水產養殖水質檢測儀之開發

Design of Water Quality Measuring Device for Aquaculture

研究生：鄭民先

指導教授：黃克穠博士

義守大學

電子工程學系

碩士班碩士論文

A Thesis Submitted to

Department of Electronic Engineering I-Shou University

in Partial Fulfillment of the Requirements

for the Master degree with a

Major in Electronic Engineering June ,2017

Kaohsiung, Taiwan Republic of China

中華民國 一百零六 年 六 月

i

水產養殖水質檢測儀之開發

研究生：鄭民先 指導教授：黃克穠

義守大學電子工程研究所

摘要

隨著全球漁獲逐年到達捕撈極限，養殖漁業為解決漁獲量日益不

足之問題，且傳統養殖水質監測多透過人工量測，紀錄及自動化控制

養殖參數不易，本研究目的建置一套遠端定點自動量測水質之檢測儀，

搭配電腦端人機介面，檢測項目包含有：DO、pH、水溫，並能連動

增氧設備，達到水產養殖水質檢測自動化之目的。

本篇以 Arduino Mega 2560 開發板作為主控核心，並採用 Modbus

TCP/IP 來做為本篇之通訊方式，透過電腦端人機介面，使用者可掌握

當前水質參數，或將所儲存之資料以圖表呈現，並可自訂溶氧量上下

限值，檢測儀將自主運作並控制水中溶氧量於該區間當中，當有異常

狀況時，電腦端也將發出警訊通知使用者，以便即時應變處理。

關鍵字：水質監測、水產養殖、Modbus TCP/IP

ii

Design of Water Quality Measuring Device for

Aquaculture

Student: CHENG,MIN-HSIEN Advisor: HUANG,KE-NUNG

Department of Electronic Engineering

I-Shou University

ABSTRACT

As the global wild fisheries’ stock has seen a decline in recent years,

aquaculture is considered to be a way for sustaining these fisheries’ stock.

However, it’s difficult to record and automatically control the cultivation

parameter well as the water quality in traditional aquaculture is mostly

measured in manual.

The purpose of this research is to design an instrumentation which

can be used to measure and detect the water quality at a fixed position by

using the user interface from remote monitoring center. The detection

includes DO, pH and water quality. At the same time, oxygen equipment

is applied too. With these multiple functions, aquaculture is able to attain

the aim of detecting water quality automatically.

In this thesis, Arduino Mega 2560 microcontroller board is the major

controller of the entire system and the Modbus.TCP/IP is applied as

communication method. With the user interface, the user can observe and

manage the current parameter of water quality immediately by displaying

the stored data in chart and setting up the optimum range of dissolved

iii

oxygen. After finishing all the settings, the instrumentation will work

automatically and help to control the dissolved oxygen within the range

in settings. The computer will warn the users if any unusual situation

happens so that users can manage it at once.

Key word : Water Quality Measuring、Aquaculture、Modbus TCP/IP

iv

致謝

本篇論文得以順利完成，首先要感謝我的父母，供我學習期間衣

食無匱，使我能專注於學術研讀，在學期間也有賴各位先進指導，感

謝 黃克穠教授於我在學期間的教導，並在論文方向與實驗方法細心

引領，也要感謝口詴委員 任善隆教授以及 李彥杰經理點出不同面向

之提醒，也提供許多業界及現今市場動態所遇到之問題，促使學生思

考、改進，使得本論文更加完善。

感謝實驗室中的學長，秉杰、駿翔、任皓、德銘、偉綸，於我剛

起步時給予許多基礎觀念的指導。在論文研究、課業上，感謝同儕

柏穎、柏孝、旺祺、嘉倫，於研究室相互勉勵，共同參與比賽相互切

磋，感謝學弟妹們時常至實驗室提問問題，促進實驗室傳承與銜接，

也能讓我了解自身不足，加以努力。

最後感謝所有我身邊的人，在我求學期間的體諒與包容，讓我有

機會達成目標，在此獻上我的感激，也祝福所有幫助與關心我的人。

鄭民先 謹誌於

義守大學電子工程所

106 年 6 月

v

目錄

摘要................................................................................................................................. i

ABSTRACT ................................................................................................................... ii

致謝............................................................................................................................... iv

圖目錄........................................................................................................................... vi

表目錄.......................................................................................................................... vii

第一章 緒論............................................................................................................ 1

1.1. 研究動機.................................................................................................... 1

1.2. 研究目的.................................................................................................... 2

第二章 研究方法.................................................................................................... 6

2.1. 現有養殖環境監控.................................................................................... 6

2.2. 通訊原理.................................................................................................... 9

2.3. 材料與設備.............................................................................................. 13

第三章 系統設計.................................................................................................. 14

3.1 系統架構.................................................................................................. 14

3.2 硬體架構.................................................................................................. 15

3.2.1 控制核心...................................................................................... 15

3.2.2 水中溶氧感測器.......................................................................... 16

3.2.3 PH 探頭 ....................................................................................... 17

3.2.4 溫度感測器.................................................................................. 19

3.3 軟體架構.................................................................................................. 20

3.3.1 Slave 端程式架構 ........................................................................ 20

3.3.2 VB 程式架構 ............................................................................... 23

第四章 結果與討論.............................................................................................. 26

4.1 系統呈現.................................................................................................. 26

4.2 實驗結果.................................................................................................. 30

第五章 結論.......................................................................................................... 40

參考文獻...................................................................................................................... 41

vi

圖目錄

圖 2-1 水聚寶水質檢測儀 ........................................................................................... 7

圖 2-2 固定式檢測器 ................................................................................................... 8

圖 2-3 Modbus 主從關係 ............................................................................................. 9

圖 2-4 Modbus TCP/IP 封包格式 ............................................................................. 11

圖 3-1 系統架構圖 ..................................................................................................... 14

圖 3-2 硬體方塊圖 ..................................................................................................... 15

圖 3-3 DO 感測器 ..................................................................................................... 17

圖 3-4 DO 感測器專用 ADC ..................................................................................... 17

圖 3-5 PH sensor 圖 .................................................................................................... 17

圖 3-6 pH A/D 值校正斜率圖 .................................................................................... 18

圖 3-7 DS18b20 連接方式 ......................................................................................... 19

圖 3-8 Arduino 端程式流程 ....................................................................................... 21

圖 3-9 增氧機程式流程圖 ........................................................................................ 22

圖 3-10 VB 主程式流程 ............................................................................................. 24

圖 3-11 繪圖副程式流程 ........................................................................................... 25

圖 4-1 硬體實體圖 ..................................................................................................... 27

圖 4-2 感測器置於水中實體圖 ................................................................................. 28

圖 4-3 IP 位置 ............................................................................................................ 29

圖 4-4 連線成功 ......................................................................................................... 29

圖 4-5 連線失敗 ......................................................................................................... 29

圖 4-6 各層溫度變化 ................................................................................................. 31

圖 4-7 水中溫度變化 ................................................................................................. 33

圖 4-8 pH 變化圖 ....................................................................................................... 34

圖 4-9 DO 極限值填寫欄位 ...................................................................................... 35

圖 4-10 DO 變化圖 .................................................................................................... 37

圖 4-11 靜止時水中溶氧量 ...................................................................................... 38

圖 4-12 VB 警示圖 ..................................................................................................... 39

vii

表目錄

表 1-1 104 年國內漁業產值 ........................................................................................ 1

表 1-2 白蝦養殖所需之養殖基本條件 ....................................................................... 3

表 1-3 溶氧值一覽表 ................................................................................................... 5

表 2-1 區塊行為 ......................................................................................................... 10

表 2-2 Public Function Code Definition ..................................................................... 11

表 2-3 Modbus 暫存器 .............................................................................................. 12

表 4-1 EEPROM 規劃表 ............................................................................................ 35

1

第一章 緒論

1.1. 研究動機

受到氣候變遷影響，全球漁業首當其衝，許多漁業地區過度捕撈，

漁獲量及品質受到影響，2007 年聯合國糧農組織（FAO）報告指出，

全球捕撈漁業之生產量已達 9380 萬公噸的極限，除了面臨捕撈極限

外，全球總人口數也不斷攀升，截止到 2012 年止，全球人口總數已

經超過 70 億，因此全球對水產食品需求不斷攀升，水產養殖也將成

為解決人類水產食品不足的最大寄望，國內 104 年內陸養殖業占總漁

業產值達 35.9%，如表 1.1。

表 1-1 104 年國內漁業產值

資料來源： [1]

2

1.2. 研究目的

本論文目的在建置一套完整定點自動監控水質系統，不同於傳統

人工檢測方式，系統可自動檢測水質、氧氣各項參數，並連動增氧機、

警報器等設備，自動進行水氧監控，減少養殖損失，人機介面端採用

VB 程式搭配 PC 主機，使 PC 主動透過 Modbus TCP/IP 收集資料，加

以儲存，並且可用圖表方式呈現，同時使用者也可於 VB 程式中填入

適當之養殖魚種各項生存條件，使養殖系統自動判斷並進行增氧等動

作。

高經濟魚種多樣，以白蝦為例，於 2005 年的「水產詴驗所特刊

第 6 號：白蝦室外超高密度之養殖、產量與管理」中提到關於白蝦養

殖的水質基準，其各項參數，如：DO、PH、溫度等參數於表 1.2 [2]

中列出。

3

表 1-2 白蝦養殖所需之養殖基本條件

資料來源： [2]

同一特刊另一篇文章「白蝦養殖發展史」 [3]中也提到，白蝦適

應性相當強且屬於廣鹽性，在鹽度 3~45ppt、溫度 15~30 度之環境下

皆可生存，但白蝦最適當之生長鹽度應為 25~28ppt、溫度 23~30 度、

溶氧應保持在 5ppm (60.5%)，由此可知養殖蝦類之重要參數有溶氧

量、溫度、鹽度。

而另一種常見的經濟魚種–吳郭魚(Tilapia)，台灣養殖歷史悠久

至今超過 60 年，而在「台灣淡水魚類養殖(上)水產詴驗所特刊第 11

4

號：27-46, 2010 [4]」的養殖管理中提到溶氧量一般頇保持在 5-6ppm

(60.5% - 72.6%)，應不得低於 3ppm (36.3%)，pH 以 7-8.5 為宜(略鹼性)，

若水溫超過 38 度會因黏液分泌過多而死亡，10 度以下則因凍傷感染

黴菌致死。

另依據行政院環境保護署－環境水質之溶氧過飽和現象 [5]說明

提到，DO(水中溶氧量)為水質主要指標之一，可代表水中存在耗氧量

生物之多寡，且當水中含有高濃度有機物或磷等營養鹽時，可能伴隨

pH(酸鹼值)偏高之現象，而該篇飽和溶氧值一覽表中表明溫度與飽和

溶氧度(mg/L)之關係，如表 1.3 所示，水溫 25 度、氯度 0.0 之水中飽

和溶氧度為 8.26mg/L，由表中可知水中飽和溶氧度依據溫度而變化，

故使用百分比表示時需做溫度校正，而本篇所使用之溫度探頭模組已

帶有溫度補償功能。

5

表 1-3 溶氧值一覽表

資料來源： [5]

依據上述各項重要之水質指標，本篇論文以溶氧、pH、水溫(空

氣、上層水溫、中層水溫、下層水溫)作為量測參數，用以測詴自動

化控制增氧機、溶氧監控等設備，其中溶氧量以百分比表示，PH 最

小則是 0 最大至 15，溫度檢測則蒐集空氣中環境溫度與三層不同深

度之水溫。

6

第二章 研究方法

2.1. 現有養殖環境監控

台灣沿海地帶養殖業興盛，但以往傳統養殖依靠人力經驗，不論

是增氧機時間控制、餵食、水質觀察等，使得養殖戶需付出大量人力，

魚隻因寒害等因素暴斃更是時有所聞，而容易取得的水質監測儀器如：

pH 計，DO 計等多為手持式，功能較為陽春，需人工量測，無法定時

量測、回傳數據、表單呈現等。

另一現有市面產品－水聚寶，專用以檢測水產養殖數據，功能與

本篇相似，實體照如圖 2.1，參考該官方網站說明 [6]，其主要功能有：

DO 檢測、pH 檢測、氧化還原電位檢測、增氧機控制、抽水馬達控制、

無線遠端監控，該產品相較於前述手持檢測裝置功能更加多元，也能

達成自動化養殖檢測目的。

然而，根據使用者需求不同，該產品設置費用約需達數十餘萬元，

且其資訊傳遞架構頇將數據傳送至該公司所架設之雲端伺服器，讓使

用者可於手機等手持裝置遠端監看數據，此種方式雖相當便利，卻有

潛在風險，若該產品用於魚蝦種苗養殖，則該養殖數據為種苗培育重

要數據，如「水產詴驗所技術手冊-白蝦的種苗生產 [7]」一文中表示，

7

白蝦種蝦僅一對就可達數百美元，可見養殖檢測數據有其可觀利潤，

故將養殖數據以雲端方式傳遞有其風險。

圖 2-1 水聚寶水質檢測儀

由上圖 2.1 所示，可知該產品架設方式為浮動式，不論檢測池水

深為何，皆能方便架設，網站中也說明其資料可透過 wifi、3G/4G 等

無線方式傳遞，減少布線困難，此種浮動式檢測雖可因應魚池水高變

化時檢測器隨之上浮、下降，但台灣夏季常有颱風侵襲，沿海地方空

曠，遮蔽物少，風強雨驟之時可能造成該檢測器損毀甚至翻覆而沒入

水中，因此當颱風來臨前需要將該檢測器收起，不僅有失自動化養殖

目的，於檢測器收起時也無法獲得檢測數據以及連動控制增氧機等設

備。

8

另一種檢測器安裝方式也可採用固定高度安裝，如下圖 2.2，其

中有一馬達用來控制檢測器升降，方便保養維修，也更能抵抗強風等

侵襲，但有些養殖池部分深度達 3 米以上，不易安裝，此種設計方式

機構也較為昂貴，與前述浮動式檢測器相比，較適合於室內高密度養

殖，魚蝦種苗培育養殖等，使用者可根據自身養殖池條件，再行決定

使用何種機構安裝。

圖 2-2 固定式檢測器

9

2.2. 通訊原理

本篇論文通訊方式以 Modbus TCP/IP 架構傳輸資料至 PC 端，

Modbus 是一種需求－回應協定 [8]，採用主從架構實作而成。主從

架構的通訊作業會成雙成對的出現，必頇有個裝置啟動需求並等候回

應，也就是說，這個啟動需求的裝置 (主要裝置) 會負責啟動每一次

互動，本篇的主要裝置即為 PC 端，附屬裝置則是水質監測帄台，其

主從關係如圖 2.3 所示。

圖 2-3 Modbus 主從關係

一般來說，透過 Modbus 存取的資料會存放在四種資料組間或位

址範圍 [9]： Coil、離散輸入、保存暫存器、輸入暫存器。附屬裝置

可直接存取此資料，同時這些資料則是存放於這些本端裝置內。

Modbus 可存取的資料通常是裝置主要記憶體的子資料集，相反的，

Modbus 主要裝置必頇透過不同的函式代碼，才能提出這些資料的存

取需求，每個區塊的行為如表 2.1 所示。

10

表 2-1 區塊行為

資料來源： [9]

除了 Modbus 外，本篇論文還需要使用 TCP/IP 網際網路協定套組

（英語：Internet Protocol Suite，縮寫 IPS）來做為包裝 Modbus RTU

的資料傳輸格式，其方式為在原本的 Modbus RTU Message 上加入

MBAP Header，其所形成之資料格式稱為 Modbus TCP/IP ADU，而 IPS

是一個網路通訊模型，以及一整個網路傳輸協定家族，為網際網路的

基礎通訊架構。它常被通稱為 TCP/IP 協定族（英語：TCP/IP Protocol

Suite，或 TCP/IP Protocols），簡稱 TCP/IP，TCP/IP 提供點對點的連結機

制，將資料應該如何封裝、定址、傳輸、路由以及在目的地如何接收，

都加以標準化 [10]，而 Modbus RTU 格式的資料包含在 TCP/IP 底下之

網路封包格式如下圖 2.4 所示。

11

圖 2-4 Modbus TCP/IP 封包格式

其中 Function code 為控制碼，而較為常用的的控制碼如表 2.2

[11]，本篇使用 0x04 讀取單筆暫存器值與 0x06 寫入單筆暫存器值作

為 PC-監測站交換資料之方式，並於監控端定義暫存器序列如下表 2.3，

而其中「自定義控制碼」為 0x750F，用來設定 DO 極限值的識別碼，

當 Arduino (Slave 端)收到該段識別碼後會進入更新 DO 極限值之副程

式，本篇所設計之 VB 程式可使用上述各項控制方式自動與 Arduino

(Slave 端)收取、寫入資料，並用人機介面、按鈕等圖控方式呈現。

表 2-2 Public Function Code Definition

資料來源： [11]

12

表 2-3 Modbus 暫存器

位址

16bit

高位元 低位元

0x00 年

0x01 月 日

0x02 時 分

0x03 秒

0x04 頂層水溫

0x05 中層水溫

0x06 底層水溫

0x07 水中溶氧 (DO)

0x08 酸鹼值 (PH)

0x09 自定義控制碼

0x0A 最大 DO 值

0x0B 最小 DO 值

0x0C 空氣溫度

13

2.3. 材料與設備

為了能夠取得養殖池所需各項參數，本論文將結合溶氧計(DO)、

酸鹼值計(PH)、溫度感測器，並使用 Arduino Mega2560，作為 Modbus

上的附屬裝置核心控制器，且附有液晶螢幕可即時顯示，再搭配 PC

端 VB 軟體介面，完成研究中需要之養殖水質檢測儀，本系統可依據

使用者所設定之各魚種所需生長環境參數自動控制，以節省人力資源，

所需材料及感測器如下所示。

1. Arduino Mega 2560 開發板

2. Ethernet Shield W5100 乙太網路擴充板

3. 溶氧感測器，UART 介面

4. PH 感測器，類比電壓輸出

5. 防水型溫度感測器 ( DS18B20 ) 4 個，溫度範圍-55℃~+125℃

6. 高精度 RTC ( DS3231 )

7. 網路交換器

8. 空氣幫補

9. 桌上型電腦

本篇透過上述之材料組成一監控帄台，而各項感測器特性與使用

方式於下節系統設計詳加說明。

14

第三章 系統設計

3.1 系統架構

在系統設計上使用 Arduino Mega 2560 作為 Modbus 上 Slave 端之

主控制器，PC 端則當作 Master 負責儲存、顯示資料，Slave 端帶有收

集監測所需之各項感測器如：DO、PH、溫度，並透過集線交換器作

為線路的電氣交換。

圖 3-1 系統架構圖

如上圖 3.1 所示，指令端是由電腦 VB 程式下達，並使用 Modbus

TCP/IP 作為溝通介面，VB 程式裡會將資料格式以 Modbus TCP/IP 之協

定作為傳輸，並於 TCP/IP 連線成功後即可下達各式指令，指令透過

網路交換器尋找正確 IP 位置，MCU 端的網路模組再將包含在 TCP/IP

15

封包內的Modbus資料分離後再使用 SPI介面傳輸至MCU裡預設的暫

存器位址，電腦端的VB程式也可循此路徑取得MCU裡預設的Modbus

暫存器資料，當 MCU 偵測到 DO 含量低於使用者預設 DO 值時，將啟

動外部增氧機提供足夠的水中氧氣含量。

3.2 硬體架構

3.2.1 控制核心

本篇論文使用 Arduino Mega 2560 作為控制核心單晶片是由

Atmel 公司所開發，搭配 W5100 網路模組、PH 感測器、DO 感測器、

防水溫度感測器、RTC實時時鐘模組、液晶螢幕模組和電源供應系統。

供電系統由電源供應器產生 5V 提供 MCU 及各式感測器的運作，圖

3.2 為 Arduino (Slave 端)硬體方塊圖。

圖 3-2 硬體方塊圖

16

根據上述，我們組成一個可離線自主運作的 Slave 端，W5100 網

路模組負責與電腦進行連線、交換 Modbus 數據資料，當 Master 端(PC)

離線時，Slave 依然能夠根據預設好之 DO 參數、PH 校正參數…等，

進行實時監控量測，並根據需求增氧，當水中氧氣含量達警戒下限時，

啟動外部增氧機，防止溶氧量下降，反之，當檢測到水中溶氧大於預

設上限時則停止增氧機運作。

3.2.2 水中溶氧感測器

本篇論文所使用之水中溶氧量探頭，是由 Atlas Scientific 所製造

販售如圖 3.3 [12]所示，包含一罐 0%含氧量校正溶液、BNC 轉接器、

ADC 模組、DO 探頭本體，DO 探頭本體其主要特點有可承受最大溫度

50℃、最深水深 60 公尺、5 年以上壽命…等特點，並且帶有一模組

化的 ADC 如圖 3.4 ，在程式實作上我們僅需對其要求資料便可獲得

所需之水氧濃度(DO)，其通訊方式可選 I2C 或 UART，考慮到 I2C bus

上已有 RTC 模組，且 Arduino Mega 2560 有 3 組 UART 可供選擇，因

此本篇選用 UART2 作為訪問 DO ADC 模組的通訊方式。

17

圖 3-3 DO 感測器

圖 3-4 DO 感測器專用 ADC

3.2.3 PH 探頭

PH 參數為水質一重要依據，本篇使用 PH 模組如圖 3.5，用以檢

測水中 PH 值，其原理為檢測氫離子活度，壽命可達 3 年以上 [13]，

為類比電壓輸出，故採用 Arduino 板上的 A/D 轉換取得該類比資料。

圖 3-5 PH sensor 圖

18

在 PH 模組使用前我們應對 PH 計所量測到的類比值進行程式校

正，在本篇中以 Arduino 讀取之類比值進行校正，其 A/D 條件以 3.3v

作為 AREF(類比轉換外部參考電壓)，0V 時量測到類比值為 0，3.3V

時量測到類比值為 1023。

於校正前我們應先準備 3 種不同且已知的 PH 專用校正液，並先

針對 PH 為 7 時進行校正，根據實際量測，其所量測到的值為 629，

而 PH 為 4 時量測到之 A/D 值為 343，PH 為 10 時所量測到為 787，

以此三個條件作為程式校正，可得兩段不同的PH校正斜率，如圖3.6，

程式中利用該曲線校正量得之水池 pH 值。

圖 3-6 pH A/D 值校正斜率圖

19

3.2.4 溫度感測器

DS18b20 是一個數位溫度感測器，本篇論文採用的是防水形式封

裝，方能放入水中量測溫度防止損壞，其可測量範圍為-55°C 到+125

°C 足以應付量測，而採用此種溫度計最大的優點在於它是使用

1-Wire(one-wire)的資料傳輸協定 [14]，可以大幅度降低佈線上的困難，

不僅如此，1-Wire 裝置內有一電容用來利用資料線進行充電，所以只

需要兩支腳位取代即可，如下圖 3.7 所示。

圖 3-7 DS18b20 連接方式

每一個 ds18b20 溫度感測器皆有一組 64 位元出廠序號，用以辨

識 one-bus 上不同的溫度感測器，而 64 位元中前 8 位元為產品類型

標號，接著 48 位元的自身序號，以及最後 8 位的迴圈冗餘校驗碼，

於 one-wire 說明資料 Communication protocol [15]中表示此種方式每

秒最多可搜尋 75 個設備，而本篇已於程式開始時指定 4 個已知出廠

序號的溫度感測器，因此當感測器損毀或讀取失敗時，可於電腦端收

到的值為 -1，依此判斷是否有任何溫度感測器遺失或損毀。

20

另外於「水詴所-Chanos chanos 虱目魚養殖－虱目魚養殖 丁雲

源 [16]」 一文中指出，若要使養殖魚類不受寒害侵襲，養殖池中會

有一 “越冬溝” ，該深溝通常為東西向與冬季北風風向成直角關係，

其水深約 1.5~2.0 公尺，該方式可讓水溫增加 3~5 度，故本篇規劃以

4 顆溫度感測器檢測魚池中不同深度之水溫，包含氣溫、頂層水溫、

中層水溫以及底層水溫，讓適用者了解越冬溝使否發揮作用。

3.3 軟體架構

本設計有賴於 Arduino Mega 2560 的豐富硬體，如 ADC、I/O、I2C…

等。待硬體上電後即使得初始化，依照系統流程圖，如圖 3.8，收取

外部資料後，並根據前述說明之 Modbus 格式方式放入暫存器當中，

等待PC端(Master端)要求資料，PC端會下達取值指令至Arduino (Slave

端)，而在無要求資料或離線狀態時，Arduino 也會根據所設定之 DO

極限值作動，當氧氣不足達警戒下限時即啟動增氧機，達充足上限時

即停止增氧機運作，以達節省電力的目的。

3.3.1 Slave 端程式架構

Arduino 端開機後執行各項條件初始化，進入主系統後首先依

序讀取 RTC、四個溫度、DO 以及 PH，並將取得的各項資料根據前述

表 2.3 將資料填入 Modbus 所定義的暫存器中，接著取出 Modbus 暫

21

存器檢查來自 PC 端的資料用來決定是否更新 DO 警界的上下限值，

並進入控制增氧機副程式，如圖 3.9，依此循環。

圖 3-8 Arduino 端程式流程

22

圖 3-9 增氧機程式流程圖

23

3.3.2 VB 程式架構

本篇設計一電腦端之 VB 主程式其包含豐富的人機介面，讓使用

者可以簡單操作，並且有存檔、讀檔、繪製折線圖等功能，VB 程式

使得電腦能夠於與 Arduino 端連線成功後自動定時間取得檢測資料，

並將其以文字文件的格式存檔，使用者可於日後將檔案讀出，並透過

本設計的 VB 程式繪製成折線圖，用來了解過往一段時間內的 DO 含

量變化、PH 濃度變化、不同水深的溫度變化。

待 VB 程式啟動後，需手動輸入目標連線的 IP 位置，如果連線成

功 VB 程式即可自動定時以預先規畫好的 Modbus 暫存器位址向

Arduino 端取得資料，直到使用者手動結束或連線中斷為止，期間所

有時間、DO、pH、溫度皆會詳細存檔紀錄，詳細程式流程設計於圖

3.10。

24

圖 3-10 VB 主程式流程

25

當使用者按下 VB 主程式上的讀檔繪圖按鍵時，副程式首先執行

新視窗並讓使用者選取所需讀取的檔案以及繪圖的目標，如 DO、PH、

溫度，副程式依照存檔時所訂定之格式將其繪製程折線圖，並根據資

料量的多寡調整適當的橫軸間距，方便使用者觀看，詳細的繪圖副程

式如圖 3.11。

圖 3-11 繪圖副程式流程

26

第四章 結果與討論

完整的系統需要嚴謹的構想開發與數次的系統驗證，因此本章節

對於前述之各項系統功能進行結果驗證與呈現，其中包含水中溶氧量

檢測、pH 檢測、各層溫度檢測、異常警示、增氧馬達控制，並根據

數據呈現結果來做討論。

4.1 系統呈現

水產養殖檢測儀之硬體如圖 4.1，各項感測器置於水池模擬箱中

如圖 4.2，圖中用以模擬養殖池之水箱大小為 30*30*30 公分，待各項

硬體實體建置完成後，始得執行校正與測詴，確認系統是否正確，從

而分析與討論所得知結果，藉由本篇所研製的 VB 程式呈現整體運

作。

27

圖 4-1 硬體實體圖

28

圖 4-2 感測器置於水中實體圖

29

由於使用 TCP/IP 方式進行遠端連線，因此我們需要一台網路交

換器用來橋接電腦與設備之間的連線，待燈號亮起即表示雙方網路模

組皆正常運作，但並不表示已連線成功。若要正確連線並取得遠端資

料應先開啟本篇設計之 VB 程式，並於圖 4.3 中輸入正確的 Arduino

(Slave 端)IP 位置，預設為 192.168.3.101，並按下 connect 鍵，如果如

圖 4.4，“connect” 鍵字樣變更成 “disConnect” 字樣，即表示連線已

成功，並自動讀取 Arduino (Slave 端)資料，反之，連線失敗則如圖 4.5，

顯示警告訊息。

圖 4-3 IP 位置

圖 4-4 連線成功

圖 4-5 連線失敗

30

4.2 實驗結果

為驗證本篇所設計之系統功能以及系統可靠性，我們量測時間由

4/21日 12時 42分開始至 4/22日 13時 05分，約歷時 24小時之數據，

用以呈現本系統各項量測參數，而本次量測將系統置於實驗室通風環

境中以防冷氣機等人為因素干擾，如圖 4.6 中可清楚觀察到空氣中溫

度起伏變化較水中來得劇烈，白天最高溫約 31 度，最低溫來到約 25

度，而水中溫度也受到氣溫影響逐漸下降。

31

圖 4-6 各層溫度變化

32

由於水中溫度變化較小，我們將水中各層溫度放大來看，如圖

4.7，上中層水溫無明顯區隔，僅底部水溫比上兩層水溫略高 0.1~0.2

度，推測係因本次實驗所用之模擬魚池水箱長寬與深度各約僅有 30

公分，池內溫度幾無差異，但實地養殖池一般之水深於本篇於前節探

討過約為 1.5 至 2 公尺，溫度差最大甚可達約 5 度，故仍有設計 3 顆

不同水深溫度檢測器之必要。

33

圖 4-7 水中溫度變化

34

此次實驗中並無魚類於養殖箱內活動，由 pH 變化圖，如圖 4.8 中可觀察到 pH 維持在 6.5 至 6.9 之間，其微小

變動幅度可視為量測誤差。

圖 4-8 pH 變化圖

35

水中溶氧量為養殖中重要參數，傳統養殖中增養裝置時常開啟，

卻無法得知正確 DO 值，無形中造成不必要的浪費，本篇運用了一檢

測 DO 之感測器，以及設計了控制 DO 的增氧裝置，當 VB 程式連線

成功後，使用者可於 DO 極限值欄位，如圖 4.9，填寫欲控制之 DO 範

圍，其中填入的值應為 10倍之數據，如欲控制範圍為 75.0%至 85.0%，

則分別於上下限欄位填入 850、750，Arduino (Slave 端)將依據本設定

進行全自動監控以及增氧機控制，低於設定之下限值時啟動增氧機制，

反之，高於設定上限則停止增氧機運作，進而節省電力，而 Arduino

(Slave 端)也會將該上下限值寫入 EEPROM 中，開機時將自動取得前一

次設定的資料，增加使用上的便利與可靠，EEPROM 儲存位置規劃於

表 4.1 中。

圖 4-9 DO 極限值填寫欄位

表 4-1 EEPROM 規劃表

36

實驗期間所呈現之 DO 變化如圖 4.10，由圖可知波谷位置達到所

設定之下限時增氧機啟動，期間 DO 隨時間漸增，波峰達到上限後增

氧機停止，DO 也逐漸下降，依此循環，然而，數據顯示出 DO 在增

減氧過程中會超過所設定之範圍，如此次設定上限應為 85% 之 DO

濃度，但 DO 值能達到最高約 90% 之濃度，此原因為 DO 感測元件測

量所需之反應時間較長，且即使增氧機立即停止增氧瞬間，DO 濃度

仍可攀升或維持一小段時間，DO 維持時間之長短，取決於水中生物

耗氧速度，養殖密度越高，生物耗氧量相對增加，而本次實驗並無水

中耗氧生物，僅為自然水中溶氧逸散。

37

圖 4-10 DO 變化圖

38

若將增氧機關閉，不進行增氧，靜置一段時間後水中溶氧量變化如圖 4.11，水中溶氧量從約 95% 下降至 60% 後

則不再下降，若有耗氧生物則可降至更低。

圖 4-11 靜止時水中溶氧量

39

另外，除了自動增養控制外，本設計也有 pH、溫度警示功能，

若監測期間之 pH、溫度數值超過使用者所設定之警示上下限，則電

腦程式將跳出警示畫面，如圖 4.12，讓使用者決定是否進行處理。

圖 4-12 VB 警示圖

40

第五章 結論

本研究以 Arduino Maga 2560 做為控制核心，進行遠端養殖環境

監測，包含 DO 檢測、pH 檢測、溫度感測、增氧機控制，並利用 Modbus

TCP/IP 方式來做為資料的傳輸方式，易於融入目前多數的網路環境中，

除此之外，搭配本篇研製之 VB 電腦程式也可將資料視覺化，並加以

儲存、展示，相當便利，透過實驗的結果的紀錄，漁民也能減少人工

成本以及降低災害風險，可以有掌管管養殖魚類生長環境。

養殖地通常偏僻且無網路佈線，若可用無線通訊方式傳輸，可大

幅降低佈線困難，也可將資料傳送至手機，及時警示、通知，在電源

供給方面，如採用太陽能板及充電電池搭配，能使監測帄台更靈活的

放置在任意地點，而目前水質檢測項目僅有溶氧量、pH 值、溫度，

其他水質狀況無法更準確得知，如導電度、濁度、氨氮含量…等，外

部裝置控制本篇僅以增氧機做為代表，若加入飼料機、水門控制、溫

度控制…等，能使本監測系統更加完善。

41

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