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 Construction of seaware concentration automatic control system for aquaculture environment 張永昇 Yung-Sheng Chang 國立高雄海洋科技大學 微電子工程系 Department of Microelectronics Engineering, National Kaohsiung Marine University Email address: yschang @ mail.nkmu.edu.tw 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 Lab View 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 Lab View 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 Lab view 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、Lab View 水產養殖環境藻類濃度自動控制系統之建構 150 Abstract Automatic control system is required for modern aquaculture, especially the control over the density of seaweed. Here we developed and demonstrated by Lab View an automatic control system for the control over the density of seaweed in the cultivation of pearl oyster. The control system includes an active quantum scalar irradiance unit and a program which controls the on/off of the pumper used for pumping see water. The result showed that the control system operates properly and by the control system the density of seaweed can be controlled within the safe range. Keywords: Automatic control system, modern aquaculture, density of seaweed, Lab View, quantum scalar irradiance unit 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 Lab View 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 Lab View 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 Lab View 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，400-700 nm）。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 Lab View 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 2.2 Lab View程式之設計 欲連結 Lab View 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 Lab View 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 Lab View 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，Lab View 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。 2.2.1 Lab View 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 Time Delay 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、Lab View 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 Lab View 程式模擬之結果與外部硬體 電路所顯示之結果相同。Lab View 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 Lab View 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 Lab View 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-pin SCSI 公接 頭，此接線盒包含定位螺絲柱，方便您用於桌上型電腦或安裝在客製的面板上。 CB-68LP 具有垂直安裝的 68-pin 接頭。 圖(七) 訊號擷取卡 圖(八) 可將外部 I/O 訊號輕易地連結至 68-pin 的 DAQ 產品 2.4 遠端控制系統 為了在任何地方都可以進行此一系統之監控，因而在主程式架構中加入了遠端監控 系統與定時開關裝置，使其具有多功能之目的。架設 Lab View Web 網頁伺服器的好處 是即使不在自己的主電腦上，在世界某個角落，只要有網路的地方，就可透過在網頁伺 服器上觀看並操控遠端的機電設備與儀器。圖(九)顯示遠端操控之操作介面。 國立高雄海洋科技大學學報 第二十三期 157 圖(九) 遠端控制之操作介面 參、結果與討論 至此利用 Lab View 程式所建立之自動量測系統已建構完成，也將使用 DAQ 訊號擷 取卡來擷取所測量到之數值，再以數位與觸發 I/O 外接盒與訊號擷取卡相互連接，使其 能驗證 Lab View 程式系統模擬之結果與外部硬體電路所顯示之結果是否相同。 圖(十)顯示 Lab View 系統與外部硬體電路之執行結果。位於 Lab View 系統之人機 介面上，當程式執行前，使用者必須先選擇所需之輸入 Port，再設定使用者所需之藻類 濃度上下限範圍值（在此為光量子數）。如圖(十)(a)左圖所示，使用者將其上限值設為 1.1E+6；下限值設為 6.7E+5。以實際照光測試，感測器所測量之光量子數值為 1.23E+6， 超出使用者所設定之上限範圍值（high），則紅色 LED 燈將點燃。外部硬體電路以利用 數位與觸發 I/O 外接盒與 DAQ 訊號擷取卡相互連結，利用訊號擷取卡獲取 Lab View 系 統之測量值，再以數位與觸發 I/O 外接盒輸出其結果。圖(十)(a)右圖所示，外部硬體電 路與 Lab View 系統之執行結果相同。圖十(b)所示，經由外部實際照光測試，當感測器 所測得之光量子數值為 6.6E+5，低於使用者所設定之下限範圍值（low），則綠色 LED 水產養殖環境藻類濃度自動控制系統之建構 158 燈將點燃；圖(十)(c)所示，經由外部實際照光測試，當感測器所測得之光量子數值為 6.77E+5，位於使用者所設定上下限之中間值（safe），則黃色 LED 燈將點燃。由以上所 示之實驗結果證實利用 Lab View 系統所發展之人機介面可與光量子感測器互相搭配使 用。因本系統屬初期研究階段，輸出訊號所欲控制之馬達暫以上述之 LED 燈取代之。 經由上述外部實際照光之測試及紅、綠、黃 LED 燈之點滅情況，已驗證本系統可於使 用者所設定之上下限範正常工作，亦已達到 Lab View 介面建構馬達抽水自動控制系統 之目的。 (a) 在 HIGH 範圍值時，LED 顯示紅燈 (b) 在 low 範圍值時，LED 顯示綠燈 (c)在 safe 範圍值時，LED 顯示黃燈 圖(十) 本系統之 LED 顯示器於各種不同光量子數偵測值下之點滅情況 國立高雄海洋科技大學學報 第二十三期 159 根據以上實驗結果，證實利用 Lab View 所發展的人機介面可以與光量子感測器互 相搭配使用，並且利用實際的照光反應測試光量子的強弱，進而驗證了此程式執行結果 與由光量子感測器所接收到 data 之變化一致，其輸出能夠在所設定的範圍中擁有正確之 動作。然而目前光量子感測器所測得之結果是光量子數，而非藻類濃度。因此，今後預 定製做出不同濃度之藻類 sample 以量測其中之光量子數值，進而進行光量子數與藻類 濃度之 mapping，以達到操作介面螢幕上直接顯示藻類濃度之目的，以利使用者操作。 另一方面，為避免環境擾動造成控制器之無序動作，今後將針對整體系統以及光量子感 測器之雜訊防護進行強化，以確保系統運作之機能。 由於本系統擁有完整的人機介面遠端監控的功能，可讓使用者隨時透過網際網路即 時了解到藻類濃度的最新情況，大大提升使用上的方便性與多工性，進而讓使用者更能 精確掌握監控系統，以大幅減低使用者之金錢與時間的消耗。 肆、結 論 本研究使用完整人機介面遠端監控之功能，讓使用者即使在不同地方也可透過網際 網路即時了解養殖池最新情況，以控制其養殖環境之品質，大幅提升使用之方便性。本 研究目前所測量出之結果，是經過感測器所測得之光量子數值。今後預訂製作各種不同 濃度之藻類 sample，再以感測器量測其光量子數值，進而運用此光量子數值與所對應之 藻類濃度進行 mapping，以建構所測得之光量子數與藻類濃度之關係圖，進而訂定系統 程式中 high、safe、low 各範圍所需設定之光量子數之數值。另一方面，本研究未來將 在資料存取方面加強其功能，提升資料儲存之應變能力，避免突然斷電之狀況。如此一 來，經由本系統之設置，今後水產養殖環境藻類濃度自動控制之目的將可預期達成。 另一方面，本研究所使用之光量子感測器之感測體乃由半導體構造所形成，在未來 或許可利用半導體技術以自行研發其相關之感測元件，藉而降低光量子感測器由國外購 入之高價成本。 水產養殖環境藻類濃度自動控制系統之建構 160 Reference [1] 施映霞、林雪幸（2003），不同餌料對馬氏珍珠貝成長的影響（臺灣水產學會論文 發表會）。 [2] LabVIEW 8.X，電子工業出版。