海水温度与水泵运行状态监测系统在水族馆中的应用

刘立敬

摘 要：文章主要介绍水族馆中一种海水温度与循环系统水泵运行状态集中监测系统，详细说明了系统中各个部分（现场仪表层、网络传输层、服务管理层）的原理与组成，为海洋生物饲养工作提供了良好的监测手段。

关键词：海水温度；水泵运行状态；监测

中图分类号：TU831.3+6 文献标志码：A 文章编号：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

随着当今科学技术不断发展，智能化海产养殖技术不仅发展成为一种新的趋势，而且已经在我国水族馆海洋生物的饲养中得到广泛应用。海水温度、pH值、盐度、亚硝酸盐、溶解氧、浊度等指标是水族馆中海洋生物生存环境水质的重要参数，这些指标都将与海洋生物的存活率息息相关。基于以上这些要素，我们必须在海洋生物的日常饲养与展示过程中加以监视与控制。本文重点对水族馆内海洋生物生存环境的温度以及其循环过滤系统中水泵的运行状态这两个参数进行监控与测量，因为它们关乎着水族馆中海洋生物的生存质量。现在水族馆海洋生物饲养区域内建立一套海水温度与循环过滤系统水泵运行状态实时监测系统，它不但能够让水族饲养人员快速掌握海洋生物生存的环境，便于他们采取相应的调整工作，而且还可以给海洋生物提供一个良好的生存环境，有利于海洋生物的展示。

青岛水族馆位于山东省青岛市市南区莱阳路4号，建成于1932年，整个建筑面积近800平方米，布局为一层展厅为28个侧壁式展缸，负一层与二层为32个实验类型展缸，共计60个展缸。

1 系统设计背景与意义

在传统的海产养殖中，饲养过程中的各种参数（温度、pH、盐度等）主要依靠人工离线式测量来获取，存在着耗时长、数据不完整、不准确的缺陷，不能够实时掌握海洋生物生活的环境。为了提高水族馆中海洋生物饲养的效率，充分利用现代自动化仪表与网络技术，建立一套海洋生物水质与设备运行状态监测系统势在必行。本文在此僅选取海水温度和循环过滤系统中水泵的运行状态两个参数（温度值与数字输入开关量）来建立海洋生物生态环境监测系统。本系统主要利用单片机检测技术、Modbus-RTU通讯协议以及组态技术，通过场馆内局域网络将现场海水温度数据以及水泵状态数据传输上传至服务器，由上位机旭泰软件对现场仪表数据进行采集和储存。

2 系统概述

系统采用分布式结构，网络化布局。整个系统按照功能结构可以划分为三层，即现场仪表层、网络传输层、服务管理层。

2.1 现场仪表层

现场仪表层主要作用是通过现场仪表传感器采集信号，将传感器信号输入到仪表采集模块。现场仪表均采用RS485接口与Modbus-RTU 通讯协议。根据青岛水族馆展缸及配电箱布局位置，采用温度采集模块六块，开关量采集模块四块。

2.1.1 温度采集

温度传感器采用美国 Dallas 半导体公司的数字化温度传感器 DS18B20，传感器采用不锈钢外壳封装， 防水防潮。专门设计的传感器不锈钢外壳，仅有 0.15mm 的壁厚，具有很小的蓄热量，采用金属垫模工艺让 DS18B20 与不锈钢内壁充分接触，同时采用导热性高的密封胶灌封，保证了温度传感器的高灵敏性，极小的温度延迟。在不锈钢外层再外套上一个陶瓷进行封装，这样能够抵御海水环境腐蚀，满足现场海水测温要求。采用特制防水电缆，使得传感器导线电阻率极低。

温度采集模块采用强驱动能力远程数字化单片机，它可以同时连接10个通道，每个通道以总线的方式并联1-10个数字温度传感器（DS18B20）。上位机（组态王）通过标准的 Modbus-RTU 协议向温度采集模块发出温度采集指令，温度模块将采集到的温度数据通过自身的RS485接口反馈到上位机，以此完成了温度采集的任务。

2.1.2 开关量采集

开关量（数字量输入）模块主要由电源电路、隔离开关量输入电路、隔离RS485收发电路及MCU等部分组成。采用高速ARM处理器作为控制单元，拥有隔离的RS485通讯接口，具有ESD、过压、过流保护功能，通讯稳定可靠。开关量（数字量输入）主要采集现场配电箱中的水泵热继电器下端的开关量，经过小型中间继电器的转换，采样信号由220V AC转变为模块可以输入的12-30V的DC信号。

2.2 网络传输层

中间层位于现场层与服务管理层之间，我们在这里采用高性能、嵌入式串口服务器来实现现场层的仪表信号到网络信号的转换。串口服务器能够提供串口转网络功能，实现RS-232/485/422串口与TCP/IP网络接口的数据双向透明传输。在系统的中间层部署串口服务器，大大扩展了串口设备（现场仪表）的通信距离，保证了采集数据的稳定性。在串口服务器工作模式上，该模块选择TCP Client模式。TCP Client为TCP网络服务提供客户端连接，它能够主动发起连接并连接服务管理层，用于实现现场层仪表数据和服务管理层数据的交互，并且TCP Client 是有连接和断开的区别，从而保证数据的可靠交换。

2.3 服务管理层

2.3.1 软件安装

服务管理层主要是在服务器上部署数据采集处理软件——组态王，通过该软件进行仪表的选择、画面的布局等配置，实现了标准Modbus RTU协议的仪表（温度与数字开关量模块）信号采集、数据处理与储存等功能。

2.3.2软件功能的实现

为实现对水族馆内各个测温点与水泵运行状态的实时监控，在软件设计上采用树形框架结构，框架图如下：

根据项目需求进行组态化设计，本系统实现了以下功能：（1）系统登录。系统分为系统管理员与值班员两个用户名。每个用户名具有相应的权限。只有输入正确的账号和密码，才能进入系统，否则返回系统初始运行界面。（2）监测点温度与水泵状态。系统将仪表实时温度与水泵运行状态显示在主画面中，数据采集周期设定为3秒，其中水泵的运行状态以两种不同的颜色（红与绿）进行区分。（3）报警设定与实时报警功能。当水族馆内某展池因工作需要暂时停用，需要关闭某一展池的温度和水泵运行的报警功能，只需要点击报警关闭按钮，系统停止该展池的报警功能。当温度超过上限、下限设置和水泵处于关闭状态下，电脑画面立即转到实时报警画面，并立即發出报警声音，提示值班人员，当值班人员确认后报警声音才能消除。（4）历史曲线功能与数据报表。系统可以把展池中的各个探头监测的温度数据以曲线的形式显示，从而更加直观的反映温度的状态。也可以将温度和水泵运行状态以报表的形式储存在服务器上，这样有利于系统数据的查阅与分析。

3 结束语

海水温度与循环系统水泵状态监控系统具有实时性、稳定性、扩展性强等优点，也可以根据自身需求，对海水水质其他参数进行监控与记录。该系统自2015年年初设计安装并投入使用，通过对水族馆内展池内海水温度与循环系统水泵运行状态的实时监测，能够实现水族饲养设备的故障预警功能，极大的降低了值班人员的劳动强度，提高了饲养人员的工作效率，有利于海洋生物饲养工作的开展，为海洋生物人工饲养提供了良好的监测手段。

参考文献：

[1]贾东耀，汪仁煌.数字温度传感器在仓库温度检测系统的应用[J].传感器世界，2001，12.

[2]黄贤武，郑筱霞，曲波.传感器实际应用电路设计[M].成都：电子科技大学出版社，1997.

[3]温度采集模块资料[Z].上海：上海搜博事业有限公司，2014.