斑马鱼养殖自动控制系统的设计与实现*

乔新勇，蔡 强，王振华，黄灿灿，菅志军

(1.杭州电子科技大学 电子信息学院，浙江 杭州 310000； 2.浙江清华长三角研究院分析测试中心，浙江 嘉兴 314000)

斑马鱼养殖自动控制系统的设计与实现*

乔新勇1,2，蔡 强1,2，王振华2，黄灿灿2，菅志军2

(1.杭州电子科技大学 电子信息学院，浙江 杭州 310000； 2.浙江清华长三角研究院分析测试中心，浙江 嘉兴 314000)

针对斑马鱼对实验室环境的要求，系统采用STM32F103ZET6作为主控芯片对斑马鱼的生存环境进行多参数测量与自动控制。主要对水质的电导率、温度、酸碱度、溶解氧含量进行测量，并通过蠕动泵对水质的多项关键参数进行自动调节，通过安装在箱体顶部的紫外杀菌灯对循环水水质进行定期杀菌消毒。该系统主要包括STM32最小系统电路、系统电源电路、水质参数调理电路、通信电路、蠕动泵与循环泵控制电路。软件上系统加入了Modbus协议，对斑马鱼养殖系统参数进行监控以及指令控制。经过调试结果表明，本系统适合斑马鱼的养殖，可以高效稳定地运行，减少人工干预，大大提高了实验斑马鱼的养殖质量。

斑马鱼养殖；电导率；酸碱度；溶解氧；自动控制

0 引言

斑马鱼是脊椎动物研究的模式生物。斑马鱼的优良性状有利于研究人类疾病的发生与传播。较强的繁殖力、短小的体型、繁殖周期短、胚胎早期光学透明性强等特性使得斑马鱼成为许多研究者研就其他项目青睐的对象，包括研究动物行为、鱼类生理机能和水产养殖毒性试验[1]。随着生物化学在毒理实验方面的需求增加，斑马鱼作为这一类实验的主要实验对象也随之增加[2]。斑马鱼养殖是一个重复性高、控制参数多的活动，而且斑马鱼对生存环境的要求较为苛刻，其中对水质的酸碱度、电导率、温度测量是一个长期的重复过程，会对用户产生一定的不便。随着自动化的发展，自动控制已经渗透到生活中方方面面。这种实验鱼类自动养殖系统之前都是被国外垄断，价格高昂，在最近几年，国内的一些公司已经作了相关系统的设计研究，解决了国内相关产业空白的窘境。本系统可以对斑马鱼所需要的环境进行智能调节，最终实现系统的稳定。

对于斑马鱼的生存环境，主要参数是温度、pH、溶解氧、电导率。其中当水温在28.5℃时，斑马鱼的胚胎繁殖速度最快，普通的养殖温度保持在27℃～28℃即可[2]。因为斑马鱼的排泄物为酸性，因此养殖斑马鱼的水的pH值会慢慢降低，为了使斑马鱼正常生长，需要使pH值稳定在7.0～8.0的范围内[2]。同时加入过滤系统，过滤斑马鱼的排泄物，保证水质干净。此外加入了紫外线杀菌功能，保持水的无毒环境。对于氧气的需求，要求溶解氧浓度达到4.5 mg/L～6.5 mg/L，通过循环泵鼓入氧气。系统运行时，CAN 总线向采集站发送 Modbus-rtu 命令[3]，从当前传感器采集处获取当前水质的电导率、温度、酸碱度和溶解氧含量等相关信息，并且通指令对斑马鱼的生存环境进行自动控制。

1 系统介绍

本系统是基于STM32F103ZET6微控制器制作的斑马鱼自动养殖控制装置。该系统主要组成部件有UV紫外线杀菌器、全透明亚克力养殖水槽、白色PP(聚丙烯)底部过滤集水槽(内含粗过滤垫)、循环水泵、pH电极等传感器、报警模块及触摸屏显示模块。系统实时监测蓄水池中水的pH值、电导率、温度、溶解氧及液位情况，并可以根据需要设定相应的参数指标，实时控制各项指标的稳定。过滤系统可以对水质进行过滤循环，保证水质的干净。其中水质的温度控制采用PID算法进行控制，采用功率为500 W的加热棒进行加热，使温度稳定在27.0℃～28.0℃之间，也就是斑马鱼的最适生存温度。水质的pH通过pH复合电极进行采集，并与设定值比较，控制蠕动泵往蓄水池里加入碱液，使pH值稳定在7.0～8.5之间。电导率的采集是通过LM555芯片产生的激励电压加到二级式电导电极两端[4]，电极两端的电阻与输出频率成反比例关系。溶解氧含量是采用DO25Prt型溶解氧电极进行测定。通过参数设定，控制固态继电器输出信号，调节参数稳定，从而实现实验室斑马鱼养殖智能化控制。其中，系统的整体框图如图1所示。

图1 系统结构框图

2 系统硬件设计

针对水产养殖控制系统的多模块化控制以及多设备协调工作的特点，系统电源部分采用两路供电，防止功率不够。由于pH信号采集电路和电导率的采集电路的采集原理类似，都是离子和电子之间的关系互相干扰，二者之间加入了电源隔离和信号隔离，这样才能测量得更加准确。系统的硬件部分主要是有传感器信号采集电路、参数控制电路、CAN通信网络和显示电路。

2.1 系统电源电路设计

系统电源电压主要有12 V、-12 V、5 V、3.3 V。±12 V电压采用鸿海公司的电源模块，可以输出±12 V电压，电流为3 A。5 V电压输出采用金升阳公司的K7805-1500开关稳压模块，输出电流可达1 500 mA，可以满足MCU系统功率需求。3.3 V电压用于主控电路的供电，采用线性稳压芯片AMS111.7-3.3输出[5]。所有的电源都要加入去耦电容。

2.2 水质参数调理电路

养鱼蓄水池的水质参数主要包括温度、pH、电导率、溶解氧，对于这些参数的采集使用不同的传感器。其中温度传感器使用的是PT100。由于铂电阻的阻值随着温度的变化会产生一个毫伏级电压的变化，对于这种微弱电压的变化，通过桥式电路转化为差分电压信号的变化。因为桥式电路最后输出的电压较小，所以选用的运放必须具有很低的失调电压，OP07这款运放就具备这样的优点，因此使用OP07运算放大器对差分信号进行放大处理[6]。为了防止因外界干扰而引起的大电压影响到后级电路，在输出端并联了稳压二极管。调理电路如图2所示。输出电压与PT100阻值之间的关系为：

(1)

其中Rx表示PT100的阻值。

图2 温度采集电路

pH和溶解氧传感器选择工业级电化学传感器[7]，满足在线长时间测量的需求，有较长的损耗时间。pH电极选用的是苏州汉星的高温灭菌凝胶pH电极。溶解氧电极选用的是高温灭菌溶解氧电极，灭菌电极是离子选择性的玻璃复合电极，其电极本身具有很高的内阻，输出阻抗达108～109Ω，输出的电压信号为毫伏级信号[8]。在其测量过程中，由于地信号对pH的测量有一定的干扰，因而采取对输入信号进行双运放差分放大。由于pH复合电极的输出阻抗较大，因此选用了高阻精密高阻运放TLC4502设计pH传感器的信号调理电路，如图3所示。其中R9、R10为精密电阻。

图3 pH电极信号调理电路

最后输出的电压Vo与pH复合电极所产生电压的关系为：

(2)

其中Vi表示pH电极两端产生的电压。

溶解氧测量采用基于Clark原理的极谱型(Polarography)溶解氧电极[9]，此电极中由黄金(Au)环或铂(Pt)金环作阴极，银-氯化银(或汞-氯化亚汞)作阳极。电解液为氯化钾溶液。阴极外表面覆盖一层透氧薄膜。极谱型的溶解氧电极需要在阴阳电极之间加0.7 V的极化电压[10]，极化电压通过稳压管提供给溶解氧电极。而且DO25Prt型溶解氧电极输出电流特别小，为0～50 nA，如此小的电流就相当于一个内阻很大的电流源，对于这种微弱电流的放大必须采取具有很低输入偏置电流的运放才可以，在这里采用AD711芯片和OP227芯片。其中OP227具有极低的飘移电压，其飘逸电压的最大值为75 μV，并且具有很低的输入偏置电流，其大小为2.5 nA。

电导率采集使用555时基电路芯片，由电阻R15、R17、电容C10 、电导电极组成一个方波振荡器。电子开关控制电容C10的充、放电回路，使流过电导电极的电流为交流电流，该测量电路输出信号频率与电导电极中的溶液电阻呈一对应关系，并且该电路可以自动补偿测量过程中的电容效应和极化效应产生的误差，具有较高的测量精度。电导率采集电路如图4所示。

高校的资产管理机构为国有资产的一级管理机构，由相应的主管校长负责，实现既管资产，又管事务，兼管人员的统一。高校国有资产管理处独立行使国有资产出资者的权利，依法对相应的国有资产进行监督管理。其主要职责有：（1）加强日常国有资产管理，对国有资产的安全、完整性，相应的保值增值进行监督监管；（2）制订相关的高校国有资产的规章制度，依法行使指导监督权力；（3）依法对下级部门负责人进行任免，考核。设立相应的奖惩制度，完善有关的激励、约束机制。（4）代表学校向校办企业派遣监事人员；（5）统筹负责学校国有资产的产权相关工作，制订相应的融资、发展规划。

图4 电导率采集电路

输出的频率Fout与电导电极电阻的关系为：

(3)

其中Rx表示电导电极的电阻。电极电阻与溶液电导率的关系为：

(4)

式中K表示电导率，Rx表示电极电阻，θ表示电极常数。最终通过测定频率来反推出水的电导率。

2.3 自动控制电路

养鱼蓄水池的水质参数主要包括温度、pH、电导率、溶解氧，对于这些参数的采集使用不同的传感器。对于控制参数系统有两种控制方式，一种是本机的触摸屏控制，对预设参数进行重新设定；另一种就是通过上位机进行远程设置，给下位机发送不同的指令输入新的参数，当参数达到预设值时便会自动开启固态继电器，进行酸碱调节操作、电导率调节、循环泵和空气泵等操作。最终实现整个系统稳定在设定的参数范围之内，为斑马鱼创造良好的生存环境。

3 系统软件设计

系统软件设计主要分为两个部分，一个是下位机程序，另一个是上位机程序。下位机主要是斑马鱼系统相关参数计算程序、数据处理部分以及控制程序，控制部分可以自主完成系统调节。下位机主控程序是在Keil 5.12中编写的。上位机包括数据采集和数据显示软件。上位机软件是在Microsoft Visual Studio2013开发环境下用C#语言编写的[11]。控制程序由主控芯片的自动控制以及上位机的手动干预调节组成。

图5 采集站程序框图

数据采集中心需要对斑马鱼水质参数进行实时传输与检测，同时还要通过Modbus-rtu 命令来对系统进行调节[12]。由于系统响应 Modbus 命令有一定时间的延迟，主控芯片采用中断处理的方式对命令进行执行[13]，以便快速、稳定地对前级数据进行输入处理。 采集站软件设计就是对Modbus-rtu指令的解析，通过指令完成参数设定。采集站程序结构图如图5所示。

3.2 控制站软件设计

图6 控制站结构框图

控制站结构框图如图6所示。当数据处理中心接收到的指令是0E、08 蠕动泵或固态继电器开关命令时,首先会把相应指令的数据写入对应的寄存器中,通过获取寄存器中的数据[14],达到控制紫外杀菌器、加热棒、蠕动泵和循环泵的开或关。当数据处理中心接收到的指令是07、20 时，类似地将会通过获取数据变动控制电导率蠕动泵按对应寄存器值指定的转速转动,达到加盐的效果，提高水质的电导率。通过控制站可以设定水质的温度、pH、电导率等相关参数，使系统稳定在参数的设置值范围之内。

4 系统调试

本系统是一种长期运行的系统，在开启之后会对系统的各项参数进行检测。系统首先会对水质的温度、pH、电导率和溶解氧进行检测及控制，开启两台循环泵对水质进行不停的过滤，并且定时开启紫外杀菌。在实验室调试过程中，首先养殖了30条幼年期的斑马鱼和50条成年期斑马鱼。在一个月之后对斑马鱼的健康状况做了检测，发现斑马鱼正常生长，并且斑马鱼的生长速率、各项指标已经符合实验要求。在此期间对水质参数做了详细的记录和分析。其中pH记录如图7所示，发现水质pH值可以稳定在7.0～8.0之间。由于斑马鱼的排泄物呈酸性，并且空气中的CO2进入水中会表现弱酸性，因此随着时间的推移水质pH会逐渐降低。调节pH配比液是pH值为9.0的碱液。当pH值低于7.0时便自动加液，直至pH值达到8.0。而对于电导率的控制是要求处于600 μS/cm～800 μS/cm之间，当其低于600 μS/cm时，蠕动泵便会打开自动加盐液来提高电导率，当加至电导率为800 μS/cm时，便停止加液，电导率记录数据如图8所示。

图7 30天pH变化图

图8 30天电导率变化图

同样温度也是稳定在27.0℃～28.0℃之间，由于温度的变化速度较快，因此只提取12小时内的变化曲线，每半小时记录一次温度，如图9所示。由于温度在最开始测量时水温处于室温，因此温度较低，系统开启加热，半小时后温度达到设置范围。水质的溶解氧含量大于6.0 mg/L，并且稳定保持在6.5 mg/L水平，如图10所示。通过数据分析可知，本系统已经满足斑马鱼的养殖需求，并且可以自动控制达到需求的稳定性。

图9 30天溶解氧变化图

图10 12小时温度变化图

5 结论

本文设计了一种基于STM32的斑马鱼自动养殖控制系统。该系统对水质温度、pH、电导率、溶解氧等进行测量与控制，并且搭建了可靠的Modbus通信网络。本系统具有可靠的长期使用性、功能可扩展性等特点。通过一个多月的斑马鱼养殖，对斑马鱼的活性和健康体质检测都表明本系统稳定可靠。经实践可知本系统能够通过参数设定自动控制维持斑马鱼生存环境的最佳范围，为斑马鱼实验建立了智能可靠的养殖环境。

[1] LAWRENCE C.斑马鱼养殖综述[EB/OL].黄松钱，译.(2007-07-16)[2017-01-16]http://blog.sina.com.cn/s/blog_824fcd4c01011nth.html.

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[5] 喻金钱,喻斌.STM32F系列ARMCortex-M3核微控制器开发与应用[M].北京:清华大学出版社,2011.

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[14] 周立功.iCAN 现场总线原理与应用[M].北京:北京航空航天大学出版社,2007.

Design and implementation of automatic breeding control system of zebrafish

Qiao Xinyong1,2, Cai Qiang1,2, Wang Zhenhua2, Huang Cancan2, Jian Zhijun2

(1. College of Electronic and Information Engineering, Hangzhou Dianzi University, Hangzhou 310000, China;2. Yangtze Delta Region Institute of Tsinghua University, Zhejiang, Jiaxing 31002, China)

In order to match the strict demand of zebrafish breeding laboratory environment, main control chip STM32F103ZET6 was selected as the main chip for multiple parameters measurement and automatic control of zebrafish living environment. The measurement including electrical conductivity of water quality, temperature, pH and dissolved oxygen, etc. It utilized the peristaltic pump to adjust multiple key parameters of the water quality automatically. The ultraviolet germicidal lamp immobilized on top was used for regular sterilization of the circulating water. The automatic breeding control system mainly included the STM32 minimum system circuit, system power circuit, water quality parameters modulation circuit, optical coupling isolation(CAN) circuit, peristaltic pump and circulating pump control circuit. Modbus protocol was jointed to the software system to monitor the zebrafish breeding system’s parameters and control command. Tested and debugged results illustrate the automatic breeding control system suits for the zebrafish breeding, and can match the requirements of the reliable system with highly efficient and stable operation, reduce manual intervention, and highly improve the quality of experimental zebrafish cultivation.

zebrafish breeding; conductivity; pH; dissolved oxygen; automatic control

国家重大科学仪器设备开发专项(2012YQ15008705)；浙江省科技计划项目(2015C33009)；嘉兴市科技计划项目(2015AY11008)

TP273

A

10.19358/j.issn.1674- 7720.2017.16.026

乔新勇，蔡强，王振华，等.斑马鱼养殖自动控制系统的设计与实现[J].微型机与应用，2017,36(16)：92-95,98.

2017-01-16)

乔新勇(1993-)，男，硕士研究生，主要研究方向：电子系统集成、环境检测仪器技术。

蔡强(1972-)，男，研究员，主要研究方向：环境检测仪器、食品工程。

王振华(1984-)，男，副研究员，主要研究方向：光学检测仪器开发。