吳小峰

(南通航運(yùn)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，江蘇 南通 226010)

0 引言

隨著我國(guó)水產(chǎn)養(yǎng)殖業(yè)的不斷發(fā)展與進(jìn)步，應(yīng)用于水產(chǎn)養(yǎng)殖的裝置控制與調(diào)節(jié)水平亦逐步向智能化方向轉(zhuǎn)變。根據(jù)養(yǎng)殖作物水體的參數(shù)特征，相關(guān)專家與學(xué)者分別從不同角度展開研究，如pH值監(jiān)測(cè)、溶解氧監(jiān)測(cè)及濁度監(jiān)測(cè)等，通過一系列地自動(dòng)智能監(jiān)測(cè)，實(shí)時(shí)掌握水體內(nèi)部的參數(shù)變化情況，并及時(shí)采取相關(guān)養(yǎng)殖措施，保證整體水域環(huán)境良好，以提高養(yǎng)殖產(chǎn)量與質(zhì)量。融入物聯(lián)網(wǎng)及無(wú)線傳感器等技術(shù)于水產(chǎn)養(yǎng)殖智能控制系統(tǒng)，是近年來的研究熱點(diǎn)，筆者在借鑒前人研究的基礎(chǔ)上，針對(duì)水產(chǎn)養(yǎng)殖的參數(shù)之一—水體溫度展開論述，進(jìn)行溫度調(diào)控系統(tǒng)的智能化應(yīng)用設(shè)計(jì)。

1 水產(chǎn)養(yǎng)殖系統(tǒng)監(jiān)測(cè)

在水產(chǎn)養(yǎng)殖中，溫度對(duì)養(yǎng)殖作物的存活率及質(zhì)量起到關(guān)鍵性的作用。隨著大規(guī)模農(nóng)業(yè)水產(chǎn)養(yǎng)殖的發(fā)展，在線監(jiān)測(cè)技術(shù)不斷應(yīng)用于水產(chǎn)養(yǎng)殖領(lǐng)域，水產(chǎn)養(yǎng)殖系統(tǒng)的監(jiān)測(cè)作為新興自動(dòng)化控制技術(shù)的產(chǎn)物，其監(jiān)測(cè)原理可簡(jiǎn)要描述為：在監(jiān)控中心的主控下，安裝在水域內(nèi)部的若干傳感裝置，通過對(duì)水體內(nèi)部的溫度、pH、溶解氧及電導(dǎo)率等參數(shù)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，并通過專用控制器處理后傳輸?shù)街醒肟刂葡到y(tǒng)；在水產(chǎn)養(yǎng)殖現(xiàn)場(chǎng)與中央控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)通信后，對(duì)各個(gè)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)參數(shù)進(jìn)行數(shù)據(jù)對(duì)比，超出一定的閾值范圍，需要工作人員及時(shí)進(jìn)行操作調(diào)整，確保各水質(zhì)參數(shù)適合水體內(nèi)養(yǎng)殖物的成活。整個(gè)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)各個(gè)模塊之間實(shí)現(xiàn)互相協(xié)調(diào)控制，關(guān)鍵技術(shù)如PID、ZigBee及模糊控制等被應(yīng)用于相關(guān)控制環(huán)節(jié)與裝置，整個(gè)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)形成閉環(huán)控制有機(jī)整體，完成水產(chǎn)養(yǎng)殖系統(tǒng)監(jiān)測(cè)工作。其監(jiān)測(cè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

2 溫控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

針對(duì)溫度調(diào)控系統(tǒng)進(jìn)行劃分，將水產(chǎn)養(yǎng)殖區(qū)域簡(jiǎn)化(見圖2)，各節(jié)點(diǎn)分布著無(wú)限路由及傳遞感應(yīng)裝置用來重點(diǎn)采集水體溫度信息。系統(tǒng)硬件方面選取低能耗、高精度進(jìn)行組裝，主要傳感器節(jié)點(diǎn)功能圖如圖3所示。在電源模塊的供電之下，控制模塊發(fā)揮主體作用，通過信號(hào)調(diào)理回路實(shí)現(xiàn)水體溫度信息傳遞，并經(jīng)轉(zhuǎn)化放大之后送入無(wú)線通訊模塊。經(jīng)比選采用DS18B20作為溫度傳感裝置主體芯片，控制電路為單通道控制，可有效防干擾、穩(wěn)定性強(qiáng)。圖4給出溫控系統(tǒng)節(jié)能模塊電路連接圖，可保證硬件裝置整體工作時(shí)間持續(xù)低耗。

圖1 水產(chǎn)養(yǎng)殖監(jiān)測(cè)系統(tǒng)簡(jiǎn)圖Fig.1 Brief diagram of the monitoring system of the aquaculture

圖2 水產(chǎn)養(yǎng)殖環(huán)境監(jiān)測(cè)區(qū)域簡(jiǎn)化圖Fig.2 Simplified diagram of the monitoring area of the aquaculture environment

圖3 溫控系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)連接圖Fig.3 Hardware design connection diagram of the temperature control system

圖4 溫控系統(tǒng)節(jié)能模塊電路圖Fig.4 Energy saving module circuit diagram of the temperature control system

針對(duì)水產(chǎn)作物生存環(huán)境的特點(diǎn)，通過表1所列性能參數(shù)對(duì)比，選取模糊PID控制理論，對(duì)水產(chǎn)養(yǎng)殖的溫度實(shí)現(xiàn)微型調(diào)控，以提高溫度調(diào)控系統(tǒng)的精度要求。控制器設(shè)計(jì)參數(shù)依照模糊控制規(guī)則編碼并根據(jù)如下公式進(jìn)行動(dòng)態(tài)匹配，即

KPΔe(t)+KIe(t)+KD[Δe(t)-Δe(t-1)]

表1 不同控制器性能參數(shù)對(duì)比Table 1 Parameters comparison of performance between the different controllers

2.2 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

溫度調(diào)控系統(tǒng)軟件程序設(shè)計(jì)的核心在于算法的選取，合適的算法能夠得到符合實(shí)際水產(chǎn)養(yǎng)殖的溫度采集與監(jiān)控效果。依據(jù)上述對(duì)硬件組成元件的選型及控制電路設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)信號(hào)的識(shí)別、采集與傳輸，進(jìn)入與上位機(jī)通訊環(huán)節(jié)，主要利用通訊轉(zhuǎn)換器、A/D轉(zhuǎn)換放大原理和門禁控制器等裝置。擬設(shè)計(jì)的溫控系統(tǒng)軟件包含設(shè)計(jì)程序初始化、畫面顯示、打開與關(guān)閉及溫度曲線的生成等程序，此處給出溫度上下限控制報(bào)警關(guān)鍵程序代碼如下：

…

…

if(FtempRec.temp[i-1]>

tempHighlimit)

or (FtempRec.temp[i-1]<

tempLowlimit)

then

begin

tmpledt.Font.Color:=clRed;

tmpStr:=tmpStr+ Format(‵%d,′,

[i]);

if not tmpBool then

tmpBool:= True;

if tmpBool then

begin

lbWarn.Caption:= tmpStr+ ‵溫度超限！′;

Windows.Beep(2500,200);

Windows.Beep(2000,200);

end

else

lbWarn.Caption:=″;

…

…

主體調(diào)控系統(tǒng)軟件界面設(shè)置完成之后，需要傳送至客戶端供養(yǎng)殖監(jiān)護(hù)人員實(shí)時(shí)監(jiān)視與調(diào)控，此控制系統(tǒng)采用如下關(guān)鍵程序代碼實(shí)現(xiàn)通信：

…

Dim sendDate As Byte

Dim RecDate As Byte

Dim Prirate Sub Form_load()

…

MSComm1.CommPort=4

MSComm1.InputMode=19

MSComm1.Settings=”9600,0,8,1”

MSComm1.InputLen=0

MSComm1.RThreshould=1

MSComm1.RThreshould=0

if MSComm1.PortOpen=False

then

end if

end Sub

…

3 調(diào)控與測(cè)試

在核心控制理論算法之下，利用設(shè)計(jì)的溫度調(diào)控軟件及裝置進(jìn)行模擬調(diào)控，可以實(shí)現(xiàn)溫度的識(shí)別顯示與高低值報(bào)警等功能。圖5為設(shè)計(jì)的溫控軟件調(diào)控系統(tǒng)監(jiān)視畫面。從畫面上可以清晰看出：溫度編碼的實(shí)際溫度值及不符合條件的溫度，需工作人員及時(shí)發(fā)現(xiàn)并做出調(diào)整。此溫度來源于水產(chǎn)養(yǎng)殖環(huán)境區(qū)域模擬狀態(tài)下的各個(gè)節(jié)點(diǎn)分布的溫度傳感裝置，通過智能化控制實(shí)現(xiàn)水產(chǎn)養(yǎng)殖的溫度參數(shù)化，驗(yàn)證智能化設(shè)計(jì)的可行性之后進(jìn)行試驗(yàn)地測(cè)試。

圖5 溫度調(diào)控系統(tǒng)監(jiān)視畫面Fig.5 Monitoring picture of the temperature control system

選取某水產(chǎn)養(yǎng)殖區(qū)域面積為20m×20m，對(duì)水域環(huán)境的溫度測(cè)試精度及傳送數(shù)據(jù)穩(wěn)定性進(jìn)行試驗(yàn)。試驗(yàn)記錄數(shù)據(jù)如表2所示。由表2可看出：將水域環(huán)境對(duì)比溫度設(shè)置為23℃，其溫度調(diào)控系統(tǒng)的測(cè)試精度可達(dá)5%左右；對(duì)于無(wú)線傳感裝置的節(jié)點(diǎn)誤差控制在±0.3%范圍內(nèi)，水產(chǎn)養(yǎng)殖作業(yè)人員只需根據(jù)該溫度調(diào)控系統(tǒng)的現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，利用已編制導(dǎo)入的智能控制程序進(jìn)行選取與點(diǎn)擊，便可實(shí)現(xiàn)水產(chǎn)養(yǎng)殖的溫度智能化控制。

表2 溫度測(cè)試精度及測(cè)試節(jié)點(diǎn)傳輸數(shù)據(jù)記錄Table 2 Records of the temperature test accuracy and the transmit data of the test nodes

4 結(jié)論

1)通過對(duì)水產(chǎn)養(yǎng)殖在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)原理進(jìn)行掌握，針對(duì)溫度調(diào)控系統(tǒng)進(jìn)行智能化研究和設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)了一種基于無(wú)線傳感與核心算法相結(jié)合的溫控系統(tǒng)。

2)該水產(chǎn)養(yǎng)殖溫度調(diào)控系統(tǒng)通過硬件選型與軟件程序編制，實(shí)現(xiàn)溫度精確測(cè)量與調(diào)控，經(jīng)試驗(yàn)，精確度控制在5%左右，信號(hào)數(shù)據(jù)傳輸誤差控制在0.3%左右，驗(yàn)證了溫度調(diào)控系統(tǒng)智能化設(shè)計(jì)的合理性。

3)本溫度控制系統(tǒng)的創(chuàng)新點(diǎn)在于將智能降耗理念運(yùn)用于電源控制模塊，大大提高溫調(diào)系統(tǒng)的整體工作效果，為水產(chǎn)養(yǎng)殖人員提供水產(chǎn)環(huán)境信息時(shí)間得到延長(zhǎng)。

4)針對(duì)水產(chǎn)養(yǎng)殖環(huán)境進(jìn)行溫度智能化研究，有利于更為精確、高效地了解養(yǎng)殖環(huán)境信息，便于養(yǎng)殖人員實(shí)時(shí)監(jiān)控并作出調(diào)整，這一思想可用于pH、電導(dǎo)率等其他關(guān)鍵參數(shù)專項(xiàng)研究開發(fā)，有一定的推廣與參考價(jià)值。