水产养殖是增长最快的动物食品生产行业,占目前世界食用鱼总量的近一半。水产养殖在我国农业生产中占有十分重要的地位,我国是世界水产养殖和水产品出口大国。2012年,我国水产品产量占世界总产量的61.7%^[1]。鱼塘养殖是我国水产养殖的主要模式,2012年其养殖面积占淡水养殖的43%^[2]。

溶解氧影响养殖对象的采食、生长、繁殖以及产量^[3],而且直接或间接影响氨氮、硝酸盐等其他水质因子^[4]。人工控制增氧机能够有效解决高密度、集约化养殖的增氧问题,但存在盲目增氧、费时费力问题。为按需调控养殖水体中的溶解氧含量,国外一些公司研发出专用于养殖领域的先进成熟的溶解氧自动测控系统,但价格昂贵(如丹麦OxyGuard溶解氧自动测控仪,每台7 500元),我国绝大多数的小型养殖户无法承担。国内生产的溶解氧自动测控产品,为确保准确测量,每隔7 d需要简单冲洗溶解氧传感器,由于传感器安装在采样器中(浮筒),清洗繁琐,且仅能检测表层水体,因此不能满足底层水质的测量要求。近2年来国内开展大量鱼塘溶解氧监控系统的研究,着重关注鱼塘物联网和无线传感网络的开发工作^{[5, 6, 7, 8, 9, 10]},解决了鱼塘布线困难和增氧机远程控制的问题。然而,这些系统依然没有解决价格高、维护周期短、不同水层测量等基本问题^[11],大范围推广使用较难。解决上述问题的关键在于研制低成本、强抗污、满足不同水层测量的鱼塘溶解氧传感器及与其配套的在线控制器。为此,本研究在充分消化吸收国外溶解氧自动测控先进技术的基础上,构建适用于我国的鱼塘增氧控制系统,对其进行田间长期运行试验以检验系统的可靠性。

为实现鱼塘溶解氧、温度信号检测以及增氧机自动启停和远程控制功能,该系统主要由溶解氧温度集成传感器、溶解氧在线控制器、增氧机、交流接触器和用户手机等组成(图 1)。其中,溶解氧温度集成传感器和增氧机安装在鱼塘中,水平位置相距20 m左右。集成传感器的安装位置,根据养殖对象的生活水层任意确定。增氧机类型和功率,根据养殖对象品种、密度和养殖规模来确定。溶解氧在线控制器和增氧机控制组件安装在鱼塘岸边的配电箱内,以不妨碍捕鱼、便于接线为原则。

	图 1 系统实物结构图 Fig. 1 System structure picture
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该系统的工作原理为:溶解氧传感器、温度传感器(集成传感器)在线测量鱼塘水体的溶解氧和温度,根据养殖对象需氧量,设定溶解氧在线控制器的溶解氧上、下限,来控制增氧机的自动启停。为方便用户快速灵活地掌握鱼塘现场情况以及远程控制增氧机启停,溶解氧在线控制器中集成GSM通信模块(内部可以安装手机SIM卡),以实现用户与控制器之间信息的交互,如完成停电报警、晴天午后增氧功能。若电网停电,控制器会主动发送断电报警短信到养殖户手机;当养殖户需要掌握鱼塘溶解氧、温度信息时,可以随时随地拨打SIM卡电话,SIM卡自动挂断电话并发送实时测量数据到用户手机;当养殖户需要远程控制增氧机时,根据既定格式给SIM卡发送短信,实现增氧机启停。整个系统将溶解氧检测和增氧机自动控制相结合,代替人工操作,避免增氧机盲目启停,降低人工劳动强度,实现按需增氧。

溶解氧温度集成传感器负责养殖水体中溶解氧、温度信息的采集,是信息获取的关键设备,其性能决定系统可靠性、准确性。溶解氧在线控制器负责传感器输出信号的采集、处理、存储、控制和传输,是系统核心设备,包括硬件电路和软件程序的设计。增氧机负责水体增氧,是系统的执行部件,其性能决定增氧能力。

溶解氧温度集成传感器,将溶解氧、温度信息转换为电信号。经调查,目前国内现有的鱼塘增氧控制系统主要采用极谱式电化学溶解氧传感器,该类型传感器需要外部极化电压,且透氧膜极易被藻类污染,清洗周期短,使得传感器在短时间内失效,采集数据失真。为解决上述问题,本文采用自行研制的原电池式电化学传感器检测溶解氧(关于该类型传感器的测量原理和温度特性模型参见文献^[12]),该类型传感器无需外部极化电压,测量快速、维护工作简便,更适于长时间独立运行^[13]。为实现温度自动补偿和测量,在溶解氧传感器内集成NTC温度传感器(广州市和兴电子股份有限公司生产)。制约溶解氧传感器在鱼塘中长期运行的问题在于其抗污性,为此,根据鱼塘中藻类带负电的特性,在传感器透氧膜外部加置铜质防污帽(图 1),减少藻类附着在透氧膜表面,以延长清洗周期。同时,防污帽起到配重作用,不需要将其安装在浮筒中,可以解决任意水层测量的问题。

根据鱼塘养殖中养殖鱼类所需的溶解氧浓度、温度范围,确定自行研制的原电池式溶解氧温度集成传感器的测量范围。该传感器4线模拟信号输出,2线是溶解氧传感器的电压输出,范围为0~30 mV,溶解氧测量范围为0~20 mg · L^-1或者0~200%饱和度;2线是NTC温度传感器的电阻输出,中心阻值10 kΩ,精度1%,温度测量范围为0~40 ℃,可以满足鱼塘的实际测量要求。

为实现集成传感器输出信号的采集、处理、传输以及控制,采用模块化结构设计方法研制与传感器相匹配的控制器,其硬件电路模块设计框图见图 2,包括传感器调理电路模块、16位A/D采样电路模块、处理器模块、继电器及驱动模块、GSM/GPRS模块、RS232通信模块以及电源模块、LCD显示屏模块和按键。

	图 2 系统总体设计 Fig. 2 System design
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处理器选型和A/D模数信号转换模块是影响在线控制器测量精度的关键。根据低成本、低功耗、宽工作电压的现场测控要求,选用G80F927型单片机(中颖电子股份有限公司生产),该芯片较传统的8051芯片具有运行更快速的优越特性。为了保证集成传感器0~30 mV输出电压信号的高精度采集,选用16位AD7705芯片,该芯片在2.5 V基准电压下,电压分辨精度为0.039 mV。溶解氧、温度信号调理电路与A/D采样电路的连线图如图 3所示,完成溶解氧、温度信号的采集。

	图 3 溶解氧、温度调理电路与A/D采样电路连线图 Fig. 3 The wiring diagram between signal conditioning circuits,temperature conditioning circuit and A/D sampling circuit
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根据鱼塘现场增氧机最大控制功率15 kW,确定继电器数量为4个,其型号选用宏发HF-115F-005-2Z; GSM/GPRS模块选用华为MG323-B GSM LCC;RS232通信模块,用于单片机存储区记录数据的读取(最大记录32 k),当记录数据间隔30 min时,可记录50 d;为保证GSM模块停电报警短信的发送,控制器内配置3.7 V锂电池。

为协调和控制各个电路模块正常运行,溶解氧在线控制器软件也采用模块化编程方法,包括初始化、信号采集与处理、继电器控制、GSM通信处理、菜单设置及界面显示等模块。程序采用Keil 4软件编写,流程如图 4所示。MG323处理:检测是否需要发送断电报警短信;溶解氧计算:将单片机采集的溶解氧、温度电压信号换算为溶解氧浓度(mg · L^-1)、温度(℃);根据短信命令控制继电器开闭,是指接受既定格式手机短信,根据短信命令控制继电器动作;菜单设置包含溶解氧探头校准、溶解氧上下限、数据自动保存时间间隔、查看记录数据、用户手机号码、系统时间、自动/手动控制等设置程序;显示界面包含时间、温度、溶解氧、继电器输出状态的显示。利用JET51下载器将程序从电脑上下载到单片机中。

	图 4 溶解氧在线控制器软件流程图 Fig. 4 Software flow chart of DO controller
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目前鱼塘中使用较为广泛的增氧机类型有叶轮式、水车式、射流式、充气式和底部曝气式等,已有研究表明叶轮式增氧机比其他形式增氧机的增氧效果好^[14]。本文使用叶轮式增氧机,其技术参数如表 1,由金湖小青青机电设备有限公司生产。

为了验证本系统长时间运行的可靠性,2014年4月19日起,在南京六合西门农场发展有限公司的养殖现场进行安装及试验。鱼塘面积约1.33 hm²,平均水深1.4 m,四大家鱼混养,养殖密度16 725尾 · hm^-2。在鱼塘中呈对角方位安装2台本系统,集成传感器布置于水下1.2和0.7 m,分别记为1、2节点,自安装之日起每天24 h不间断测量,数据记录时间间隔30 min;每个控制器接 1台叶轮式增氧机,溶解氧上限设置为3.0 mg · L^-1,下限设置为2.5 mg · L^-1。图 5给出系统运行1个月后,溶解氧温度集成传感器透氧膜表面对比图,透氧膜表面未被浮游生物污染,远长于国内现有系统7 d的维护周期^[11],具有强抗污性。而且本文溶解氧温度传感器可以安装在任意深度,能够满足不同水层的测量要求,克服了安装在浮筒中溶解氧传感器仅能测量表层水体的缺陷,也避免了水泵吸水集中采样方式引起的测量误差^[15]。选取2014年5月的数据,图 6给出1、2节点的数据序列,2个节点的数据变化趋势基本一致,系统运行可靠;但由于养殖密度低,根据设定的溶解氧上、下限,5月基本不需要增氧机开启进行增氧。

	图 5 溶解氧传感器使用前后对比图 Fig. 5 DO sensor picture used one month
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	图 6 西门农场鱼塘5月1(A)、2(B)节点溶解氧和温度变化曲线图 Fig. 6 DO and temperature change chart for 1,2 nodes in May in Ximen Farm fish pond
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2014年5月19日起,在金湖县黎城镇水产养殖场安装本系统进行现场试验。鱼塘面积0.27 hm²,平均水深1.8 m,养殖密度37 500尾 · hm^-2,溶解氧温度集成传感器安装于水下0.6 m,溶解氧上限设置为4.5 mg · L^-1,下限设置为4.0 mg · L^-1。控制器接1台3 kW的叶轮式增氧机。为说明控制效果,选取6月19至20日的数据序列(图 7),可以看出,最低溶解氧质量浓度稳定在4.0 mg · L^-1,机具根据设定的溶解氧上、下限可靠启停,达到按需增氧。6月19日多云,6月20日阴,48 h中增氧机累计开启时间19 h。

	图 7 金湖鱼塘6月19—20日溶解氧质量浓度、温度变化曲线图 Fig. 7 DO concentration,temperature change chart in Jinhu fish pond
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本系统制造成本约每套800元(定制单套样机价格),根据相关厂家核算,预计该系统的销售价格约为每台2 000~2 500元,是丹麦OxyGuard溶解氧自动测控仪价格的1/4~1/3,本系统制造成本低,能够满足我国绝大多数小型养殖户的使用。本系统自安装之日起,一直在现场稳定运行,其他月份的数据参见查询网页:http://211.87.5.5/。系统在使用期间,溶解氧传感器5、6月1个月洗1次,7、8月半个月洗1次。25 ℃自来水中,与OxyGuard溶解氧自动测控仪的测试数据相比,本系统溶解氧、温度的测量误差分别为±0.5 mg · L^-1、±0.2 ℃。

1)与传统增氧机相比,本系统能够实现增氧机的自动启停,长期运行可靠,代替人工操作,实现按需增氧。

2)该系统的溶解氧传感器使用1个月后,表面透氧膜未被浮游生物污染,冲洗间隔远长于国内现有系统7 d的维护周期,表明加置铜质防污帽有效,抗污性增强。该传感器不需要放在浮筒中,安装位置灵活且清洗方便。

3)本系统制造成本价格低,是丹麦OxyGuard溶解氧自动测控仪价格的1/4~1/3,具有大面积商业推广价值。