鱼塘含氧量自动检测控制装置研究

张 雪，梁振江，谢廷道，王晓宁

(中国计量学院计量测试工程学院，浙江杭州 310018)

鱼塘含氧量自动检测控制装置研究

张 雪，梁振江，谢廷道，王晓宁

(中国计量学院计量测试工程学院，浙江杭州 310018)

传统的养鱼方法只注重向池塘大量投饵施肥，使池塘生态系常常处于“生态饱和”的状态下，同时导致水体含氧量不足。为了提高鱼类产品饲养的质量和数量，提升水产养殖技术的自动化水平，减轻渔民的劳动强度，降低水产养殖的成本，研制了一种鱼塘含氧量自动检测控制装置，实时监测水中的含氧量，自动启动水产增氧设备的运行，使鱼塘中水的含氧量的上下限保持在设定范围内，有效提高了鱼类的安全性，从而降低养殖成本。

鱼塘；含氧量；自动检测装置

水体含氧量不仅是衡量水质的重要指标，也是影响鱼类生长的主要因素之一。当水体含氧量低于临界氧浓度时，大多数鱼类都会出现生长减慢现象。由于含氧量会随着环境温度、水体酸碱度和鱼类活跃程度等因素而变化，因此对鱼塘中含氧量进行自动检测并进行实时增氧控制具有重要意义[1-2]。

在传统鱼类养殖过程中，通常通过观察鱼类是否有浮头情况来判断水中含氧量是否低于鱼类生长需求，这种观察的方法存在劳动强度大、实时性差、事后控制不及时等问题，一定程度上影响了鱼类生长，增加了额外的养殖成本[3]。

目前市场上也有含氧量检测仪器，但这种仪器通常采用人工采集水样送回室内检测方案，难以实现鱼塘中央水质的检测，并且也存在滞后性问题。笔者针对鱼塘水质中检测与供氧不及时问题进行研究，并实现对鱼塘水质的实时多点检测，当水体溶解氧含量低于设定值时，系统自动启动增氧设备，给水体自动增氧，克服了传统的方式中供氧迟滞现象，同时对该装置的含氧量检测精度及整体功能在鱼塘中进行试验。

1 系统总体方案设计

含氧量自动检测装置主要由传感器检测模块、终端控制模块、ZigBee无线通信模块和增氧设备控制端子4部分组成。整个装置功能的完成是利用溶解氧传感器采集当前水体含氧量，经数据处理后传送给终端控制模块进行判断，在超出设定阈值时，通过无线通信协议发送到增氧设备控制端，控制增氧设备的开启或关闭，从而调节鱼塘中氧含量。系统整体框图如图1所示。

图1 系统整体框架

整个系统采用主从设计方式，主机和从机之间采用无线射频的方式进行通信。从机建立无人监测站以监测和记录沿线各点的水质变化，实时测量鱼塘中的溶解氧和温度；主机将从机发送来的信号在液晶屏上显示，同时主机上可以根据不同的季节和时段进行溶解氧上下限的设定，以便于启停增氧设备；增氧设备的启动命令由主机发出，由从机来执行启动控制信号，启动增氧设备的系统也备有手动方式。

2 系统单元实现

该系统主要包括溶解氧传感器、单片机终端控制模块、ZigBee无线通信模块、增氧设备控制模块等单元。

2.1 溶解氧传感器 该系统采用极谱型隔膜氧电极传感器，由阴极和阳极构成，电极腔内充有特制电解液，当2个电极上加有固定的极化电压时，氧在阴极上发生氧化—还原反应产生扩散电流，电极电流可近似表示为[4-5]：

(1)

式中，n为电极反应时的电子传递数；F为法拉第常数；K为膜透气率；S为电极工作有效面积；P为隔膜透过系数；C为水中氧浓度；D为隔膜厚度。

因阴极还原反应速度很快，氧在阴极附近几乎不积累，在传感器隔膜厚度和电极有效工作面积一定时，电极两端的电流仅与被测溶液氧浓度及隔膜透气率有关；当电极参数一定时，在一定温度下稳定后电极产生的电流与被测氧浓度呈线性关系，可用来指示氧浓度，但由于不同温度下隔膜的氧穿透系数不同和氧在电解质溶液中的扩散系数会变化，导致电极产生的电流信号随温度的改变而变化[6]，因此设计温度补偿电路[7](图2)，以减小温度的改变对检测结果的影响。

图2 信号转换及温度补偿电路

U为高增益放大器，负极为虚地，即：

(2)

其中，RF=(Rf+Rb+Rt)，RF为电路负反馈总电阻；Rt为热敏电阻和2电阻串并联的等效电阻。

设电路流过的最大电流为Imax，即：

(3)

根据传感器资料可知，采用的DOG-2000溶氧传感器薄膜透气性与温度的变化系数大约为每度增加3%。因此，温度补偿电路应实现当温度偏离额定温度27 ℃时每增加1 ℃，RF应减小3%，可见热敏电阻应选用负温度系数。

2.2 单片机终端控制模块 单片机终端控制模块包括中央处理器、数据采集转换部分和显示部分。该装置采用AT89C51单片机作为终端控制模块，其内部有4kB的E2PROM和128BRAM，存储器资源满足系统要求，因此不需要外扩存储器。模数转换部分采用TI公司的TLC1543，来完成氧含量和温度传感器信号的A/D转换。它具有输入通道多、性价比高、易于与单片机接口的特点，可广泛用于各种数据采集系统。显示部分由单片机控制LCD12864液晶显示设定含氧量、当前含氧量和当前温度值。

2.3ZigBee无线通信模块 该装置采用基于ZigBee无线通信模块实现终端控制器与从机之间的无线通信。ZigBee传输模块是将采集到的信息数据以无线方式发送出去，具有传输速率低、功耗低、成本低、网络容量大、安全性好等特点，是自动化控制系统和工农业生产中的首选网络[8]。该装置发送节点和接收节点统一采用UBEC公司推出的高度整合的SoC芯片UZ2400无线射频芯片实现数据传输。

2.4 增氧设备控制模块 由于增氧设备是大功率器件，工作电压为220V，而单片机是一个弱电器件，驱动电流为毫安级，不能直接用单片机控制增氧设备，中间要加入继电器模块[9]。当继电器闭合时，通过无线传输模块控制增氧设备开始工作；反之，继电器断开，增氧设备停止工作。电路原理如图3所示。

图3 增氧设备的控制驱动电路

3 应用

3.1 系统检测方案 以0.2 hm2大小鱼塘为例，一般情况下面积0.33 hm2以下的鱼塘可选用1台功率1.5 kW的增氧设备。从图4可以看出，中间为增氧设备，在鱼塘中设置4个检测点，接下来以单点检测为例，说明该装置的具体工作流程。

图4 鱼塘水面示意

该装置采用上海博海科技生产的DOG-2000溶氧传感器，其检测范围为0.02～20.00 mg/L，分辨率为0.01 mg/L，溶氧响应时间为30 s内可达95%(25 ℃)。由于传感器放置在鱼塘中，考虑到供电方便和安全，采用蓄电池供电。

终端控制模块控制传感器每2 h工作1次，每次工作持续5 min，在工作时间内传感器每3 s采集1次数据。若连续15次检测到氧含量低于阈值，则终端控制模块向增氧设备端子发出信号，控制增氧设备开始工作供氧。在增氧设备开始工作2 h后若检测到的氧含量大于阈值，则向增氧设备发出信号，停止工作。

3.2 系统测试 选用X88/AP-01测氧仪与该装置对7种不同溶液进行含氧量测定对比试验。由表1可知，与X88/AP-01测氧仪相比该装置的相对误差保持在±1.3%范围内，说明该装置检测的可信度高。

表1 不同仪器测定含氧量的比较

对该装置在大小为0.2 hm2的鱼塘进行系统测试，将溶解氧传感器固定鱼塘中，增氧设备固定在鱼塘中央，主机放在控制室，通过试验观察系统是否能正常运行。经过观察可知，当传感器检测到的氧含量低于设定阈值时，主机控制增氧设备开始工作；经过2 h传感器再次检测，此时鱼塘氧含量大于设定阈值，主机控制增氧设备停止工作。同时检验增氧设备手动控制方式也能正常运行，认为该系统可正常运行。

4 小结

笔者介绍了1种鱼塘含氧量自动检测装置，通过对养殖环境中溶解氧和温度的检测，根据水中氧含量的变化实现对水产增氧设备的实时控制，从而避免目前普通水产养殖场中增氧设备长时间连续工作，实现节约电能、降低成本、提高产量。此外，用户可根据鱼塘的实际情况灵活设置采样点的个数，以获得最大投资效益。经过进一步的扩充，该系统可实现水质中的酸碱度、氨氮、硫化氢等指标的检测，同时完成实时控制其他渔业机械，从而对水质进行有效监控。

[1] 可敬，杨世凤，侯海岭．水产养殖环境无线监控系统的研究[J]．天津科技大学学报，2007，22(4)：98-101.

[2] 王能贻．国内外工业化养鱼新技术[J]．渔业现代化，2006，1(9)：9-11.

[3] 陈郡，王涛.鱼塘溶氧量自动监控系统的设计[J].安徽农业科学，2009，37(24)：11718-11721.

[4] 差全性.电极过程动力学导论[M].北京：科学出版社，2002.

[5] 在线分析仪表基础教程[EB/OL].(2010-08-27)http：//www.docin.com/p-74494697.html.

[6] 刘庆，邹应全，行鸿彦.基于MSP430单片机的溶解氧测量仪[J].仪表技术与传感器，2009(9)：33-35.

[7] 舒迪，邱发强，祁欣.数字式微量溶解氧分析仪的研究[J].2010(11)：14-18.

[8] 闫敏杰，夏宁，侯春生，等.基于无线传感器网络的鱼塘监控系统[J].中国农学通报，2010，26(16)：388-392.

[9] 周晓红.池塘增氧机的作用、原理及使用方法[J].机械设备，2011(4)：268.

Research on an Automatically Detection and Control Device for Oxygen Content in Fish Pool

ZHANG Xue et al

(College of Metrology and Measurement Engineering, China Jiliang University, Hangzhou, Zhejiang 310018)

The traditional way of feeding fish is pouring a large amount of baits and fertilizer into fish pool to keep it “Ecological Saturated”. However, this way leads to shortage of oxygen in water. This paper introduces an automatically detection and control device for oxygen content in fish pool. The device was designed to improve the quality and quantity of fish, to increase the automation of aquaculture, to lighten the labor intensity of fishermen, and to reduce the cost of aquaculture. This device can detect the oxygen content in fish pool in time and control the aerator automatically. All these can keep the change of oxygen content in a setting range and thus increase the safety of aquatic product.

Fish pool; Oxygen content; Automatic detection device

国家级大学生创新创业训练计划项目(201210356002)。

张雪(1991- )，女，陕西西安人，本科生，专业：测控技术与仪器。

2014-04-28

S 932.9

A

0517-6611(2014)15-04656-02