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智能渔业养殖论文

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1系统总体框架

系统包括采集控制终端、网关及服务器平台三大部分。采集控制终端在线采集各项水质参数并经网关传回服务器平台,平台根据参数信息做出决策或建议,将决策命令经网关发送给控制终端执行,同时将建议信息推送给用户。系统采用ZigBee网络和GPRS网络实现数据的无线传输。ZigBee网络作为低功耗、低复杂度、低成本且能够自动组网的无线网络技术,支持传感器信息采集、传输和处理,可以将多点的多个传感器数据利用无线网络进行通信,同时结合GPRS技术实现远程监控,改变了传统无线传感网络需要依赖有线公共网络传输数据的限制,解决了安装大量检测装置时布线量庞大、线路维护和更改困难的难题,增强了系统的稳定性和可靠性。本系统的采集控制终端以STC12C5A60S2单片机作为核心单元,结合溶解氧、pH值、光照度及温度传感器,实时在线监测池塘中的溶解氧、pH值、光照度、水温等环境因子,将实时数据通过ZigBee路由器发送到网关节点的协调器,并能够根据环境变化自动驱动或接收平台的指令来远程控制增氧机等执行机构调节池塘环境,尽可能保证养殖品种的最佳生长环境。系统与传统控制方式兼容。当系统检测到传统控制被执行时,能够快速切断所有自动控制部分,这样能够保证当控制系统出故障或者需要人工操作时,最大程度地减少危害程度,保障人身和财产安全。

2硬件设计

硬件设计部分主要是采集控制终端和网关节点的设计。

2.1采集控制终端

采集控制终端由MCU(单片机)、数据采集单元、键盘输入及液晶显示单元、声光报警、ZigBee路由器及控制单元组成。

2.1.1MCU单元

单片机是采集控制终端的核心,控制并协调其他单元模块完成系统的整体功能。此单元负责获取各路传感器数据,并将数据进行处理和显示,同时控制执行机构工作来实现本地自动控制,这样还可以避免紧急情况下(比如池塘严重缺氧时)由于人为控制不及时而造成的损失。另外单片机还通过ZigBee路由器将数据上传到网关节点。单片机选用8051系列单片机STC12C5A60S2。此单片机是STC公司的单时钟/单机器周期的(1T)单片机,是高速/低功耗/超强抗干扰的新一代8051单片机,其指令代码完全兼容传统8051单片机,但速度快8~12倍。该单片机含60K字节FLASH,1280字节RAM,8路高速10位A/D转换,4个16位定时器,支持双串口,有EEPROM功能。由于内部含有ADC及EEPROM,简化了外围电路设计,增强了系统的健壮性。

2.1.2数据采集单元

数据采集单元是智能系统的“眼睛”,为系统决策和控制提供主要依据。而池塘养殖主要的环境因子包括溶氧量、pH值、光照度、透明度、水温、重金属含量、铵盐、氮盐、鱼池换水周期和鱼池消毒用品等,其中以池塘含氧量最为重要。本系统采集溶解氧、pH值、光照度、水温等信息。目前测定水体溶解氧含量的常用方法有碘量法、氧电极法、电导法、极谱式覆膜电极法和荧光猝灭法等。其中荧光猝灭法测量准确度高、维护方便,故系统采用荧光猝灭型溶解氧传感器。另外池塘水体pH值也是很重要的环境因子,系统采用在线玻璃复合电极测量pH值。此外,光照度和水温也是影响水体溶解氧含量的关键因素。不同光照强度、不同水温下的溶解氧含量是不同的,因此系统要根据实际温度和光照强度来设定相应的溶解氧阈值,以使养殖生物的生长环境处于最佳状态。系统采用输出为0~5V标准信号的集成光照度传感器和数字式的温度传感器DS18B20。温度传感器的输出为数字信号,易于处理且抗干扰强。溶解氧传感器采用基于荧光猝灭原理的美国进口Vernier传感器,该传感器具有自动温度补偿及自校准功能且免维护时间长、精度高,其输出为标准信号0~5V可直接送ADC进行转换。pH值采集部分包含pH玻璃复合电极、信号放大滤波处理两大部分。pH玻璃复合电极输出-420mV~420mV电压信号,且输出阻抗高(约为1010Ω),因此需要用运算放大器对其进行阻抗匹配和放大处理。此外,为了给用户提供池塘的当前水位值,系统还采集池塘的水位信息。此部分也可为水泵供水提供重要依据。

2.1.3键盘输入及液晶显示单元

此部分完成和用户的交互。本单元一方面接收用户的输入信息(如各参数的阈值、工作模式及定时控制的时间等),另一方面,系统采集的各项参数信息、系统及外设的运行状态以及警告建议信息等都可在液晶上实时显示。通过用户接口,用户可以很好地了解系统的工作情况并对其做出适当及时地控制。

2.1.4控制单元

本系统的外接设备有增氧机和投料机。系统可根据采集的参数信息进行自动控制,也可由服务器通过远程发送的控制命令进行远程控制。考虑到池塘可能在夜间出现溶氧量低或者需要进行投料操作等,设计了精确定时控制,这样方便了用户的操作,节省了人力。目前的渔业智能养殖系统一般与传统的人工控制不兼容。本系统工作时对外部执行机构(如增氧机、投料机)进行监测,一旦发现人为操作这些执行机构,系统自动由智能控制切换到人工模式。在人工控制结束后可自动进入自动控制,这样避免了必须切断智能系统电源进入人工控制。另外,当池塘出现溶氧量严重不足时,系统可及时地操作增氧机增氧,避免带来财产损失。像增氧机和投料机这样的执行机构在强电下工作,对单片机很可能会造成干扰。为了增强系统的抗干扰能力,采用光耦和继电器进行强弱隔离,这样增强了系统的稳定性。此外,继电器属于大功率器件,系统采用大电流输出芯片ULN2803来驱动继电器工作。

2.2网关节点

网关节点包括ZigBee协调器、GPRS模块、电源模块及单片机单元。网关中的单片机负责GPRS和Zig-Bee网络之间的双向数据转换,网关事实上是一个基于GPRS网络和ZigBee网络的转换网关。在近端无线网———ZigBee网络中,网关作为协调器,主要负责Zig-Bee网络的创建、监听路由节点、与路由节点双向通信;在远端网络———GPRS网中,网关担负着GPRS网络数据的发送与接收等任务。同时,网关节点还负责GPRS网络与ZigBee网络间数据的转换。

2.2.1ZigBee模块

ZigBee技术是一种短距离、低复杂度、低功耗、低数据速率和低成本的双向无线通信技术或无线网络技术,是一组基于IEEE802.15.4无线标准研制开发的有关组网、安全和应用软件方面的通信技术。IEEE802.15.4是IEEE针对低速率无线个人局域网制定的无线通信标准,该标准把低功耗、低速率传输、低成本作为重点指标,旨在为个人或家庭内不同设备之间低速率无线互联提供统一标准。ZigBee技术采用自组织网络来通信,最大限度地提供数据的可靠传输。硬件由协调器、路由器、终端节点组成,一个网络里只能有一个协调器。TI的CC2530芯片具备了实现ZigBee技术的各种底层硬件需求,是真正的一体化解决方案,完全符合ZigBee技术对“节点”体积小的要求。另外,TI还提供了Z-STACK协议栈,尽可能减轻了软件开发的工作量。考虑到池塘的数据采集信息量不大,系统采用ZigBee自组织网络进行近端无线数据传输。网关中的ZigBee模块作为协调器,而采集控制终端中的ZigBee模块为路由器。

2.2.2GPRS通信模块

GPRS是通用分组无线服务技术(GeneralPacketRadioService)的简称,是在现有GSM网络上开通的一种新型的分组数据传输技术。GPRS的设计使得它既能支持间歇的爆发式数据传输,又能够支持偶尔的大量数据的传输。GPRS有以下特点:(1)覆盖面积广,基本上在手机能够打电话的地方都可通过GPRS无线上网;(2)永久在线,在激活GPRS应用后,将一直保持在线状态,这类似于专线网络服务;(3)按数据流量计费,GPRS服务虽然保持一直在线,但只有在产生流量时才计费,这使得费用低廉;(4)传输速度快,目前GPRS可支持53.6kbit/s的峰值传输速率,理论峰值传输速率超过100kbit/s;(5)接入时间短。由于现场和平台的距离较远且有干扰,基于GPRS网络的优点,本系统选用宏电的GPRS模块进行远端的数据传输。

3软件设计

软件设计包括网关软件、采集控制终端软件和服务器监控平台软件设计三个部分。网关软件和终端软件采用KeilC51设计,服务器监控软件采用C++语言和VC6.0开发平台设计。

3.1网关程序设计

网关节点上电后先进行一系列的初始化,其内部的ZigBee协调器组建网络,然后等待处理ZigBee协调器和GPRS模块的数据。网关节点收集终端上传的数据并进行分析、处理、整合,然后通过GPRS模块将数据包上传到服务器平台,平台完成数据的进一步分析及处理。平台可根据参数信息推理或人工发出操作命令,命令经GPRS网络到达网关节点,接着通过ZigBee网络广播发送至所有终端节点,最后由终端节点做出相应地处理。

3.2采集控制终端程序设计

采集控制终端根据命令或定时调用数据采集程序来获取各项水质参数信息,接着对数据进行处理(如报警提示、显示、本地自动控制等),然后将数据通过ZigBee路由器发给网关节点。另外,采集控制节点也可接收网关发送来的命令并解析和执行。

3.3系统调试

调试中获取多个采集控制终端的参数信息,采用定时采集和命令采集两种模式。其中定时模式为采集节点定时1min采集数据并发送;而命令采集为接收采集命令后进行数据采集并上传;同时也通过平台远程发送控制指令和本地自动控制运行。另外,系统在定时控制方式下也能够按时开启与关闭执行机构。经过多次测试,系统工作正常,基本达到设定要求。

4总结与展望

本设计结合ZigBee及GPRS网络技术,实现了智能淡水渔业养殖系统。该系统支持多种工作模式(自动控制、远程控制及定时控制等),且与传统控制方式兼容,减轻了人力负担,尽可能地减少财产损失,节约资源,降低成本,提高系统的自动化程度以及渔业养殖的产量和质量。系统采集了溶解氧、pH值、光照度、温度等关键的环境因子,而池塘的铵盐、氮盐的含量也是重要的环境因子,在后续的设计中应将其加入到系统中,以便全面地获取池塘环境信息。同时系统留有接口,可与其他决策系统(如知识推理系统、智能决策系统、模糊控制系统等)对接,系统的各项水质因子输入到智能决策系统中,经过决策系统的分析推理输出结果到本系统中去执行,这样可更好地实现养殖系统智能化。

作者:董延昌 宋良图 严曙 单位:中国科学技术大学自动化系 中科院合肥智能机械研究所

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