池塘养殖自动控制系统研发*

张红燕，袁永明,马晓飞，施 珮

(中国水产科学研究院淡水渔业研究中心 农业部淡水渔业和种质资源利用重点实验室，江苏 无锡 214081)

池塘养殖自动控制系统研发*

张红燕，袁永明,马晓飞，施 珮

(中国水产科学研究院淡水渔业研究中心 农业部淡水渔业和种质资源利用重点实验室，江苏 无锡 214081)

池塘养殖用工成本、能源及饲料消耗越来越高，消费者对水产品质量也更加重视，传统池塘养殖技术不能充分满足现代化水产养殖生产的基本需求，应用自动化精准控制技术实现池塘养殖自动控制，能够有效降低养殖用工成本、减少能源饲料浪费、提高水产品质量。文章根据池塘养殖一般流程以及自动控制需求，设计了池塘养殖自动控制系统，详细分析了系统结构组成及功能，阐述了系统硬件设备的选型与集成，介绍了系统主要软件的编程原理和开发实现。

池塘养殖；自动控制；自动增氧；自动调水

0 引言

我国水产养殖主要以传统的池塘养殖生产方式为主，随着自动化养殖设备的推广和普及，水质监测、自动控制以及智能养殖等技术手段在池塘养殖中的应用越来越广泛。目前，我国池塘养殖生产中的自动设备控制主要依靠养殖者的经验和习惯，不能按需控制、预警控制和精准控制，在造成电力、饲料、人工等生产成本浪费的同时不能满足现代化精准池塘养殖管理的需求[1]。因而，研发一种能够有效降低养殖用工成本、减少能源饲料浪费、提高水产品质量的池塘养殖自动控制系统十分必要。

1 系统结构与工作原理

池塘养殖自动控制系统主要由养殖环境监测模块、自动控制模块、专家系统模块以及人机交互模块组成，各功能模块之间通过混合组网实现通信和数据传递。通过系统软硬件设备设施的集成，系统能够完成和实现养殖环境监测、养殖精准控制、养殖方案更新和养殖现场查看等功能。系统结构如图1所示。

图1 系统结构图

系统首次运行时，用户可以使用远程配置程序或现场配置终端将养殖方案配置到控制器；养殖过程中，控制器实时采集养殖环境参数并上传至物联服务系统[2]，同时根据环境数据和已下载的养殖方案进行精准控制；物联服务系统将控制器上传的数据进行智能分析和处理，通过专家系统[3]判断当前养殖环境状况，对于异常状况及时生成控制处理方案，通过控制器及时处理异常，对于非异常状况则智能生成下一阶段的养殖控制方案，并将新方案与现有方案进行差异化比对后下载更新到控制器；控制器下载配置完养殖控制方案后可以独立运行，对养殖过程进行精准控制。系统工作流程如图2所示。

图2 系统工作流程图

2 系统硬件选型与设计

系统硬件主要包括水质和气象环境传感器、水产养殖自动控制器(PLC743)、数据通信单元和自动控制设备等。各硬件设备之间通过有线或无线进行通信连接，实现各个设备之间的互联互通，硬件设备的有效集成和互联保证了系统各项功能的稳定运行和实现。

2.1 水质和气象传感器

水质和气象传感器是实现系统水质监测功能进而实现精准控制的重要设备，系统选用测量准确、工作稳定的溶解氧传感器、pH传感器以及多参数气象站传感器实现水质和气象环境的实时监测。水质传感器设备采取投入式安装方式，安装于配套的水质传感器安装浮标，采用太阳能锂电池供电，有效持续工作时长可达45天；气象传感器为集成式多参数气象站，采用配套气象站安装立杆安装，采用混合供电方式，有效保证设备正常运行。

2.2 智能控制器单元

可编程逻辑控制器[4](PLC)是配备了微处理器的工业计算机，系统选用西门子S7-200系列CPU224XP AC/DC/RLY型PLC[5]，它集成了14路开关量输入和10路继电器输出，配有2路模拟量输入和1路模拟量输出，具有2个RS485通信接口，支持PPI、ModBus、MPI通信协议和自由方式通信。智能控制器接线图如图3。

图3 智能控制器接线图

系统使用PLC的PORT0通信口完成控制器与服务器端的通信，使用PORT1通信口接收传感器设备的监测数据；使用第一组继电器Q0.0～0.3控制投饲机，完成养殖投饲，使用对应的开关量输入I0.0～0.3监测投饲机运行状态；使用第二组继电器Q0.4～0.6控制叶轮式增氧机，其中Q0.4为增氧控制，Q0.5为调水控制，Q0.6为定时控制，并使用对应的开关量输入I0.4～0.6监测增氧机运行状态；使用第三组继电器Q0.7～1.1控制潜水泵，完成进排水操作，使用开关量输入I0.7～1.1监测潜水泵运行状态。

2.3 数据通信单元

控制器与传感器、控制器与服务器之间的互联互通需要借助通信模块实现，系统选用ZigBee通信方式[6]实现传感器与控制器自组网和数据通信；使用TCP/IP-RS485转换器实现控制器的网络接入和数据通信，在不具备宽带上网条件的野外，池塘通过GPRS/WCDMA/LTE等支持2G/3G/4G数据传输的通信模块实现控制器与服务器的数据通信。系统网络拓扑结构如图4。

图4 系统网络拓扑图

2.4 自动养殖设备

池塘养殖生产中增氧机、投饲机、水泵等设备最为常用，不稳定的电力供应、超负荷的运转以及工人操作不当等情况均会造成电机烧毁等损失或事故[7]。系统根据养殖池塘现有自动养殖设备负荷，为每一路养殖设备单独配套集成最适合的电气保护设备，配合智能控制器的智能养殖控制方案，实现自动养殖设备的精准控制、状态监测和断电保护。系统选用CDP6-32系列电动机专用断路器对增氧机进行电气保护，能够及时切断电动机供电，有效保护电动机不受过载、缺相、短路等用电异常情况的影响；使用CJX2系列小型交流接触器与智能PLC控制器连接，控制电动机的启动停止，并使用该型号交流接触器的常开触点监测设备运行状态。系统增氧机接线图如图5。

图5 增氧机接线图

图5中，QS为电动机断路器开关，FR为电动机断路器中的热继电器保护装置，FU为熔断器，KM为交流接触器，KM′为控制触点，KM*为常开触点，SA为增氧机手动开关。其作用原理为：闭合断路器QS，PLC控制器会根据环境状况和控制方案进行自动精准控制，满足控制条件，PLC输出端Q0.4继电器动作，交流接触器KM吸合，增氧机开启，到达指定条件，KM释放，增氧机停止；手动闭合增氧机手动开关SA，交流接触器KM吸合，增氧机开启，断开SA，KM释放，增氧机停止；当增氧机运行过程中出现异常状况，FR内部发热使其内部双金属片弯曲，推动电动机断路器内部闭合触点断开，交流接触器断开，完成电气保护。

3 系统软件设计

系统软件设计包括控制器程序设计、控制器远程配置程序设计以及现场配置终端程序设计，以实现数据通信、控制器配置、养殖环境监测和精准养殖控制等功能。

3.1 控制器程序设计

控制器程序设计使用SIEMENS S7-200PLC配套程序开发平台STEP 7-Micro/WIN V4.09.25进行编程实现，开发过程需要导入ModBus协议库[8]以实现PLC控制器的ModBus-RTU通信功能，并使用MBUS_INIT、MBUS_SLAVE初始化PLC从站功能，实现与服务器间的通信；使用MBUS_CTRL、MBUS_MSG初始化PLC主站功能，实现与传感器间的通信。能够连接7个支持ModBus-RTU通信协议的传感器接入，同时监测15个环境参数；采用4组定时控制器实现投饲机的定时投饲功能，结合环境参数实现投饲机智能控制；以水体溶解氧相对饱和度以及氧分压为依据，实现增氧机智能增氧和调水功能，使用不同的继电输出控制同一台增氧机进行增氧和调水。控制器程序运行流程如图6。

图6 控制器运行流程图

3.2 控制器远程配置程序设计

控制器远程配置程序(ITSStool)使用C语言设计开发，实现对于控制器的远程配置。远程配置程序通过RS232/485直联方式或TCP/IP远程通信方式实现配置指令的传输及配置。用户通过程序可以扫描并连接在线控制器设备，上载控制器现有配置，批量或逐条下载配置到控制器；通过配置界面完成传感器、控制器、定时器、输出控制、状态监测等功能配置，并查看实时环境监测数据和设备运行状态。远程配置程序运行流程如图7。

图7 远程配置程序运行流程图

3.3 控制器现场配置终端程序设计

现场配置终端选用兼容西门子TD-200系列的MD204L文本显示屏，使用MD204L配套编辑软件TP200CN进行现场配置终端程序设计，实现对于控制器的现场配置：MD204L通过PPI协议[9]与西门子S7-200系列PLC的编程口或扩展通信口直接通信；用户使用通信电缆完成MD204L与控制器的连接，进行包括通信参数在内的全部控制器参数的配置。控制器现场配置终端如图8。

图8 控制器现场配置终端

4 结论

池塘养殖自动控制系统综合运用传感器技术、无线通信技术、自动化控制技术，实现池塘养殖精准控制管理。系统能够有效降低生产成本、提高水产品质量，同时可以减轻劳动强度、扩大生产规模、提高生产管理的自动化程度，对现代水产养殖业发展具有重要的推动作用。

[1] 徐志强,王涛,鲍旭腾,等.池塘养殖自动投饲系统远程精准化升级与验证[J].中国工程机械学报,2015,13(3):272-276.

[2] 马晓飞，袁永明，张红燕,等.基于Modbus的水产物联设备驱动服务系统设计[J].传感器与微系统，2014，33(10):65-68.

[3] 张红燕,袁永明,贺艳辉,等.水产养殖专家系统的设计与实现[J].中国农学通报,2011,27(1):436-440.

[4] 王秀.基于PLC和GPRS的外加热干燥远程监控系统设计[D].西安:西安科技大学,2013.

[5] BERGER H. Automating with SIMATIC: controllers, software, programming, data[M]. Paris: Publicis, 2013.

[6] FARAHANI S. ZigBee wireless networks and transceivers[M]. Newnes,2008.

[7] 谷坚,顾海涛,门涛,等.几种机械增氧方式在池塘养殖中的增氧性能比较[J].农业工程学报, 2011,27(1):148-152.

[8] 汪正果.ModBus协议在S7-200PLC与PC机通信中的应用[J].煤矿机械,2010,31(2):192-194.

[9] 蔡锦达,倪建辉,郭锐,等.PPI协议与西门子S7-200 PLC的通讯[J].工业控制计算机,2006,19(4):13-14.

Research and development of automatic control system for pond culture

Zhang Hongyan，Yuan Yongming，Ma Xiaofei，Shi Pei

(Key Laboratory of Freshwater Fisheries and Germplasm Resources Utilization, Ministry of Agriculture,Freshwater Fisheries Research Center, Chinese Academy of Fishery Sciences，Wuxi 214081, China)

With the more and more high labor costs and energy and feed consumption of pond farming, consumers also pay more attention on the quality of aquatic products, traditional pond aquaculture technology can’t fully meet the basic needs of modern aquaculture production. Using automation precision control technology can effectively reduce farming labor costs, the waste of energy feed and improve the quality of the water products. According to the general process of the pond aquaculture and the requirement of automatic control design, the automatic control system of pond aquaculture was designed. this paper analyzed the system structure and functions in detail, described the system hardware selection and integration, introduced the software programming principle and realization.

pond culture；automatic control；automatic aeration；automatic water-changing

中央级公益性科研院所基本科研业务费专项资金项目(2015JBFM22)

TP311

A

10.19358/j.issn.1674- 7720.2017.01.030

张红燕，袁永明,马晓飞，等. 池塘养殖自动控制系统研发[J].微型机与应用，2017,36(1)：99-102.

2016-09-12)

张红燕(1978-)，女，硕士，副研究员，主要研究方向：渔业经济与信息技术。

袁永明(1961-)，通信作者，男，本科，研究员，主要研究方向：渔业经济与信息技术。E-mail: yuan@ffrc.cn。

马晓飞(1989-)，男，硕士，研究实习员，主要研究方向：渔业经济与信息技术。