张 刚，胡洋洋，韩祥兰，王 振，陈跃华

（1. 宁波大学海运学院，宁波 315211；2. 浙江大学宁波理工学院计算机与数据工程分院，宁波 315110）

0 引 言

中国是淡水珍珠养殖大国，淡水珍珠年产量高达2 000 t，占全球80%以上，是极具优势的民族产业[1]。淡水珍珠蚌的成长过程本身不会造成水体污染[2]，但广大养殖户为追求经济效益，长期实行“大量施肥—培养浮游生物—养殖河蚌—收获珍珠”的传统粗放式养殖，造成水体污染、富营养化、生态环境恶化等破坏性影响，阻碍了该行业的可持续发展[3]。在“五水共治”、剿灭Ⅴ类水的环保政策下，地方政府开展了珍珠养殖业污染大整治行动，传统珍珠养殖业必须转型升级，科学合理地进行养殖[4]。为此，本研究探究“智能大棚—立体多层笼养—优质微藻供饵—循环水工厂化养殖”这一新型模式下的水质监控问题，研发分布式水质监控系统[5-6]。

国内外在水产养殖水质监控方面进行了大量研究[7-10]，国外渔业发达的国家如美国、挪威、日本、加拿大等，水产养殖智能化监控研发和应用水平较高，Borstel 等[11]开发了1 套机器人系统，用户可自定义控制各养殖塘的监测和养殖任务；法国的Ifishienci 项目则基于物联网平台，建立了集成水质监测系统、智能设备控制、鱼类行为分析的多功能养殖平台[12]。在国内，水产养殖水质监控的研究紧跟国际步伐：史兵等[13]设计了基于无线传感网络的智能监控系统并在规模化水产养殖中应用；杨旭辉等[14]基于ZigBee 技术设计了节能型水产养殖环境监测系统，用于实时监测水温、pH 值、溶解氧和浊度等参数；刘雨青等[15]设计了包含水质监测、气象监测、视频监控和智能控制的全方位监控系统并应用于螃蟹养殖基地；宦娟等[16]研发了基于窄带物联网技术的养殖塘水质监测系统，可远程采集和存储节点信息，并对养殖塘进行智能控制。以上研究均促进了水产养殖业的发展，为研究淡水珍珠蚌养殖分布式水质监控系统提供了有益参考。

本研究针对淡水珍珠蚌工厂化循环水养殖模式下的水质监控需求，开发了1 套基于ZigBee 无线传感网络的分布式水质监控系统。系统以可编程控制器（Programmable Logic Controller，PLC）与MCGS 触控屏作为下位监控系统核心，采用RS485、ZigBee 和以太网组合的方式进行数据传输，实现对水质、气象环境的全天候监控，藻类供饵自动控制以及循环水处理设备的启停控制，并基于MCGS 网络版组态和SQL Server 数据库软件构建上位机数据管理中心。

1 养殖环境及方案设计

系统的方案设计结合养殖场实际情况和养殖户的功能需求，综合考虑其适用性、可靠性、经济性。本研究养殖场地选址在靠近淡水水源的户外环境，实行“立体多层笼养—微藻供饵—循环水养殖”的创新模式，现场布局如图1 所示。场地搭建有2 座大棚（各0.07 hm2），每座大棚覆盖下建有长方形养殖水池（单个面积约0.07 hm2），长约100 m，深度2～3 m，养殖密度最高可达300 只/m3。在养殖水池一端设有藻类培养池以提供饵料，另一端设有配套的循环水处理系统。根据“机械过滤和泡沫分离—沙滤沉淀—化学处理—微藻培养—珍珠蚌投喂”等策略，对养殖尾水采用蛋白质分离器快速去除水中的杂质、排泄物和多余的饵料等，处理水进一步过滤（沙滤池），在沉淀池存储。部分处理水用于珍珠蚌养殖添加水，部分处理水经消毒后再用于微藻规模化培养，从而实现养殖用水的循环利用、无害化处理和达标排放。

图1 珍珠蚌养殖区域布局示意图 Fig.1 Layout of pearl mussel aquaculture area

系统的监测功能包括：①养殖水质的实时监测，在每个长方形养殖池中分散布置了2 个水质监测节点，为减少布线选用无线组网方式；②气象因素也会影响珍珠蚌的生长[17]，现场应设置气象监测以实时获取气象信息；③对水质和气象监测信息进行汇总，不仅要在现场实时显示和预警，还要进行存储以供后续分析。控制部分任务包括：①结合水质监测情况，完成对相关循环水处理设备的启停控制功能；②实现藻类饵料的自动投喂功能，即根据养殖池中藻类浓度情况，系统可自动选择是否对其补充藻类培养液。最后对整个系统监测和控制功能两大部分进行上位机集成，实现一体化操作和管理。

综上，本研究基于ZigBee 无线传感网络搭建了1 套分布式监控系统。系统采用现场感知层、传输层、应用层相结合的3 层体系架构，主要由水质监测节点、气象监测节点、设备控制节点和监控中心组成，形成从现场信息的采集、传输和存储、远程报警以及操作指令下发的一站式监控体系，如图2 所示。

1）现场感知层：主要包括水质监测节点、气象监测节点、设备控制节点和现场传感网络，通过使用RS485、ZigBee 组合的通信方式[18]，执行上级的操作指令，将现场采集的实时数据向上传输；

2）传输层：包括PLC 和ZigBee 协调器，一方面传递应用层下发的命令，另一方面将感知层的监测数据汇聚至PLC，PLC 通过串口对接现场触摸屏，并通过CP243-1 网络模块上传数据至上位机；

3）应用层：现场MCGS 触控屏对水质和气象监测数据进行实时图形化显示、报警等功能，并可人为下发一些设备控制指令，监控中心上位机实时显示监测数据，并存储至数据库中作后续分析和处理。

整个监控系统的搭建过程分为两大部分，第一部分是硬件平台与下位监控系统的搭建工作，包括下位系统各环节的硬件设备选型、连接、组网调试和相关程序设计等；第二部分是远程上位机MCGS 监控系统和SQL Server 数据库的开发与实现。

图2 监控系统架构图 Fig.2 Architecture diagram of monitoring system

2 硬件平台与下位监控系统

2.1 硬件设备选型

整个下位监控系统硬件设备，自下而上包括现场水质监测节点、气象监测节点、设备控制节点、ZigBee 组网设备、PLC 控制器和现场触摸屏等。本系统对硬件器材尽量选择通用型器件，要求产品耐用性好，操作原理简单，价格合适并且容易购买，使整套系统的投资花费完全在养殖户的承担和接受范围之内。为提升系统与实际生产的契合度，综合考虑本项目对监控系统的功能需求、硬件设备的性能参数以及经济成本，本系统所需硬件设备统计如表1 所示。

表1 硬件设备列表 Table 1 Hardware device list

1）水质监测节点

针对淡水珍珠蚌对养殖水质的要求，查阅相关资料[19-21]并结合实际养殖经验，需对温度、pH 值、溶解氧3 个常规以及氨氮量、钙离子浓度和藻类密度进行监测。氨氮是藻类生长必须的营养元素，也是衡量养殖水体肥瘦程度的指标，当水体中氨氮量低于0.1 mg/L 时，说明水质太瘦不能满足饵料增殖的需要，而当氨氮量高过2 mg/L，说明水体污染较严重，会影响蚌的生长和成活；钙是珍珠和蚌壳的主要成份，通常要求水中含钙量在10 mg/L以上；藻类浓度主要是为了反映水池中饵料的剩余情况，考虑到实际应用情况和经济成本，本系统选用光源波长470 nm 的荧光叶绿素传感器进行测量[22-23]。

2）气象监测节点

淡水珍珠蚌虽养殖在水里，但不同的生长阶段会受周边气象因素的影响，如温度、光照、风等[17]。本系统选用山东建大仁科公司的RS-QXZ 型气象站设备，包括风速计、风向仪和多要素百叶箱，配合专用的气象监控主机，对风速、风向、温度、湿度、光照度和大气压力等气象要素进行实时监测。

3）设备控制节点

本系统使用PLC 对藻类供饵系统的抽水泵和其他循环水处理设备进行控制[24]，需要配备多个继电器。由于现场一些电机、水泵和电阀等需要大功率输出，工作电压通常为220 V 或380 V，普通继电器无法满足使用要求，还需要在继电器和现场设备之间添加一个交流接触器。

4）ZigBee 通讯设备

近年来ZigBee、Wi-Fi、3G/4G 等无线通信技术在农业信息化方面应用广泛，结合本系统实际运用场景，现场所需数据采集点较少，数据传输量不是很大且通信距离大多在100 m 以内，故选用ZigBee 组建无线网络。ZigBee 技术自有无线通信标准，组网能力强，具有能耗低、复杂度低、成本低、可靠性高等优点[25]，非常适合本系统使用。本研究选用中鼎泰克公司DRF2659C 型ZigBee 模块，该设备采用CC2630 芯片，性能优越，主要功能是RS485 转ZigBee 无线数据透明传输，可与本系统相关设备直接相连。

5）PLC 和触摸屏

本研究选用西门子S7-200 系列CPU226CN 控制器，该控制器有24 入/16 出（24 inputs/16 outputs）数字量I/O口和2 个RS-485 通讯接口，可充分满足使用需求，并为后续功能扩充留有操作空间。由于PLC 和上位机采用以太网方式进行通讯，还需添加CP243-1 以太网扩展模块才能实现。另外本系统选用昆仑通态公司生产的TPC1061Ti 型号触摸屏，该设备屏幕尺寸较大，自带128 M 存储空间，通信接口多且支持RS485、RS232、TCP/IP 等多种通讯方式，配合该公司MCGS 嵌入版软件完成人机交互界面的开发工作。

2.2 下位监控系统搭建

2.2.1 硬件设备连接

1）ZigBee 无线组网

根据不同网络功能，ZigBee 网络节点可分为协调器、路由器和终端[26-27]，本系统ZigBee 网络负责水质和气象监测信息的远程无线传输工作。共设置6 个ZigBee 节点，其中1 个协调器节点作为网络汇聚中心，负责组建和管理ZigBee 网络，其余5 个为路由器节点，分别与各水质和气象监测节点连接，负责收集各传感器数据并汇集到协调器中心节点处，再通过串口传送到PLC 中。

本系统ZigBee 组网工作：先将一个模块设置为协调器，设PAN ID 为2A01，频道20，透明传输模式，网络地址为0，波特率9 600 bps，8 位数据位，1 位停止位，无校验，可同时将路由器参数设置好并保存在协调器中；其他路由器模块无需设置参数，只要连按3 次功能键便会开始自动寻找已建好的网络，加入成功后该模块上的 LED4 信号灯开始慢闪，之前设置的网络参数会自动写给新加入的路由器。当协调器出现故障或损坏时，只需将新的模块设置成与原来参数一致，即可直接更换，极大简化了设备维护工作。

2）水质和气象监测节点

本系统现场监测环节所有传感器均采用 RS485（Modbus RTU 协议）数字信号输出的串行通讯方式。

在水质监测节点处，水温、pH 值、溶解氧和氨氮4个参数变量由KM-MU 多参数监测仪进行采集，该仪器使用220 V 交流供电，两线制差分方式传输信号，其接线盘上对每个参数的传感器都留有独立的信号通道接口，便于灵活操作及后期维护；在仪器的信号输出端有RS485 接口RS485+、RS485-，从2 个接口引出两条线（对应A 和B）连接至ZigBee 模块的485A、485B 接口上即可进行通讯。另外，钙离子和叶绿素传感器均使用12 V直流供电，同样配有RS485 信号线接口，接线方法相同。由于单个ZigBee 模块接口有限，这里选择添加一个多路RS485 集线器先对多个传感器的信号进行汇集，然后再与该节点处的ZigBee 路由器连接进行信号传输。

在气象监测节点处，使用配套的气象监控主机分配各个气象变量的数据通道，并在其仪表盘上显示实时监测数据。先把气象监控主机上的Modbus-RTU 主站接口与百叶箱、风速和风向等从站变送器信号输出端相连，对每个变送器的监测数据进行汇集并存储到主机内分配好的寄存器单元内；然后将主机的Modbus-RTU 从站数据输出端口485A 和485B，与ZigBee 路由器信号接口对接，通过ZigBee 网络将主机中汇集的监测数据上传至汇聚节点处的PLC 中。水质和气象监测节点处设备连接如图3 所示。

图3 下位监测系统连接 Fig.3 Connection diagram of lower monitoring system

3）数据汇聚节点

包括Zigbee 协调器节点、PLC 控制器和MCGS 触摸之间的连接，如图3 所示。ZigBee 协调器模块与PLC 控制器的通讯没有用到I/O 接口，通过PORT1 口以RS485数字信号的方式将汇集的数据传递给PLC；PLC 的另一个通讯串口PORT0 用于和MCGS 触摸屏连接，只需一根DB9 接线即可完成。在现场使用时，此部分设备统一安装在防水控制箱中。

4）设备控制节点

本系统设备控制采用有线连接方式，由于现场有多台大功率用电设备，普通的继电器控制板无法在高电压和电流情况下长期运转[28]，故选用施耐德RXM2LB2BD 24 V 插拔式小型中间继电器，同时搭配正泰CJX2-2501型交流接触器使用，连接方式如图4 所示。继电器在接到PLC 控制器输出端发出的指令之后，控制交流接触器的吸合，从而控制现场设备运转。

图4 设备控制节点连接 Fig.4 Equipment control node connection

2.2.2 PLC 采集和控制程序

1）PLC 数据采集程序

使用S7-200 PLC 作为下位系统控制器，基于Modbus RTU 协议采集各传感器数据[29-30]。在编写程序前需分配好各传感器的Modbus 从站地址：对多参数水质监测仪和气象站，用自带仪表设置其Modbus 从站地址为1-5；对叶绿素和钙离子传感器，使用串口调试软件进行设置，如叶绿素传感器发送命令码流01 06 00 02 00 00 06 1F C6，返回信息02 06 00 02 00 00 06 5F D3 即可设其从站地址为6，设两个叶绿素传感器从站地址为6、7，钙离子传感器从站地址为8-11。接着进行采集程序的编写，目的是PLC 对传感器发布数据采集命令，然后对采集的数据进行格式处理并保存到相应存储区中，地址分配如表2 所示。以一台水质传感器的温度采集程序为例：

步骤1：首先设置S7-200PLC 的Modbus 主站程序参数，传输波特率9 600，0 无校验，Mode 模式总是处于触发状态，主站等待从站相应时间为1 000 ms；

步骤2：接着对水质传感器的数据进行采集，这里水质传感器的Modbus 从站地址为3，温度数据地址为保持寄存器的40307 地址位，数据个数为4，将温度数据采集后先放入PLC 中的VD20 存储区；

步骤3：最后对步骤2 的温度数据进行大小、格式转换并存储以正确显示，用实数除法指令将VD20 存储的数值除以1.0 得到一个新的32 位浮点数并存储在VD70 存储区，这样MCGS 组态只需读取VD70 得数据即可获得采集的温度值。其他变量的采集程序均与此类似，不再进行描述。

表2 可编程控制器中数据存储地址 Table 2 Data storage address in PLC

2）PLC 设备控制程序

本系统对弧形筛固液分离机、微滤器、蛋白分离器等水处理设备，在PLC 中设计了一键启停控制功能；对藻类自动供饵系统实行双位控制策略[31]。实际养殖数据记录表明，当水体中二形栅藻饵料的密度低于30 万个/mL 时，所养珍珠蚌的活力较低，难以维持正常生长需要。使用荧光叶绿素传感器对密度约为30 万个/mL 的藻类溶液进行多次数、等间隔测量，结果显示其对应的叶绿素含量检测值在15 μg/L，±10%范围内波动。所以设养殖水池的叶绿素下限值为15 μg/L，当实际检测值低于该值时，PLC 输出端给继电器发送信号，控制水泵抽取培养池藻类溶液供给养殖池，直到养殖水池中叶绿素检测值高于16.5 μg/L 时停止水泵运转。此外，藻类供饵控制还设置手动模式，可人为控制抽水泵的启停。PLC 控制程序I/O 点分配如表3 所示。

表3 可编程控制器程序输入/输出点分配表 Table 3 PLC control program I/O points distribution table

2.2.3 触摸屏组态实现

MCGS 触摸屏是现场人机交互的重要环节，主要功能包括实时数据显示报警界面、变化曲线显示界面及设备控制界面。在PC 端MCGS 嵌入版软件中进行组态界面开发，首先是建立与PLC 的数据连接，在设备窗口中添加“通用串口父设备”与“西门子_S7200PPI”设备；接着在“西门子_S7200PPI”设备编辑窗口进行数据通道设置，包括I 寄存器、Q 寄存器和V 存储区的数据，建立MCGS 数据通道与PLC 存储区中变量数据的映射关系；然后进行各功能动画界面的设计，如图5 所示。对组态工程使用计数检查，本触摸屏MCGS 组态总计使用变量数56 个，其中28 个数值量包括所有水质和气象监测变量（对应表2 的数据变量），4 个组对象指的是4 个水质监测点数据组，20 个开关量即设备控制程序的I/O 点（对应表3 中的分配点），和4 个系统内建字符量。

图5 MCGS 触摸屏组态界面 Fig.5 MCGS touch screen configuration interface

在数据显示窗口，对所有显示数据的标签，参照表2中的数据对象地址建立好与之逐一对应的通道连接，添加报警显示框构件并关联到相关数据组对象。Tpc1061Ti型触摸屏带有128 M 存储空间，除自身程序占用外还可以存盘数据，在变化曲线界面窗口添加历史曲线构件，与存盘数据组连接并设置好对应的曲线标识，对最近1天之内存盘的水质数据作变化曲线显示。在设备控制界面，主要功能是显示现场养殖设备的运行状态和发布简单的控制指令。每个设备在触摸屏界面上都有对应的名称标签，在标签旁添加按钮和指示灯元件，结合PLC 控制程序的I/O 点分配将动画元件关联到对应的I/Q 寄存器地址，设置指示灯为红色代表对应设备处于停止状态，另外可通过操作按钮对相关Q 寄存器数据对象执行置以1、清0 等操作。

3 上位监控系统开发

上位监控系统的开发一是为了通过MCGS 网络版软件窗口，实现监测数据实时显示和报警、变化曲线显示、数据浏览报表等功能；二是通过MCGS 软件与SQL Server 数据库软件对接，建立水质监测数据库。主要开发工作包括MCGS 网络版与PLC 的通讯连接、用户组态界面开发、SQL Server 数据库的建立等，上位监控系统架构如图6 所示。

1）上位机与PLC 的数据连接

现场S7-200 PLC 与上位机通过CP243-1 以太网模块进行通讯。首先在STEP7 软件中使用“以太网向导”设置CP234-1 模块IP 地址为10.22.28.251 并作为服务器，接受来自“10.22.28.237”地址的客户机的连接请求；接着在MCGS 组态软件设备窗口中添加“通用TCP/IP 父设备”及“西门子PLC-S7200-CP243-1 设备驱动”，设置上位机属性为客户端且IP 地址为10.22.28.237，远程IP地址即 CP243-1 模块的 IP 地址；然后对西门子PLC-S7200-CP243-1 设备驱动进行设置，在“内部属性”中对建立组态数据通道与PLC 存储区的映射关系。本系统上位机组态总计36 个变量数，包括28 个数值量、4 个组对象和4 个内建字符量。

图6 上位监控系统架构 Fig.6 Architecture of upper monitoring system

2）MCGS 组态开发

本系统在MCGS 网络版组态环境中开发上位机监控界面，包括实时数据显示界面、监测报警记录、变化曲线显示界面和数据浏览界面（图7）。数据显示与报警、变化曲线功能与触摸屏组态开发类似，不再重复。此外，上位机组态界面添加了存盘数据浏览和报表输出的功能，通过添加对应功能的组态策略，并在数据浏览界面设置了点击按钮即可一键调用。存盘数据浏览功能就是将上位机存储的历史水质数据以表格形式显示在界面上进行浏览查阅，Excel 报表输出需先选择好数据来源并建好对应名称的表格文件，然后通过界面按钮调用该策略将存储的历史水质数据写入建好的Excel 表格中。

图7 MCGS 上位机显示界面 Fig.7 MCGS upper computer display interface

3）SQL Server 数据库存储

上位机选择用MCGS 组态网络版与SQL Server 数据库软件对接，建立水质监测历史数据库。先在SQL Server数据库建立名为“珍珠蚌水质监测”的数据库和各个水质监测点命名的数据表，接着在MCGS 网络版组态软件通过“数据库连接设置”里选择将组态实时数据存盘至SQL Server 数据库中建好的数据库和对应的数据表内。在SQL Server 数据库中，通过“代理服务—作业”功能对水质数据库进行定期外存储和清理设置。

4 现场试验

为验证系统网络传输通信的稳定性、水质监测数据的准确性，将本研究设计的水质监测系统应用在养殖基地进行现场测试（图8），主要包括网络丢包率测试和水质检测数据误差对比。

图8 现场控制箱与水质监测节点 Fig.8 Field control box and water quality monitor

1）系统通信稳定性测试

以4 个水质监测采集点为测试对象，设定传感器每间隔1 min 进行1 次数据采集，选取2019 年6 月27 日17 时至6 月30 日15 时共计70 h 时间段的采集数据作为样本，则每个监测点应上传数据各4 200 条，对上位机存储的数据库进行读取并作对照分析（表4）。结果表明本系统监测网络通信成功率在98%，平均丢包率1.98%，可满足实际使用需求。

表4 数据丢失率分布 Table 4 Distribution of data loss rate

2）检测数据准确性测试

选择对养殖水质的pH 值、温度、溶解氧和氨氮量4个参数做误差试验，在开始试验前需要对传感器进行校准以消除偏差。对pH 电极，分别用4.00、6.86 和9.18的标准缓冲溶液进行多点校准；对溶解氧电极，先用约25 g 无水Na2SO3溶液和500 mL 蒸馏水配置溶解氧零点校正液，然后在25 ℃条件下进行满量程校验；对氨氮传感器，分别用浓度为2.39、6.48 和11.8 mg/L 的溶液进行多点校准。实际测试时，选取1 号水质监测节点数据与哈希HQd 系列和DR900 水质分析仪作24 h 采集数据对比，采集时间间隔30 min，数据对比结果表明本系统监测数据与哈希水质分析仪测试值差距不大，pH 值误差在±0.3 范围内，温度误差为±0.4 ℃，溶解氧误差为±0.3 mg /L，氨氮误差为±0.04 mg/L，可以满足珍珠蚌养殖对水质监测的使用要求（图9）。

图9 pH 值、水温、溶解氧和氨氮对比测试图 Fig.9 Comparison test results of pH, water temperature, dissolved oxygen and ammonia nitrogen

5 结 论

本研究针对淡水珍珠蚌“立体多层笼养—微藻供饵—循环水养殖”新型模式下的水质监控需求，采用无线组网方式搭建了1 套分布式监控系统，实现了对水质参数（水温、pH、溶解氧、氨氮、钙离子和藻密度）、气象因素（温度、湿度、风向、风速、气压和光照）的全天候监测功能，对循环水处理设备的启停控制以及藻类供饵自动控制功能。系统有助于连续跟踪监测珍珠蚌养殖水环境的理化因子、生物因子（微藻）和珍珠蚌生长与产珠质量的相关性，并构建了养殖水质数据库，可为科学饲养提供决策依据。整个系统的搭建契合实际生产使用需求，设备操作简单易学，简化了日常管理和维护工作。实际使用中系统可长时间稳定工作，通信成功率98%以上，溶解氧测量误差为±0.3 mg/L，温度为±0.4 ℃，pH 值为±0.3，氨氮误差为±0.04 mg/L，可以满足淡水珍珠蚌养殖监控需求。

本监控系统可为淡水珍珠蚌新型养殖模式的应用提供相关技术支持，有利于为淡水珍珠蚌养殖业转型升级打开新局面，但在养殖设备、藻类供饵系统的控制方面仍有改进空间。下一步将在现有的基础之上，结合淡水珍珠蚌的生长习性，对养殖池藻类浓度的控制方法采取如比例—积分—微分（Proportion Integration Differentiation，PID）控制、模糊控制策略等进一步研究，做到投喂更加精准化和智能化。