鱼塘自动增氧控制系统

关于鱼塘自动增氧机的研究

摘要：为了提高水产养殖技术的自动化水平以及鱼类产品饲养的数量和质量，本文分析和研究了国内鱼塘增氧机自动控制的实现方法和工作原理，并提出了现有自动增氧机的不足之处，随后分析了影响各种增氧系统推广普及的制约因素，最后给出了结论与改进。

关键词：鱼塘增氧机 自动增氧机 自动控制

1. 引言

高密度养鱼是实现淡水养殖高产的重要途径。然而随着养殖密度的增加，水中氧气也会急剧减少，一旦水体缺氧，就会严重影响鱼类的生长，甚至造成鱼类死亡。1972年中国水产科学研究院渔业机械所成功研制出了叶轮式增氧机，实现了将空气中的氧气及时转移到水体中，不仅达到了水体增氧的目的，同时还能除去水体中的有害气体，具有促进上下水层对流交换、改善水质、提高鱼池活性等作用。增氧机在问世以来的近四十年间，不仅使中国池塘养鱼打破了单产不过“千斤”的瓶颈，也使中国淡水养殖产量占到了淡水产品总产量90%以上， 中国也当之无愧地成为了水产养殖产量世界第一的渔业大国。

增氧机问世之初，多依靠渔民的实践经验来人工控制增氧机的开启以及增氧时间的长短。如果渔民不能准确判断增氧的时机， 那么就可能会出现增氧时间过长，造成资源浪费；或者增氧时间不足，造成鱼类死亡等状况，这都直接影响着增氧机的使用效果与推广普及。

通常来说，增氧机从每年从5 月份开始一直可能工作到10 月份，一般每天增氧电机连续工作8 小时。在当今倡导节能、环保的大环境下，我们有必要依靠科技进步，将鱼塘增氧机实现自动控制，进一步减小增氧机消耗的电能。

本文首先系统阐述了增氧机自动控制系统的研发思路，随后扼要介绍了中国淡水养殖增氧机自动控制系统的研究现状及其设计原理，并分析了影响各种自动控制系统推广普及的制约因素。

2. 自动增氧机的研发思路

国内外实现鱼塘增氧机自动控制的主要方式之一，是自动控时系统。其基本控制元件是一种经济、实用的时间控制器。其本质是，在大量实践基础上，结合一系列实地监测数据总结出来的定时增氧控制系统。这种机械化的设定，可以在一定程度上降低劳动强度，却难以达到池塘需氧量的精确管理。随着传感器技术的日益完善， 科研工作者们也将目光放到了传感操控增氧机运行的角度，并先后研发出了温度传感器、氧传感器等作为池塘内溶氧量信号的捕获探头。基于传感技术的自动控制系统的设计思路为：利用传感器直接或间接探测水中的溶氧量信号，并将其转化为微弱的电流信号。该电流信号经过放大器、鉴别器后，对增氧机开关系统产生相应的控制信号，从而实现对增氧机的实时监控。在传感探头的基础上再加上无线发射接收组件控制系统，便可实现增氧控制系统的远程、集成管理，有利于发展通过计算机集中、现代化管理大型养殖场的综合监管系统。

3. 国内外研究现状

3.1 单传感器自动控制系统

单传感器自动控制系统， 是指凭借单一传感器来直接或间接测定水中溶氧量， 并依据

探测信号来实时监控增氧机开启状况的控制系统。

黄海晏所设计的鱼塘增氧机自动开关装置采用温度传感器作为池塘内溶氧量信号的捕获探头，已于2003年获得国家实用新型专利。此专利设计的原理依据是基于大量的实地监测证明： 鱼塘的缺氧情况与气温有关， 而且缺氧情况一般出现在水温高于气温的时候。这种自动开关装置，采用了气温传感器和水温传感器分别来收集鱼塘内水温与环境气温的信号。这两个温度信号被分别送入信号比较电路的两个输入端，比较电路的输出端则接上开关控制电路，开关控制电路再通过接触器触头来控制增氧机的电源开关。此装置的优点在于构造简单， 能实现一定程度上鱼塘缺氧情况的实时监测，可以降低劳动强度。但是，淡水生态学研究表明： 在一定的温度范围内， 温度每升高10℃，有机体的代谢作用将增强2~3倍，因而呼吸强度也会相应增加。可见水生生物的需氧情况与池塘水温间存在着极其复杂的关系， 故此实用新型的探测精确度仍需接受实践的检验。

侯加林等研发的鱼池增氧机自动控制系统是采用W ―LB 氧传感器收集池塘中的溶氧量。其基本工作原理为： 第一级运算放大器将氧传感器输出的电流信号转化成电压信号， 该电压信号经第二级运算放大器后，输入A/D转换器，变成数字量进入单片机，进而实现对增氧机开关电路的控制。

刘孝富设计出的自动增氧控制仪，也是利用氧传感器将水中的溶氧量情况转化为微弱的电信号， 此信号经过信号放大器放大后，送入溶氧量鉴别器，与设定的溶氧量值进行比较。当实测出的水中溶氧量低于设定值时， 鉴别器将会发出一个控制信号来启动延时器。延时结束后，延时器将发出启动信号使增氧机开始工作。增氧机工作一段时间后将自动停机，若此后测得溶氧量仍小于设定值，鉴别器将再度启动延时装置，如此循环工作，以实现池塘内溶氧量始终维持在安全范围内。这一类自动控制系统的优点在于采用氧传感器对水中溶氧量进行直接测定，信息较为精确；使用鉴别器与延时器组合，循环增氧，实现鱼塘内溶氧量平稳维持在安全范围内，更有利于鱼类健康生长。然而其控制系统较为复杂， 成本较大，安全可靠性也有待增强。

3.2 多因素集成测定自动控制系统

越来越多的研究发现， 仅凭水中的溶氧量或温度等单一因素水平的测定， 还不能准确反映池塘内鱼类生存的环境条件。故而不少科学工作者也逐渐意识到需要从多因素水平测定、信息补偿等角度来降低信息的不确定性，从而实现对增氧机更合理的自动控制。因此增氧机自动控制系统的信号搜集系统也越来越趋向于综合化、集成化。

孙道宗等研发的鱼塘含氧自动监控系统， 就是采用氧探头与温度探头相结合的信号收集器。该系统的开关控制电路主要由光电耦合器和可控硅组成：信号采集器发出的控制信号经驱动器后， 控制光电耦合器的工作状态；光电耦合器开始工作后，使得可控硅处于导通状态，进而实现对增氧机的开关控制。此外，该系统还包括有键盘输入(包括复位、模式等按键，便于灵活设置参数) 、显示电路(采用LCM ，用于显示控制器采集器的溶氧量和温度值， 以及溶氧量的上下限设定值) 、声光报警系统(结合增氧机工作状态检测电路，实时监测增氧

机的工作状态是否与系统指定的工作状态一致) 等，可以实现较为全面、便宜的自动控制。

重庆大学的程尧研制的ZY1―0.75型自动控制射流式增氧机的自动控制系统，则以MCS ―51微机为核心。其主要部件包括：水中溶氧量和温度的采集处理器、键盘与LCD 的显示器、增氧泵的驱动和监控装置，以及声光报警系统等。该自动控制系统的特点是能连续测量水中的溶氧量，并根据用户对测量阈值的设定，自动开启或关闭增氧机。在测控过程中进行温度补偿和数据处理，有效提高了监控精度。该装置灵活结合了增氧机的性能，可以实现随意调节增氧水层深度，送水角度及水流方向，使整个池塘溶氧均匀，在一定程度上解决了深层水体补氧不足的问题。已经商品化的溶氧自控仪则是集成了包括溶解氧、温度、pH 值

及光照等4个环境因子的传感器，可以实现对池塘内水体环境的多因素监控。

3.3 远程集控自动控制系统

杨友平等研制的无线发射接收组件控制系统，采用最新编码解码无线收发组件作为基本单元，构成了具有远程集控功能的增氧机自动控制系统。其工作原理为：从一个监测点测得溶氧量、温度、噪声等共三个信号，经放大等一系列处理，接入控制系统。若三个信号值超出了设定的极限标准， 发射电路将发射出启动增氧机的信号。接收组件可以同时接收0~16路发射信号，并将接收到的开启信号进行解码，生成相应的编码地址， 同时输出相应地址的电平信号来控制开启对应监测点的增氧机。基于无线发射接收组件的自动控制系统可以实现远距离监测，不仅能达到节能的要求，还可以实现通过计算机集中控制大面积现代化鱼塘的管理模式， 具有极大的市场应用前景。

4. 存在的问题

4.1 传感器探头维护

养殖水池内，由于鱼类排泄物、水体杂质等诸多因素，会导致长期浸在池塘内的传感探头易被污染。若不及时清理，将会严重影响溶氧量监控的精度。以青虾养殖池塘为例，因为池塘水质较为复杂，而自动控制系统本身又无法获知探头的清洁状况，故传感探头需要定时取出清洗， 否则将可能出现无法准确探定池内溶氧量的情况。因此，研发稳定耐用、易于清洗、甚至具有污染反馈报警功能的传感探头也是今后科研工作者仍需努力的方向之一。

4.2 自控系统需结合生物习性实现共赢

早在1996年，Mylvaganam 等人已经提出了鱼类能悬浮在水中是因为鱼类吸入的空气在体内形成了气囊， 而气囊内空气的体积则直接决定了鱼体是上浮还是下沉。若增氧机自动控制系统能结合鱼类的这一特性， 就有可能实现通过控制水中的溶氧量来调控鱼类的活动力，适时调整池塘活性。水产部门技术人员还分析认为， 若能在傍晚有阳光时开增氧机一段时间， 可以为池塘内植物的光合作用提供充足的氧气，成为池内夜间耗氧的储备，这样就可以减少夜间开机的时间，达到节能减耗的效果。王鸿泰等也指出微流水的刺激作用可以加速鱼类卵母细胞由Ⅳ期中向Ⅳ期末转化，并能达到顺利产卵的目的，把增氧机的自动控制系统与流水控制结合起来， 也将是非常有意义的尝试。因此， 增氧机自动控制系统今后还

需合理结合水生生物的习性，加入智能化辅助监控，不仅实现增氧系统的节能减耗，也要实现与生物的互利共赢。

4.3 突发状况应变能力亟待增强

不同地区天气情况比较复杂， 而且温度的变化不仅会影响水中的溶氧量， 也会影响水生物的新陈代谢情况。因此，增氧机自动控制系统还需要有应对突变情况的能力，保证水产生物的基本需氧情况。秦春芳等指出可以整合出适合水产品生长的溶氧量上下限值点数据库，为增氧机增设限值受控开关，从而保证水中溶氧量始终维持在安全范围内， 增强增氧系统应对突发状况的能力。

5. 结论与改进

增氧机不仅具有增氧的效果， 还可以提升地层水与表层水的交替，还具有强烈的曝气功能，可以除去池水中的有害气体，本身具有巨大的应用、发展前景。随着我国淡水养殖产业的快速发展，增氧机的推广使用也日益加快了进程， 近年来已被列入国家农机补贴系列中。同时，增氧设备增氧效率低下、动力消耗大等缺陷也引起了科研人员的重视，研发节能高效的增氧机已成了当前科研重点， 而各种新型节能增氧机的出现， 也对增氧自动控制系统提出了新的挑战，当然也带来了新的机遇。为了加快构建节约型农业机械化体系，在具备远程集控功能的基础上研制出便于推广普及、安全易维护、能结合水生物习性、实现智能化控制的增氧机自动控制系统已是当务之急。

参考文献

[1] 丁永良. 叶轮增氧机的发明及其对中国池塘养殖的贡献[J].中国渔业经济, 2009, 3(27): 90~95.

[2] 戴灿华, 陈子森. 多功能鱼塘增氧机自动控制器[J]. 渔业机械仪器, 1989, 16(83): 23~25.

[3] 张钟世, 钟文颖. 增氧机自动控制系统[J]. 渔业机械仪器,1994, 21(111): 6~7.

[4] 侯加林, 王会明. 鱼塘增氧机自动控制系统[J]. 渔业现代化,1998, 2: 29~31.

[5] 程尧. ZY1―0.75型自动控制射流式增氧机的研制[硕士学位论文][D]. 重庆: 重庆大学, 2006.

[6] 张钟世, 钟文颖. 增氧机自动控制系统[J]. 渔业机械仪器,1994, 21(111): 6~7.

[7] 黄海晏. 鱼塘增氧机自动开关装置: 中国, 02248727.1[P].2003-9-24.