鱼塘含氧量自动检测控制装置研究

摘要传统的养鱼方法只注重向池塘大量投饵施肥，使池塘生态系常常处于“生态饱和”的状态下，同时导致水体含氧量不足。为了提高鱼类产品饲养的质量和数量，提升水产养殖技术的自动化水平，减轻渔民的劳动强度，降低水产养殖的成本，研制了一种鱼塘含氧量自动检测控制装置，实时监测水中的含氧量，自动启动水产增氧设备的运行，使鱼塘中水的含氧量的上下限保持在设定范围内，有效提高了鱼类的安全性，从而降低养殖成本。

关键词鱼塘；含氧量；自动检测装置

中图分类号S932.9文献标识码A文章编号0517-6611（2014）15-04656-02

AbstractThe traditional way of feeding fish is pouring a large amount of baits and fertilizer into fish pool to keep it “Ecological Saturated”. However， this way leads to shortage of oxygen in water. This paper introduces an automatically detection and control device for oxygen content in fish pool. The device was designed to improve the quality and quantity of fish， to increase the automation of aquaculture， to lighten the labor intensity of fishermen， and to reduce the cost of aquaculture. This device can detect the oxygen content in fish pool in time and control the aerator automatically. All these can keep the change of oxygen content in a setting range and thus increase the safety of aquatic product.

Key wordsFish pool； Oxygen content； Automatic detection device

水体含氧量不仅是衡量水质的重要指标，也是影响鱼类生长的主要因素之一。当水体含氧量低于临界氧浓度时，大多数鱼类都会出现生长减慢现象。由于含氧量会随着环境温度、水体酸碱度和鱼类活跃程度等因素而变化，因此对鱼塘中含氧量进行自动检测并进行实时增氧控制具有重要意义[1-2]。

在传统鱼类养殖过程中，通常通过观察鱼类是否有浮头情况来判断水中含氧量是否低于鱼类生长需求，这种观察的方法存在劳动强度大、实时性差、事后控制不及时等问题，一定程度上影响了鱼类生长，增加了额外的养殖成本[3]。

目前市场上也有含氧量检测仪器，但这种仪器通常采用人工采集水样送回室内检测方案，难以实现鱼塘中央水质的检测，并且也存在滞后性问题。笔者针对鱼塘水质中检测与供氧不及时问题进行研究，并实现对鱼塘水质的实时多点检测，当水体溶解氧含量低于设定值时，系统自动启动增氧设备，给水体自动增氧，克服了传统的方式中供氧迟滞现象，同时对该装置的含氧量检测精度及整体功能在鱼塘中进行试验。

1系统总体方案设计

含氧量自动检测装置主要由传感器检测模块、终端控制模块、ZigBee无线通信模块和增氧设备控制端子4部分组成。整个装置功能的完成是利用溶解氧传感器采集当前水体含氧量，经数据处理后传送给终端控制模块进行判断，在超出设定阈值时，通过无线通信协议发送到增氧设备控制端，控制增氧设备的开启或关闭，从而调节鱼塘中氧含量。系统整体框图如图1所示。

图1系统整体框架整个系统采用主从设计方式，主机和从机之间采用无线射频的方式进行通信。从机建立无人监测站以监测和记录沿线各点的水质变化，实时测量鱼塘中的溶解氧和温度；主机将从机发送来的信号在液晶屏上显示，同时主机上可以根据不同的季节和时段进行溶解氧上下限的设定，以便于启停增氧设备；增氧设备的启动命令由主机发出，由从机来执行启动控制信号，启动增氧设备的系统也备有手动方式。

2系统单元实现

该系统主要包括溶解氧传感器、单片机终端控制模块、ZigBee无线通信模块、增氧设备控制模块等单元。

2.1溶解氧传感器该系统采用极谱型隔膜氧电极传感器，由阴极和阳极构成，电极腔内充有特制电解液，当2个电极上加有固定的极化电压时，氧在阴极上发生氧化—还原反应产生扩散电流，电极电流可近似表示为[4-5]：

因阴极还原反应速度很快，氧在阴极附近几乎不积累，在传感器隔膜厚度和电极有效工作面积一定时，电极两端的电流仅与被测溶液氧浓度及隔膜透气率有关；当电极参数一定时，在一定温度下稳定后电极产生的电流与被测氧浓度呈线性关系，可用来指示氧浓度，但由于不同温度下隔膜的氧穿透系数不同和氧在电解质溶液中的扩散系数会变化，导致电极产生的电流信号随温度的改变而变化[6]，因此设计温度补偿电路[7]（图2），以减小温度的改变对检测结果的影响。

根据传感器资料可知，采用的DOG2000溶氧传感器薄膜透气性与温度的变化系数大约为每度增加3%。因此，温度补偿电路应实现当温度偏离额定温度27 ℃时每增加1 ℃，RF应减小3%，可见热敏电阻应选用负温度系数。

2.2单片机终端控制模块单片机终端控制模块包括中央处理器、数据采集转换部分和显示部分。该装置采用AT89C51单片机作为终端控制模块，其内部有4 kB的E2PROM和128 B RAM，存储器资源满足系统要求，因此不需要外扩存储器。模数转换部分采用TI公司的TLC1543，来完成氧含量和温度传感器信号的A/D转换。它具有输入通道多、性价比高、易于与单片机接口的特点，可广泛用于各种数据采集系统。显示部分由单片机控制LCD12864液晶显示设定含氧量、当前含氧量和当前温度值。

2.3ZigBee无线通信模块该装置采用基于ZigBee无线通信模块实现终端控制器与从机之间的无线通信。ZigBee传输模块是将采集到的信息数据以无线方式发送出去，具有传输速率低、功耗低、成本低、网络容量大、安全性好等特点，是自动化控制系统和工农业生产中的首选网络[8]。该装置发送节点和接收节点统一采用UBEC公司推出的高度整合的SoC芯片UZ2400无线射频芯片实现数据传输。

2.4增氧设备控制模块由于增氧设备是大功率器件，工作电压为220 V，而单片机是一个弱电器件，驱动电流为毫安级，不能直接用单片机控制增氧设备，中间要加入继电器模块[9]。当继电器闭合时，通过无线传输模块控制增氧设备开始工作；反之，继电器断开，增氧设备停止工作。电路原理如图3所示。

3应用

3.1系统检测方案以0.2 hm2大小鱼塘为例，一般情况下面积0.33 hm2以下的鱼塘可选用1台功率1.5 kW的增氧设备。从图4可以看出，中间为增氧设备，在鱼塘中设置4个检测点，接下来以单点检测为例，说明该装置的具体工作流程。

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