分散式远端监控水产养殖资讯管理系统

本团队试图建立一套水产养殖资讯监控管理系统，利用分散式控制对多个养殖鱼苗水槽内的环境参数做长时间的自动化纪录与监控，并达成线上即时检测资料暨远端即时监控。
背景与动机
◆单位名称：国立高雄海洋科技大学电信工程系（陈琼兴 副教授、蔡昇伟 专题生、吴育昌 专题生）
◆应用领域：水产养殖自动化
◆使用产品：LabVIEW 7.1 Professional Development System，Field Point 1600、FP-DO-400、FP-AI-100。
◆欲解决问题：
线上即时检测资料、感测信号、及控制信号的撷取、发送整合，并完成远端即时监控。对系统中马达空载与过载的问题能自我检测并适当处置，同时全天候纪录养殖池的环境参数。

◆应用方案：
以LabVIEW为开发环境，搭配Field Point 1600、FP-DO-400、FP-AI-100撷取线上即时检测资料、感测信号与马达信号，以图形及表格方式即时显示于人机介面视窗上，并经迴授控制电路适时调节养殖池的控制因子。

◆专案简介：
本研究专案为建立一套水产养殖资讯监控管理系统，利用分散式控制对多个养殖鱼苗水槽内的环境参数做长时间的自动化纪录与监控。鱼苗培育的水槽环境变化因素包括：饵料供给量、水中的pH值、溶氧量、温度和水位的高低等皆可依各水槽区的需求，由管理者分别设定。上述控制因素的相互关系对培育鱼苗的影响也可藉由各项资料的纪录，提供管理者进行分析以改善养殖环境。除了节省人力资源的浪费外，更可精确纪录水槽内环境因素的变化，使得水槽内的环境变化掌控，能合乎预设之理想值。

此研究以NI公司之图控式程式语言LabVIEW 7.1为开发软体，建立友善的人机介面视觉化视窗。另以NI公司之Field Point 1600为软件与硬件装置间的沟通介面，以解决此监控装置的检测资料及感测信号的交握整合。并利用Web网页伺服器技术完成资料传输，以方便研究人员于远端监控。

文章摘要
◆整体架构
水池环境因素的控制对鱼苗的培育影响非常大，因此一般都先置于小型水槽中，由研究人员依各别的需求，加以定量定时控制。在培育的过程中，除了定量定时的供饵外，水的酸硷度(pH值)、温度以及溶氧量(DO)皆是鱼苗成长的重要环境因素。传统的培育作业，上述的环境因素皆由工作人员在现场定时检测并做适当修正，以确保鱼苗的生活环境维持在理想值范围，不仅浪费人力资源且易因人为因素造成时间延迟而致鱼苗暴毙，因此发展具有能依预设值而自动修正并可做24小时资讯纪录的自动化设备改善鱼苗培育工作，并提升精确度，已为目前水产养殖的趋势。

本研究专案所欲发展的鱼苗培育资讯管理系统，整体架构示意图如图1所示，此架构考量即时性的感测信号的撷取、问题的处理、资料的撷取以及远端监控的能力，乃选择以NI的Field Point 1600，不仅负责感测信号的撷取、问题的处理以及资料的撷取，同时搭配一部伺服主机，提供研究人员随时经由网际网路监控远端培育水槽的环境参数。
　

图1整体架构示意图
　

近年来，各种化学感测技术应用广泛，其中如使用于水质检验的pH meter和DO meter等，都已广泛地被研究人员使用，故本专案乃利用既有的检测元件和自行开发设计的感测电路对水槽的环境做一全面性的监控。由于本研究专案需适当的软、硬件整合，或整体架构开发环境的软件选择及硬件架构的设计相对重要，针对开发环境的选择及软硬件架构的设计详述如下：

开发环境选择
当我们为了量测和自动化应用需求设计适用的软件时，通常会在不同种类的开发软件间进行选择。目前常用的程式语言，包括C、C++、组合语言以及Visual Basic等，这些程式语言通常是以文字指令为基础(text-based)的软件，或者牵涉到微电脑硬件架构的I/O与暂存器配置的指令，即使这些传统的程式工具能够充分发挥其功能及优势，但也因为这类程式语言的使用者必须具备熟悉该程式的语法规则及其发展特性的经验与知识，因此，即使这些工具的应用相当弹性，但也意味着使用者必须接受一些深度内容的训练。

另一种是以设定为基础(configuration-based)的软件，专门用来克服撰写传统程式语言时会遭遇的困难：此类软件可以提供快速的方法，在最短的时间内设计出可自动化操作的测试及量测系统。一般而言，这些以对话框(dialog-based)为基础的互动式应用介面提供了较便利的程式撰写过程，但也导致功能性受限，且其提供客制化以及扩展化方面选择的机会也极低。

如何在上述两种软件开发工具间进行应用程式撰写与实现，则必须视实际情况而定。当尝试使用架构式为基础的软体来快速达成任务的同时，很快就会因软件本身的限制而遭遇瓶颈。若使用传统的程式语言，则会发现即便是最简单的任务，也会因为入门的困难度高而遭遇到使用指令障碍的窘境。

如果选对了软件，使用者可以快速且有效的建立应用系统，并依照系统的需求撰写各子程式并将加以组合成一个系统，而LabVIEW可以让使用者轻易的设计出所需的程式。使用者可以使用LabVIEW中提供的旋钮、开关、温度计、图表等元件设计出人性化的介面，同时透过流程图和图形化程式码进行程式设计，其撰写过程就像画流程图那样简单，不像传统文字型态的程式语言那样难学，可大幅缩短使用者的学习过程与程式撰写的时间。LabVIEW程式的撰写过程如图2(a)及2(b)所示。
　

图2(a) LabVIEW的人机介面元件
　

图2(b) LabVIEW的人机介面与图形程式区
　

使用者只需在LabVIEW的人机介面上点滑鼠右键，便可在跳出的Controls控制面版里面取出适当的元件并放置于人机介面上即可。接着，再将图形程式区中的元件连线后，便完成一个可执行的程式。

综合以上程式语言学习、撰写及除错的时间，根据吾人实际上学习过传统的程式语言与LabVIEW后，由图3(a)与图3(b)可知，以LabVIEW为开发环境的程式可省下约75%的时间。
　

图3(a)传统程式语言学习时间比例图　　　　　　　　图3(b)LabVIEW学习时间比例图
　

在开发此分散式远端监控水产养殖资讯管理系统前，吾人曾参考国外某知名品牌所开发出来的水产养殖自动化系统(CDi99 System)，其整体架构示意图如图4所示。
　

图4国外水产养殖自动化系统之示意图(取自Single Chips Inc)
　

此系统使用由单晶片设计进行资料的撷取与处理，其所使用的程式语言设计过程相当复杂。若以NI的Field Point 1600如图5(a)所示，代替由单晶片设计的CDi99 System如图5(b)所示，则不用考虑细部的撷取过程程式码，这些繁杂的程式码LabVIEW都以撰写好，只要直接应用即可。
　

图5(a) Field Point 1600　　　　　　　　图5(b) CDi99 System
　

此外，Field Point是一个功能强大的模组化系统，其外型就像一列火车般，具备嵌入控制，资料记录与乙太网路连接功能。火车头是一个网路介面，而车厢可以是模拟输入/输出或数字输入/输出四种类型，每个车厢为一个埠，共8个channel。使用者可以将Field Point当作多个具有乙太网路连接功能的DAQ卡来使用。

CDi99 System所撷取的资料需透过RS-232串列埠才能传送至与其连线的电脑上，若要将所撷取的资料透过网路传送至远端的电脑进行监控的话，必需透过编码、解码及设定通信协定等等复杂的步骤才可达成，对一个程式开发者而言，是一种不必要的负担。

针对远端监控的问题，LabVIEW内建的Web伺服器能将已撰写完成的程式发送至网页上，让使用者方便于远端进行监控，如图6所示。
　

图6 Web LabVIEW
　

综合以上软、硬件、网路及资料传输的开发环境的比较，根据吾人实际开发后，由图7(a)与图7(b)可知，以NI的LabVIEW及Field Point 1600为开发环境可省下约45%的开发时间。
　

图7(a)传统开发环境、开发时间比例图　　　　　　　　图7(b) LabVIEW开发环境、开发时间比例图
　

另外，以同样功能作比较。就成本而言，一个CDi99 Controller为5300加币(相当于约台币150,000)。远超过NI的Field Point 1600(包括一组FP-DO-400与一组FP-AI-100)约台币55,000。身为开发工程师，吾人选择较易撰写与除错、开发时间最短、成本较低且功能强大的LabVIEW及Field Point 1600为分散式远端监控水产养殖资讯管理系统专案的开发环境。

硬件架构设计
本系统的硬件架构如图1所示，以个人电脑为主体，利用National Instruments 的LabVIEW 7.1 Professional Development System软件为核心，将机电控制电路置于养殖池边，再利用网路线经由Field Point 1600传送至管理室内的个人电脑主机。必要时，管理者也可透过网际网路在远端监控多个养殖槽的机电设备运作情形，达到无人管理的全自动化目标。其中包含五个硬件子系统：(1)自动投饵子系统。(2)pH值监控配合进水和排水调整子系统。(3)温度监控配合加热与循环水子系统。(4)马达打气子系统。(5)水位监控配合进水和排水子系统。

(1)自动投饵子系统
此系统乃以市面上现有的自动投饵系统再加上红外线感测器以监控饲料的安全存量以及是否正常供给，如有异常则由回授电路将马达OFF以免空转而烧毁，另也考虑到如马达运转过载时，也会于时限内有自动断电以保护设备。

本专案中加入两组红外线感测电路以判断供饵是否正常运转。其中一组红外线感测电路用来检测饲料槽中的饲料存量，如低于定额供给量时，蜂鸣器即会响起并于电脑萤幕显示存料异常。另外一组红外线感测电路则负责监控输送管路是否依指定时间送出饲料，如检测出异状，则蜂鸣器亦会发出响声，并切断马达电源，并于萤幕显示出料异常。当自动投饵机正常输送鱼饲料时，红外线感测电路是为遮断(正常状态)，当该供饵时(马达启动)，而红外线感测是为非遮断(异常)时，经由时间延迟回路的控制(约5秒钟)继电器(Relay)将马达电源关闭。避免马达烧毁。

(2)pH值监控配合进水与排水调整子系统
养殖池会因鱼群大量的排泄物而产生氨基酸使池水酸度上升，致使鱼群生病。本子系统加入pH值定时测量，当pH值降低至可容许范围外时，本子系统将会启动抽水马达，将池中含酸性的水排出，并由备用水池中导入原水如图1所示，以便将池水中和至可容许的pH值范围为止。

(3)温度监控配合循环水子系统
台湾夏季气温高，对于某些鱼群的生长并不适宜，尤其是鱼苗的培养。本子系统设计之目的在于掌握养殖池中的水温，当池中水的温度高于容许范围时，可藉由备用水池循环来调节水温。相对的，当寒流来袭造成养殖池的温度低于容许范围时，便启动加热棒来保持水温。

(4)马达打气子系统
养殖池内由于鱼群密度高与气压变化之原故，往往必须藉由打气马达的动作以增加水中溶氧。传统乃以定时器控制来定时启动打气马达以增加池水中的溶氧量，如遇机件故障，将不仅无法如预期打气增加水中溶氧，亦会造成马达烧毁，因此加入了负载保护电路。当打气马达发生异常状况时，而无法正常转动时，本子系统将会在约5秒后将打气马达的电力关掉，以避免打气马达过热烧毁，并于电脑萤幕上显示出打气马达异常。

(5)水位监控配合进水和排水子系统
本子系统设计之目的乃在于调节水位在安全高度范围。当养殖池的水量因蒸发而减少时，亦不利于鱼群生存，因此，也需一套自动抽水马达抽取备用水池，以补充养殖池的水量至正常高度。不论是池水酸硷值控制;温度控制或水位控制都需有排水与进水的功能配合，图8中列出了整套系统的进水主控板电路，至于排水主控板电路则只是反向动作而已。图9则为整个系统的机电控制阶梯图，以利读者了解整个控制动作。图10为鱼苗培育场。图11为系统控制电路。
　

图10鱼苗培育场　　　　　　　　　　　　　　　图11系统控制电路
　

软件架构设计
软件的人机介面及程式的设计，对于管理员(使用者)了解整个系统及各硬件的运作状况有极大的影响。一个好的人机介面及程式，能减低管理者的负担，进而能够节省人力成本。针对此问题，吾人为了让管理员容易操作系统，选择较易撰写与除错、开发时间最短、成本较低且功能强大的LabVIEW图控式程式语言建立一个视觉化且友善的操作介面，让管理员能在第一时间掌控整个系统及各硬件的运作状况。除此之外，LabVIEW内建的Web伺服器能将已撰写完成的程式发送至网页上，让管理员方便于远端进行监控。本系统软体设计的功能与特色叙述如下：

(1)兼具专业及亲和力的操控介面：
LabVIEW的人机介面提供许多直觉式的元件，如温度计(Thermometer)、水塔(Tanks)、滑动开关(Slides)、旋钮(Dial)、仪表(Gauge)和简单的数字控制端及显示端…等，能使吾人在LabVIEW的开发环境中快速且轻松地建立兼具专业及亲和力的操控介面，使得其他管理员能够立即操控此系统。

(2)语音警报：
语音警报系统能让吾人即使眼睛不在监控画面上，也可藉由语音得知养殖池的状况及整个系统硬件的动作(或故障)与否。

(3)图表显示：
在进行养殖池的环境监控时，假如仅以单纯的数字资料显示，管理员往往不容易了解其中的变化关系，吾人除了以数字资料显示外，同时也将资料以图表的方式展示出来，即可轻松地看出资料间的变化量。

(4)资料列表：
可将透过Field Point 1600撷取到的养殖池中的各项环境参数值，经由LabVIEW将其资料转成Excel档或Word档储存并列印。

(5)远端操控：
吾人可轻易地透过LabVIEW所提供的Web Server，将人机介面转成网页形式并藉由网际网路(InterNet)发送至网路上，让吾人方便于远端进行监控。

(6)自动断电：
若系统中的马达或其他硬件设备故障时，便会发出一个故障信号，当LabVIEW接收到信号时，即立刻切断其故障设备在FP-DO-400的Channel电源，以免马达空转而烧毁。

(7)窗形时间动作供饵系统与打气系统：
吾人可以在兼具专业及亲和力的操控介面上，轻易地依需求设定养殖池每天开始打气及供饵的起始时间与终止时间。

(8)保持养殖池最佳环境：
举例来说，当养殖池内的水温过低时，系统则会启动加热棒来保持水温。管理员可设定养殖池内水温的上、下限及加热的时间。当水温加热达到上、下限的平均值时，系统便会自动切断加热棒的电源，即使管理员误把加热时间设定过长，水温也不会因此过高。另外，水的pH过高、过低或水温过高之设计理念也是如水温过低一样，确保养殖池内的鱼苗能在最佳环境中成长。

其人机介面的功能大致分为“监控控制中心”与 “监控状态图示区”两项，分别叙述如下：
(a)监控控制中心
人机介面中的“监控控制中心”分页是整个分散式远端监控水产养殖资讯管理系统的操控核心。使用者可依照养殖池的环境需求，轻松地在其中作适当的调整与设定，使养殖池内的鱼苗能在最佳环境中成长。并利用LabVIEW内建的Web伺服器，将程式发送至网页上，让使用者方便于远端同步进行监控，其分页(监控控制中心)的软件架构如图12所示。
　

图12监控控制中心介面
　

(b)监控状态图示区
人机介面中的“监控状态图示区”分页是整个分散式远端监控水产养殖资讯管理系统的总监视画面。当使用者在“监控控制中心”分页中完成养殖池的设定后，可将画面切换至“监控状态图示区”分页上，便可监视养殖池的状况及整个系统的动作正常与否。其分页(监控状态图示区)的软件架构如图13所示。
　

图13监控状态图示区
　

图8进水控制电路（点击小图可看大图）
　

图9系统的机电控制阶梯图（点击1.2可看大图）
　

结论
以NI公司之图控式程式语言LabVIEW 7.1及Field Point 1600(包括一组FP-DO-400与两组FP-AI-100)作为专案企划的开发环境，能够大幅缩短程式语言在学习、撰写及除错的时间(约75%的时间)。另外，还可省下网路设定、软件设计及硬件开发的时间(约45%的开发时间)。最后，本研究专案所制作之分散式远端监控水产养殖资讯管理系统可以提供养殖池中的鱼苗最佳的成长环境、并可在远端监控整个系统及各硬件的运作状况。除此之外，又因软件兼具专业及亲和力的操控介面，使管理员能轻松地在第一时间掌控整个系统及各硬件的运作状况，进而节省人力资源。