CN202126624U - 一种集约化水产养殖监控基站系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种集约化水产养殖监控基站系统，该监控基站系统包括采样池水质采集装置、现场监控基站、远程控制中心主机及水产养殖执行机构，所述的采样池水质采集装置、远程控制中心主机及水产养殖执行机构分别与现场监控基站连接，所述的采样池水质采集装置包括传感器、池水收集器及池塘水采集机构，所述的传感器设置在池水收集器内，并与现场监控基站连接，所述的池塘水采集机构与池水收集器连接。与现有技术相比，本实用新型具有可提高水产养殖的自动化水平、水产养殖的效率，还能提高水产品的产量和质量等优点。

Description

一种集约化水产养殖监控基站系统

技术领域

本实用新型涉及现代农业工程领域，尤其是涉及一种集约化水产养殖监控基站系统。

背景技术

随着人民的生活水平的提高，对于水产养殖品的需求也日渐提升，我国虽然是水产养殖大国，但是目前我国的水产养殖业整体水平仍然比较落后，很多仍然停留在人工巡守，人工投饵及检测的阶段，人力资源浪费很大，且由于采用人工养殖为主的方式，导致很多时候水产现场属于无人或任何自动化系统监控的状态，出现了诸如投饵不及时、水产养殖环境变差但没有及时发现并治理的现象，导致了我国渔业自动化程度相对滞后的局面。虽然最近几年有少部分地区也提出了采用自动化的监控和养殖方式，但是实用性、可靠性及用户友好性较高的系统却并不多，同时还是采用定点传感器检测为主，不能完整的了解整个水产养殖环境的准确参数，也因此迫切需要一种具备高可靠性和用户友好性较好，同时能够全范围检测水产养殖环境的集约化水产养殖自动化监控基站系统。

实用新型内容

本实用新型的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种可提高水产养殖的自动化水平、水产养殖的效率，还能提高水产品的产量和质量的集约化水产养殖监控基站系统。

本实用新型的目的可以通过以下技术方案来实现：一种集约化水产养殖监控基站系统，其特征在于，该监控基站系统包括池水收集器水质采集装置、现场监控基站、远程控制中心主机及水产养殖执行机构，所述的池水收集器水质采集装置、远程控制中心主机及水产养殖执行机构分别与现场监控基站连接，所述的池水收集器水质采集装置包括传感器、池水收集器及池塘水采集机构，所述的传感器设置在池水收集器内，并与现场监控基站连接，所述的池塘水采集机构与池水收集器连接。

所述的现场监控基站包括主控制器、电源、水产养殖执行机构控制接口、上位机RS485接口、水泵排水阀控制接口、传感器数据A/D接口、LCD显示屏、键盘、基站数据存储器及看门狗复位电路，所述的电源、水产养殖执行机构控制接口、上位机RS485接口、水泵排水阀控制接口、传感器数据A/D接口、LCD显示屏、键盘、基站数据存储器及看门狗复位电路分别与主控制器连接，所述的上位机RS485接口与远程控制中心主机连接，所述的水产养殖执行机构控制接口与水产养殖执行机构连接，所述的水泵排水阀控制接口与池塘水采集机构连接，所述的传感器数据A/D接口与传感器连接。

所述的池塘水采集机构包括水泵、延迟继电器、旧水循环利用管道、两位三通电磁阀、排水阀，所述的水泵通过两位三通电磁阀分别与池水收集器和旧水循环利用管道连接，所述的池水收集器通过排水阀与旧水循环利用管道连接，所述的排水阀、水泵分别与水泵排水阀控制接口连接，所述的两位三通电磁阀通过延迟继电器与水泵排水阀控制接口连接。

与现有技术相比，本实用新型可实现水质参数的自动采集和系统的手动、半自动和自动控制，为水产养殖业提供了一套完整的集约化水产养殖自动化监控基站系统，从而提高了水产养殖的自动化水平，提高了水产养殖的效率和水产品的产量和质量。此外本实用新型还具有以下优点：

1、基于采样池水质采集装置，可以对多个池塘进行多点采样，提高了水质测量的精度，也使得控制更精准；采用水泵加电磁阀的延时继电器的方式可以减少了现场监控基站的控制I/O口的数量，降低现场监控基站的控制复杂性，降低系统成本，同时由于将传感器单独放置在采样池内，易于维护昂贵的传感器。

2、现场监控基站可单独自动运行。现场监控基站自身具有LCD显示屏、键盘、基站数据存储器，基站数据存储器可以存储最近几个月采集到的时间和水质参数数据，具体的存储容量由配置的外部存储器的大小决定。对于基站数据存储器里面数据的读取，可以由远程控制中心主机已安装的监控管理软件通过RS485通信方式实现。同时该监控管理软件还可以提供图形显示，以供专业分析。也正是由于可使用基站单独存储和控制，有助于降低基站系统的成本，便于在中小型水产养殖用户中推广使用。

3、具备级联扩展功能。由于现场监控基站在与控制室的通信协议中具有基站编号识别，同时利用RS485的多机串口通信功能。因此可通过基站级联的方式方便地使用多个基站组建大型水产养殖集散控制系统。

4、多种机制保证高可靠性和高安全性。远程控制室上位机和现场监控基站分别设置了安全策略，正常情况下，以远程控制主机的策略为主，在远程控制主机失去控制能力时，基站自身的紧急策略可以发挥作用。同时，在基站与远程控制主机通信使用了看门狗复位电路以防止死机。

附图说明

图1为本实用新型的结构示意图；

图2为采样池水质采集装置的结构示意图；

图3为现场监控基站的结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本实用新型进行详细说明。

实施例

本实用新型提供了一种集约化水产养殖监控基站系统，可通过池塘水采集机构将池塘水输送到采样池，利用采样池内的传感器对池塘水的水质参数(如溶氧、PH值、温度、电导率、氨氮等)进行循环检测，并将水质参数信息发送给现场监控基站，现场监控基站将水质参数信息发送给远程控制中心主机，远程控制中心主机根据水质参数信息发送控制指令给现场监控基站，现场监控基站控制水产养殖执行机构(如：投饵机、增氧机、加热机等)进行水质参数的自动调节。

参见图1，本实用新型由远程控制中心主机1、现场监控基站2、采样池水质采集装置3及水产养殖执行机构4组成。采样池水质采集装置是指基于采样池的传感器集中轮询采集系统，整个系统的数据采集过程是通过池水收集器来实现的，本实施采用采样池31作为池水收集器。现场监控基站可以是一个或者由多个现场监控基站级联组成。水产养殖执行机构包括加热机41、投饵机42及增氧机43。

在本实施例中，采样池水质采集装置如图2所示，采样池水质采集装置包括传感器、采样池31及池塘水采集机构。传感器包括溶氧传感器301、氨氮传感器302、电导率传感器303、PH值传感器304及温度传感器305。采样池为铁质水箱。池塘水采集机构包括水泵32、延迟继电器33、旧水循环利用管道36、两位三通电磁阀34、排水阀35。传感器设置在采样池31内，并与现场监控基站2连接。水泵32通过两位三通电磁阀34分别与采样池31和旧水循环利用管道36连接。采样池31通过排水阀35与旧水循环利用管道36连接。排水阀35、水泵32分别与现场监控基站2的水泵排水阀控制接口连接。两位三通电磁阀34通过延迟继电器33与现场监控基站的水泵排水阀控制接口连接。

远程控制中心主机可以通过水泵采集水塘中的养殖水到采样池中进行水质检测，根据水产养殖基地现场水塘分布情况，在本实施例中，设计使用11个水泵分布于4个池塘，1个排水阀。采样池设置在4个池塘的中央，这样只要在其中布置一套传感器，通过多个预定位置水泵将各池塘的不同位置的水收集到采样池中进行采集，各传感器数据通过A/D转换传送到现场监控基站。本采样池轮询系统中各个水泵的控制由现场监控基站负责完成，现场监控基站提供了12个I/O输入输出控制接口，采用继电器以12V低压直流电控制配电柜220V交流电，使基站运行于人工操作更加安全有效，并且运用光电耦合隔离保护微处理器的运行安全。在现场监控基站的控制轮询指令下，通过水泵排水阀控制接口轮流对不同水塘以及同一水塘不同位置的养殖水进行抽取，同时根据输水管道的距离不同对配电柜延时继电器进行设置，从而先排出上次采样存留于管道中的养殖水，再将本次采样的养殖水抽入采样池，这样既可以满足集中检测分布式水产养殖环境，又避免了不同样本之间的混合所导致的采样检测不准确。

在本实施例中，参见图3现场监控基站包括：RS232接口、主控制器21、电源28、水产养殖执行机构控制接口22、上位机RS485接口23、水泵排水阀控制接口20、传感器数据A/D接口29、LCD显示屏25、键盘26、基站数据存储器27及看门狗复位电路24。电源28、水产养殖执行机构控制接口22、上位机RS485接口23、水泵排水阀控制接口20、传感器数据A/D接口29、LCD显示屏25、键盘26、基站数据存储器27及看门狗复位电路24分别与主控制器21连接。上位机RS485接口23与远程控制中心主机1连接。水产养殖执行机构控制接口22与水产养殖执行机构4连接。水泵排水阀控制接口20与池塘水采集机构连接。传感器数据A/D接口29与传感器连接。主控制器负责通过RS485通信方式来接收远程控制中心主机的水质查询指令和控制指令，并将提供相应的结果反馈。同时对于远程控制中心主机的控制指令，将负责传送给水泵排水阀控制接口，完成指令的执行。对于传感器数据A/D接口采集到的水质传感器信息将由主控制器负责接收，并存储到基站数据存储器。本实施例中，主控制器采用TI公司的MSP430F4618芯片。

在本实施例中，现场监控基站的传感器数据A/D接口负责将接收到的4-20mA传感器模拟信号转变为较为准确的0-5V数字信号，涉及到硬件设计和软件设计两部分。本实施例中，在硬件设计部分，在模拟信号的输入端，接口部分覆铜保护，采用LM358实现1∶1的信号源放大，然后采用8路选通模拟开关CD4051实现多输入单通道输出，之后采用AD转换芯片TLC1549实现模数转换，并使用光电耦合芯片TLP521实现信号隔离，最后由主控制器直接读取转换后的传感器数字信号。本实施例中，在软件设计部分，采用曲线拟合的方式减少了传感器模拟信号传输误差。传感器信号的准确获得是整个水质监控基站系统的基础，由于AD转换的方式本身在传输中会有一些损耗，因此在假设传感器自身测得的数据是准确的情况下，仍然引入了传输误差，同时传输误差的大小具有一定的非线性特性，因此本系统通过大量的数据测量以及二次曲线拟合的方式较好地减少了模拟信号数据传输误差。通过与标准的传感器的校正对比，可以将传感器模拟信号数据传输误差控制在0.3％以内。

现场监控基站的LCD显示屏、键盘可完成全部水质参数的分页实时显示和控制参数实时更改操作，水质参数具体包括溶氧，温度，电导率，PH，氨氮等，通过按键可完成修改的基站运行参数包括排水阀的开启时间，抽水泵的抽水时间，以及各水质参数的报警上下限。本实施例中，LCD显示屏采用了192*64的LCD液晶显示屏，键盘采用的是4*1键盘，可以实现多级菜单的显示和控制。

在本实施例中，现场监控基站的上位机RS485接口将现场监控基站与远程控制中心主机连接起来，进行可靠的数据传输，负责完成现场监控基站中水质数据的上传和远程控制中心监控管理软件所有控制、查询指令和应答指令的下达。本实施例中，RS485的通信波特率设为2400，现场监控基站通信端采用了光电耦合和DC/DC电源隔离技术，以及带有防浪涌电压及串模干扰功能，在通信协议上参考了MODBUS协议，具有可扩展性强，带奇偶校验和双字节帧头和握手反馈功能。同时加入了看门狗复位电路，现场监控基站在等待远程控制中心数据超过2秒仍未收到将放弃此次操作，这样可以防止通信假死(即基站“死等”控制中心数据)导致的整个通信系统瘫痪。这些功能可以较好地保障传输数据的发送与接收端的一致性，防止出现控制中心的数据在传输过程中的突变(比如开关增氧机等操作)引起的灾难性后果。本实施例中，RS-485采用的电平转换芯片为TI公司的SN75156A专用485通信芯片。同时加入了3块光电信号隔离芯片TLP521，采用了顺源科技有限公司的DC/DC专用芯片B0505SW1实现了RS485通信电源隔离。

在本实施例中，现场监控基站的基站数据存储器负责实现水质参数的短期备份存储，可以在远程控制中心发生意外情况时，实现数据的部分恢复，同时可以在现场监控基站的独立化单独运行时，将其作为控制的基础输入。本实施例中，现场监控基站通过A/D采集到的原始水质参数除了上传监控计算机以外，还会充分利用MSP430F4618芯片的自带116KbFlash资源，进行储存。除去程序占用的部分，按照实际运行周期，大约可以存储一个月左右的水质参数。

在本实施例中，现场监控基站的水产养殖执行机构控制接口负责将现场监控基站发出的水产养殖执行机构开关指令转换为继电器控制指令，并通过配电柜实现12V弱电指令控制220V强电执行机构。本实施例中，可以实现最多8路水产养殖执行机构的开关控制，所采用的继电器输入侧电流驱动芯片为东芝公司的ULN28039，所采用的继电器型号为RW-SH-1120，水产养殖执行机构包括增氧机，投饵机，加热机。

在本实施例中，远程控制中心主机的监控管理的功能主要包括：水质状况的实时显示、控制参数(水质上下限设置，定时控制等)的设置，以及数据库管理等。系统具体工作流程：

具体操作时，本实用新型的具体监控流程如下：

(1)远程控制中心主机与现场监控基站的主控制器的交互流程：

1)远程控制中心主机运行监控管理软件，用户分别进入水质上下限设置页面、定时控制设置页面、系统设置页面进行相应的基本控制参数设定，包括水质的上下限报警阈值设定，水产养殖执行机构的定时控制功能开启和设定，监控管理软件的系统时间设定和系统控制方式的选择。本实施例中，可以设定的水质参数包括溶氧、电导率、氨氮、PH、温度。可以设定定时控制功能的水产养殖执行机构有增氧机、投饵机、加热机，可以设定其开启的时间点、周期和执行时间长度。根据系统自动化程度的不同，可选控制方式包括手动、半自动和自动控制方式。

2)现场监控基站的主控制器通过RS485通信方式接收到远程控制中心的参数后，将首先进行通信握手初始化，建立连接，然后判断其指令类型，如果为查询水质参数和控制器状态指令，由于监控管理软件会周期性地发送水质查询指令，所以将判断是否已经上传过水质参数，同时据此决定主控制器此次是否上传检测到的水质参数数据；如果为翻转水产养殖执行机构状态指令，将以最高优先级开关相应水产养殖执行机构。

(2)现场监控基站基本运行参数设置：

操作人员可通过键盘完成基站控制参数的修改，具体包括：各个水泵的运行时间，也包括采样池排水管道的运行时间，即每次轮询时采样池排水阀的开启时间，这里的水泵运行时间具体值，由用户根据各个水泵与采样池之间的距离长度、水泵的功率和水管直径等决定。同时含有各个水质上下限的设定信息，必须注意的是，这里的水质上下限设定信息相比较运程控制中心设定的水质上下限报警而言，将具有较低的优先级，即将优先采用远程控制中心设定的上下限信息。

在本实施例中，根据实际测试结果，设定的各个水泵的运行时间大约在70s到120s之间，其中包括了每次排旧水的时间，每次轮询大约需要30s到60s的排水管中旧水时间。

(3)与现场监控基站相连的配电机柜在系统初次使用时，也需要进行设定，主要为各个延时继电器延时时间的设定。根据实际环境中各个水泵与采样池的距离，来设定各个与继电器串联的延时继电器的延时时间。本实施例中，测得每次轮询大约需要30s到60s的排水管中旧水时间，所选取的延时继电器全部为模块式可插拔，根据需要可方便地换成90s、60s、30s等不同类型的延时继电器。

(4)采样池水质采集装置在收到现场监控基站主控制器的采集水质参数指令或开关指定水泵等指令以后，将负责完成各个轮询阶段的顺序执行或者跳序执行，同时负责通过各个传感器完成所有水质参数的采集工作，并且将采集到的传感器数值变成工业标准的4-20mA模拟信号传送到现场监控基站。

本实施例中，所述采样池水质采集装置是基于采样池的传感器集中轮询采集系统，整个系统的数据采集过程是通过采样池来实现的。采样池数据的采集通过多个预定位置水泵将现场的水抽送到采样池中，轮流通过传感器采集，具体采集的水质参数包括：水质参数包括：溶氧、PH值、温度、电导率、氨氮。各传感器输出4～20mA信号通过A/D转换传送到现场监控基站。

(5)现场监控基站的水产养殖执行机构控制接口收到开启指定池塘增氧机指令时，将开启指定池塘的增氧机，收到关闭指定池塘增氧机指令时，将关闭指定池塘的增氧机；同理，将根据收到的指令开启或关闭指定池塘的投饵机和加热机。具体该水产养殖执行机构控制动作的发生原因有三种，分别为：手工控制、半自动控制和自动控制，具体的控制种类的区分有现场监控基站的主控制器负责解析，与水泵排水阀控制接口无关。

(6)每次上传最新水质参数到远程控制中心主机时，也同时会将数据和时间备份一份在现场控制基站的内部基站数据存储器。在意外发生或者实际需要时，可以通过读取基站数据存储器的数据，完成部分最新数据的恢复和分析。本实施例中，只需要进入远程控制中心主机的数据库管理页面，点击读取现场监控基站备份数据，并选择文件存放位置即可，同时可以根据用户设定情况，对指定时间段的指定水质参数进行图表生成，以供专业人员分析。

Claims (3)

1.一种集约化水产养殖监控基站系统，其特征在于，该监控基站系统包括采样池水质采集装置、现场监控基站、远程控制中心主机及水产养殖执行机构，所述的采样池水质采集装置、远程控制中心主机及水产养殖执行机构分别与现场监控基站连接，所述的采样池水质采集装置包括传感器、池水收集器及池塘水采集机构，所述的传感器设置在池水收集器内，并与现场监控基站连接，所述的池塘水采集机构与池水收集器连接。

2.根据权利要求1所述的一种集约化水产养殖监控基站系统，其特征在于，所述的现场监控基站包括主控制器、电源、水产养殖执行机构控制接口、上位机RS485接口、水泵排水阀控制接口、传感器数据A/D接口、LCD显示屏、键盘、基站数据存储器及看门狗复位电路，所述的电源、水产养殖执行机构控制接口、上位机RS485接口、水泵排水阀控制接口、传感器数据A/D接口、LCD显示屏、键盘、基站数据存储器及看门狗复位电路分别与主控制器连接，所述的上位机RS485接口与远程控制中心主机连接，所述的水产养殖执行机构控制接口与水产养殖执行机构连接，所述的水泵排水阀控制接口与池塘水采集机构连接，所述的传感器数据A/D接口与传感器连接。

3.根据权利要求2所述的一种集约化水产养殖监控基站系统，其特征在于，所述的池塘水采集机构包括水泵、延迟继电器、旧水循环利用管道、两位三通电磁阀、排水阀，所述的水泵通过两位三通电磁阀分别与池水收集器和旧水循环利用管道连接，所述的池水收集器通过排水阀与旧水循环利用管道连接，所述的排水阀、水泵分别与水泵排水阀控制接口连接，所述的两位三通电磁阀通过延迟继电器与水泵排水阀控制接口连接。

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