海水溫度與水泵運行狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)在水族館中的應用

劉立敬

摘 要：文章主要介紹水族館中一種海水溫度與循環(huán)系統(tǒng)水泵運行狀態(tài)集中監(jiān)測系統(tǒng)，詳細說明了系統(tǒng)中各個部分（現場儀表層、網絡傳輸層、服務管理層）的原理與組成，為海洋生物飼養(yǎng)工作提供了良好的監(jiān)測手段。

關鍵詞：海水溫度；水泵運行狀態(tài)；監(jiān)測

中圖分類號：TU831.3+6 文獻標志碼：A 文章編號：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

隨著當今科學技術不斷發(fā)展，智能化海產養(yǎng)殖技術不僅發(fā)展成為一種新的趨勢，而且已經在我國水族館海洋生物的飼養(yǎng)中得到廣泛應用。海水溫度、pH值、鹽度、亞硝酸鹽、溶解氧、濁度等指標是水族館中海洋生物生存環(huán)境水質的重要參數，這些指標都將與海洋生物的存活率息息相關?；谝陨线@些要素，我們必須在海洋生物的日常飼養(yǎng)與展示過程中加以監(jiān)視與控制。本文重點對水族館內海洋生物生存環(huán)境的溫度以及其循環(huán)過濾系統(tǒng)中水泵的運行狀態(tài)這兩個參數進行監(jiān)控與測量，因為它們關乎著水族館中海洋生物的生存質量。現在水族館海洋生物飼養(yǎng)區(qū)域內建立一套海水溫度與循環(huán)過濾系統(tǒng)水泵運行狀態(tài)實時監(jiān)測系統(tǒng)，它不但能夠讓水族飼養(yǎng)人員快速掌握海洋生物生存的環(huán)境，便于他們采取相應的調整工作，而且還可以給海洋生物提供一個良好的生存環(huán)境，有利于海洋生物的展示。

青島水族館位于山東省青島市市南區(qū)萊陽路4號，建成于1932年，整個建筑面積近800平方米，布局為一層展廳為28個側壁式展缸，負一層與二層為32個實驗類型展缸，共計60個展缸。

1 系統(tǒng)設計背景與意義

在傳統(tǒng)的海產養(yǎng)殖中，飼養(yǎng)過程中的各種參數（溫度、pH、鹽度等）主要依靠人工離線式測量來獲取，存在著耗時長、數據不完整、不準確的缺陷，不能夠實時掌握海洋生物生活的環(huán)境。為了提高水族館中海洋生物飼養(yǎng)的效率，充分利用現代自動化儀表與網絡技術，建立一套海洋生物水質與設備運行狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)勢在必行。本文在此僅選取海水溫度和循環(huán)過濾系統(tǒng)中水泵的運行狀態(tài)兩個參數（溫度值與數字輸入開關量）來建立海洋生物生態(tài)環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)。本系統(tǒng)主要利用單片機檢測技術、Modbus-RTU通訊協(xié)議以及組態(tài)技術，通過場館內局域網絡將現場海水溫度數據以及水泵狀態(tài)數據傳輸上傳至服務器，由上位機旭泰軟件對現場儀表數據進行采集和儲存。

2 系統(tǒng)概述

系統(tǒng)采用分布式結構，網絡化布局。整個系統(tǒng)按照功能結構可以劃分為三層，即現場儀表層、網絡傳輸層、服務管理層。

2.1 現場儀表層

現場儀表層主要作用是通過現場儀表傳感器采集信號，將傳感器信號輸入到儀表采集模塊?，F場儀表均采用RS485接口與Modbus-RTU 通訊協(xié)議。根據青島水族館展缸及配電箱布局位置，采用溫度采集模塊六塊，開關量采集模塊四塊。

2.1.1 溫度采集

溫度傳感器采用美國 Dallas 半導體公司的數字化溫度傳感器 DS18B20，傳感器采用不銹鋼外殼封裝， 防水防潮。專門設計的傳感器不銹鋼外殼，僅有 0.15mm 的壁厚，具有很小的蓄熱量，采用金屬墊模工藝讓 DS18B20 與不銹鋼內壁充分接觸，同時采用導熱性高的密封膠灌封，保證了溫度傳感器的高靈敏性，極小的溫度延遲。在不銹鋼外層再外套上一個陶瓷進行封裝，這樣能夠抵御海水環(huán)境腐蝕，滿足現場海水測溫要求。采用特制防水電纜，使得傳感器導線電阻率極低。

溫度采集模塊采用強驅動能力遠程數字化單片機，它可以同時連接10個通道，每個通道以總線的方式并聯(lián)1-10個數字溫度傳感器（DS18B20）。上位機（組態(tài)王）通過標準的 Modbus-RTU 協(xié)議向溫度采集模塊發(fā)出溫度采集指令，溫度模塊將采集到的溫度數據通過自身的RS485接口反饋到上位機，以此完成了溫度采集的任務。

2.1.2 開關量采集

開關量（數字量輸入）模塊主要由電源電路、隔離開關量輸入電路、隔離RS485收發(fā)電路及MCU等部分組成。采用高速ARM處理器作為控制單元，擁有隔離的RS485通訊接口，具有ESD、過壓、過流保護功能，通訊穩(wěn)定可靠。開關量（數字量輸入）主要采集現場配電箱中的水泵熱繼電器下端的開關量，經過小型中間繼電器的轉換，采樣信號由220V AC轉變?yōu)槟K可以輸入的12-30V的DC信號。

2.2 網絡傳輸層

中間層位于現場層與服務管理層之間，我們在這里采用高性能、嵌入式串口服務器來實現現場層的儀表信號到網絡信號的轉換。串口服務器能夠提供串口轉網絡功能，實現RS-232/485/422串口與TCP/IP網絡接口的數據雙向透明傳輸。在系統(tǒng)的中間層部署串口服務器，大大擴展了串口設備（現場儀表）的通信距離，保證了采集數據的穩(wěn)定性。在串口服務器工作模式上，該模塊選擇TCP Client模式。TCP Client為TCP網絡服務提供客戶端連接，它能夠主動發(fā)起連接并連接服務管理層，用于實現現場層儀表數據和服務管理層數據的交互，并且TCP Client 是有連接和斷開的區(qū)別，從而保證數據的可靠交換。

2.3 服務管理層

2.3.1 軟件安裝

服務管理層主要是在服務器上部署數據采集處理軟件——組態(tài)王，通過該軟件進行儀表的選擇、畫面的布局等配置，實現了標準Modbus RTU協(xié)議的儀表（溫度與數字開關量模塊）信號采集、數據處理與儲存等功能。

2.3.2軟件功能的實現

為實現對水族館內各個測溫點與水泵運行狀態(tài)的實時監(jiān)控，在軟件設計上采用樹形框架結構，框架圖如下：

根據項目需求進行組態(tài)化設計，本系統(tǒng)實現了以下功能：（1）系統(tǒng)登錄。系統(tǒng)分為系統(tǒng)管理員與值班員兩個用戶名。每個用戶名具有相應的權限。只有輸入正確的賬號和密碼，才能進入系統(tǒng)，否則返回系統(tǒng)初始運行界面。（2）監(jiān)測點溫度與水泵狀態(tài)。系統(tǒng)將儀表實時溫度與水泵運行狀態(tài)顯示在主畫面中，數據采集周期設定為3秒，其中水泵的運行狀態(tài)以兩種不同的顏色（紅與綠）進行區(qū)分。（3）報警設定與實時報警功能。當水族館內某展池因工作需要暫時停用，需要關閉某一展池的溫度和水泵運行的報警功能，只需要點擊報警關閉按鈕，系統(tǒng)停止該展池的報警功能。當溫度超過上限、下限設置和水泵處于關閉狀態(tài)下，電腦畫面立即轉到實時報警畫面，并立即發(fā)出報警聲音，提示值班人員，當值班人員確認后報警聲音才能消除。（4）歷史曲線功能與數據報表。系統(tǒng)可以把展池中的各個探頭監(jiān)測的溫度數據以曲線的形式顯示，從而更加直觀的反映溫度的狀態(tài)。也可以將溫度和水泵運行狀態(tài)以報表的形式儲存在服務器上，這樣有利于系統(tǒng)數據的查閱與分析。

3 結束語

海水溫度與循環(huán)系統(tǒng)水泵狀態(tài)監(jiān)控系統(tǒng)具有實時性、穩(wěn)定性、擴展性強等優(yōu)點，也可以根據自身需求，對海水水質其他參數進行監(jiān)控與記錄。該系統(tǒng)自2015年年初設計安裝并投入使用，通過對水族館內展池內海水溫度與循環(huán)系統(tǒng)水泵運行狀態(tài)的實時監(jiān)測，能夠實現水族飼養(yǎng)設備的故障預警功能，極大的降低了值班人員的勞動強度，提高了飼養(yǎng)人員的工作效率，有利于海洋生物飼養(yǎng)工作的開展，為海洋生物人工飼養(yǎng)提供了良好的監(jiān)測手段。

參考文獻：

[1]賈東耀，汪仁煌.數字溫度傳感器在倉庫溫度檢測系統(tǒng)的應用[J].傳感器世界，2001，12.

[2]黃賢武，鄭筱霞，曲波.傳感器實際應用電路設計[M].成都：電子科技大學出版社，1997.

[3]溫度采集模塊資料[Z].上海：上海搜博事業(yè)有限公司，2014.