智能漁業養殖論文

導語：智能漁業養殖論文一文來源于網友上傳，不代表本站觀點，若需要原創文章可咨詢客服老師，歡迎參考。

1系統總體框架

系統包括采集控制終端、網關及服務器平臺三大部分。采集控制終端在線采集各項水質參數并經網關傳回服務器平臺，平臺根據參數信息做出決策或建議，將決策命令經網關發送給控制終端執行，同時將建議信息推送給用戶。系統采用ZigBee網絡和GPRS網絡實現數據的無線傳輸。ZigBee網絡作為低功耗、低復雜度、低成本且能夠自動組網的無線網絡技術，支持傳感器信息采集、傳輸和處理，可以將多點的多個傳感器數據利用無線網絡進行通信，同時結合GPRS技術實現遠程監控，改變了傳統無線傳感網絡需要依賴有線公共網絡傳輸數據的限制，解決了安裝大量檢測裝置時布線量龐大、線路維護和更改困難的難題，增強了系統的穩定性和可靠性。本系統的采集控制終端以STC12C5A60S2單片機作為核心單元，結合溶解氧、pH值、光照度及溫度傳感器，實時在線監測池塘中的溶解氧、pH值、光照度、水溫等環境因子，將實時數據通過ZigBee路由器發送到網關節點的協調器，并能夠根據環境變化自動驅動或接收平臺的指令來遠程控制增氧機等執行機構調節池塘環境，盡可能保證養殖品種的最佳生長環境。系統與傳統控制方式兼容。當系統檢測到傳統控制被執行時，能夠快速切斷所有自動控制部分，這樣能夠保證當控制系統出故障或者需要人工操作時，最大程度地減少危害程度，保障人身和財產安全。

2硬件設計

硬件設計部分主要是采集控制終端和網關節點的設計。

2．1采集控制終端

采集控制終端由MCU(單片機)、數據采集單元、鍵盤輸入及液晶顯示單元、聲光報警、ZigBee路由器及控制單元組成。

2．1．1MCU單元

單片機是采集控制終端的核心，控制并協調其他單元模塊完成系統的整體功能。此單元負責獲取各路傳感器數據，并將數據進行處理和顯示，同時控制執行機構工作來實現本地自動控制，這樣還可以避免緊急情況下(比如池塘嚴重缺氧時)由于人為控制不及時而造成的損失。另外單片機還通過ZigBee路由器將數據上傳到網關節點。單片機選用8051系列單片機STC12C5A60S2。此單片機是STC公司的單時鐘/單機器周期的(1T)單片機，是高速/低功耗/超強抗干擾的新一代8051單片機，其指令代碼完全兼容傳統8051單片機，但速度快8～12倍。該單片機含60K字節FLASH，1280字節RAM，8路高速10位A/D轉換，4個16位定時器，支持雙串口，有EEPROM功能。由于內部含有ADC及EEPROM，簡化了外圍電路設計，增強了系統的健壯性。

2．1．2數據采集單元

數據采集單元是智能系統的“眼睛”，為系統決策和控制提供主要依據。而池塘養殖主要的環境因子包括溶氧量、pH值、光照度、透明度、水溫、重金屬含量、銨鹽、氮鹽、魚池換水周期和魚池消毒用品等，其中以池塘含氧量最為重要。本系統采集溶解氧、pH值、光照度、水溫等信息。目前測定水體溶解氧含量的常用方法有碘量法、氧電極法、電導法、極譜式覆膜電極法和熒光猝滅法等。其中熒光猝滅法測量準確度高、維護方便，故系統采用熒光猝滅型溶解氧傳感器。另外池塘水體pH值也是很重要的環境因子，系統采用在線玻璃復合電極測量pH值。此外，光照度和水溫也是影響水體溶解氧含量的關鍵因素。不同光照強度、不同水溫下的溶解氧含量是不同的，因此系統要根據實際溫度和光照強度來設定相應的溶解氧閾值，以使養殖生物的生長環境處于最佳狀態。系統采用輸出為0～5V標準信號的集成光照度傳感器和數字式的溫度傳感器DS18B20。溫度傳感器的輸出為數字信號，易于處理且抗干擾強。溶解氧傳感器采用基于熒光猝滅原理的美國進口Vernier傳感器，該傳感器具有自動溫度補償及自校準功能且免維護時間長、精度高，其輸出為標準信號0～5V可直接送ADC進行轉換。pH值采集部分包含pH玻璃復合電極、信號放大濾波處理兩大部分。pH玻璃復合電極輸出－420mV～420mV電壓信號，且輸出阻抗高(約為1010Ω)，因此需要用運算放大器對其進行阻抗匹配和放大處理。此外，為了給用戶提供池塘的當前水位值，系統還采集池塘的水位信息。此部分也可為水泵供水提供重要依據。

2．1．3鍵盤輸入及液晶顯示單元

此部分完成和用戶的交互。本單元一方面接收用戶的輸入信息(如各參數的閾值、工作模式及定時控制的時間等)，另一方面，系統采集的各項參數信息、系統及外設的運行狀態以及警告建議信息等都可在液晶上實時顯示。通過用戶接口，用戶可以很好地了解系統的工作情況并對其做出適當及時地控制。

2．1．4控制單元

本系統的外接設備有增氧機和投料機。系統可根據采集的參數信息進行自動控制，也可由服務器通過遠程發送的控制命令進行遠程控制。考慮到池塘可能在夜間出現溶氧量低或者需要進行投料操作等，設計了精確定時控制，這樣方便了用戶的操作，節省了人力。目前的漁業智能養殖系統一般與傳統的人工控制不兼容。本系統工作時對外部執行機構(如增氧機、投料機)進行監測，一旦發現人為操作這些執行機構，系統自動由智能控制切換到人工模式。在人工控制結束后可自動進入自動控制，這樣避免了必須切斷智能系統電源進入人工控制。另外，當池塘出現溶氧量嚴重不足時，系統可及時地操作增氧機增氧，避免帶來財產損失。像增氧機和投料機這樣的執行機構在強電下工作，對單片機很可能會造成干擾。為了增強系統的抗干擾能力，采用光耦和繼電器進行強弱隔離，這樣增強了系統的穩定性。此外，繼電器屬于大功率器件，系統采用大電流輸出芯片ULN2803來驅動繼電器工作。

2．2網關節點

網關節點包括ZigBee協調器、GPRS模塊、電源模塊及單片機單元。網關中的單片機負責GPRS和Zig-Bee網絡之間的雙向數據轉換，網關事實上是一個基于GPRS網絡和ZigBee網絡的轉換網關。在近端無線網———ZigBee網絡中，網關作為協調器，主要負責Zig-Bee網絡的創建、監聽路由節點、與路由節點雙向通信;在遠端網絡———GPRS網中，網關擔負著GPRS網絡數據的發送與接收等任務。同時，網關節點還負責GPRS網絡與ZigBee網絡間數據的轉換。

2．2．1ZigBee模塊

ZigBee技術是一種短距離、低復雜度、低功耗、低數據速率和低成本的雙向無線通信技術或無線網絡技術，是一組基于IEEE802．15．4無線標準研制開發的有關組網、安全和應用軟件方面的通信技術。IEEE802．15．4是IEEE針對低速率無線個人局域網制定的無線通信標準，該標準把低功耗、低速率傳輸、低成本作為重點指標，旨在為個人或家庭內不同設備之間低速率無線互聯提供統一標準。ZigBee技術采用自組織網絡來通信，最大限度地提供數據的可靠傳輸。硬件由協調器、路由器、終端節點組成，一個網絡里只能有一個協調器。TI的CC2530芯片具備了實現ZigBee技術的各種底層硬件需求，是真正的一體化解決方案，完全符合ZigBee技術對“節點”體積小的要求。另外，TI還提供了Z－STACK協議棧，盡可能減輕了軟件開發的工作量。考慮到池塘的數據采集信息量不大，系統采用ZigBee自組織網絡進行近端無線數據傳輸。網關中的ZigBee模塊作為協調器，而采集控制終端中的ZigBee模塊為路由器。

2．2．2GPRS通信模塊

GPRS是通用分組無線服務技術(GeneralPacketRadioService)的簡稱，是在現有GSM網絡上開通的一種新型的分組數據傳輸技術。GPRS的設計使得它既能支持間歇的爆發式數據傳輸，又能夠支持偶爾的大量數據的傳輸。GPRS有以下特點:(1)覆蓋面積廣，基本上在手機能夠打電話的地方都可通過GPRS無線上網;(2)永久在線，在激活GPRS應用后，將一直保持在線狀態，這類似于專線網絡服務;(3)按數據流量計費，GPRS服務雖然保持一直在線，但只有在產生流量時才計費，這使得費用低廉;(4)傳輸速度快，目前GPRS可支持53．6kbit/s的峰值傳輸速率，理論峰值傳輸速率超過100kbit/s;(5)接入時間短。由于現場和平臺的距離較遠且有干擾，基于GPRS網絡的優點，本系統選用宏電的GPRS模塊進行遠端的數據傳輸。

3軟件設計

軟件設計包括網關軟件、采集控制終端軟件和服務器監控平臺軟件設計三個部分。網關軟件和終端軟件采用KeilC51設計，服務器監控軟件采用C++語言和VC6．0開發平臺設計。

3．1網關程序設計

網關節點上電后先進行一系列的初始化，其內部的ZigBee協調器組建網絡，然后等待處理ZigBee協調器和GPRS模塊的數據。網關節點收集終端上傳的數據并進行分析、處理、整合，然后通過GPRS模塊將數據包上傳到服務器平臺，平臺完成數據的進一步分析及處理。平臺可根據參數信息推理或人工發出操作命令，命令經GPRS網絡到達網關節點，接著通過ZigBee網絡廣播發送至所有終端節點，最后由終端節點做出相應地處理。

3．2采集控制終端程序設計

采集控制終端根據命令或定時調用數據采集程序來獲取各項水質參數信息，接著對數據進行處理(如報警提示、顯示、本地自動控制等)，然后將數據通過ZigBee路由器發給網關節點。另外，采集控制節點也可接收網關發送來的命令并解析和執行。

3．3系統調試

調試中獲取多個采集控制終端的參數信息，采用定時采集和命令采集兩種模式。其中定時模式為采集節點定時1min采集數據并發送;而命令采集為接收采集命令后進行數據采集并上傳;同時也通過平臺遠程發送控制指令和本地自動控制運行。另外，系統在定時控制方式下也能夠按時開啟與關閉執行機構。經過多次測試，系統工作正常，基本達到設定要求。

4總結與展望

本設計結合ZigBee及GPRS網絡技術，實現了智能淡水漁業養殖系統。該系統支持多種工作模式(自動控制、遠程控制及定時控制等)，且與傳統控制方式兼容，減輕了人力負擔，盡可能地減少財產損失，節約資源，降低成本，提高系統的自動化程度以及漁業養殖的產量和質量。系統采集了溶解氧、pH值、光照度、溫度等關鍵的環境因子，而池塘的銨鹽、氮鹽的含量也是重要的環境因子，在后續的設計中應將其加入到系統中，以便全面地獲取池塘環境信息。同時系統留有接口，可與其他決策系統(如知識推理系統、智能決策系統、模糊控制系統等)對接，系統的各項水質因子輸入到智能決策系統中，經過決策系統的分析推理輸出結果到本系統中去執行，這樣可更好地實現養殖系統智能化。

作者：董延昌宋良圖嚴曙單位：中國科學技術大學自動化系中科院合肥智能機械研究所