海水溫度與水泵運行狀態監測系統在水族館中的應用

劉立敬

摘 要：文章主要介紹水族館中一種海水溫度與循環系統水泵運行狀態集中監測系統，詳細說明了系統中各個部分（現場儀表層、網絡傳輸層、服務管理層）的原理與組成，為海洋生物飼養工作提供了良好的監測手段。

關鍵詞：海水溫度；水泵運行狀態；監測

中圖分類號：TU831.3+6 文獻標志碼：A 文章編號：2095-2945（2018）25-0185-02

Abstract： This paper mainly introduces a centralized monitoring system of seawater temperature and circulating system water pump operation state in aquarium， and explains in detail the principle and composition of each part of the system （field instrument level， network transmission level， and service management level）. It provides a good monitoring method for marine animal feeding.

Keywords： sea water temperature； pump operation state； monitoring

引言

隨著當今科學技術不斷發展，智能化海產養殖技術不僅發展成為一種新的趨勢，而且已經在我國水族館海洋生物的飼養中得到廣泛應用。海水溫度、pH值、鹽度、亞硝酸鹽、溶解氧、濁度等指標是水族館中海洋生物生存環境水質的重要參數，這些指標都將與海洋生物的存活率息息相關。基于以上這些要素，我們必須在海洋生物的日常飼養與展示過程中加以監視與控制。本文重點對水族館內海洋生物生存環境的溫度以及其循環過濾系統中水泵的運行狀態這兩個參數進行監控與測量，因為它們關乎著水族館中海洋生物的生存質量?，F在水族館海洋生物飼養區域內建立一套海水溫度與循環過濾系統水泵運行狀態實時監測系統，它不但能夠讓水族飼養人員快速掌握海洋生物生存的環境，便于他們采取相應的調整工作，而且還可以給海洋生物提供一個良好的生存環境，有利于海洋生物的展示。

青島水族館位于山東省青島市市南區萊陽路4號，建成于1932年，整個建筑面積近800平方米，布局為一層展廳為28個側壁式展缸，負一層與二層為32個實驗類型展缸，共計60個展缸。

1 系統設計背景與意義

在傳統的海產養殖中，飼養過程中的各種參數（溫度、pH、鹽度等）主要依靠人工離線式測量來獲取，存在著耗時長、數據不完整、不準確的缺陷，不能夠實時掌握海洋生物生活的環境。為了提高水族館中海洋生物飼養的效率，充分利用現代自動化儀表與網絡技術，建立一套海洋生物水質與設備運行狀態監測系統勢在必行。本文在此僅選取海水溫度和循環過濾系統中水泵的運行狀態兩個參數（溫度值與數字輸入開關量）來建立海洋生物生態環境監測系統。本系統主要利用單片機檢測技術、Modbus-RTU通訊協議以及組態技術，通過場館內局域網絡將現場海水溫度數據以及水泵狀態數據傳輸上傳至服務器，由上位機旭泰軟件對現場儀表數據進行采集和儲存。

2 系統概述

系統采用分布式結構，網絡化布局。整個系統按照功能結構可以劃分為三層，即現場儀表層、網絡傳輸層、服務管理層。

2.1 現場儀表層

現場儀表層主要作用是通過現場儀表傳感器采集信號，將傳感器信號輸入到儀表采集模塊。現場儀表均采用RS485接口與Modbus-RTU 通訊協議。根據青島水族館展缸及配電箱布局位置，采用溫度采集模塊六塊，開關量采集模塊四塊。

2.1.1 溫度采集

溫度傳感器采用美國 Dallas 半導體公司的數字化溫度傳感器 DS18B20，傳感器采用不銹鋼外殼封裝， 防水防潮。專門設計的傳感器不銹鋼外殼，僅有 0.15mm 的壁厚，具有很小的蓄熱量，采用金屬墊模工藝讓 DS18B20 與不銹鋼內壁充分接觸，同時采用導熱性高的密封膠灌封，保證了溫度傳感器的高靈敏性，極小的溫度延遲。在不銹鋼外層再外套上一個陶瓷進行封裝，這樣能夠抵御海水環境腐蝕，滿足現場海水測溫要求。采用特制防水電纜，使得傳感器導線電阻率極低。

溫度采集模塊采用強驅動能力遠程數字化單片機，它可以同時連接10個通道，每個通道以總線的方式并聯1-10個數字溫度傳感器（DS18B20）。上位機（組態王）通過標準的 Modbus-RTU 協議向溫度采集模塊發出溫度采集指令，溫度模塊將采集到的溫度數據通過自身的RS485接口反饋到上位機，以此完成了溫度采集的任務。

2.1.2 開關量采集

開關量（數字量輸入）模塊主要由電源電路、隔離開關量輸入電路、隔離RS485收發電路及MCU等部分組成。采用高速ARM處理器作為控制單元，擁有隔離的RS485通訊接口，具有ESD、過壓、過流保護功能，通訊穩定可靠。開關量（數字量輸入）主要采集現場配電箱中的水泵熱繼電器下端的開關量，經過小型中間繼電器的轉換，采樣信號由220V AC轉變為模塊可以輸入的12-30V的DC信號。

2.2 網絡傳輸層

中間層位于現場層與服務管理層之間，我們在這里采用高性能、嵌入式串口服務器來實現現場層的儀表信號到網絡信號的轉換。串口服務器能夠提供串口轉網絡功能，實現RS-232/485/422串口與TCP/IP網絡接口的數據雙向透明傳輸。在系統的中間層部署串口服務器，大大擴展了串口設備（現場儀表）的通信距離，保證了采集數據的穩定性。在串口服務器工作模式上，該模塊選擇TCP Client模式。TCP Client為TCP網絡服務提供客戶端連接，它能夠主動發起連接并連接服務管理層，用于實現現場層儀表數據和服務管理層數據的交互，并且TCP Client 是有連接和斷開的區別，從而保證數據的可靠交換。

2.3 服務管理層

2.3.1 軟件安裝

服務管理層主要是在服務器上部署數據采集處理軟件——組態王，通過該軟件進行儀表的選擇、畫面的布局等配置，實現了標準Modbus RTU協議的儀表（溫度與數字開關量模塊）信號采集、數據處理與儲存等功能。

2.3.2軟件功能的實現

為實現對水族館內各個測溫點與水泵運行狀態的實時監控，在軟件設計上采用樹形框架結構，框架圖如下：

根據項目需求進行組態化設計，本系統實現了以下功能：（1）系統登錄。系統分為系統管理員與值班員兩個用戶名。每個用戶名具有相應的權限。只有輸入正確的賬號和密碼，才能進入系統，否則返回系統初始運行界面。（2）監測點溫度與水泵狀態。系統將儀表實時溫度與水泵運行狀態顯示在主畫面中，數據采集周期設定為3秒，其中水泵的運行狀態以兩種不同的顏色（紅與綠）進行區分。（3）報警設定與實時報警功能。當水族館內某展池因工作需要暫時停用，需要關閉某一展池的溫度和水泵運行的報警功能，只需要點擊報警關閉按鈕，系統停止該展池的報警功能。當溫度超過上限、下限設置和水泵處于關閉狀態下，電腦畫面立即轉到實時報警畫面，并立即發出報警聲音，提示值班人員，當值班人員確認后報警聲音才能消除。（4）歷史曲線功能與數據報表。系統可以把展池中的各個探頭監測的溫度數據以曲線的形式顯示，從而更加直觀的反映溫度的狀態。也可以將溫度和水泵運行狀態以報表的形式儲存在服務器上，這樣有利于系統數據的查閱與分析。

3 結束語

海水溫度與循環系統水泵狀態監控系統具有實時性、穩定性、擴展性強等優點，也可以根據自身需求，對海水水質其他參數進行監控與記錄。該系統自2015年年初設計安裝并投入使用，通過對水族館內展池內海水溫度與循環系統水泵運行狀態的實時監測，能夠實現水族飼養設備的故障預警功能，極大的降低了值班人員的勞動強度，提高了飼養人員的工作效率，有利于海洋生物飼養工作的開展，為海洋生物人工飼養提供了良好的監測手段。

參考文獻：

[1]賈東耀，汪仁煌.數字溫度傳感器在倉庫溫度檢測系統的應用[J].傳感器世界，2001，12.

[2]黃賢武，鄭筱霞，曲波.傳感器實際應用電路設計[M].成都：電子科技大學出版社，1997.

[3]溫度采集模塊資料[Z].上海：上海搜博事業有限公司，2014.