水产养殖中复合精确自动增氧技术研究

蒋建明 朱正伟 李正明 赵德安 史 兵

(1.常州大学信息科学与工程学院， 常州 213164； 2.江苏大学电气信息工程学院， 镇江 212013)

引言

我国是世界上最大的水产养殖国，传统的小规模依靠自然条件养殖模式已逐步淘汰，高密度规模化养殖已成为一种趋势。节能减排、降低成本和提高水产品质量、满足人民群众日益增长的品质需求是众多养殖户不断追求的目标。

高密度水产养殖中保持水体溶解氧浓度稳定是稳产和高产的基础，为此许多养殖户不惜采用过量粗放式增氧确保安全，浪费了电能，但安全系数仍然不能有效提高。普遍采用手动控制单一机械增氧模式，增氧机械80%左右为叶轮增氧机，其他还有微孔曝气式、水车式等，其增氧效率相对低下。顾海涛等[1]提出数字化、智能化控制是水产养殖增氧技术的发展趋势。张世羊等[2]提出依据不同增氧机械的特点，白天宜采用耕水机工作，夜晚增氧宜采用叶轮增氧机。本文提出一种采用无线传感网络实时监测水体溶解氧浓度，耕水机昼夜不停耕动水体改善水质和应急情况下采用叶轮增氧机变频增氧的绿色精确增氧模式。

1 系统结构

系统结构如图1所示，每个养殖池增氧设备由1台叶轮增氧机和1台由太阳能电池供电的昼夜不停耕动水体的耕水机组成。水体溶解氧浓度通过ZigBee无线传感网络传输到每个养殖池的基站，基站通过串行通信传输给控制器CPU，CPU根据系统设定上、下限值控制叶轮增氧机启动和停止。

图1 系统硬件结构图Fig.1 Structure of system hardware

2 增氧控制

系统增氧主要分为太阳能驱动耕水机绿色增氧和电力驱动叶轮增氧机应急增氧。

2.1 耕水机的绿色增氧

耕水机功率一般分为25、40、60 W，它利用流体力学的原理，以极低的功耗驱动养殖池水体大范围循环运动。工作时耕水机附近表层水面由中心向四周缓缓扩散流动，底层水体源源不断提升补充。整个养殖池以耕水机为中心形成涌升流，表层水和底层水不断循环置换[3-4]。主要作用有：有效消除底层水体中氨氮、亚硝酸盐、硫化氢等有害物质，对沉积的残饵、排泄物等分解，同时溶解氧浓度低的底层水体循环到表层，有利于空气中的氧气扩散溶入水中。根据研究报道[3-7]，藻类的光合作用

(1)

是增加水体溶解氧浓度的主要途径，在无增氧措施的情况下，占到90%左右。藻类原生质的碳、氮、磷3种元素按平均原子个数比为：C∶N∶P=106∶16∶1。藻类对营养要素的吸收也是按照这个比例进行的。

藻类在光合作用的过程中不仅吸收水中大量CO2和产生O2，同时吸收了氮磷，净化了水体。耕水机驱动水体上下循环使整个水体中的藻类都有机会进行光合作用达到富氧状态。节省了叶轮增氧机电力增氧时间，节约了电能。水体的循环流动促进了藻类和浮游生物的生长，成为鱼虾的天然饵料，减少了饵料的投放[8-12]。但耕水机的应急增氧能力弱小，需要其他机械应急增氧[13-15]。

2.2 叶轮增氧机的精确增氧

叶轮增氧机是在20世纪70年代研制成功的渔业增氧机械，至今仍然是我国最主要的机械增氧设备。它具有搅水、增氧、混合和曝气的作用。按功率一般分为0.75、1.5、3 kW，具有构造简单、成本低廉和维护方便等优点[16-21]。

2.2.1增氧效果分析

空气中的氧气从混合液的气相一侧扩散到液相一侧，气相一侧中氧气浓度比液相一侧的浓度越大，则扩散的速度越快，当二者相近时，增氧效率低。空气中氧气向水体中扩散的规律可以用菲克(Fick)定律描述

(2)

式中Vd——物质的扩散速度

DL——扩散系数

C——当前扩散物质浓度

X——扩散过程长度

dC/dX——单位长度内的浓度变化量，即扩散浓度的梯度

再根据刘易斯(Lewis)和怀特曼(Whitman)创立的双膜理论

(3)

式中M——单位时间t内扩散物质通过扩散界面的数量

A——扩散界面面积

把式(3)代入式(2)得到

(4)

由图2可知：①在扩散界面两侧的气相一侧和液相一侧存在层流状态的液膜和气膜，液相及气相主体分别处在外侧。液相和气相主体处于紊流状态。而气体分子需要以分子状态分别通过气膜和液膜，然后融入液相主体。②在机械增氧过程中，增氧的速度主要取决于氧分子通过扩散界面液膜的速度。③液相中氧分子的浓度梯度和气膜中氧分子分压梯度是氧气扩散的主要推动力。④扩散界面两侧存在紊流状态气相主体和液相主体，两种主体内物质浓度均匀，基本没有传质阻力和浓度差。气体分子扩散的阻力主要存在于气膜和液膜中。

图2 双膜扩散理论模型Fig.2 Two-film diffusion theory model

在增氧过程中，氧气溶入水中的阻力在空气和水接触的液膜上，氧分子通过液膜的转移速度就是氧气溶入水中的控制速度。在液膜溶解氧浓度梯度为

(5)

式中Xf——液膜厚度

CS——空气与液面交界处的溶解氧浓度

把式(5)代入式(4)得

(6)

由式(6)可知，为了提高氧气向水体的传递速率dM/dt,可以考虑以下因素：①提高气膜和液膜界面处的溶解氧浓度CS，如采用纯氧增氧(成本太高)。②降低液膜厚度Xf，如加速气、液面的更新。③增加气、液接触面积。同时还可以发现当前水体溶解氧浓度C接近CS时，二者的差值极小，此时增氧效率低，因此当水体溶解氧浓度高时，继续增氧效率比较低。

为了在水体溶解氧浓度低于下限值时及时启动叶轮增氧机精确增氧和避免在高于设定上限值时低效增氧，必须对水体溶解氧浓度实时监测。

2.2.2水体溶解氧浓度无线监测

养殖池水体溶解氧监测如果采用有线监测需要架设电缆，成本高且影响养殖池其他作业，因此采用ZigBee无线通信监测(图3)，协议采用低能量自适应分群分层路由协议(Low energy adaptive clustering hierarchy，LEACH)。

图3 溶解氧传感器及ZigBee模块Fig.3 Dissolved oxygen sensor and ZigBee module

水体溶解氧浓度变化惯性系数大，测量节点向基站发送测量数据的周期较长。测量过程中由于多种原因引起个别时间测量数据失常，明显偏离实际值，这种粗大误差歪曲了测量结果，在测量控制一体化系统中，如不及时删除容易导致控制系统的混乱。

当测量次数多时，可以通过莱特准则删除粗大误差测量值；当测量次数较少时，测量值误差分布偏离正态分布，大致成t分布，可以采用肖维涅准则(表1)。

表1 肖维涅系数Tab.1 Shawley coefficients

假设某节点在一个数据发送周期内感知溶解氧质量浓度为：y0=5.01 mg/L，y1=5.08 mg/L，y2=5.12 mg/L，y3=5.03 mg/L，y4=4.95 mg/L，y5=5.36 mg/L，y6=4.92 mg/L，y7=4.98 mg/L，y8=5.11 mg/L，y9=4.95 mg/L。

认为y5是粗大误差，应该删除。删除后重新计算：

v=σc(n)=0.073×1.92=0.140 mg/L

而此时最大绝对误差为

则系统认为已不存在粗大误差，则测量均值为5.017 mg/L，在规定时间向基站发送。

为了保证测量的客观性和安全性，根据实际情况，每个养殖池可以安置多个测量节点，基站求取平均值后传输给CPU。

2.2.3增量式PID控制增氧

从降低成本角度考虑，溶解氧应急变频增氧不适合采用复杂算法控制，要求控制稳定、简单高效，特殊情况下，从变频增氧模式人工切换到工频增氧模式达到无扰动切换，增量式PID控制能够满足上述要求。离散的PID控制为

(7)

式中u(k)——控制器输出

e(k)——控制器输入，是设定值与被控量之差

kp——比例放大系数

ki——积分系数kd——微分系数

增量式PID数字控制器的输出是控制量的增量Δu(k)，可以采用硬件或软件方法实现，本系统采用软件算法实现，依据式(7)可以得到

Δu(k)=u(k)-u(k-1)=

kpΔe(k)+kie(k)+kd(Δe(k)-Δe(k-1))

(8)

其中

Δe(k)=e(k)-e(k-1)

代入式(8)得到

Δu(k)=Ae(k)-Be(k-1)+Ce(k-2)

(9)

其中

式中Ti——积分时间Td——微分时间

T——运行时间

当采样周期确定后，选定kp、Ti、Td后，则A、B、C系数确定，系统获取测量的3次误差就可确定增量式PID的输出的变化量Δu(k)。

3 试验结果与分析

选择4个100 m×80 m的养殖池，主要以四大家鱼养殖为主，1号和2号养殖池采用太阳能驱动40 W耕水机和电力驱动3 kW叶轮增氧机的复合自动增氧模式，控制装置如图4所示，耕水机通过200 W的太阳能电池组件供电。3号和4号养殖池采用单一手动控制3 kW叶轮增氧机模式。养殖周期为2 a。自动增氧时PID控制参数T为10 s，kp为20，Ti为1 min，Td为5 s。水体溶解氧浓度测量深度为水面下0.6 m处，当浓度低于5.0 mg/L时，叶轮增氧机启动，开始变频增氧；当大于6.5 mg/L时停止增氧。启动后，增氧目标设定值为5.5 mg/L。单一增氧模式开启时间为夏季晚上20:00至第2天早上08:00，阴雨天全天开机，冬季不开机，采用工频增氧。夏季某天测量得到溶解氧浓度变化如图5所示。

图4 变频控制装置及叶轮增氧机工作图Fig.4 Frequency control device and impeller aerator working diagrams

图5 溶解氧浓度变化曲线Fig.5 Variation curves of dissolved oxygen concentration

由图5可知，复合方式控制养殖池水体溶解氧质量浓度大部分时间稳定在5.5 mg/L，达到了精确增氧的目的；在09:00—17:00之间，耕水机工作使养殖池水体上下交换，上下层水体中的藻类都有机会通过光合作用储备溶解氧，达到了绿色增氧效果。单一增氧模式养殖池溶解氧浓度变化较大，在叶轮增氧机开启前达到了最低值，而且溶解氧浓度下降速度快，主要是因为白天由于藻类的光合作用仅增加了上层水体溶解氧浓度，虽然上层水体溶解氧浓度过饱和，但中下层水体由于不能上下循环，养殖池溶解氧整体浓度仍然较低。

图6 溶解氧浓度差值变化曲线Fig.6 Variation curves of dissolved oxygen concentration difference

通过测量水面下0.6 m和1.0 m处的溶解氧浓度，得到差值变化如图6所示。

由图6可知，单一增氧方式叶轮增氧机在08:00左右停止工作后溶解氧浓度逐渐产生了阶跃分层，一直到20:00左右重新启动才消除分层。而复合增氧方式由于耕水机不停循环耕动水体，大部分时间消除了溶解氧的阶跃分层，只有在20:00—23:00左右短暂分层，优化了鱼虾的生长环境。

各养殖池成本、利润如表2所示，在规模化水产养殖中，虽然采用复合增氧方式硬件初期投入大于单一增氧方式，但总体利润仍大于单一增氧方式，而且前期的投入可以继续使用，减少了下期硬件投入。

表2 各养殖池投入成本、利润统计Tab.2 Statistics of cost and profit of each pool 元

4 结束语

对太阳能电池绿色驱动耕水机改善水质和变频精确控制叶轮增氧机应急增氧进行了试验，试验结果表明，复合增氧方式虽然初期投资较多，但增氧效率好，节省了人力与电力资源，与单一增氧方式相比节省了约65%的电能、80%的人力成本和20%的药品等，虽然机电设备投资增加了约1.89倍,但总体利润增加20%以上。

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