Умная УЗВ на основе NI CompactRIO и WSN

Перед авторами проекта стояла задача разработать «умную» УЗВ, простую в настройке и масштабировании, под нужды аквакультуры Сингапура.

Используя программируемый контроллер автоматизации NI CompactRIO для управления приводами и датчиками, узлы беспроводной сети датчиков NI-WSN для увеличения охвата сенсорных узлов CompactRIO, и программное обеспечение LabVIEW, вместе с интерфейсом сканирования CompactRIO, авторы работы разработали систему с рециркуляцией воды, в которой ведется непрерывный мониторинг и управление параметрами качества воды, включается оповещение при выходе параметров за допустимые пределы.

Устойчивая аквакультура в условиях ограничения пространства и ресурсов

Со времен обретения независимости, перед государством Сингапура остро стоит задача обеспечить пропитанием жителей в условиях ограниченности ресурсов. Сложнейшим вызовом, при высоких требованиях к качеству пищи, является минимальное использование свободной площади земли под ферму. Будучи островной страной, для решения поставленной задачи, Сингапур полагается, главным образом, на аквакультуру.

В основном аквакультура включает рыбоводческую сферу, которая несколько десятилетий развивается для удовлетворения спроса на морепродукты. Большинство ферм располагаются на побережье и используют садковые устройства в море. В 2015 году из 126 ферм Сингапура 117 являлись прибрежными. Поголовье рыб на этих прибрежных фермах постоянно подвергается стрессу, вызванному изменением условий среды. В том же году вспышка развития водорослей привела к мору около 500 тонн морской рыбы.

Кроме того, прибрежные фермы портят окружающую среду. Высокая плотность посадки рыб и, связанное с этим, большое количество отходов (фекалии, несъеденный корм, мертвая рыба) загрязняют окружающую воду. Свою лепту в процесс загрязнения экосистемы вносят лекарственные препараты и пестициды, которые фермеры используют для обработки садков и рыбы от паразитов.

Решая озвученные выше проблемы, исследователи и рыбоводы изучают технологию УЗВ, где рыбу и моллюсков выращивают в замкнутой системе интенсивного культивирования. Вода непрерывно циркулирует через серии механических и биологических фильтров, которые удаляют и адсорбируют загрязнения. Ферма требует минимального поступления свежей воды, экономит пространство и воду. Сингапур, имеющий мало сельскохозяйственных площадей и постоянно сталкивающийся со вспышкой роста морских водорослей, является идеальным кандидатом на освоение технологии УЗВ, интегрированной с гидропоникой (выращивание растений на питательном растворе).

Из-за интенсивной природы рециркуляционной системы, следует регулярно проводить мониторинг качества воды. Это позволит избежать катастрофических потерь, вызванных, например, возрастанием уровня аммония или снижением концентрации растворенного кислорода. В той или ной форме, технология УЗВ известна с 1950-х годов. Однако лишь недавно реализовали её потенциал в области товарного выращивания рыб. Новые технологии измерения параметров, программная обработка данных и системы контроля открыли новые возможности культивирования гидробионтов в замкнутой среде.

Данный проект направлен на разработку умной системы, которая не только проводит мониторинг качества воды в режиме реального времени, но также оповещает фермеров и автоматические системы изменения параметров качества воды, во избежание потерь рыбы. Он повысит продуктивность и снизит трудозатраты.

Идея разработать интеллектуальную, масштабируемую УЗВ предложена профессором Andrew Ng и его командой из Института Технологий Сингапура. Задача заключалась в создании прототипа УЗВ, который можно легко масштабировать под крупное производство, используя последние технологии регистрации и обработки данных. Приведенная система является прототипом аквапоники, который можно адоптировать и расширить.

Проект профинансирован Институтом Технологий Сингапура, реализован при успешном сотрудничестве с тремя сторонами: компаниями Baizonn, Providev и National Instruments. Baizonn является участником NI Academic Channel Partner с опытом разработки датчиков, механических схем и прототипов. Baizonn тесно сотрудничает с Providev, участником NI Alliance Partner, с более чем десятилетним опытом разработки продуктов LabVIEW и CompactRIO. Совместные усилия партнеров NI Partners, обмен опытом и техническими знаниями о программном обеспечении и аппаратных средствах, а также при поддержке и руководстве команды NI Singapore по продажам и разработке приложений, позволили успешно завершить этот проект.

Соответствие строгих требований к системе и оборудованию

Выбор гибкой в настройке аппаратной платформы и универсальных инструментов проектирования имел решающее значение для удовлетворения строгим требованиям к проекту УЗВ:

  1. Минимизация затрат на начальную настройку и свободное масштабирование системы уже после установки;
  2. Возможность менять положение датчиков с минимальными усилиями или изменением конфигурации системы;
  3. Обеспечение круглосуточной (24/7) сотовой связи для оповещения об опасности;
  4. Обеспечение непрерывного реал-тайм мониторинга следующих параметров в каждом бассейне:

— температура воздуха
— температура воды
— уровень воды
— pH
— концентрация растворенного кислорода
— электропроводность
— концентрация аммония
— концентрация нитрита

  1. Выбор надежной платформы для длительной записи данных для последующего анализа;
  2. Разработка и реализация проекта в сжатые сроки;
  3. Конструкция имеет маленький форм фактор, т.е. для установки необходим небольшое пространство около бассейнов.

В ходе обсуждения требований определены следующие компоненты системы (Рисунок 1). Обоснование выбора каждой платформы приведено ниже.

Рисунок 1. Прототип УЗВ с системой автоматизации мониторинга на основе продуктов National Instruments
Рисунок 1. Прототип УЗВ с системой автоматизации мониторинга на основе продуктов National Instruments

Ввод/вывод для общих ресурсов (IO for Shared Resources)

В промышленной системе имеются ресурсы, которые общие для всех бассейнов (т.е. водяной насос, воздушные помпы, фильтры и т.д.). Эти ресурсы являются основными средствами и для каждой системы УЗВ они предопределены.

Решено, что аппаратная платформа NI CompactRIO идеально подходит в качестве центра сбора данных в системе. Надежная конструкция контроллера и соответствие регистру Ллойда (LR) для использования в море и оффшорной зоне вселяет уверенность, что контроллер работает в пресноводной и морской культурах. Многообразие модулей C-серии для CompactRIO позволяет подобрать различные варианты контрольных и измерительных сигналов. Так как эти модули включают встроенное устройство нормирования сигнала, подключение схем и датчиков пройдет просто и аккуратно.

Ввод/вывод для мониторинга состояния воды (IO for Water Condition Monitoring)

Мониторинга качества воды является наиболее важной задачей проекта. Нестандартный дизайн и расположение бассейнов с рыбой делает любые проводные подключения датчиков непрактичными и сложными в эксплуатации. Решено использовать беспроводную сеть для подключения датчиков.

Модули беспроводной сети (NI Wireless Sensor Network Modules — NI-WSN) подходят для мониторинга, так как краевые узлы можно установить и просто настроить из основной станции. Модули NI-WSN используют стандарт Zigbee беспроводной сети, который обеспечивает гибкость настройки сети, основываясь на различном расположении бассейнов в полевых условиях. Для стандартных аналоговых и цифровых входов/выходов доступен выбор различных узлов WSN, включая программируемый NI 3231, RS-485 узел беспроводной сети. Это дает возможность будущего расширения и интеграции со многими датчиками и приводами, даже беспроводной доступ к промышленным коммуникационным шинам (industrial communication buses).

Модуль шлюз NI 9795 C-серии Беспроводной сенсорной сети (NI 9795 C-Series Wireless Sensor Network (WSN) Gateway) обеспечивает связь от краевых узлов WSN до центрального контроллера CompactRIO. В каждом удаленном бассейне с рыбой, «Сенсорная подвеска» включает датчики для измерения параметров качества воды (Рисунок 2). Датчики соединены с боксом сбора данных беспроводной сети (Wireless Data Acquisition Box — WDAQ), включающего источники их питания и два краевых узла NI WSN 3202 с аналоговым входом. Когда систему расширяют для поддержания нескольких бассейнов, число этих боксов WDAQ множится, и они объединяются в единую сеть с контроллером CompactRIO в качестве шлюза. Затем CompactRIO соединяют через локальную сеть (LAN) с основной станцией управления (PC) (Рисунок 3).

Рисунок 2. Сенсорная сумка с набором датчиков и NI WSN в боксе WDAQ
Рисунок 2. Сенсорная сумка с набором датчиков и NI WSN в боксе WDAQ
Рисунок 3. Масштабирование системы с использованием NI WSN и CompactRIO
Рисунок 3. Масштабирование системы с использованием NI WSN и CompactRIO

Сигнализация и уведомления

Изменение состояния воды может с угрожающей скоростью повлиять на здоровье рыб. В системах УЗВ с высокой плотностью посадки рыб важно как можно быстрее свести любые изменения до номинального состояния. Необходимо отслеживать сигналы опасности локально, в комнате управления, а также использовать сотовую связь для информирования пользователей и системного администратора о показаниях датчиков, вышедших за допустимые пределы. Для оповещения на местах система CompactDAQ соединена через USB с основным компьютером управления. Для удаленного оповещения посредством сотовой связи, рассмотрены технологии 3G и GSM; поэтому, для оповещения использовали SMS сообщения.

Благодаря открытой архитектуре платформы NI CompactRIO, не составило сложностей найти подходящий модуль C-серии от третьей стороны. После консультации с маркетинговой командой NI установлен модуль SEA 9741 3G/GPS от NI Alliance Partner. Легкость настройки модуля и программного обеспечения API снизило количество дней на разработку кода.

Следующие изображения демонстрируют законченную систему, коробку WDAQ с краевыми узлами NI WSN, центральный контроллер CompactRIO и центральную станцию мониторинга с сигнализацией NI CompactDAQ.

Рисунок 4. Прототип УЗВ - (a) вид спереди, (b) вид сбоку
Рисунок 4. Прототип УЗВ — (a) вид спереди, (b) вид сбоку
Рисунок 5. Сенсорная сумка с датчиками, бокс WDAQ с NI WSN
Рисунок 5. Сенсорная сумка с датчиками, бокс WDAQ с NI WSN
Рисунок 6. Контроллер CompactRIO и главная станция (PC)
Рисунок 6. Контроллер CompactRIO и главная станция (PC)

Быстрая разработка приложений с помощью LabVIEW и CompactRIO Scan Interface

В связи с низкой частотой записи решено использовать CompactRIO Scan Interface для более быстрого процесса разработки. CompactRIO Scan Interface обеспечивает базовый функционал с помощью низкоуровневого кода программирования FPGA для выбранных модулей через использование интерфейса I/O блоков.

Field Programmable Gate Arrays — Программируемая пользователем вентильная матрица — полупроводниковое устройство, которое может быть сконфигурировано производителем или разработчиком после изготовления; отсюда название: «программируемая пользователем».

Также рекомендую ознакомиться с инструкцией по созданию приложений с помощью CompactRIO и LabVIEW на русском языке — ftp://ftp.ni.com/pub/branches/russia/software/labview_compactrio.pdf

Открытые курсы по работе с LabVIEW — http://training-labview.ru/templates/standard/opencore/

Модуль беспроводной сенсорной сети LabVIEW обеспечивает доступ к удаленным модулям WSN, простую процедуру настройки и доступ к значениям через общие переменные. Для подготовки к тестированию основных вводов/выводов и беспроводной связи с датчиками разработчики сконфигурировали удаленные узлы WSN через утилиту NI-Measurement и Automation Explorer (NI-MAX), добавили модули в CompactRIO цель (target) в проекте LabVIEW, и перетащили узлы ввода/вывода и общие переменные на блок-диаграмму LabVIEW. С использованием интерфейса сканирования (Scan Interface) и общих переменных разработчики могут контролировать соединения датчиков и считывать данные с минимальными трудозатратами на кодирование.

Как только заданы исходные системные требования и подтверждены соединения вводы/вывода, следующим этапом является определение архитектуры системы под специфическую задачу. Встроенные образцы проектов LabVIEW в данном случае очень полезны, потому что обеспечивают разработчиков масштабируемой, хорошо документированной отправной точкой, прекрасно подходящей под системные требования. Авторы работы использовали готовый образец «LabVIEW Real-Time Control on CompactRIO (RIO Scan Interface)». Этот проект включает детальную инструкцию работы кода, а также комментарии для добавления и модификации функционала.

Мастер образца проекта завершил работу созданием полнофункционального проекта с включением интерфейса сканирования (Scan Engine Interface) для CompactRIO, реал тайм приложения, коммуникаций хост компьютера, простого графического пользовательского интерфейса (GUI) для мониторинга и управления. Все коды организованы в аккуратной, масштабируемой структуре папок. С опорой на шаблон как исходной точки, разработчики двинулись дальше в настройке и изменении архитектуры отдельных деталей приложения. По окончании проекта создана масштабируемая система, с возможностью обслуживания нескольких бассейнов и большим потенциалом настройки под будущее нужды. Пользовательский интерфейс создан для базовой станции управления и показан на рисунках 7,8 и 9.

Рисунок 7. Графический интерфейс системной панели
Рисунок 7. Графический интерфейс системной панели
Рисунок 8. Графический интерфейс системного монитора
Рисунок 8. Графический интерфейс системного монитора
Рисунок 9. Графический интерфейс диаграмм
Рисунок 9. Графический интерфейс диаграмм

Возможности для интеграции планшетных ПК

В процессе реализации проекта обсуждалась возможность интеграции планшетных ПК для мониторинга состояния воды. Понятно, что с помощью панели данных LabVIEW авторы работы легко проведут кросс платформенную разработку или это не потребуется вовсе. Панель данных LabVIEW поддерживает тот же интерфейс общих переменных, который включен в коммуникацию с центральной станцией управления (PC). Поэтому любой планшет, подключенный к сети, легко получит доступ к значениям параметров качества воды. Более того, панель данных, созданная на операционной системе iPhone (iOS), также полностью совместима с планшетами Android, без модификаций.

Заключение

Внедрение современных технологий в традиционные отрасли сельского хозяйства, в частности, фермерства и аквакультуры, имеет решающее значение в их развитии. Часто, строгие требования к мониторингу и контролю, которые формально возложены на человека, должны аккуратно выполняться новыми аппаратными платформами и программным обеспечением.

Продукты, использованные в реализации проекта
NI cRIO-9035 (NI-Linux 1.33GHz Dual-Core Real-Time Controller with Xilinx Kintex-7 70T FPGA)
NI 9474 (8 Channel, 24V Sourcing Digital Output Module)
NI 9795 (C Series Wireless Sensor Network (WSN) Gateway)
NI WSN-3202 (4 Ch, 16-Bit, ±10 V Analog Input Node)
NI cDAQ-9174 (CompactDAQ 4-slot USB Chassis)
SEA 9741 (3G/GPS Communication Module)
LabVIEW
LabVIEW Real-Time Module
LabVIEW FPGA Module
NI LabVIEW Wireless Sensor Network (WSN) Module
——
источник — Andrew Keong Ng, Yuan Kang Lim, Ryan Tay Hong-Soon, Raymond Kwang Wee Seah,
Sanka Ravipriya Hettiarachchi. A Smart Recirculating Aquaculture System with NI CompactRIO and WSN. Singapore Institute of Technology, Baizonn Pte. Ltd, Providev. 2016.

Контакты авторов —
Sanka Ravipriya Hettiarachchi
Providev
sanka@providevintl.com
Andrew Keong NG
Singapore Institute of Technology

Раздел: Исследовательские проекты
Метки: , ,
Похожие статьи:

Реакция постоянных читателей:

Заметил ошибку, тык*:

 Orphus

Комментарии Вконтакте:

Добавить комментарий

Войти с помощью: 

Ваш e-mail не будет опубликован. Обязательные поля помечены *