水产养殖环境藻类浓度自动控制系统之建构

國立高雄海洋科技大學學報第二十三期149水產養殖環境藻類濃度自動控制系統之建構Constructionofseawareconcentrationautomaticcontrolsystemforaquacultureenvironment張永昇Yung-ShengChang國立高雄海洋科技大學微電子工程系DepartmentofMicroelectronicsEngineering,NationalKaohsiungMarineUniversityEmailaddress:[e-mail]摘要本研究乃針對影響水產養殖環境中最大之藻類濃度進行自動化控制之建構。因養殖池中藻類之濃度對養殖物（如珍珠貝等）之影響極大，是以藻類濃度之控制成為控制養殖環境重要之一環。由於養殖池中藻類濃度會隨時間而增大，因此需不定時補充海水予以淡化。由於此一海水之補充需藉由抽水馬達來進行，因此難以藉由人工予以執行。基於此，本研究利用光量子感測器來測量水中之光量子數，再以LabView系統與光量子感測器做連結。因藻類濃度之多寡將影響所測得之光量子數目，因此本研究利用LabView介面建構馬達抽水之控制系統，而以光量子感測器所測得之訊號做為控制系統之輸入訊號以控制馬達之啟動與否，進而達到控制藻類濃度之目的。本研究在程式裡面設定三個範圍不同之藻類濃度值，且配合DAQ訊號擷取卡來擷取所顯示之資料，再以數位與觸發I/O外接盒跟訊號擷取卡做連接，使其能證明在Labview程式模擬之結果與外部硬體電路所顯示之結果相同。實驗結果亦驗証了抽水馬達會隨著吾人所設定之濃度範圍而啟動或停止，且此一濃度範圍可隨意更動。另一方面，本系統具有遠端監控之功能可使整個自動控制系統更加完整，也因此可讓使用者減少龐大之人力、物力與時間的耗損，以提升養殖產業之經濟效益。關鍵字：自動化、藻類濃度、光量子感測器、養殖環境、LabView水產養殖環境藻類濃度自動控制系統之建構150AbstractAutomaticcontrolsystemisrequiredformodernaquaculture,especiallythecontroloverthedensityofseaweed.HerewedevelopedanddemonstratedbyLabViewanautomaticcontrolsystemforthecontroloverthedensityofseaweedinthecultivationofpearloyster.Thecontrolsystemincludesanactivequantumscalarirradianceunitandaprogramwhichcontrolstheon/offofthepumperusedforpumpingseewater.Theresultshowedthatthecontrolsystemoperatesproperlyandbythecontrolsystemthedensityofseaweedcanbecontrolledwithinthesaferange.Keywords:Automaticcontrolsystem,modernaquaculture,densityofseaweed,LabView,quantumscalarirradianceunit壹、研究背景與目的自動化一直是產業升級最有效的方法，即便是水產養殖業也積極朝此目標努力。目前養殖自動化系統大都缺乏完整自動化考量，如果能具有自動調整養殖環境之功能，將大幅減低養殖環境所需之人力、物力以及金錢，達到全自動化之目的。而珍珠貝因極具經濟價值，在眾多水產養殖業中頗具競爭力，且一直受到全球養殖業之重視。然而因珍珠貝養殖環境中(海水中)常含有微小藻類，而藻類數量之多寡則強烈影響珍珠貝之成長，進而影響珍珠貝之品質[1]。此乃因珍珠貝之成長，唯有在某個藻類濃度範圍內才能長成顆粒飽滿、色澤光亮之形態，亦較能提升其經濟價值。然而珍珠貝養殖池中之藻類濃度通常會在數日內急速上升，且目前珍珠貝之養殖因無藻類濃度自動量測系統，僅能採用手動式之藻類濃度量測方法，經由量得之藻類濃度進而取決是否補充海水以沖淡藻類濃度，因此不僅耗費人力，且一旦出現人為疏失之時，將影響整個養殖環境中藻類之濃度，進而破壞珍珠貝之品質。因此本研究欲針對藻類濃度之管控進行自動化之研發，而此一藻類濃度之管控將是提升珍珠貝養殖品質最重要之一環。欲達到珍珠貝養殖環境自動化之目的，本研究決定用LabView介面建構控制系統以控制馬達抽取海水，進而達到養殖環境藻類濃度過高時水分自動補充之功能。而本研究中用於直接探測藻類濃度之光量子感測器所測得之訊號將作為控制系統之輸入訊號，其後經由控制系統之判別進而提供馬達啟動與否之輸出訊號，最後達到控制藻類濃度之目的。因此本研究所研發之控制系統，預期可使珍珠貝等養殖業者節省許多時間與人力，並且大幅提升養殖產業之經濟效益。國立高雄海洋科技大學學報第二十三期151貳、研究內容養殖池中存在著大量藻類，此一藻類濃度會隨著時間而增加，而藻類會與光進行作用，因此藻類濃度將影響養殖池水中之光量子數。基於此，本研究使用光量子感測器測量水中之光量子數，而所測得之光量子數則需轉換成藻類之濃度。然而本研究至此僅針對此一控制系統進行研究，因此研究內容著重於以LabView建構連結光量子感測器（訊號之輸入部份）與抽水馬達（輸出訊號所欲控制之部份）之控制系統。以下針對本研究之感測器以及如何利用LabView建構控制系統進行說明。2.1光量子感測器之特性與介紹本研究所使用之國外進口感測器如圖(一)，，此光量子感測器乃專門用於偵測水中之藻類濃度，對於光子能量有敏銳的探測效果，因此利用此儀器來進行本研究。此一感測器屬Scalar型光量子感測器，具備Teflon制球狀光學集電器，用於精確測量光合有效輻射（PAR，400-700nm）。其小型Scalar集電器和較長且細的支持桿，使得此一感測器可精確量測來自各個方向之光源。此一系列之感測器適用於測量光合細菌、浮游植物、大型藻類、和高等植物培養瓶/室內的光源。表(一)顯示本研究所使用光量子感測器之基本特性。此一感測器可利用基本Windows操作系統之專用軟體工作，可適時顯示PAR值並記錄PAR隨時間的變化。此一感測器耗電量非常低，僅需與個人電腦之RS-232連結即可工作如表(一)。圖(一)本研究所使用之光量子感測器之實體圖水產養殖環境藻類濃度自動控制系統之建構152表(一)本研究所使用光量子感測器之特徵特徵■防水性、防濺水■工作環境可於空氣中、水中(短期)■最大工作水深1m■小型‧輕量■超低消費電力■來自全方位的光合有效放射光量■不需要電池■確切的校對此感測器雖擁有原廠之操作軟體如圖(二)所示，然其軟體內容無法進行變更，因此本研究以LabView軟體來發展另一套與此感測器相連接之控制系統[2]，以控制珍珠貝養殖池裡水藻之濃度，進而達到珍珠貝養殖環境自動化控制之目的。圖(二)原廠操作軟體之控制介面圖2.2LabView程式之設計欲連結LabView系統與光量子感測器，必須先取得光量子感測器之控制碼，以作為連結兩者之橋樑。本研究使用數位示波器與光量子感測器之串列連接阜做連接，當光量子感測器啟動時，數位示波器上會顯示數位波形，利用此一波形可取得其控制碼。獲得控制碼後，即可執行LabView程式之撰寫。本研究將程式分為兩部份，一為感測器之控制碼系統，二為LabView主程式之架國立高雄海洋科技大學學報第二十三期153構（包含自動化控制、遠端監控）。控制碼系統主要功能為啟動主程式時，LabView系統將其控制碼寫入程式中，當程式執行時，主程式與感測器將可相互連接。2.2.1LabView程式之流程架構依數位示波器所觀測之啟動控制碼，控制碼系統之人機介面大約可分為五個陣列，第一到第三為啟始控制碼，第四第五則為迴圈控制碼，如圖(四)所示。圖(四)控制碼之人機介面關於控制碼程式之建構，乃是將起始控制碼開始與sensor相互溝通使其感測器啟動。首先經過兩個時間的delay，每經過一個TimeDelay將送入一組啟始控制碼，當資料將進入控制迴圈中，經過序列位元編碼與時間延遲過後，資料將由主程式所應用，完成整個控制碼系統架構。關於初始化（code）之部份，乃將第一個控制碼為初始化功能，當程式重新執行時，控制碼將會重新載入所偵測到之數值，這樣才不會使前一次所偵測到的數值進而影響到重新執行過後的結果。因為資料傳輸的速度較快，可能會導致sensor讀取不到其數值，所以中間必須有0.2ms的delay時間，讓儀器有時間讀取資料。至於待解碼（code）之部份，乃是帶數值進入迴圈時，更新code啟動，水產養殖環境藻類濃度自動控制系統之建構154代表著數值每經過一短時間就會在迴圈內更新，這就是在人機介面所看到的數值會隨著時間變化而有所改變的原因。將更新完後的資料送出進行解碼，在這過程中採用解碼與送出資料同步進行，以減少它所消耗的時間，之後資料送出顯示到各元件上。圖(五)顯示程式介面判定Range之結構，就如同一開始所介紹之珍珠貝的養殖環境，其光量子強度需有一定的範圍，所以在此可以自行更改其強度範圍，讓它在不同範圍內都能執行不同的動作。由更新完後所送出之data，經過位元調整運算後在與其上下限範圍做比較，如超出上限則led顯示紅燈，低於下限則led顯示綠燈，在安全範圍內則led顯示黃燈。圖(五)程式介面（判定Range）圖(六)顯示程式之流程圖。本程式執行前必須先選擇所需之輸入Port，程式執行後感測器之控制碼系統將會啟動，使感測器與程式系統相互連結。起始控制碼傳遞訊號於感測器使其啟動，資料將進入主程式控制迴圈中，經過序列位元編碼與時間延遲過後，資料將由主程式所應用。本系統乃利用光量子感測器所測得之Data輸入控制程式中進而判別其數值以決定抽水馬達之啟動與否(亦即當藻類濃度超越某定值或則低於某定值時即會啟動相關之抽水馬達)，而光量子感測器所測得之Data將與養殖池中藻類之濃度呈線性對應。而藻類濃度對於養殖物之生長具有其一定之安全範圍，亦即具有濃度之上下限。因此本系統之控制面板採取可供使用者設定濃度上下限之設國立高雄海洋科技大學學報第二十三期155計。為了提供使用者可自行設定所需之濃度上下限，主程式尾端亦加入一數值控制元件。光量子感測器所測得之Data將輸至程式中以進行濃度之判別，在此使用DAQ訊號擷取卡以擷取所顯示之資料。如所測得之數值超出所設定之上限，則紅色LED燈將點燃；如所測得之數值位於所設定之上下限之間，則黃色LED燈將點燃；如所測得之數值低於所設定之下限，則綠色LED燈將點燃。本系統初期階段，輸出訊號所欲控制之馬達暫以上述之LED取代之，以驗證系統之工作正常與否。圖(六)程式之流程圖2.3、LabView外部硬體電路之構成在此也使用DAQ訊號擷取卡（圖(七)）來擷取所顯示之資料，再用數位與觸發I/O外接盒跟訊號擷取卡做連接，使其能證明在LabView程式模擬之結果與外部硬體電路所顯示之結果相同。LabView除了讓程式開發變容易外，另一主力是在於資料擷取及儀器控制上。在資料擷取上，發展自己的資料擷取卡，可直接安裝在PC上的PCI插槽上。因DAQ上已內建ADC的單元，所以在量測系統上的運用變得很容易就能實現。只要透過軟體的配合就能夠直接讀取外部感測器所送出之電壓訊號，而達成量測水產養殖環境藻類濃度自動控制系統之建構156功能的實現，加上LabView對於電腦的硬體介面支援度相當高，從早期的RS-232、並列印表機介面、USB等，在軟體上都有支援。尤其以GPIB算是一種儀器的通用控制介面。因此直接選擇LabView來進行開發我們儀控整合系統的軟體工具。如圖(八)所示，擁有68個低價位螺旋式終端的配件，可將外部I/O訊號輕易地連結至68-pin的DAQ產品。包含一個可直接連接至68-pin連接線的68-pinSCSI公接頭，此接線盒包含定位螺絲柱，方便您用於桌上型