基于水體溶解氧含量變化趨勢的增氧機控制系統研究

高陽，陳明

上海海洋大學信息學院，上海201306

基于水體溶解氧含量變化趨勢的增氧機控制系統研究

高陽*，陳明

上海海洋大學信息學院，上海201306

本文提出了基于水體溶解氧含量變化的增氧機控制系統，該系統根據傳感器傳回的實時溶解氧數據，通過方差和標準差算法判斷一定可配置時間內水體中溶解氧含量變化。當變化幅度達到配置閾值時，控制增氧機的開啟和關閉。該系統適用于網絡環境較差和低投入的水產品養殖企業，使得這些企業在不需要集成大規模高成本網絡系統的背景下，精確控制水產品養殖水體環境中溶解氧的數值，達到快速精細化、數字化養殖的程度。

溶解氧；增氧機；智能控制

目前增氧機控制大多集中于當水體中的含氧量高于或者低于某個數值時對增氧機進行開關控制。例如顏波等提出的基于物聯網的水產養殖智能化監控系統［1］；王志勇等提出的基于.NET的池塘養殖數字化管理系統［2］；蔣建明等提出的基于無線傳感器網絡的節能型水產養殖自動監控系統［3］等。他們建立的管理系統都是基于網絡的，而在實際情況下，養殖場大多處于城市的郊區和農村，這些地區的網絡環境相比城市來說相對較差，無法達到更加精確的養殖管理，尤其是水產養殖中水質的管理，因此，迫切需要提出一套不依賴于網絡便可以正常運行的水產養殖水質的管理系統。

在水質管理中，水體溶解氧的精細化管理至關重要，水體的溶解氧含量將決定水產品的質量、成活率以及發病率［4］。本文根據水體含氧量和變化趨勢，并以繼電器開關保護來控制增氧機的開啟和關閉操作，可以有效的避免上述情況，同時可達到與上述需求相同的效果。形成一種自適應的增氧機控制系統。

1　增氧機控制模型

本文提出的自適應增氧機控制模型，建立于搭載有水體含氧量傳感器以及增氧機控制電路箱的增氧機上，傳感器實時將采集到的水體含氧量數據保存在控制箱內的存儲芯片當中，控制核心通過計算一定時間內的水體含氧量的變化以及變化趨勢，根據不同的計算值，控制增氧機開啟或關閉。由于考慮到增氧機的頻繁開關操作會降低增氧機電機和繼電器開關的壽命，本模型還設置了開啟等待時間差的條件，以確保不允許增氧機過度頻繁開啟和關閉。

1.1增氧機硬件模型

本文提出的增氧機，需對普通增氧機進行改進。首先需在增氧機控制電路箱內搭載中控電路板，板中搭載控制核心芯片、64 MB閃存以及Wifi或GPRS通信模塊，其中Wifi或GPRS模塊可根據實際情況添加或不添加；其次，需在增氧機外搭載水體含氧量傳感器連接于中控電路板中。

1.2自適應增氧機控制模型

圖1　自適應增氧機控制模型Fig.1 The control model of self-adaptive Aerator

如圖1所示，傳感器將采集到的數據傳輸給控制容器，控制容器中的數據接受組件調用容器內核通過數據操作基本組件與存儲數據庫交互。容器內核通過數據操作基本組件和數據計算組件計算相應的數據進行邏輯判斷，根據邏輯判斷調用控制組件對增氧機的繼電器進行相應的開關控制。

圖2　微型自適應增氧機控制系統主邏輯模型Fig.2 The main logic control system of micro self-adaptive aerator

如圖2所示，判斷當前水體中溶解氧含量是否大于等于設定的標準值如果是，則放棄后面運算，計時器重新開始計時進行下一周期的判斷。如果否，則繼續判斷水體中溶解氧的含量是否上升，如果溶解氧的含量沒有在上升，則說明溶解氧的含量在下降或者穩定在當前數值上，那么需要向繼電器發送開啟增氧機的命令。如果，溶解氧是在上升，則繼續判斷溶解氧上升的幅度，如果溶解氧上升的幅度小于或等于臨界值則開啟增氧機。如果溶解氧上升幅度大于臨界值，則判斷當前增氧機是否開啟。若增氧機當前沒有開啟，則跳過下面判斷進行下一周期，計時器重新計時。若增氧機當前狀態為開啟，則判斷其開啟的時間是否大于或等于保護時間，若大于或等于保護時間則關閉增氧機，若小于保護時間，則重新計時，進行下一個周期。

2　微型增氧機控制算法

2.1數據處理算法

在1.2中所述，當計時器達到計時時間時，控制芯片需要將周期時間內的所有數據拉取并進行計算，計算分為兩個步驟，首先計算當前水體含氧量與設定標準含氧量的差值，并給出結果，其次計算該周期內水體含氧量的趨勢以及上升或下降的幅度。

第一步，計算周期時間內最后一條數據與設定標準數據的差值。該值表示當前水體溶解氧含量與標準溶解氧含量的差值，由于對于水產養殖來說，水體中的含氧量實時會有細微的差別，故而判斷當前含量時候高于標準水平的臨界一定是一個范圍，故若該差值大于臨界范圍上限則說明當前水體含氧量高于標準含量，若差值在臨界范圍內，則說明當前水體含氧量與標準含量相當，若差值小于臨界范圍下限則說明當前水體含氧量地域標準含量。具體算法如下：

如函數（1）所示，x為當前水體的溶解氧含量單位為mg/L，代表設定的標準水體溶解氧含量單位為mg/L，表示臨界范圍下限單位為mg/L，表示臨界范圍上限單位為mg/L。公式1的結果為三種：-1、0、1分別代表當前水體溶解氧含量低于標準含量、當前水體溶解氧含量與標準含量相當、當前水體溶解氧含量高于標準含量。

第二步，在計算周期時間內水體含氧量的趨勢中，將周期時間內所有數據按照時間順序排列，累加前一項的值減去后一項的值，若結果小于0，則說明水體中在本周期時間內的溶解氧含量的趨勢是下降的，若結果等于說明本周期時間內的溶解氧含量的趨勢是穩定的，若結果大于0則說明溶解氧含量的趨勢是上升的。具體算法如下：

如函數（2）所示，表示按照時間順序排列的周期時間內的所有水體溶解氧含量的數據，單位為mg/L。若函數結果為-1說明這段周期時間內水體的溶解氧含量是下降的，同理若等于0說明是穩定的，若大于0說明是上升的。

在計算周期時間內水體含氧量的變化幅度中，將按照時間順序排列的周期時間內水體溶解氧含量數據做標準差處理，從實際情況出發，將0作為幅度不變的臨界值是不合理的，在實際情況下，臨界值必然是一個范圍，若標準差超過這個范圍，才說明水體中的溶解氧是具有變動幅度的，若標準差在臨界范圍內，將認為該水體的溶解氧含量變化是不明顯的。具體算法如下：

函數（3）所示，表示按照時間順序排列的周期時間內的所有水體溶解氧含量的數據，單位為mg/L。由于對數據做標準差算法，其結果必然大于或等于0，故K值為水體溶解氧變化幅度臨界范圍上限值，單位為mg/L。若結果為0，說明水體溶解氧變動幅度不大，可近似認為水體溶解氧含量在可控范圍內無變動；反之，若結果為1，說明水體的溶解氧變動幅度較大，可認為溶解氧含量在周期時間內發生了較大的變動。

3　實驗及結論

3.1實驗環境搭建

本文采用MSP430作為中控電路板，搭載有電極式溶解氧傳感器、64 MB Flash存儲芯片以及GPRS模塊。監控上海海峰水產品養殖合作社中養殖南美白對蝦的兩個池塘，其中一個池塘使用微型自適應增氧機稱為A池塘，另一個池塘使用傳統增氧機增加溶解氧傳感器以實時監控水中溶解氧含量作為對照組，稱為B池塘。

其中A池塘的增氧機控制系統設置水體溶解氧實時采集數據周期為1 min；數據計算周期為30 min；數據上傳周期為30 min；設定水體溶解氧標準值為5 mg/L，差值臨界范圍為（-0.35，0.35）單位為mg/L；設定水體溶解氧浮動臨界值K為0.5單位為mg/L；本實驗將對A、B池塘監控一月，每天從Flash存儲芯片中拉取上一天的數據進行數據分析。

3.2實驗數據分析

本文隨機選取一個月中某一天的數據進行比對，A池塘中的水體溶解氧含量折線如下圖所示：

圖3　池塘A一天內水體溶解氧含量變化趨勢折線圖Fig.3 The change trend of dissolved oxygen contents in the water body of the pond Aon day

圖4池塘B一天內水體溶解氧含量變化趨勢折線圖Fig.4 The change trend of dissolved oxygen content in the water body of the pond B on day

圖3為池塘A一天內水體溶解氧含量變化趨勢折線圖，從圖中可以看出，由于池塘A搭載有本文提出的微型增氧機控制系統，故一天內的溶解氧含量趨于穩定在4 mg/L～6 mg/L之間，對于南美白對蝦來說，高密度養殖的平局水體溶解氧含量應在5 mg/L以上［5］，故該水平是符合高密度南美白對蝦的養殖水體溶解氧含量的。

圖4所示，為同一天池塘B水體溶解氧含量的變化趨勢折線圖，池塘B中采用傳統手動開關式的增氧機進行增氧，可以看出池塘B水體的溶解氧含量變化趨勢非常大，在0點至8點期間甚至低于南美白對蝦養殖的標準溶解氧含量，這樣的情況下，養殖品的死亡率和發病率都會增加給養殖場帶來巨大的損失。

4　結論

從實驗分析可以看出，微型自適應增氧機控制系統是可行的，對比分析結果，該系統將水體的溶解氧含量穩定在設定的標準溶解氧含量的范圍之內，整體上來講，水體的整體溶解氧變化趨勢穩定，適合于養殖品的生存，增加養殖品的存活率、減少養殖品的發病率，節約養殖成本。同時，相對于大型智能增氧機控制系統來講，微型自適應增氧機系統的成本極低，養殖場或企業只需安裝相應的傳感器、微型控制電路板便可以進行精細化池塘的溶解氧含量管理。增加通信模塊，可增加該微型系統的可擴展性，既該微型系統也可以接入大型C/S架構的智能增氧機控制系統，對水體的溶解氧含量進行進一步精細化控制，同時，數據傳輸的代價通過實驗數據包分析可以看出是十分小的。

5　總結與展望

隨著嵌入式硬件系統體系的逐漸完善，硬件成本逐漸降低，可搭載的控制芯片處理性能逐漸增加，在本模型的基礎上進一步的加入模糊控制算法、小型專家系統等，使得增氧機控制系統更加智能化。再而隨著物聯網技術逐漸深化，每一個節點設備都是可計算的設備，增加通信模塊組成網絡，可更加高效的控制水體溶解氧含量，從而向智慧農業的目標又更加進一步。

［1］顏波，石平.基于物聯網的水產養殖智能化監控系統［J］.農業機械學報，2014，45（1）：259-265

［2］王志勇，諶志新，湯濤林，等.基于.NET的池塘養殖數字化管理系統［J］.南方水產科學，2013，9（1）：58-62

［3］蔣建明，史國棟，李正明，等.基于無線傳感器網絡的節能型水產養殖自動監控系統［J］.農業工程學報，2013，29（13）：166-174

［4］許靖浦.南美白對蝦高密度養殖管理技術探析［J］.吉林農業，2014（15）：58-59

［5］杭小英，周志明，李倩，等.不同養殖模式對南美白對蝦生長、病害發生與水質的影響［J］.江蘇農業科學，2014，42（5）：191-193

Study on The Control System ofAerator Based on a Varied Trend of Dissolved Oxygen Content

GAO Yang*，CHEN Ming
College of Information Technology/Shanghai Ocean University，Shanghai 201306，China

This paper designed the control system for Aerator running with a variation in dissolved oxygen.This system can use the variance and standard difference algorithm to estimate a variation of dissolved Oxygen in some time according to the real-time data from the sensor.When the variation went up to the configured thresholds，Aerator tuned on or out.The system was applied to aquaculture enterprises with a poor network and low input to make them achieve a rapid refined digital aquaculture with fewer or without costs.

Dissolved Oxygen；Aerator；intelligent control

S969.32+1

A

1000-2324（2016）05-0716-04

2016-01-23

2016-02-08

2012年度國家863計劃項目：動物精細養殖關鍵技術與裝備（2012AA101905）

高陽（1992-），男，漢族，碩士，主要從事水產養殖智能控制.E-mail：gy396334313@gmail.com

Author for correspondence.E-mail：gy396334313@gmail.com