深水网箱养殖水质数据采集与传输系统研发

摘要

随着海洋野生生物的逐渐匮乏，海产品供应越来越依赖于海水养殖，而有多年发展历史的传统海水养殖模式已濒临发展极限。自上个世纪六七十年代，日本、挪威等国研究一种新的养殖模式——深水网箱养殖并取得一些成果之后，其它沿海国家也纷纷发展深水网箱养殖技术。
　　深水网箱养殖具有高投资、高风险和高产出等特点，涉及的前沿技术主要有新材料、数字化设计与制造、装备自动控制及数字化管理等技术。其中自动监测技术是数字化管理的核心技术，而自动监测又包括数据采集与传输这两个主要方面的技术。所以，世界各国越来越重视对养殖点的数据采集与监测的研究。但采集的这些数据多是关于养殖对象或养殖设施的，即使有对水质进行数据采集的研究，也存在对象单一、成本高、实用性差或难以应用在深水网箱养殖上等问题。针对这种情况，本文基于深水网箱养殖海水温度、PH值和溶解氧在养殖中的重要作用，开展了深水网箱养殖海水温度、PH值及溶解氧自动采集与传输系统的研发工作。
　　为实现对水温、PH值和溶解氧实时、准确、可靠地采集，在分析深水网箱养殖环境特点的基础上，本文提出了对这些水质数据进行自动采集并通过无线方式发送到陆地服务器的系统设计方案。但深水网箱养殖点到陆地服务器的数据传输属于远程通信，而养殖点数目较多，所以，如果直接采用养殖点与服务器通信的方式，会增加成本。因此，本系统采用远近距离传输相结合的方式，即首先将多个养殖点的数据采集用无线方式发送到海上养殖平台，再由养殖平台上的主机统一发送到陆地服务器。这样，便需要对网箱处数据的采集终端、主机及通信方式分别进行研究与开发。
　　本文的主要工作及研究成果如下：
　　(1)数据传输方式的研究。
　　根据系统功能需求、环境特点、传输距离及工作人员劳动强度等的分析，从网箱处采集终端到主机之间的通信，传统的无线传输方式难以在各方面达到要求，系统选用新兴的抗干扰能力强、网络组织灵活的Zigbee组网作为前端近距离的数据传输网络。从养殖平台处的主机到陆地服务器之间的数据传输采用自动修复能力强、具有延时重发功能的GPRS网络。本文在对这两种通信网络研究的基础上，提出了自己的数据传输系统的解决方案。运行测试结果显示网络具有很好的实时性、可靠性及自动修复能力。
　　(2)采集终端的软硬件开发。
　　采集终端包括供电系统、温度、PH值、溶解氧采集模块和采集卡。硬件方面：由于海上供能不方便，设计了一套适用于本系统的供电方案。对于数据采集，由于温度、PH值、溶解氧传感器采集到的原始信号非常微弱，因此本系统对已有的价格便宜的温度变送器进行了选型，而对PH和溶解氧的调理设计了自己的电路。为便于升级、维护和降低开发成本，选PIC16F877A单片机作为采集卡的核心器件，并对采集卡外围电路和通信电路进行了设计。软件方面：以MAPLAB IDE v8.40为开发环境，用C语言开发了AD采集、数据传输及其辅助程序。调试结果显示出了较高的实时性和准确性。
　　(3)主机软件设计。
　　养殖平台处，系统选用PC机作为主机，因此只需对其进行软件设计。选用LabVIEW进行主机软件设计，主要实现将采集到的电信号转换成相应参数的物理量、并对PH进行温度补偿，然后显示和存储、向陆地服务器发送这些数据，以及向采集终端发送采集命令功能。经过调试表明，该软件能满足功能要求。
　　本文的创新点主要有以下两点：
　　(1)开发出了一套集成度高、成本低、可扩展性及实用性强的终端采集设备；
　　(2)设计出了一种能实现多点采集的传输方案。
　　通过本文的工作开发出的深水网箱养殖水质数据采集与传输系统可实时、自动、准确地采集海水温度、PH值和溶解氧，并可根据需要进行扩展采集。本系统配以后期的服务器信息处理可实现深水网箱养殖远程自动监测，进而开发深水网箱养殖数字化专家管理系统。