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

5. Выбор надежной платформы для длительной записи данных для последующего анализа;
6. Разработка и реализация проекта в сжатые сроки;
7. 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.

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).

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.

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 — https://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.

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