甲鱼养殖水质监控系统的设计

吴 丹，金文忻，黄则鑫，许龙飞

（江苏农林职业技术学院，江苏句容 212400）

0 引言

随着现代科学技术的快速发展和水产养殖的优化升级，水产养殖水质监测技术以简单快捷、数据准确、自动化控制的主要特点，因此受到大多养殖户的追捧。但是，我国自动化控制水质监测技术水平还不成熟，如果引进国外的养殖技术与设施将会增加投资成本，而且由于技术保密不容易发挥最大经济效益。因此，如何实现适合我国高效、健康、可持续发展的水产养殖水质监测和水循环系统是一项重要工程[1-3]。

1 传统水质监测方法

目前，国内的甲鱼养殖业及其水质监测基本上仍是处于传统的人工监测阶段，这种方式既耗时费力，而且精确度不高，检测过程是需要有专业人员进行操作，并且需要大量检测水质的仪器。目前传统的水质监测方法主要有传统经验法、化学药剂检验法、仪器检测法。

1.1 传统经验法

经验法是指养殖人员凭借多年的养殖工作经验，用肉眼观察，人为地判断水质的各项指标是否达到标准。如，鱼类摄食减少，则可能是pH值偏高或偏低，也有可能是氨氮超标；鱼类集中于水面，可能是水中缺氧等。这种养殖人员人为的判断代表的只是一个粗略的结果，与实际结果误差是相当大的，并且随着养殖行业的快速发展，养殖规模越来越大，养殖的种类也越来越多，水产品的质量要求在不断提高，那么这种混合养殖水质的变化就是多样的，而造成水质改变的原因更是多样的，例如，投喂饲料、投放药品、自然环境、养殖品种数量的变化等因素，都会对水质造成改变，要是单纯依靠人为经验的判断，已经无法满足需要，有时甚至会带来巨大的损失。所以这种方法已经被水产养殖业逐渐淘汰。

1.2 化学药剂检验法

这一方法的很大优势就是检测数据准确可靠，但是化学方法的检测过程比较复杂，需要较长的时间，要求检测人员具备相当的专业技能，才能做出准确的检测，如，“化学滴定法” “化学检测试纸”，不过试纸容易受到外界环境（如温度、湿度、光照等）的影响，会失效。并且化学法检测都需要取样测量，而水样采集到实验室时，各项指标都可能已发生变化，因而水质检测结果已经不是实际水体的数值了。而且一些化学方法需要使用仪器进行检测，这就要求使用者掌握一定基础的化学知识。这种方法又有可能对养殖池造成二次污染，造成水产品大规模死亡，给养殖户造成经济损失。

1.3 仪器检测法

首先，这类仪器多为便携式，体积小巧，便于携带和使用，特别适合养殖现场的水质检测，对于工厂化养殖车间的众多养殖池的水质检测也是非常方便的，免去了取样带来的不便。第二，这类仪器多为按键式操作面板，中文显示屏，操作简单，检测结果清晰直观。第三，这类仪器检测的水质指标主要针对养殖行业的需要而设计，实用性强，项目齐全，并且可以灵活组合。特别要强调的是这类仪器的两个主要的特性，其一，测量的数据准确、可靠，能够实现快速检测，按下相应的按键，屏幕立刻显示测量结果，节省了大量取样、化验的时间，通过存储功能，可实时记录水质检测数据，提高了工作效率。其二，电极的稳定性决定了测量数据的准确，同时，电极可以反复使用，不需要配制试剂、更换试纸等步骤，不仅简化了操作程序，也保证了比较长的使用寿命[4-5]。

不管是那种传统检测方法，随着甲鱼需求量增加和水产养殖行业的发展，整个甲鱼养殖行业将迎来上升趋势，这也就需要大量的人力物力投入水质监测领域中来，因此，水质的自动监测也就将成为重中之重。

本项目的甲鱼养殖水质监测系统操作简单、数值输出快而精确，可以用手机上的云平台实现甲鱼养殖过程中的连续或适时监测，能使养殖户规避风险，给养殖户带来利润。

2 系统方案设计

本课题以西门子S7-200 CPU 226 PLC为核心控制设计的一种温室甲鱼幼苗养殖水质监测系统。对甲鱼幼苗养殖过程中水质监测软件设计和云平台设计[6-8]，研究在养殖甲鱼的过程中养殖水质的变化过程，提前做出预防气候造成水质物理指标及各水环境因子综合的病害原因分析，节水节能，促使甲鱼养殖走向更高效、节能、循环的新型绿色水产养殖模式。为养殖户提供优质的甲鱼幼苗和良好的甲鱼养殖环境，增加养殖户收入、减少甲鱼在培育过程的死亡率、提高甲鱼养殖过程中的水质。实物模型如图1所示。

控制系统能自动检测循环水中的溶氧、pH酸碱度、EC值和水温等因子，使循环水成为“新水”继续供给甲鱼池循环使用，并且保证在养殖过程中使甲鱼池保持在最佳状态。具体方案如下：

1）当甲鱼池中EC传感器发生报警时，用户可通过云平台来进行水循环，PLC控制电磁阀实现水循环，循环水首先通过水培蔬菜渠，在经过滤池到达曝气池，最后通过沉淀池在流回甲鱼池。

2）通过水培蔬菜渠时，能过滤大颗粒杂质并增加水含氧量，物理一级过滤使用海绵网能过滤肉眼可见的颗粒物，物理二级过滤使用木炭和火山石能吸附难溶物，生物过滤使用硝化细菌能分解无机物产生有机物。

3）甲鱼池中装有温度传感器，水温过低时通过PLC打开升温装置。曝气池中装有臭氧发生器，PLC打开臭氧发生器，臭氧能杀灭大部分有害细菌。

4）系统中装有EC传感器、pH值传感器、溶氧传感器，当水质不达标时，开启相应的设备进行水质处理；当水质达标时，PLC打开阀门流入甲鱼池继续使用。

5）为了给甲鱼进行常规消毒，系统中安装了紫外线杀菌灯和臭氧发生器，定期打开进行常规消毒。

6）考虑到甲鱼晒背可以促进甲鱼钙的吸收、保持体温、提升身体代谢能力、保证身体健康，因此安装晒背灯，在室内也可以供甲鱼定期晒背。

3 水质监测传感器选型

3.1 EC传感器选型

EC传感器可以检测水质电导率，电导率用来反应循环水中可溶性盐的浓度。如果没有及时进行排污、不及时补充新水、水中杂质超标、亚硝酸盐超标、氨氮超标，温度变化等，都可能造成电导率变高。因此电导率能够实时反应水质的变化情况，在实际中应用范围广泛。本项目选用SM2130B-EC传感器，此传感器采用工业通用标准RS485总线Modbus-RTU协议接口，方便接入PLC，DCS等仪器或系统。

图1 水质监测模拟试验实物图

3.2 水温传感器

在整个养殖过程中保证水温在30℃左右，如果水温低于允许值，则启动安装在养殖池中的加热设备进行加热，本项目采用建大仁科系列温度感应器。

3.3 PH传感器

在中国池塘养殖水最为常见水产养殖方法，池塘养殖普遍投放鱼饲料，但饲料约有5%～10%不被鱼吃掉，其中大约30%的鱼饲料被排出体外。因此，养殖尾水中混合物主要有：氨氮、有机物、磷和污染物，造成水质环境的恶化，影响甲鱼生长甚至致死。pH值是水产养殖过程中的一个重要指标，与许多疾病有直接或间接的关系。一般来说，水产养殖的pH值一般为7.5到9.0，过高或过低都会影响养殖动物的生长和健康。

甲鱼养殖过程中，不仅及时准确检测水质pH值，还及时调整水质pH值，降低有害水质对甲鱼健康的威胁。本项目采用SM2121M电流模式PH传感器，此传感器采用工业标准DC 4-20 mA电流输出信号接口，连接PLC、DCS等各种仪器或系统，用于监测溶液的pH值。

3.4 溶氧传感器[9]

水中的氧是溶解氧，溶解在水或液相中的分子态氧，它是水生生物和植物生存不可缺的条件。无论是甲鱼还是其他水生生物，他们都必须有适合自己生长的环境才能获得丰收。所有需氧生物的生存、生长和繁殖都离不开氧气。空气中含氧量约21%，但水中含氧量低且易发生变化，水环境条件是影响水产品产量的重要原因之一。目前，检测水环境中溶解氧含量的方法主要有碘量法，比色法，电导率，电极法等，电极法又称传感器法，因其在线监测方便，灵敏度高，近年来得到广泛应用。本项目选用的MW-O101型溶解氧传感器是根据原电池的原则设计开发的，测量准确使用方便，维护简单，是水质溶解氧监测的常用传感器。

4 控制系统设计与试验

4.1 PLC设计[10]

本系统采用西门子S7-200 CPU226系列PLC，I/O分配表如表1所示，与I/O分配表相对应的PLC控制线路接线图如图2所示。

表1 I/O分配表

图2 PLC控制线路接线图

PLC程序包括主程序、手动控制程序、水温自动控制程序、增氧自动控制程序、杀菌自动控制程序。主要流程图如图3所示。

4.2 云平台设计

利用有人云软件进行云平台开发与设计，养殖户可以在任何时间和地点监测水质数据并进行控制。

如图4所示的甲鱼水质监测界面，通过网关实时传递养殖池中的EC值（电导率）、水温、pH值，并且能切换手动或自动模式。

图3 各程序流程图

图4 甲鱼水质监测界面

如图5所示，水质自动调控界面能进行的pH值、电导率、溶解氧、水温的手动设置，并且可以根据需要手动打开养殖池的增氧泵。

图5 水质自动调控界面

4.3 实地试验及结果

本试验于2021年9月～2022年3月在校企合作企业，句容市后白镇经军水产养殖专业合作社温室甲鱼养殖基地进行试验。

本试验共设计两个环境，一是采用传统人工检测水质方式，并进行循环水的净化；二是采用本项目的自动监测水质方式，利用自动控制系统进行水质的净化，进行对比试验。

得出如下结论：

1）控制系统在实验中能稳定运行，水质在线监测模块在线监测传感器数据准确，而传统方式完成的水质净化数据波动较大，存在不稳定现象。

2）控制系统能在实验中可靠运行，控制系统响应速度快，延时不超过1 s。经检测经过处理的水质合格，能达到甲鱼养殖池的水质要求，水质参数反映准确，水质在线参数检测最大误差不超过3%。

5 结语

本文针对甲鱼养殖的水质在线监测，以先进的自动化控制技术，设计了专门用于甲鱼水质监测和水循环的控制设备，使控制系统满足了甲鱼养殖水质监测和水循环控制的要求。根据对这一课题的了解和研究结果，认为还应对下列一些问题进行重点研究：第一，该装置设计的原理还可用于除甲鱼外的其他水产养殖的水质监测和水循环控制，因此可以根据其他水产品养殖的特殊要求，进行系统改进，使本装置能得到更广泛的应用。第二，本文所选择的传感器能对水质检测能提供准确的数据，但未来还可以针对水循环特点选择更先进的传感器完成更全面的水质检测。