導(dǎo)語：智能漁業(yè)養(yǎng)殖論文一文來源于網(wǎng)友上傳，不代表本站觀點(diǎn)，若需要原創(chuàng)文章可咨詢客服老師，歡迎參考。

1系統(tǒng)總體框架

系統(tǒng)包括采集控制終端、網(wǎng)關(guān)及服務(wù)器平臺三大部分。采集控制終端在線采集各項(xiàng)水質(zhì)參數(shù)并經(jīng)網(wǎng)關(guān)傳回服務(wù)器平臺，平臺根據(jù)參數(shù)信息做出決策或建議，將決策命令經(jīng)網(wǎng)關(guān)發(fā)送給控制終端執(zhí)行，同時將建議信息推送給用戶。系統(tǒng)采用ZigBee網(wǎng)絡(luò)和GPRS網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的無線傳輸。ZigBee網(wǎng)絡(luò)作為低功耗、低復(fù)雜度、低成本且能夠自動組網(wǎng)的無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，支持傳感器信息采集、傳輸和處理，可以將多點(diǎn)的多個傳感器數(shù)據(jù)利用無線網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行通信，同時結(jié)合GPRS技術(shù)實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控，改變了傳統(tǒng)無線傳感網(wǎng)絡(luò)需要依賴有線公共網(wǎng)絡(luò)傳輸數(shù)據(jù)的限制，解決了安裝大量檢測裝置時布線量龐大、線路維護(hù)和更改困難的難題，增強(qiáng)了系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性。本系統(tǒng)的采集控制終端以STC12C5A60S2單片機(jī)作為核心單元，結(jié)合溶解氧、pH值、光照度及溫度傳感器，實(shí)時在線監(jiān)測池塘中的溶解氧、pH值、光照度、水溫等環(huán)境因子，將實(shí)時數(shù)據(jù)通過ZigBee路由器發(fā)送到網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)的協(xié)調(diào)器，并能夠根據(jù)環(huán)境變化自動驅(qū)動或接收平臺的指令來遠(yuǎn)程控制增氧機(jī)等執(zhí)行機(jī)構(gòu)調(diào)節(jié)池塘環(huán)境，盡可能保證養(yǎng)殖品種的最佳生長環(huán)境。系統(tǒng)與傳統(tǒng)控制方式兼容。當(dāng)系統(tǒng)檢測到傳統(tǒng)控制被執(zhí)行時，能夠快速切斷所有自動控制部分，這樣能夠保證當(dāng)控制系統(tǒng)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(cái)產(chǎn)安全。

2硬件設(shè)計(jì)

硬件設(shè)計(jì)部分主要是采集控制終端和網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)。

2．1采集控制終端

采集控制終端由MCU(單片機(jī))、數(shù)據(jù)采集單元、鍵盤輸入及液晶顯示單元、聲光報(bào)警、ZigBee路由器及控制單元組成。

2．1．1MCU單元

單片機(jī)是采集控制終端的核心，控制并協(xié)調(diào)其他單元模塊完成系統(tǒng)的整體功能。此單元負(fù)責(zé)獲取各路傳感器數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)進(jìn)行處理和顯示，同時控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)工作來實(shí)現(xiàn)本地自動控制，這樣還可以避免緊急情況下(比如池塘嚴(yán)重缺氧時)由于人為控制不及時而造成的損失。另外單片機(jī)還通過ZigBee路由器將數(shù)據(jù)上傳到網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)。單片機(jī)選用8051系列單片機(jī)STC12C5A60S2。此單片機(jī)是STC公司的單時鐘/單機(jī)器周期的(1T)單片機(jī)，是高速/低功耗/超強(qiáng)抗干擾的新一代8051單片機(jī)，其指令代碼完全兼容傳統(tǒng)8051單片機(jī)，但速度快8～12倍。該單片機(jī)含60K字節(jié)FLASH，1280字節(jié)RAM，8路高速10位A/D轉(zhuǎn)換，4個16位定時器，支持雙串口，有EEPROM功能。由于內(nèi)部含有ADC及EEPROM，簡化了外圍電路設(shè)計(jì)，增強(qiáng)了系統(tǒng)的健壯性。

2．1．2數(shù)據(jù)采集單元

數(shù)據(jù)采集單元是智能系統(tǒng)的“眼睛”，為系統(tǒng)決策和控制提供主要依據(jù)。而池塘養(yǎng)殖主要的環(huán)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?fù)Q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(tǒng)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(dǎo)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(zhǔn)確度高、維護(hù)方便，故系統(tǒng)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(huán)境因子，系統(tǒng)采用在線玻璃復(fù)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(guān)鍵因素。不同光照強(qiáng)度、不同水溫下的溶解氧含量是不同的，因此系統(tǒng)要根據(jù)實(shí)際溫度和光照強(qiáng)度來設(shè)定相應(yīng)的溶解氧閾值，以使養(yǎng)殖生物的生長環(huán)境處于最佳狀態(tài)。系統(tǒng)采用輸出為0～5V標(biāo)準(zhǔn)信號的集成光照度傳感器和數(shù)字式的溫度傳感器DS18B20。溫度傳感器的輸出為數(shù)字信號，易于處理且抗干擾強(qiáng)。溶解氧傳感器采用基于熒光猝滅原理的美國進(jìn)口Vernier傳感器，該傳感器具有自動溫度補(bǔ)償及自校準(zhǔn)功能且免維護(hù)時間長、精度高，其輸出為標(biāo)準(zhǔn)信號0～5V可直接送ADC進(jìn)行轉(zhuǎn)換。pH值采集部分包含pH玻璃復(fù)合電極、信號放大濾波處理兩大部分。pH玻璃復(fù)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(yùn)算放大器對其進(jìn)行阻抗匹配和放大處理。此外，為了給用戶提供池塘的當(dāng)前水位值，系統(tǒng)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(jù)。

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(shù)的閾值、工作模式及定時控制的時間等)，另一方面，系統(tǒng)采集的各項(xiàng)參數(shù)信息、系統(tǒng)及外設(shè)的運(yùn)行狀態(tài)以及警告建議信息等都可在液晶上實(shí)時顯示。通過用戶接口，用戶可以很好地了解系統(tǒng)的工作情況并對其做出適當(dāng)及時地控制。

2．1．4控制單元

本系統(tǒng)的外接設(shè)備有增氧機(jī)和投料機(jī)。系統(tǒng)可根據(jù)采集的參數(shù)信息進(jìn)行自動控制，也可由服務(wù)器通過遠(yuǎn)程發(fā)送的控制命令進(jìn)行遠(yuǎn)程控制。考慮到池塘可能在夜間出現(xiàn)溶氧量低或者需要進(jìn)行投料操作等，設(shè)計(jì)了精確定時控制，這樣方便了用戶的操作，節(jié)省了人力。目前的漁業(yè)智能養(yǎng)殖系統(tǒng)一般與傳統(tǒng)的人工控制不兼容。本系統(tǒng)工作時對外部執(zhí)行機(jī)構(gòu)(如增氧機(jī)、投料機(jī))進(jìn)行監(jiān)測，一旦發(fā)現(xiàn)人為操作這些執(zhí)行機(jī)構(gòu)，系統(tǒng)自動由智能控制切換到人工模式。在人工控制結(jié)束后可自動進(jìn)入自動控制，這樣避免了必須切斷智能系統(tǒng)電源進(jìn)入人工控制。另外，當(dāng)池塘出現(xiàn)溶氧量嚴(yán)重不足時，系統(tǒng)可及時地操作增氧機(jī)增氧，避免帶來財(cái)產(chǎn)損失。像增氧機(jī)和投料機(jī)這樣的執(zhí)行機(jī)構(gòu)在強(qiáng)電下工作，對單片機(jī)很可能會造成干擾。為了增強(qiáng)系統(tǒng)的抗干擾能力，采用光耦和繼電器進(jìn)行強(qiáng)弱隔離，這樣增強(qiáng)了系統(tǒng)的穩(wěn)定性。此外，繼電器屬于大功率器件，系統(tǒng)采用大電流輸出芯片ULN2803來驅(qū)動繼電器工作。

2．2網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)

網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)包括ZigBee協(xié)調(diào)器、GPRS模塊、電源模塊及單片機(jī)單元。網(wǎng)關(guān)中的單片機(jī)負(fù)責(zé)GPRS和Zig-Bee網(wǎng)絡(luò)之間的雙向數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換，網(wǎng)關(guān)事實(shí)上是一個基于GPRS網(wǎng)絡(luò)和ZigBee網(wǎng)絡(luò)的轉(zhuǎn)換網(wǎng)關(guān)。在近端無線網(wǎng)———ZigBee網(wǎng)絡(luò)中，網(wǎng)關(guān)作為協(xié)調(diào)器，主要負(fù)責(zé)Zig-Bee網(wǎng)絡(luò)的創(chuàng)建、監(jiān)聽路由節(jié)點(diǎn)、與路由節(jié)點(diǎn)雙向通信;在遠(yuǎn)端網(wǎng)絡(luò)———GPRS網(wǎng)中，網(wǎng)關(guān)擔(dān)負(fù)著GPRS網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)的發(fā)送與接收等任務(wù)。同時，網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)還負(fù)責(zé)GPRS網(wǎng)絡(luò)與ZigBee網(wǎng)絡(luò)間數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)換。

2．2．1ZigBee模塊

ZigBee技術(shù)是一種短距離、低復(fù)雜度、低功耗、低數(shù)據(jù)速率和低成本的雙向無線通信技術(shù)或無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，是一組基于IEEE802．15．4無線標(biāo)準(zhǔn)研制開發(fā)的有關(guān)組網(wǎng)、安全和應(yīng)用軟件方面的通信技術(shù)。IEEE802．15．4是IEEE針對低速率無線個人局域網(wǎng)制定的無線通信標(biāo)準(zhǔn)，該標(biāo)準(zhǔn)把低功耗、低速率傳輸、低成本作為重點(diǎn)指標(biāo)，旨在為個人或家庭內(nèi)不同設(shè)備之間低速率無線互聯(lián)提供統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)。ZigBee技術(shù)采用自組織網(wǎng)絡(luò)來通信，最大限度地提供數(shù)據(jù)的可靠傳輸。硬件由協(xié)調(diào)器、路由器、終端節(jié)點(diǎn)組成，一個網(wǎng)絡(luò)里只能有一個協(xié)調(diào)器。TI的CC2530芯片具備了實(shí)現(xiàn)ZigBee技術(shù)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(shù)對“節(jié)點(diǎn)”體積小的要求。另外，TI還提供了Z－STACK協(xié)議棧，盡可能減輕了軟件開發(fā)的工作量?？紤]到池塘的數(shù)據(jù)采集信息量不大，系統(tǒng)采用ZigBee自組織網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行近端無線數(shù)據(jù)傳輸。網(wǎng)關(guān)中的ZigBee模塊作為協(xié)調(diào)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(wù)技術(shù)(GeneralPacketRadioService)的簡稱，是在現(xiàn)有GSM網(wǎng)絡(luò)上開通的一種新型的分組數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)。GPRS的設(shè)計(jì)使得它既能支持間歇的爆發(fā)式數(shù)據(jù)傳輸，又能夠支持偶爾的大量數(shù)據(jù)的傳輸。GPRS有以下特點(diǎn):(1)覆蓋面積廣，基本上在手機(jī)能夠打電話的地方都可通過GPRS無線上網(wǎng);(2)永久在線，在激活GPRS應(yīng)用后，將一直保持在線狀態(tài)，這類似于專線網(wǎng)絡(luò)服務(wù);(3)按數(shù)據(jù)流量計(jì)費(fèi)，GPRS服務(wù)雖然保持一直在線，但只有在產(chǎn)生流量時才計(jì)費(fèi)，這使得費(fèi)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(xiàn)場和平臺的距離較遠(yuǎn)且有干擾，基于GPRS網(wǎng)絡(luò)的優(yōu)點(diǎn)，本系統(tǒng)選用宏電的GPRS模塊進(jìn)行遠(yuǎn)端的數(shù)據(jù)傳輸。

3軟件設(shè)計(jì)

軟件設(shè)計(jì)包括網(wǎng)關(guān)軟件、采集控制終端軟件和服務(wù)器監(jiān)控平臺軟件設(shè)計(jì)三個部分。網(wǎng)關(guān)軟件和終端軟件采用KeilC51設(shè)計(jì)，服務(wù)器監(jiān)控軟件采用C++語言和VC6．0開發(fā)平臺設(shè)計(jì)。

3．1網(wǎng)關(guān)程序設(shè)計(jì)

網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)上電后先進(jìn)行一系列的初始化，其內(nèi)部的ZigBee協(xié)調(diào)器組建網(wǎng)絡(luò)，然后等待處理ZigBee協(xié)調(diào)器和GPRS模塊的數(shù)據(jù)。網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)收集終端上傳的數(shù)據(jù)并進(jìn)行分析、處理、整合，然后通過GPRS模塊將數(shù)據(jù)包上傳到服務(wù)器平臺，平臺完成數(shù)據(jù)的進(jìn)一步分析及處理。平臺可根據(jù)參數(shù)信息推理或人工發(fā)出操作命令，命令經(jīng)GPRS網(wǎng)絡(luò)到達(dá)網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)，接著通過ZigBee網(wǎng)絡(luò)廣播發(fā)送至所有終端節(jié)點(diǎn)，最后由終端節(jié)點(diǎn)做出相應(yīng)地處理。

3．2采集控制終端程序設(shè)計(jì)

采集控制終端根據(jù)命令或定時調(diào)用數(shù)據(jù)采集程序來獲取各項(xiàng)水質(zhì)參數(shù)信息，接著對數(shù)據(jù)進(jìn)行處理(如報(bào)警提示、顯示、本地自動控制等)，然后將數(shù)據(jù)通過ZigBee路由器發(fā)給網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)。另外，采集控制節(jié)點(diǎn)也可接收網(wǎng)關(guān)發(fā)送來的命令并解析和執(zhí)行。

3．3系統(tǒng)調(diào)試

調(diào)試中獲取多個采集控制終端的參數(shù)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(jié)點(diǎn)定時1min采集數(shù)據(jù)并發(fā)送;而命令采集為接收采集命令后進(jìn)行數(shù)據(jù)采集并上傳;同時也通過平臺遠(yuǎn)程發(fā)送控制指令和本地自動控制運(yùn)行。另外，系統(tǒng)在定時控制方式下也能夠按時開啟與關(guān)閉執(zhí)行機(jī)構(gòu)。經(jīng)過多次測試，系統(tǒng)工作正常，基本達(dá)到設(shè)定要求。

4總結(jié)與展望

本設(shè)計(jì)結(jié)合ZigBee及GPRS網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了智能淡水漁業(yè)養(yǎng)殖系統(tǒng)。該系統(tǒng)支持多種工作模式(自動控制、遠(yuǎn)程控制及定時控制等)，且與傳統(tǒng)控制方式兼容，減輕了人力負(fù)擔(dān)，盡可能地減少財(cái)產(chǎn)損失，節(jié)約資源，降低成本，提高系統(tǒng)的自動化程度以及漁業(yè)養(yǎng)殖的產(chǎn)量和質(zhì)量。系統(tǒng)采集了溶解氧、pH值、光照度、溫度等關(guān)鍵的環(huán)境因子，而池塘的銨鹽、氮鹽的含量也是重要的環(huán)境因子，在后續(xù)的設(shè)計(jì)中應(yīng)將其加入到系統(tǒng)中，以便全面地獲取池塘環(huán)境信息。同時系統(tǒng)留有接口，可與其他決策系統(tǒng)(如知識推理系統(tǒng)、智能決策系統(tǒng)、模糊控制系統(tǒng)等)對接，系統(tǒng)的各項(xiàng)水質(zhì)因子輸入到智能決策系統(tǒng)中，經(jīng)過決策系統(tǒng)的分析推理輸出結(jié)果到本系統(tǒng)中去執(zhí)行，這樣可更好地實(shí)現(xiàn)養(yǎng)殖系統(tǒng)智能化。

作者：董延昌宋良圖嚴(yán)曙單位：中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)自動化系中科院合肥智能機(jī)械研究所