靠性、高效率的解决方案。GPRS无线通讯。本系统应用GPRS无线通讯技术对养殖水质进行远程监控，使管理者能够随时随地掌握养殖水质指标的运行情况，并做出科学的管理和决策。硬件设备采用台湾尉普MA8系列GPRS无线通讯模块，支持GSM900/1800/1900三频网络，整合目前最先进的GPRS模块与标准接口，内建TCP/IP协议，功能强大、用途广泛，提供安全、透明的传输信道。它使用自己专用的通讯协议完成上位机和模块之间的通讯，其通讯协议采用串行方式，使用计算机的串行口。软件实现现场总线CANbus网络中PC机应用程序有2种编制方法，即组态方式和DLL方式。运用组态软件开发环境完成外部设备定义、数据库的构造等工作。利用其丰富的图库，可以大大减少设计界面的时间，操作也是非常的简单方便。因此，本系统实现采用是在基于北京昆仑通态的MCGS通用版组态软件的基础上进行二次开发，并完成了界面的设计、动画连接的定义、控制算法的实现等，使系统成为管理信息工作站，对在线水质数据实时显示、记录，具有历史数据的保存和数据处理、实时曲线和历史曲线汇总等功能，PC机屏幕能即时显示每个监测点设备的运行情况，具有动画效果。水质参数经过计算机分析、处理，可传输到大型LCD显示屏进行实时数据显示。应用程序开发的主要步骤如下。

启动并配置ZOPC-Server服务器。ZOPC-Server是一个OPC服务器软件，本软件支持操作全部的ZLGCAN系列接口卡，只要在1台PC机上插上ZLGCAN系列接口卡中的任何一种或几种，再运行本服务器软件，就可以使用任何一种支持OPC协议的客户端软件来连接到此服务器，通过此服务器来跟CAN网络进行数据的传输。MCGS提供了标准的OPC接口，既可作为OPC客户端，也可以作为OPC服务器。因而，可以方便地与其他具有OPC标准接口的工业应用程序或外部控制设备连接，实现数据交互，完成对现场数据的处理维护和对设备的有效控制。构建CANbus网络中的虚拟串口（VCOM）。在工业串行通讯领域中，RS-232与RS-485都是会被经常用到的数据传输标准之一。但是，传统的RS-232串行通讯一般会存在着数据可靠性、通讯距离、端口数量等多个方面的限制，有一定局限性。本文所设计的养殖水质在线监控系统应用了虚拟串图3取样水泵采样设定界面口服务器，即VCOM服务器，通过利用ZLGCAN接口卡、CAN232MB转换器等设备，可以在1条普通双绞线上连接多达2048个RS-232设备，通讯距离可以长达10km甚至更远的距离。这些虚拟串口可以同真实串口执行完全一致的操作。实际上，通过普通双绞线构成的CANbus网络，在这些虚拟串口上通讯的数据被快速映射到CANbus网络中远端CAN232MB转换器的RS-232通讯端口。这样，本系统中在同一个CAN-bus网络中连接2个CAN232MB转换器，即可以映射成本地PC机上的2个远程虚拟串口，通过软件的无缝衔接，远程虚拟串口和本地串口在操作上并不存在任何差异。现场仪表的232数据信号通过CAN232MB转换器转换成CAN协议数据信号后经过现场总线传输到中央控制室的管理计算机上，经过计算机处理后，计算机发出的指令再次经过现场总线，把指令数据送到现场相应的I/O模块，最后由现场I/O模块控制增氧机、投饵机、水泵和过滤机等设备的运行。建立MCGS工程。利用MCGS软件强大的图形功能及报警、历史曲线显示等功能，可以灵活而有效地实现本系统的各种功能。一是控制系统。整个回路控制系统可分为增氧机测控、投饵机测控、采样测控、取水泵测控等4个功能模块，并可以直接从上位机实现自动设定和控制。如图3所示为取样水泵采样设定界面，其他界面与其类似。二是图形用户界面。养殖厂水质在线监测和生产过程自动控制系统工艺流程界面是整个系统的主画面，界面友好，为养殖生产管理操作人员提供了一个易于接受、操作的环境。此外，操作可以从此画面切换到系统任意一个其他画面，任一界面都具有很好的直观性。三是数据采集和实时监控。通过水质传感器输入/输出驱动程序与CAN232MB转换控制器不断进行数据交换，同时通过MCGS软件的图形显示界面显示水质指标的实时数据，监视整个控制系统的实时运行情况并反馈回监视器。四是曲线。利用MCGS的实时数据、实时曲线、历史数据、历史曲线等功能，可以查看各个测量值的实时数据值、历史数据值，同时可以将各个数据、曲线进行打印，为养殖生产提供决策依据。五是报警。利用MCGS的报警功能，可实现整个系统实时报警处理。监控计算机提供有报警画面，报警时，计算机发出报警声，同时显示报警信号，直到操作人员确认为止。报警信号还可以被引至远距离现场报警器，以便现场操作人员及时采取相应措施加以调整。

基于MCGS的养殖水质在线监控系统具有低功耗、低成本、精度高的显著优点，可在野外、露天等特殊环境下实现监测区域内信号的采集传输与处理，是养殖水质在线监控系统实现数字化、智能化、网络化运行的必然发展趋势，更是实现集约化水产养殖生产方式现代化的重要手段，可以实现以最少的资源耗费获得最大的优质产出和高效益。今后，伴随无线自组织网络技术的成熟和新的功耗解决方案的提出，无线传感器网络的应用必将普及到人们日常生活的各个领域。

本文作者：苗雷汤涛林刘世晶工作单位：农业部渔业装备与工程重点开放实验室