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Aqua cuhural Engineering 6 (1987) 2 7-3 7

A Com puterized Environm ental M onitoring and ControlSystem for U se in AquacultureW i ll i a m C . P l a i a

Florida Departm ent of Natural Resources, Bureau of M arine Research, St Petersburg,Florida 33701, USA

A B S T R A C TA computerized environmental monitoring and control system(C E M A C S) has been controlling env ironm enta l parameters in f infishbroo dstock maturation systems for three ye ar s, including successfulma turat ion regimes fo r gag grouper ( M y c t e r o p e r c a m i c ro l ep i s) , red drum( S c i aen o p s o ce l l a t u s ), a n d c o m m o n s n o o k ( C e n t r o p o m u s u n d e ci m a li s) .The system monitors and controls photoperiod and temperature, andprovides a con tinuo us record o f these parameters in digital for m . It alsomo nitors cri tical support eq uipm ent a nd not if ies k ey person nel bytelephone in event of equ ipm ent fai lure. Data m ay be analyzed using thesystem's co m pu ting capabili ties o r transferred to a mo re pow erfulco m pu ter fo r m ore s'ophisticated analysis. Similar systems co uld havewide application in commercial aquaculture, especially in intensivesystems where equ ipm en t failure can be disastrous in only a m atter ofminutes.

I N T R O D U C T I O NR ecent a dv a nces i n m i cro co m put er t ech no l o g y h a v e ch a ng ed t h e wa ymany things ar e do ne in society. O ff ice microcom puters store, processand analyze information for even the smallest of businesses. Severalrecent art ic les suggest using personal computers for managing aqua-cultural enterprises (S ta m p , 1978; L and less , 1981; G ardner andM cCauley. 1982) . Com pu ter analysis of feed co nsu m ption, growth ratesand market condit ions may give the manager using the microcomputer acom pet i t ive advantage over the m anager without access to this informa-t ion . M icrocomp uters can a l so be u sed to m oni tor and con tro l env iron-m ental cond it ions in aquaculture system s. C on nec t ing the com pu ter to av a r i e t y o f s e n s o r s a n d c o n t r o l d e v i c e s allows accurate a n d p r e c i s e27.4qml('ultural Engineeri~g 01 44 -86 09 /87 /S0 3 .50 - - E lsev ie r Appl i ed Sc iencePublishers L td. England. 1987. Printed in G rea t Britain

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28 W.C.Plaiac o n t r o l o f e n v i r o n m e n t a l c o n d i t i o n s . I n f o r m a t i o n r e c e i v e d b y t h ec o m p u t e r i s a n a l y z e d a n d c o m p a r e d w i th a m a t h e m a t ic a l m o d e l o f th es y s te m ' s i d e a l c o n d i t i o n t h a t is s t o r e d i n t h e c o m p u t e r ' s m e m o r y . B a s edo n t h i s c o m p a r i s o n t h e c o m p u t e r e x e c u t e s p r e p r o g r a m m e d p r o c e d u r e sf o r k e e p i n g a l l c o n t r o l l a b l e p a r a m e t e r s w i t h i n th e l im i t s d e f i n e d i n t h em o d e l . F o r e x a m p l e , t h e c o m p u t e r m i g h t d e t e c t a d i ss o l v e d o x y g e n (D O )r e a d in g o f 2 p p m i n a c u l tu r e s y ste m . T h e m o n i t o r i n g p r o g r a m c o m p a r e st h is r e ad i ng w i t h t he l im i ts de f i ne d i n t he m od e l an d f i nds i t t oo low . T hep r o g r a m t h e n b r a n c h e s t o a c o n t r o l r o u t in e w h i c h tu r n s o n a n a u x i li ar ya e r a t i o n d e v i c e a n d a l e r t s t h e m a n a g e r t o t h e p r o b l e m . I n f o r m a t i o na b o u t t h e r e a d i n g a n d t h e s y s t e m ' s r e s p o n s e c a n b e s t o r e d o n a f l o p p yd i s k o r o t h e r p e r m a n e n t m e m o r y d e v i c e f o r f u r t h e r a n a l y s i s a t a l a t e rd a te . S u c h a s y s t e m a ll o w s a m a n a g e r c o n t i n u o u s l y t o k n o w t h e s ta tu s o ft h e c u l t u r e u n i ts a t a n y t im e w i t h o u t tr a v e li n g t o e a c h o n e a n d m e a s u r i n gt h e p a r a m e t e r s . A d d i t i o n a l m a n a g e m e n t a i d s c o u l d a l s o b e m a d ea v a il ab l e o n t h e c o m p u t e r s y st em . F o r e x a m p l e, b y m e a su r in g D O a n dt e m p e r a t u r e , a n d u s i n g a m o d e l c o n s i d e r i n g p o n d s iz e, sp e c ie s a n d t h es iz e o f th e i n d i v i d u a ls , t h e c o m p u t e r c o u l d c a l c u l a te a n o p t i m u m f e e d in gr a t e f o r e a c h p o n d i n t h e fa c il it y. T h i s w o u l d h e l p m a x i m i z e p r o d u c t i o n ,e l im i n a t e w a s t e d f o o d a n d i n s u r e t h a t t im e - t o - m a r k e t is n o t in c r e a s e d b yu n d e r - f e e d i n g .I n r e s e a r c h f a c i l i t i e s , c o m p u t e r i z e d e n v i r o n m e n t a l m o n i t o r i n g a n dc o n t r o l s y st em s ( C E M A C S ) a ll ow t h e m o n i t o r in g a n d c o n t r o l o fe x p e r i m e n t a l r e g im e s a n d p r o t o c o l s . C E M A C s y st em s c o l le c t d a t a a u t o -m a t ic a l ly a n d s t o r e t h e m i n d ig i ta l f o r m a t . C o n t r o l f u n c t i o n s m o n i t o r e dt h r o u g h f e e d b a c k l o o p s a s s u r e p o s i ti v e c o n t r o l . T h i s t y p e o f s y st e m m a yb e v e r y u s e fu l i n b r o o d s t o c k m a t u r a t i o n f ac il it ie s a n d h a t c h e r y s y st em s .M i c r o p r o c e s s o r - b a s e d l a b o r a t o r y c o n t r o l s y s t e m s w h i c h h a v e b e e ns u g g e s t e d ( L o c k w o o d e t a l . , 1 9 8 2 ) a r e l i m i t ed to o n e o r t w o p a r a m e t e r s ,a n d h a v e l im i te d d a t a s t o ra g e c a p a b i li ty a s w el l a s n o n - s t a n d a r dp r o g r a m m i n g a n d h a r d w a r e r e q u i r e m e n t s . T h e p e r s o n a l m i c r o c o m -p u t e r -b a s e d s y st em o v e r c o m e s m o s t o f th e s e p r o b le m s .T h e s e c o m p u t e r s a r e e a s il y p r o g r a m m e d i n h i g h - le v e l l an g u a g e s s u c ha s B A S I C a n d P A S C A L , i n ex p e n s iv e a n d c a p a b l e o f b e in g e x p a n d e d t oha nd l e v i r tua l l y hu nd red s o f chann e l s . It is p r ec is e l y t h is con t ro l an dc o n v e n i e n c e th a t l ed m e t o d e v e l o p s u c h a s y s te m f o r u s e i n o u r e x p e r i-m en t a l cu l t u re un i t s .

H A R D W A R EA p r o t o t y p e C E M A C S h a s b e e n a s s e m b l e d a n d i s i n u s e a t t h e F l o r i d aD e p a r t m e n t o f N a t u r a l R e s o u r c e s B u r e a u o f M a r i n e R e s e a r c h i n S t

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Computerized environmental monitoring and control system in aquaculture 2 9P e t e r s b u r g , F L ( B M R ) . T h e s y s t e m c u r r e n t l y c o n s i s t s o f a n u m b e r o fc o m m e r c i a l l y a v a i l a b l e p r o d u c t s : a n A p p l e I I P l u s m i c r o c o m p u t e r w i t htwo d i s k d r iv e s , two 1 6 - ch an n e l an a lo g - to - d ig i t a l / d ig i t a l - t o - an a lo gc o n v e r t e r s , a r e a l - t i m e c l o c k b o a r d , a m o d e m , a B S R r e m o t e m o d u l eco n t r o l l e r, a p r in t e r , an d an ex p a n s io n ch as s i s (F ig. 1 ). T h r e e ad d i t i o n a ld ev ice s , a p o w er s u p p ly f o r t h e s en s o r s , a s ig n a l am p l i f ie r an d a co n t r o li n t e r f ace f o r d ev i ce s o p e r a t i n g a t 2 4 V a .c ., we r e d e s ig n ed an d co n -s t r u c te d a t th e B M R . T h e s e w e r e n o t r e a d i ly a v a i la b l e w h e n c o n s t r u c t i o nb eg an in 1 9 8 0 , b u t a r e n o w av a i l ab l e f r o m s ev e r a l co m p an ie s a s o f f - t h e -she l f i t ems .

T E L E P H O N E1 2 O v a , ~ ' J

\ AC 3

s c

Ol

Fig. 1. Diagram ma t ic layout of C EM A CS hardw are : AC , Ap ple 11 Plus e microcom -pute r : AS. an a log sensor : BSR , car r ie r wave t ransmi t te r ; BSR R, car r ie r wave rece iver ;DS. digi ta l sensor : E C. expa nsion chassis; F L , f luo rescen t lamp; O1, ou tpu t interface; PS,po w er sup ply; SC, signal cond it ione r ; SV, soleno id valve.

T h e m i c r o c o m p u t e r is t he h e a rt of t h e C E M A C S a n d p e r fo r m s a llc a l c u l a t i o n s a n d d a t a m a n a g e m e n t w i t h i n t h e s y s t e m . P r o g r a m s n e e d e dto r u n th e s y s t em a r e s to r ed i n t h e f i r s t d r iv e an d d a t a a r e s to r ed i n t h es e c o n d . L a r g e r C E M A C s y s t e m s m i g h t r e q u i r e a d d i t i o n a l d a t a s t o r a g ecap ab i l i t y wh ich co u ld b e s u p p l i ed b y a h a r d d i s k o r ad d i t i o n a l f l o p p yd i sk d r iv e s . C u l t u r e s y s t e m c o n d i t i o n d a t a a r e d i s p l a y e d c o n t i n u o u s l y o nth e co m p u te r ' s m o n i to r . A p r in t e r i s i n c lu d ed s o d a t a c an b e l i s t ed an dg r ap h ed , an d a p e r m an en t l o g o f e r r o r m es s ag es i s av a i l ab l e . T h eC E M A C S a u t o m a t i c a l l y r e c o v e r s f r o m p o w e r f a i l u r e s b y r u n n i n g s p e c i -f i ed p r o g r am s f r o m th e f i r s t d i s k d r iv e wh en p o wer i s t u r n ed o n . W h enl in e p o w er is o ff , t h e s y s t em c lo ck i s p o w er ed b y a rech a r g eab le b ack - u pb a t t e r y , th u s a l l o win g a l l s y s t em s to r e tu r n t o p r o p e r co n d i t i o n s o n cep o w e r is re s t o re d . A t t h e B M R , a n a u x i l ia r y g e n e r a t o r i n s u re s t h a t p o w e ri n t e r r u p t io n s l a st o n l y a f ew s e c o n d s . C o m p u t e r s t h a t a r e n o t c a p a b l e o fa u t o m a t i c a i h ' r u n n i n g p r o g r a m s a t p o w e r - u p s h o u l d n o t b e c o n s i d e r e d

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30 W. C. Plaiaf o r a C E M A C s y s te m u nl e ss e q u i p p e d w i th a n u n i n t e r ru p t a b l e p o w e rsupp ly .

S ev e r a l p e r ip h e r a l s , i n ad d i t i o n t o t h o s e n o r m a l ly f o u n d in a p e r s o n a lc o m p u t e r s y s t e m , a r e r e q u i r e d t o i m p l e m e n t a C E M A C S . M o s t i m p o r -t an t o f t h e s e i s t h e an a lo g - to - d ig i t a l ( A /D ) co n v e r t e r . M o s t s i gn a l s f r o ms e n s o r s a s w e l l a s m o s t p a r a m e t e r s a r e a n a l o g i n n a t u r e . T h e A / Dco n v e r t e r t r an s l a t e s t h e s e s ig n a ls in to d ig i t a l f o r m .T h e A / D c o n v e r t e r u s e d a t t h e B M R i s a 1 6 - c h a n n e l m o d e l w i t he ig h t - b i t r e s o lu t io n . T h i s b o a r d a l s o p r o v id es 1 6 ch an n e l s o f d ig i t a l - t o -an a lo g co n v e r s io n . T h e e ig h t - b i t c ap ab i l i t y a l l o ws th e t o t a l r an g e o f t h es ig n a l t o b e d iv id ed b y 2 5 6 (2 8). A ty p i ca l o p e r a t i n g t e m p e r a tu r e r an g e o f1 0 C in a B M R cu l tu r e s y s t em can b e s en s ed to 0 . 0 4 C . I n p r ac t i c e , anav e r ag in g a lg o r i t h m in t h e s o f twa r e im p r o v es t h i s m o r e t h an f i v e t im es ,t o l e s s t h an 0 . 0 1 C . A n a lo g - to - d ig i t a l co n v e r t e r s t h a t r e s o lv e t o 1 2 o rev en 1 6 b i t s (212 or 1 /4 0 9 6 an d 216 o r 1 /6 5 5 3 6 ) a r e n o w av a i l ab le ,a l lo w i n g t h e s a m e d i s c r i m i n a t i o n o v e r a l a r g e r ra n g e o r m o r e p r e c is es en s in g o f t h e s am e r an g e . U s e o f a 1 2 - b i t d ev i ce wo u ld i n c r ea s e t h ep r o g r a m s p e e d s u b s t a n ti a l ly b y e l i m i n a t in g t h e n e e d f o r a n a v e r a g i n ga l g o ri th m . S p e e d e n h a n c e m e n t c o u l d b e i m p o r t a n t i n l a rg e s y s te m s th a ts a m p l e m a n y s t a ti o n s.A n a l o g - to - d i g i ta l c h a n n e l s m a y b e u s e d f o r a n y c o n t i n u o u s l y v a r ia b l ed a t a f o r w h i c h a d e q u a t e s e n s o r s a r e a v a i l a b l e . T h e m a j o r p r o b l e m i ss t ab i li ty : s en s o r s t h a t m u s t b e r eca l ib r a t ed ev e r y f ew h o u r s a r e d i f f icu l t t ou s e i n C E M A C S . S o m e o f t h e A / D c h a n n e l s a r e u s e d t o se n s e d ig i ta ld a t a . (T h i s was d o n e f o r e co n o m ic r ea s o n s : we d id n o t r eq u i r e a l l o f t h eA / D c h a n n e l s a v a i l a b l e a n d c o u l d a v o i d b u y i n g a n o t h e r p e r i p h e r a lb o a r d . ) W a te r l ev e l s , co m p r es s ed a i r s u p p ly , an d l i g h t s t a tu s a r eex am p le s o f th e d ig i ta l p a r am e te r s . A d ig i t a l i n p u t /o u tp u t i n t e rf ace w i llb e n e e d e d a t t h e B M R i n t h e n e a r f u t u r e a n d s h o u l d b e g i v e n a h i g hp r i o r it y in th e d e s i g n o f a n y n e w C E M A C S .T i m e i s k e p t b y a b a t t e r y b a c k e d - u p r e a l t i m e c l o c k r e a d a b l e t o0 . 0 0 1 s . I t i s c ap ab le o f g en e r a t i n g t im ed s y s t em in t e r r u p t s t o f ac i l i t a t eb a c k g r o u n d p r o g r a m m i n g . T h i s f e a t u r e i s v e r y u s e f u l f o r s c h e d u l em a i n t e n a n c e w h i l e t h e c o m p u t e r i s o u t o f t h e m o n i t o r i n g m o d e a n db e in g u s ed f o r d a t a an a ly s is .

E x t e r n a l c o m m u n i c a t i o n s a r e p r o v i d e d b y a m o d e m . I t i s u s e dp r im ar i l y t o t r an s m i t a l a r m s to r em o te l o ca t io n s an d , s eco n d a r i l y , t ot r an s m i t d a t a f il e s t o l a r g e r co m p u te r s .T h e C E M A C S c o n t r o l s l ig h ts b y a c ti v a ti n g c a r r i e r w a v e - c o n t r o ll e ds wi t ch es ( B S R) . T h es e s wi t ch es r e s p o n d to h ig h - f r eq u en cy s ig n a l s s en tv i a b u i ld in g 1 1 0 v o l t / 6 0 Hz e l ec t r i c a l w i r in g . T h i s e l im in a t e s t h e n eedf o r co m p l i ca t ed s p ec i a l w i r in g t o co n t r o l cu l tu r e s y s t em s . Co n t r o l o f u p

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Co m pute rized environmental monitoring an d control system in aquaculture 31t o 2 5 6 s e p a r a t e c h a n n e l s is a v a il a bl e . A n y n u m b e r o f r e c e iv e r s w i tc h e sm a y b e s e t t o a n y p a r t i c u l a r c h a n n e l f o r d u p l ic a t e r e s p o n s e s . F l u o r e s c e n tl i g h t s m ay o n ly b e s wi t ch ed o n o r o f f , b u t i n can d es cen t l i g h t s m ay b eb r i g h t e n e d o r d i m m e d a s re q u i r e d . T h i s fe a t u r e i s u s e d t o s im u l a t e s u n -r i se an d s u n s e t i n o u r l a r g e cu l tu r e s y s tem s . Ca r r i e r w av e s wi t ch es can b eu s ed to s wi t ch an y e l ec t ri c a l d ev i ce th a t u s e s l e ss th an th e r a t ed cap ac i tyo f t h e s wi t ch . I n d u s t r i a l d u ty s wi t ch es t h a t w il l h an d le t h r e e - p h a s e 4 4 0 Vd ev ice s a r e av a i l ab l e . T h i s c ap ac i ty co u ld b e u s ed f o r p u m p s , ch i l l e r s ,h ea t e r s , a e r a to r s , au to m a t i c f eed e r s o r an y o th e r e l ec t r i c a l d ev i ce co m -m o n ly u s ed in aq u ac u l tu r e . O n e d i f fi cu l ty w i th t h e s e d ev i ce s i s t h a t e l e c -t r ic a l n o i s e o n th e p o w er l i n e s can in t e r f e r e w i th t h e co n t r o l s ig n a ls . T h i sn o i s e i s n o r m a l ly o f s h o r t d u r a t i o n an d i t s e f f ec t c an b e av o id ed s im p lyb y r ep ea t in g t h e s ig n a l s ev e r a l t im es . Cr i t i c a l f u n c t io n s s h o u ld b e m o n i -t o r e d b y a f e e d b a c k l o o p t o a s su r e t h e p r o g r a m m e d e v e n t h a s o c c u r r e d .A t t h e B M R, l ig h t s i n c ri t ic a l cu l tu r e s y s t em s a r e m o n i to r ed i n t h i s way .E x t r a s l o t s a n d p o w e r f o r p e r i p h e r a l i n t e r f a c e s a r e p r o v i d e d b y a ne x p a n s i o n c h a s s i s w i t h i ts o w n p o w e r s u p p ly , th u s r e d u c i n g d r a i n o n t h ec o m p u t e r p o w e r s u p p l y c a u s e d b y t h e p e r i p h e r a l b o a r d s . E a c h e x p a n -s i o n c h a s s i s r e q u i r e s o n e e x p a n s i o n s l o t i n t h e c o m p u t e r b u t p r o v i d e se ig h t ad d i t i o n a l s lo t s. Fo u r ex p an s io n ch as s i s c an b e ad d e d to th e A p p leI I P lu s , p r o v id in g a n e t t o t a l o f 3 6 ex p an s io n s lo t s v e r s u s e ig h t w i th o u tex p an s io n ch as s i s .S en s o r s f o r l i g h t , t em p e r a tu r e , co m p r es s ed a i r an d wa te r l ev e l s a r ec u r r e n tl y u s ed b y t h e B M R C E M A C S . P h o t o t ra n s i s t o rs u s e d to m o n i t o rf lu o r e s cen t l i g h ts a r e q u i t e s en s i t iv e an d m u l t i p le s am p le s a r e r eq u i r ed t oav o id a f a ls e "o ff" s ig n a l d u r in g th e 3 0 0 /~ s p e r io d in each p o w er cy c l eth a t t h e l i g h t i s o f f . T em p er a tu r e i s m eas u r ed b y th e r m is to r s i n e achc u l tu r e s y st em . T h e c o m p r e s s e d a i r s u p p l y is m o n i t o r e d w i t h a p re s s u r e -s en s i t iv e s wi tch . W a te r l ev e l s a re m eas u r ed wi th f l o a t s wi t ch es .A t t h e B M R h e a t i n g a n d c o o l i n g s y s t e m s a r e c o n t r o l l e d i n t w o w a y s :c o n v e n t i o n a l h e a t e r s a n d a i r c o n d i t i o n e r s , b y r e p l a c i n g t h e t h e r m o s t a t sw i t h r e la y s th a t a r e a c t iv a t e d b y th e C E M A C S ; h e a t e x c h a n g e r s y st em s ,b y s u p p ly in g p o wer t o s o l en o id v a lv e s r eg u la t i n g h o t wa te r an d ch i l l edb r ine supp l ies (Sch l ieder . 1984) .

S O F T W A R ES o f twa r e co n t r o l l i n g t h e B M R s y s t em i s a m ix tu r e o f t h a t s u p p l i ed b ym a n u f a c t u r e r s o f v a r io u s h a r d w a r e i te m s a n d c u s t o m p r o g r a m s w r i tt e ni n B A S I C a n d m a c h i n e l a n g u a g e . S o f t w a r e r e q u i r e d b y t h e C E M A C Sfa ll s in to two bas ic ca teg or ies , r ea l t im e an d u t il ity . R ea l t im e so f tw are

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32 W. C. Plaiac o n s i s t s o f p r o g r a m s w h i c h a c q u i r e , i n t e r p r e t a n d r e s p o n d t o t h e d a t a ,a n d m a i n t a i n s c h e d u l e s . T h e s e p r o g r a m s n o r m a l l y r u n a t a l l t i m e s a n dc o n t r o l t h e s y st e m . U t i l i t y s o f tw a r e p r o g r a m s p r o v i d e i n f o r m a t i o n to t h er e a l t i m e p r o g r a m s i n a n o n - r e a l t i m e e n v i r o n m e n t . A p r o g r a m w h i c hc r ea t e s a f i l e co n ta in in g a l i g h t o r t em p e r a tu r e s ch ed u le i s an ex am p le .T h e s e p r o g r a m s a r e l o a d e d i n t h e c o m p u t e r o n l y w h e n n e e d e d.Rea l t im e s o f twa r e m u s t d ea l w i th two d i s t i n c t l y d i f f e r en t t y p es o fe v e n t s , s c h e d u l e d a n d r a n d o m . S c h e d u l e d e v e n t s a r e e a s i e r t o h a n d l e .T h e c o m p u t e r i s l o a d e d w i t h a s c h e d u l e a n d p e r f o r m s t h e a c t i o nr e q u i r e d a c c o r d i n g t o t h a t s c h e d u l e r e g a r d l e s s o f o t h e r c o n d i t i o n s . Al ig h t s ch e d u le i s an ex a m p le : t h e co m p u te r i s i n s t r u c t ed t o t u r n o n a l ig h ta t 0 7 0 0 ; i t s i m p l y w a i t s u n ti l t h e c l o c k r e a c h e s 0 7 0 0 t h e n s e n d s t h e s i g na lo r c lo s e s t h e r e l ay . I n t h i s i n s t an ce t h e co m p u te r d o es n o t r eq u i r e an yi n f o r m a t i o n f r o m t h e e n v i r o n m e n t t o p e r f o r m t h e t a s k . H o w e v e r , o t h e rs ch ed u led ev en t s t h a t a t f i r s t s eem s im i l a r a r e a c tu a l ly m u ch m o r ec o m p l i c a t e d . A t e m p e r a t u r e s c h e d u l e r e q u i r e s t h a t t h e C E M A C Sd e t e r m i n e t h e p r e s e n t t e m p e r a t u r e , d e c i d e i f h e a t i n g o r c o o l i n g m u s t b ea p p l i e d , a c t iv a t e t h e a p p r o p r i a t e m e c h a n i s m s , a n d t h e n c e a s e h e a t i n g o rc o o l i n g w h e n t h e d e s i r e d t e m p e r a t u r e h a s b e e n r e a c h e d . I t t h e n m u s tm o n i t o r t h e t e m p e r a t u r e a n d m a i n t a i n it w i t h i n s p e c if ie d p a r a m e t e r su n t i l t h e n e x t r e q u i r e d c h a n g e . R a n d o m e v e n t s s u c h a s e q u i p m e n tf a il u re s a r e d e t e c t e d b y p o l l i n g t h e c h a n n e l s m o n i t o r i n g t h e e q u i p m e n t .E m e r g e n c y p r o c e d u r e s a n d a l a r m s a r e t ri g g e re d o n l y if a f a il u re isd e t ec t ed .R e a l t i m e s o f t w a r e i n t h e B M R C E M A C S c o n s i s t s o f t w o s e p a r a t ep r o g r a m s , t h e l ig h t s c h e d u l e r a n d t h e a l a rm p r o g r a m . T h e l ig h t s c h e d u -l e r i s a m a c h i n e l a n g u a g e p r o g r a m p r o v i d e d w i t h t h e B S R c o n t r o l l e r .T h i s p r o g r a m r u n s i n ' b a c k g r o u n d ' . T h e r e a l t i m e c l o c k s e n d s a s i g n a lo n ce a s eco n d th a t t r i g g e r s t h e f u n n in g o f t h e p r o g r am . I t i n t e r r u p t s an yp r o g r a m r u n n i n g i n f o r e g r o u n d , e x e c u t e s i n a f e w t h o u s a n d t h s o f as eco n d , an d th e n r e tu r n s t o t h e f o r eg r o u n d p r o g r am . T h i s s li g h t i n t e r -r u p t io n i s n o t n o t i c ed b y th e u s e r o f t h e f o r eg r o u n d p r o g r am . I f t h e t im ec o r r e s p o n d s t o t h a t o f a s c h e d u l e d l ig h t c h a n g e , th e f o r e g r o u n d p r o g r a mm ay b e i n t e r r u p t ed f o r 1 - 2 s wh i l e t h e p r o p e r s ig n a l i s s en t . T h e a l a r mp r o g r a m e v o l v e d f ro m a s im p l e p r o g r a m t h a t tr ig g e r e d a n a l a r m i f s o m e -th in g was o u t o f p r e s e t p a r am e te r s , h en c e t h e n a m e "ala rm '. T h i sp r o g r a m i s c o m p o s e d o f s e v e r a l m o d u l e s i n a l a r g e l o o p a l o n g w i t h an u m b e r o f s u b r o u t in e s . T h e m a i n l o o p m o d u l e s a r e l i gh t m o n i t o r in g ,wa te r l ev e l an d a i r s u p p ly , t em p e r a tu r e r ead in g s , t em p e r a tu r e co n t r o l ,t em p e r a tu r e a l a r m , t im e , an d s u n r i s e / s u n s e t . S u b r o u t in e s i n c lu d e t h ea l a r m , d i s k o u tp u t , l i g h t o u tp u t , a n d e r r o r h an d l in g . S e t - u p r o u t in e s a r ee x e c u t e d w h e n t h e p r o g r a m i s s t a r t e d a n d e v e r y s u b s e q u e n t d a y a t

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Co m pute rized environmental monitoring a nd control system in aquaculture 3 3m i d n i g h t . T h e s e r o u t i n e s r e a d r e q u i r e d d a t a f r o m t h e d i s k a n d c o n f i g u r eth e s y s t em .

U t i l i t y p r o g r a m s a r e s e l e c te d f r o m a m e n u p r e s e n t e d o n t h e s c re e n .F u n c t i o n s p r o v i d e d b y t h e s e p r o g r a m s a r e c r e a t in g fi g ht a n d t e m p e r a t u r es ch ed u le s , s e t t i n g t em p e r a tu r e a l a r m l eve ls , i n i t ia t i n g s u n r i s e / s u n s e t ,c a l i b ra t i n g t e m p e r a t u r e s e n s o rs , u p d a t i n g p h o n e - n u m b e r f il es , r e tr i e v in gda ta f i l e s , ed i t ing da ta f i l e s , c r ea t ing spec ia l da ta f i l e s fo r g raph icsr o u t i n e s , a n d c o p y i n g d i s k e t t e s f o r a r c h i v a l p u r p o s e s . E a c h o f t h e s ep r o g r a m s h a s i t s o w n m e n u f r o m w h i c h t h e a c t u a l o p e r a t i o n s a r es e le c t e d. T h e d a t a f i le e d i t o r i s v e r y c o n v e n i e n t f o r c o r r e c t in g e r r o n e o u sd a t a . I n o r d e r t o p r e s e r v e d a t a c r ed ib i l i t y , t h e ed i t i n g p r o g r am d o es n o tac tu a l ly a l t e r d a t a i n t h e r aw d a t a f il e b u t c r ea t e s a n ew f il e c l ea r ly i d en t i -f i e d a s b e i n g e d i t e d . E r r o n e o u s d a t a h a v e u s u a l l y r e s u l t e d f r o m s u c hh u m a n e r r o r s a s r e m o v i n g a t e m p e r a t u r e s e n s o r d u r i n g t a n k m a i n -t e n a n c e a n d r e a d i n g a i r t e m p e r a t u r e i n s t e a d o f w a t e r t e m p e r a t u r e . A ne a r l y t e m p e r a t u r e s e n s o r d e s i g n t e n d e d t o f l o o d , a l s o c a u s i n g d a t ae r r o r s .

R E S U L T ST h e p r o to t y p e C E M A C s y st em be c a m e o p e ra t io n a l a t t h e B M R o n 31D e c e m b e r 1 9 8 1 , a n d h a s h a d c o m p l e t e c o n t r o l o f t h e m a j o r c u l tu r es y s te m s s i n c e t h a t t im e . O v e r 6 8 0 0 0 t e m p e r a t u r e s a n d 1 3 0 0 0 f ig h ti n gc h a n g e s h a v e b e e n r e c o r d e d . T h e s y s t e m w a s fu l ly o p e r a t i o n a l 9 6 . 7 4 %o f t h e t i m e d u r i n g a 2 0 - m o n t h a n a l y s is p e r io d . M a n y f a i lu r e s h a v e b e e nc a u s e d b y h u m a n e r ro r . I f t h e s e a r e r e m o v e d f r o m t h e c a l c ul a ti o n s, th eo p e r a t i o n a l p e r c e n t a g e i n c r e as e s t o 9 7 .6 7 . O v e r h a l f o f t h e r e m a i n i n gf a i l u r e s ( 6 2 % ) wer e o n ly p a r t i a l , i . e . o n ly s o m e o f t h e v a r io u s f u n c t io n sf a il ed . T o ta l f a i l u r e s s eem to b e a s s o c i a t ed wi th l i g h tn in g s t r ik e s an dp o w e r d i ps , w h i c h d o n o p e r m a n e n t d a m a g e t o t h e s y s te m , b u t c a u s e it t os h u t d o wn o r ' h an g " u n t i l m an u a l ly r e s t a r t ed . Co m p le t e p o wer f a i l u r e sa r e a u t o m a t i c a l l y h a n d l e d b y t h e c o m p u t e r ' s a u t o - s t a r t f i r m w a r e a n ds o f twa r e . O v e r a l l s y s t em r e l iab i l i ty im p r o v ed g r ea t l y a s th e s y s t em wasr e fi n ed . I f h u m a n e r r o r s a r e d i s c o u n t e d t h e s y s t e m h a s b e e n f u ll y o p e r a -t i o n a l o v e r 9 9 % o f th e t im e in t h e l a s t s ix m o n th s .T e m p e r a t u r e s h a v e g e n e r a l l y b e e n m a i n t a i n e d w i t h i n t h e s p e c i f i e dp a r am e te r s ( u s u a lly + 0 .1 I C) . B r i e f ex cu r s io n s f r o m th e s e p a r am e te r sc a u s e d b y s y s t e m f a i l u r e s h a v e s e l d o m e x c e e d e d 0 . 5 C a n d h a v e n e v e re x c e e d e d 2 C .L i g h t c o n t r o l i s t h e m o s t d e p e n d a b l e p a r a m e t e r a n d h a s o n l y f a il e dd u r in g to t a l s y s t em f a i lu r e s o r d u e t o h u m an e r r o r. L ig h t reg im es a r e s e t

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34 W. C. Plaiau p t o s i m u l a t e s e a s o n a l p h o t o p e r i o d s o n a n a t u r a l o r c o m p r e s s e d t i m ef r a m e .

Sciaenops ocellatus ( H a l sc o t t, 1 9 8 4 , u n p u b l i s h e d w o r k ) a n d Myctero-perca microlepis ( R o b e r t s a n d S c h l ie d e r, 1 9 8 3 ) h a v e b o t h b e e n s p a w n e du n d e r c o n t r o l o f t h e C E M A C s ys te m . Centropomus undecimalis h a sb e e n m a t u r e d u n d e r C E M A C S c o n t r o l b u t h a s n o t sp a w n e d . F i g u r e 2 isa r e p r o d u c t i o n o f a g r a p h p r o d u c e d o n t h e C E M A C S , s h o w i n g t h et e m p e r a t u r e c y c l e d u r i n g a n M. microlepis s p a w n i n g re g im e . T h e g r a p hw a s p r o d u c e d u s in g t h e m o n t h l y p l o t o p t i o n o f t h e 'c r e at e ' p ro g r a m . T h i so p t i o n p r o d u c e s a g r a p h b a s e d o n a w e i g h t e d d a i ly a v e r a g e t e m p e r a t u r e .F i g u r e 3 w a s p r o d u c e d u s i n g t h e d a i l y o p t i o n w h i c h p l o t s a l l a c t u a lt e m p e r a t u r e c h a ng e s.

TEMPERATURE

Fig. 2.

Q A G REGIME 0CT/832 72 6

21201918 --I++HI++I"H"H+H-I"HH..H....H...I..F.01234567891113151719212325272931

DAYDaily average emperatures during a Mycteropercamicrolepisspawningregime.

T h e a l a r m f e a t u r e h a s a l e r te d u s t o p u m p a n d o t h e r f ai lu r e s t h a t c o u l dh a v e c a u s e d l o s s o f e x p e r i m e n t a l f i s h . O n m a n y o c c a s i o n s , o v e r -t e m p e r a t u r e a l a rm s h a v e a l e r te d u s to s e n s o r f a i lu r e c a u s e d b y f l o o d i n g .T h i s p r o b l e m h a s b e e n s o l v e d b y e m b e d d i n g t h e s e n s o r s i n c a t a l y z e ds i li c o n e r u b b e r. A c t u a l o v e r / u n d e r - t e m p e r a t u r e c o n d i t i o n a l a rm s h a v ebee n ve ry r a r e an d hav e a l e r t ed us to h ea t i ng / coo l i ng s ys t em fai lu re s.T h e t im e l y w a r n i n g p r o v i d e d b y th e C E M A C s y ste m g r ea tl y r e d u c e dd a m a g e f r o m s u c h f a il u re s .

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Com puterized environmental monitoring and control system in aquaculture25-- TEMP GAG/E 0CT/15/83

35

T 7 ' 4 -

E 23-RAT 22-URE

Fig. 3.

7'1-

ze ~FH-HVH..-I...V.F.V.H....H-..F.H.-.-I..+..V}.o i 2345678 1 0 1 2 14 16 18 20 7'2 7'4

H O U R OF THE DAYA c t u a l t e m p e r a t u r e c h a n g e s o n o n e d a y o f a Mycteroperca microlepis spa wn ingreg ime .

D I S C U S S I O NM o n i t o r i n g o f e n v i r o n m e n t a l p a r a m e t e r s a n d s u p p o r t e q u i p m e n t is o n eo f th e m o s t i m p o r t a n t a n d l a b o r - i n t e n s iv e j o b s i n a q u a c u l t u r e . T h i s ise s p e c i a ll y t r u e i n i n t e n s i v e s y st em s w h e r e t o l e r a n c e s a r e m i n i m a l a n de q u i p m e n t f a i l u r e c a n b e c a t a s t r o p h i c i n m i n u t e s. T h e a b i li ty t o c o n -s t a n t l y m o n i t o r t h e s e p a r a m e t e r s a n d e q u i p m e n t a n d t o h a v e t h ec o m p u t e r s o u n d a l ar m s o r a u t o m a t i c al ly r e s p o n d b y i n i ti at in g b a c k - u ps y s t e m s o r e m e r g e n c y p r o c e d u r e s g r e a t l y r e d u c e s t h e w o r k l o a d a n di n c r ea s e s t h e d e p e n d a b i l i t y o f t h e c u l t u re s y s te m .I n r es e a rc h , a C E M A C S p r o v i d e s c o n s ta n t m o n i t o r i n g a n d a c c u r a t ec o n t r o l o f e x p e r i m e n t a l p a r a m e t e r s . D a t a s u p p l i e d b y th e s y s t e m a r e ind i g it al f o r m a n d e a s il y m a n i p u l a t e d f o r a n a l ys is . L a r g e a m o u n t s o f ti m ea r e s a v e d a n d a c c u r a c y i s e n s u r e d b y a v o i d i n g t h e t r a n s p o s i t i o n o fana l og cha r t s and g raphs i n t o d i g i t a l fo rm. For s oph i s t i c a t ed ana l ys i sb e y o n d t h e c a p a b i l it y o f a m i c r o c o m p u t e r , d a t a f ile s c a n b e t r a n s m i t te dv ia m o d e m t o l a rg e m a i n f r a m e c o m p u t e r s, a v o i d i n g k e y p u n c h i n g o ro t h e r l a b o r - i n t e n s i v e d a t a e n t r y p r o c e d u r e s .O n e o f t h e m a j o r r e a s o n s f o r in s ta ll in g t h e m i c r o c o m p u t e r - b a s e dC E M A C s y st em w a s e c o n o m i c . I n 1 9 8 0 , th e B M R w a s a b o u t to e m b a r ko n a m a j o r e x p a n s i o n o f i t s l a r g e - f i s h b r o o d s t o c k m a t u r a t i o n f a c i l i t y( S c h li e d er , 1 9 8 4 ). A q u i c k e x a m i n a t i o n o f o u r b u d g e t s h o w e d t h a t w e

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36 W. C. Plaiac o u l d n o t a f fo r d c o n v e n t i o n a l i n s tr u m e n t a ti o n : t e m p e r a t u r e r e c o rd i n ga n d c o n t r o l d e v i c e s ( a c c u r a te to + 0 " I C ) f o r t h e r e q u i r e d 2 0 s t a ti o n sw o u l d h a v e c o s t a p p r o x i m a t e ly $ 2 5 0 0 0 . T h e c o n v e n t i o n a l s y st em a ls ow o u l d h a v e r e q u i r e d c o n s t a n t m a i n t e n a n c e a n d m a n u a l c o n t r o l . T od o u b l e t h e c a p a c it y w o u l d h a v e r e q u i r e d a n o t h e r $ 2 5 0 0 0 i n v e s tm e n t f o rt e m p e r a t u r e c o n t r o l a l o n e ! M o r e o v e r , s o m e o f t h e f u n c t io n s a v a il ab l e o nt h e C E M A C S s i m p l y c a n n o t b e i m p l e m e n t e d w i t h a c o n v e n t i o n a ls ys te m . B M R ' s c u r r e n t C E M A C s y ste m c a n m o n i t o r a n d r e c o r d 2 4t e m p e r a t u r e c h a n n e l s , c o n t r o l 1 6 t e m p e r a t u r e c h a n n e l s , m o n i t o r a n drec ord s ix l igh t chan ne l s , con t ro l 16 l i gh t chan ne l s , m on i t o r t he f ac i li t y 'sc o m p r e s s e d a i r su p p l y , a n d m o n i t o r w a t e r l e v el s i n t h e c u l tu r e s y st em s .T h e c o s t f o r t h e h a r d w a r e f o r t h i s s y s t e m w a s l e s s t h a n $ 1 0 0 0 0 . T h ec a p a c i t y o f t h e s y s t e m c o u l d b e d o u b l e d f o r l e ss t h a n S 2 0 0 0 w i t h t h eon l y e f f ec t be i ng a doub l i ng o f t he t i me i t t ak e s t o ex ami ne a l l t hec h a n n e l s (c u r r e n t l y e a c h c h a n n e l is e x a m i n e d o n c e e v e r y 1 5 s if n or e c o r d i n g i s re q u i r ed ) . E x p a n s i o n c o s ts a r e n o t l i n ea r . A n e w B S R i n t e r-f a c e c o s ti n g $ 3 5 0 w i ll a l lo w e x p a n s i o n o f t h e c a r r i e r w a v e c o n t r o l (B S R )c a p a b i l i ty f r o m 1 6 t o 2 5 6 c h a n n e l s . I t a l so h a s a b a t te r y b a c k e d - u pr e a l t i m e c l o c k w h i c h w o u l d h a v e e l i m i n a t e d t h e r e q u i r e m e n t f o r as e p a r a t e c l o c k i n t h e o r i g i n a l s y st em . U n l i k e a c o n v e n t i o n a l s y st em , t h eh a r d w a r e f o r a C E M A C s y s te m a c tu a l l y c o s ts le ss i n 1 9 8 5 t h a n i n 1 9 8 0 .T h e A p p l e I I P l u s ' p e r s o n a l ' m i c r o c o m p u t e r w a s c h o s e n b e c a u s e i tw a s t h e o n l y o n e a v a i la b l e a t t h e t i m e t h a t h a d t h e e x p a n s i o n c a p a b i l it yan d p e r i ph e ra l s av a i l ab l e t o p e r fo rm t he r eq u i r ed t a sk s and s ti ll f it w i t h i no u r b u d g e t . S e v e r a l o t h e r ' p e r s o n a l ' m i c r o c o m p u t e r s n o w h a v e t h i sc a p a b i li ty a n d c o u l d b e u s e d t o i m p l e m e n t a C E M A C s ys te m . T h e t y p eo f C E M A C s y st em p r e s e n t e d h e r e is n o t t h e o n l y o r e v e n t h e b e st ty p efo r any pa r t i cu l a r i n s t a l l a t i on . C E M A C S s i mi l a r t o t h i s one a r e s u i t ab l efo r i n t ens ive , com pac t , cu l t u re f ac il it ie s . Ex t ens i ve c u l t u re s ys tem s w o u l dr e q u i r e d i f f e r e n t s tr a te g ie s f o r d a t a c o l l e c t i o n a n d c o n t r o l . R e m o t ea n a l o g / d i g i t a l a n d d i g i t a l / a n a l o g c o n v e r s i o n i s a v a i l a b l e a n d i s b e t t e rs u i te d t o la r g e p o n d f ac il it ie s . T h e B M R C E M A C S is b u i l t w i t h c o m p o -n e n t s t h a t a r e n o w s e v e r a l y e a r s o u t o f d a te ; 's ta t e o f t h e a r t ' c o m p o n e n t sm a k e a m u c h m o r e s o p h i s t i c a t e d s y s t e m p r a c t i c a l . C o m p u t e r i z e de n v i r o n m e n t a l m o n i t o r i n g a n d c o n t r o l c o u l d c o n t r ib u t e g r e a tl y to t h es u c c e s s o f m a n y a q u a c u l t u r e e f f o r t s a n d s h o u l d b e g i v e n c a r e f u l c o n -s i de ra t i on by cu l t u re s ys t em des i gne r s .

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