水產(chǎn)養(yǎng)殖環(huán)境無線網(wǎng)絡(luò)智能監(jiān)控系統(tǒng)

周旋+包羅清+王榮揚(yáng)

【摘要】養(yǎng)殖戶可以通過對(duì)水質(zhì)的檢測(cè)掌握水產(chǎn)品是否處于最佳的生存環(huán)境，從而對(duì)水質(zhì)作出相應(yīng)的調(diào)整，使水產(chǎn)品生長在最佳水質(zhì)中。本文采用單片機(jī)和Zigbee設(shè)計(jì)了無線智能監(jiān)控系統(tǒng)，將Zigbee技術(shù)與GPGS/GSM通信技術(shù)融合，將采集數(shù)據(jù)的分析結(jié)果直接發(fā)到智能手機(jī)終端，讓養(yǎng)殖戶能隨時(shí)隨地掌握養(yǎng)殖池的實(shí)際情況。本監(jiān)控系統(tǒng)可以應(yīng)用于工廠化水產(chǎn)養(yǎng)殖中，為水產(chǎn)養(yǎng)殖的高產(chǎn)量、大規(guī)模、低成本、低能耗、高質(zhì)量的目標(biāo)提供技術(shù)支持。

【關(guān)鍵詞】水產(chǎn)養(yǎng)殖環(huán)境；無線網(wǎng)絡(luò)；智能監(jiān)控系統(tǒng)

1水產(chǎn)養(yǎng)殖監(jiān)控系統(tǒng)研究現(xiàn)況

水產(chǎn)養(yǎng)殖業(yè)正從分散式、個(gè)體式養(yǎng)殖向著集約化、工廠化、智能化、產(chǎn)業(yè)化模式方向升級(jí)，導(dǎo)致水產(chǎn)養(yǎng)殖工廠內(nèi)有著大量的水產(chǎn)養(yǎng)殖池，往往能達(dá)到幾十個(gè)，這樣的情況下，要想人工去監(jiān)測(cè)各個(gè)養(yǎng)殖池內(nèi)的水質(zhì)參數(shù)，將非常慢且耗力大，因此分散監(jiān)測(cè)，集中操作，分級(jí)管理的控制模式將解決這一問題，同時(shí)對(duì)幾個(gè)甚至數(shù)幾十個(gè)不同養(yǎng)殖池的水質(zhì)參數(shù)進(jìn)行監(jiān)控，實(shí)現(xiàn)對(duì)養(yǎng)殖池的實(shí)時(shí)監(jiān)控[1]。近年來，經(jīng)過國內(nèi)大量科學(xué)家的潛心研究，研究成果分為如下三類進(jìn)行討論。

1.1基于RS232／RS485網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的分布式控制系統(tǒng)

此類控制方法具有設(shè)備簡單、通信距離遠(yuǎn)、低成本和開放性等優(yōu)勢(shì)，是早期水產(chǎn)養(yǎng)殖測(cè)控系統(tǒng)優(yōu)先選擇的設(shè)計(jì)模式[1]。

１．２基于現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)的分布式控制系統(tǒng)

上海交通大學(xué)的池濤等人[2]設(shè)計(jì)了基于現(xiàn)場(chǎng)總顯得現(xiàn)代化水產(chǎn)養(yǎng)殖基地智能監(jiān)控系統(tǒng)，在每個(gè)育苗車間布置一個(gè)采樣點(diǎn)，能夠在線采集pH值、DO、溫度、鹽度、ORP、光照等6個(gè)傳感器參數(shù)。但是本系統(tǒng)存在產(chǎn)品單一和價(jià)格昂貴的缺點(diǎn)。江蘇大學(xué)的馬叢國等人[3]采用Profibus和Internet技術(shù)相結(jié)合設(shè)計(jì)了多變量模糊前反饋解耦控制水產(chǎn)養(yǎng)殖過程智能監(jiān)控系統(tǒng)，本系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了水產(chǎn)養(yǎng)殖過程的智能控制盒信息共享，系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了溶氧量、溫度、pH值、水位等參數(shù)的采集和相應(yīng)的閉環(huán)控制，實(shí)踐證明其具有現(xiàn)實(shí)意義。

１．３基于無線網(wǎng)絡(luò)的水產(chǎn)養(yǎng)殖監(jiān)控系統(tǒng)國內(nèi)外研究現(xiàn)狀

南京工業(yè)大學(xué)的李新慧等人[4]開發(fā)了基于CC2530的水產(chǎn)養(yǎng)殖監(jiān)控系統(tǒng)，本系統(tǒng)通過無線網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)了傳感器節(jié)點(diǎn)與協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)之間的數(shù)據(jù)準(zhǔn)確傳輸，產(chǎn)品具有低功耗，完成參數(shù)采集、處理與顯示。但其存在如下缺點(diǎn)，協(xié)調(diào)器與上位機(jī)之間的傳輸還是采用總線形式，從根本上說其還沒有完成傳感器組網(wǎng)，智能遠(yuǎn)程集散控制，同時(shí)其僅僅考慮了參數(shù)的采集，并沒有形成閉環(huán)控制，需要人工完成養(yǎng)殖池參數(shù)調(diào)節(jié)。

2監(jiān)控系統(tǒng)存在的問題及解決辦法

2.1存在的問題

傳統(tǒng)監(jiān)控系統(tǒng)大多數(shù)為有線方式，大多數(shù)是采現(xiàn)場(chǎng)總線和集散控制總線等方式居多，隨著科技的發(fā)展，無線監(jiān)控方式也越來越多，但是他們也存在一些缺陷需要解決。

1）現(xiàn)場(chǎng)總線和集散控制方法具有布線繁瑣，不利于系統(tǒng)布局變動(dòng)和維護(hù)成本高，無法適應(yīng)養(yǎng)殖場(chǎng)所規(guī)模的變化的現(xiàn)狀。

2）現(xiàn)場(chǎng)總線和集散控制方法線路易被破壞和腐蝕，系統(tǒng)可靠性差、維護(hù)成本高，同時(shí)遠(yuǎn)程監(jiān)控范圍受限。

3）對(duì)于還未使用水質(zhì)監(jiān)控系統(tǒng)的養(yǎng)殖場(chǎng)，其成本高，對(duì)于一些交通不便的養(yǎng)殖場(chǎng)，需要檢測(cè)人員長期駐守，耗費(fèi)大量的人力和物力。

4）獲得水質(zhì)參數(shù)情況不及時(shí)，對(duì)于大型、分散的養(yǎng)殖場(chǎng)，要獲取全部水質(zhì)參數(shù)將花費(fèi)大量時(shí)間，且水質(zhì)參數(shù)的變化有時(shí)并不是一個(gè)積累的過程，再加上投放飼料、代謝等均會(huì)造成水質(zhì)參數(shù)的變化，空氣狀態(tài)也影響?zhàn)B殖池環(huán)境的變化。

5）現(xiàn)有水產(chǎn)養(yǎng)殖水質(zhì)監(jiān)控系統(tǒng)沒有考慮養(yǎng)殖廢水處理問題、循環(huán)封閉養(yǎng)殖問題；且監(jiān)控參數(shù)有限，無法準(zhǔn)確反映養(yǎng)殖場(chǎng)內(nèi)水質(zhì)參數(shù)的變化。

2.2上述缺陷的解決辦法

1）采用成本低廉、部署方便、組網(wǎng)靈活、覆蓋面廣的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控系統(tǒng)，可以方便對(duì)養(yǎng)殖池水環(huán)境數(shù)據(jù)進(jìn)行采集、傳輸、控制，同時(shí)易實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)監(jiān)控，滿足集約化、網(wǎng)絡(luò)化、數(shù)字化水產(chǎn)養(yǎng)殖方向。

2）采用Labview實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)采集和分析任務(wù)，Labview提供了強(qiáng)大的數(shù)學(xué)分析能力，可以更好的滿足數(shù)據(jù)處理要求（相對(duì)于C程序來說），同時(shí)節(jié)省時(shí)間，修改方便。

3）數(shù)據(jù)集中器到中央控制器之間的傳輸采用GPRS方式完成，這樣可以大量的節(jié)省電纜線，不限方便。

4）探討封閉式循環(huán)水養(yǎng)殖技術(shù)，封閉式循環(huán)水養(yǎng)殖技術(shù)將將水處理凈化與水產(chǎn)養(yǎng)殖技術(shù)充分結(jié)合，定期補(bǔ)充水量，基本不外排養(yǎng)殖廢水。封閉式循環(huán)水養(yǎng)殖是近期全世界重點(diǎn)發(fā)展的應(yīng)用現(xiàn)代工業(yè)技術(shù)的資源節(jié)約型養(yǎng)殖模式，具有高產(chǎn)、優(yōu)質(zhì)、高效、節(jié)能、環(huán)保的優(yōu)點(diǎn)。

3無線檢測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

本檢測(cè)系統(tǒng)主要包括數(shù)據(jù)采集器設(shè)計(jì)、執(zhí)行器設(shè)計(jì)、養(yǎng)殖廢水處理器設(shè)計(jì)、單養(yǎng)殖池控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)及遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)等部分。如圖1所示，控制系統(tǒng)硬件由數(shù)據(jù)采集輸入部分、執(zhí)行器部分及廢水處理節(jié)點(diǎn)3部分組成：數(shù)據(jù)采集輸入部分主要完成溶氧量、溫度、鹽度、氨氮、pH值和水位等環(huán)境因子的檢測(cè)，將系統(tǒng)實(shí)時(shí)采集的信號(hào)轉(zhuǎn)換為計(jì)算機(jī)和操作人員可識(shí)別的數(shù)字量和模擬量，并由計(jì)算機(jī)進(jìn)行處理；執(zhí)行器部分主要根據(jù)數(shù)據(jù)采集輸入的信息的結(jié)果完成自動(dòng)增氧、冷熱水電磁閥門的開關(guān)、風(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)速、PH值電磁閥門的開關(guān)、供水出水閥門等，保持養(yǎng)殖池內(nèi)水環(huán)境參數(shù)與理論設(shè)定值的參數(shù)一致；廢除處理部分主要完成養(yǎng)殖池水的處理，使排放的養(yǎng)殖廢水達(dá)到國家規(guī)定的標(biāo)準(zhǔn)，減少環(huán)境污染，同時(shí)研究養(yǎng)殖池水的循環(huán)利用。

圖 1監(jiān)控系統(tǒng)總體框圖

3.1數(shù)據(jù)采集器節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)

數(shù)據(jù)采集器是無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的基本元素，不僅具有采集養(yǎng)殖池環(huán)境參數(shù)和良好的界面顯示功能，還可以作為無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點(diǎn)，如下圖2所示。在數(shù)據(jù)采集器節(jié)點(diǎn)中，溫度傳感器、溶氧量傳感器、PH值傳感器、水位傳感器、濕度傳感器、氨氮傳感器、鹽度傳感器等將采集到的模擬數(shù)據(jù)通過信號(hào)調(diào)理電路進(jìn)行去干擾和電壓整定，采用CC2530芯片內(nèi)部集成的ADC轉(zhuǎn)換器，將采集的模擬數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為系統(tǒng)能識(shí)別的數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)，CC2530芯片的增強(qiáng)型8051處理器接收到ADC轉(zhuǎn)換的數(shù)字信號(hào)后，在8051處理器中進(jìn)行處理，將處理結(jié)果被送入CC2530芯片的Zigbee無線單元。該單元具有在zigbee網(wǎng)絡(luò)內(nèi)進(jìn)行數(shù)據(jù)的發(fā)送與接收功能。圖3所示為 CC2530控制器外部控制圖。

圖2數(shù)據(jù)采集器節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)

圖3CC2530控制器外部控制圖

3.2執(zhí)行器件節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)

執(zhí)行器件節(jié)點(diǎn)是無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的基本元素之一，其既可以作為執(zhí)行器件工作信號(hào)接收站，又可以作為無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點(diǎn)。如下圖4所示。將數(shù)據(jù)采集器采集的傳感器水質(zhì)參數(shù)與標(biāo)準(zhǔn)設(shè)定參數(shù)進(jìn)行比較，當(dāng)采集的參數(shù)偏離理論值時(shí)，8051控制器控制熱水閥、冷水閥、水泵、酸性電磁閥、增氧機(jī)及堿性電磁閥工作。在控制模塊與執(zhí)行器模塊之間采用光電隔離模塊，從而避免強(qiáng)電對(duì)無線處理模塊的干擾。設(shè)計(jì)中采用了5個(gè)I/O口作為控制信號(hào)，可以直接控制5路設(shè)備工作，根據(jù)具體實(shí)際情況，可以擴(kuò)展I/O接口電路，從而控制更多的設(shè)備。

圖4執(zhí)行器件節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)

3.3匯聚節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)

匯聚節(jié)點(diǎn)在整個(gè)無線傳感監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)中起到一個(gè)承上啟下的作用，在每個(gè)養(yǎng)殖池附近設(shè)置一處匯聚節(jié)點(diǎn)，將無線傳感器節(jié)點(diǎn)傳送回來的數(shù)據(jù)進(jìn)行匯攏，再將匯攏處理的數(shù)據(jù)通過GPRS發(fā)送到遠(yuǎn)程監(jiān)控中心。同時(shí)在匯聚節(jié)點(diǎn)的控制器對(duì)接收的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，通過LCD實(shí)時(shí)顯示在養(yǎng)殖池旁邊，當(dāng)數(shù)據(jù)值超過設(shè)定值后便啟動(dòng)報(bào)警裝置報(bào)警，工作人員便于人為干預(yù)養(yǎng)殖池環(huán)境因子。

匯聚節(jié)點(diǎn)由一塊CC2350芯片模塊、電源模塊、GPRS模塊、顯示裝置、報(bào)警裝置組成，CC2350芯片模塊通過RS232總線與GPRS模塊，匯聚節(jié)點(diǎn)的任務(wù)收集各個(gè)分散的簇頭發(fā)送來的無線數(shù)據(jù)信號(hào)，進(jìn)行解調(diào)，最終上傳給監(jiān)控中心的計(jì)算機(jī)，如圖5所示。

根據(jù)算法運(yùn)算得到控制信號(hào)，下傳給各個(gè)控制節(jié)點(diǎn)。然后控制節(jié)點(diǎn)根據(jù)控制信號(hào)去驅(qū)動(dòng)繼電器或者D/A轉(zhuǎn)換器，從而使執(zhí)行機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)，達(dá)到養(yǎng)殖池水體環(huán)境因子的閉環(huán)控制。

圖5匯聚節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)

3.4 遠(yuǎn)程監(jiān)控中心設(shè)計(jì)

在遠(yuǎn)程監(jiān)控中心處有一個(gè)與匯聚節(jié)點(diǎn)配對(duì)的GPRS模塊，此處的GPRS模塊接收數(shù)據(jù)，通過串口上傳給上位機(jī)，上位機(jī)對(duì)采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)處理，根據(jù)處理結(jié)果進(jìn)行顯示、報(bào)警、存儲(chǔ)等。

監(jiān)控中心計(jì)算機(jī)監(jiān)控軟件采用LABVIEW語言編寫，直接調(diào)用Labview函數(shù)，具有編碼靈活、界面美觀、操作簡單、擴(kuò)展性好、數(shù)學(xué)處理能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。監(jiān)控軟件實(shí)時(shí)顯示PH值、溶氧量、溫度的參數(shù)數(shù)值，并以數(shù)值的形式實(shí)時(shí)顯示，且能以曲線的形式表達(dá)某段時(shí)間的數(shù)據(jù)。采用PID算法對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，得到控制信號(hào)，并自動(dòng)進(jìn)行報(bào)警。

4總結(jié)

本監(jiān)控系統(tǒng)通過自動(dòng)監(jiān)控養(yǎng)殖環(huán)境的變化，以降低電力消耗和人工操作難度，實(shí)時(shí)改善養(yǎng)殖環(huán)境，降低水產(chǎn)品（魚類、蝦類、蟹類等）疾病所造成的損失，減少死亡率。做到通過對(duì)水質(zhì)的監(jiān)控、調(diào)節(jié)來改善水產(chǎn)養(yǎng)殖環(huán)境的目的。 通過機(jī)電技術(shù)控制增氧機(jī)、水泵、電磁閥門等機(jī)械設(shè)備，自動(dòng)調(diào)節(jié)養(yǎng)殖水域的含氧量、鹽度、氨氮含量、水循環(huán)及溫度變化，使得養(yǎng)殖水域水質(zhì)因子適合養(yǎng)殖物得得生長，加速水中物質(zhì)的分解和循環(huán)。通過化學(xué)水處理技術(shù)調(diào)節(jié)水域含氮量、PH值等參數(shù)，控制單細(xì)胞藻類數(shù)量以改變水質(zhì)，增加水產(chǎn)品產(chǎn)量，減少水中污染物的向外排放。本文采用單片機(jī)和Zigbee設(shè)計(jì)了無線智能監(jiān)控系統(tǒng)，將Zigbee技術(shù)與GPGS/GSM通信技術(shù)融合，將采集數(shù)據(jù)的分析結(jié)果直接發(fā)到智能手機(jī)終端，讓養(yǎng)殖戶能隨時(shí)隨地掌握養(yǎng)殖池的實(shí)際情況。本監(jiān)控系統(tǒng)可以應(yīng)用于工廠化水產(chǎn)養(yǎng)殖中，為水產(chǎn)養(yǎng)殖的高產(chǎn)量、大規(guī)模、低成本、低能耗、高質(zhì)量的目標(biāo)提供技術(shù)支持。

【參考文獻(xiàn)】

［１］劉星橋.水產(chǎn)養(yǎng)殖數(shù)字化監(jiān)測(cè)與控制系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)的研究[D].江蘇大學(xué)，2009，6．

［２］池濤，陳明.基于現(xiàn)場(chǎng)總線的現(xiàn)代化水產(chǎn)養(yǎng)殖基地智能監(jiān)控系統(tǒng)[J].機(jī)電一體化，2009(9):37-37.

［３］馬從國，趙德安，秦云，等.基于現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)的水產(chǎn)養(yǎng)殖過程智能監(jiān)控系統(tǒng)[J].農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào)，2007，38(8):113-119.

［４］李新慧,俞阿龍,潘苗.基于CC2530的水產(chǎn)養(yǎng)殖監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].傳感器與微系統(tǒng)，2013，32(3):85-88.

［責(zé)任編輯：薛俊歌］

【摘要】養(yǎng)殖戶可以通過對(duì)水質(zhì)的檢測(cè)掌握水產(chǎn)品是否處于最佳的生存環(huán)境，從而對(duì)水質(zhì)作出相應(yīng)的調(diào)整，使水產(chǎn)品生長在最佳水質(zhì)中。本文采用單片機(jī)和Zigbee設(shè)計(jì)了無線智能監(jiān)控系統(tǒng)，將Zigbee技術(shù)與GPGS/GSM通信技術(shù)融合，將采集數(shù)據(jù)的分析結(jié)果直接發(fā)到智能手機(jī)終端，讓養(yǎng)殖戶能隨時(shí)隨地掌握養(yǎng)殖池的實(shí)際情況。本監(jiān)控系統(tǒng)可以應(yīng)用于工廠化水產(chǎn)養(yǎng)殖中，為水產(chǎn)養(yǎng)殖的高產(chǎn)量、大規(guī)模、低成本、低能耗、高質(zhì)量的目標(biāo)提供技術(shù)支持。

【關(guān)鍵詞】水產(chǎn)養(yǎng)殖環(huán)境；無線網(wǎng)絡(luò)；智能監(jiān)控系統(tǒng)

1水產(chǎn)養(yǎng)殖監(jiān)控系統(tǒng)研究現(xiàn)況

水產(chǎn)養(yǎng)殖業(yè)正從分散式、個(gè)體式養(yǎng)殖向著集約化、工廠化、智能化、產(chǎn)業(yè)化模式方向升級(jí)，導(dǎo)致水產(chǎn)養(yǎng)殖工廠內(nèi)有著大量的水產(chǎn)養(yǎng)殖池，往往能達(dá)到幾十個(gè)，這樣的情況下，要想人工去監(jiān)測(cè)各個(gè)養(yǎng)殖池內(nèi)的水質(zhì)參數(shù)，將非常慢且耗力大，因此分散監(jiān)測(cè)，集中操作，分級(jí)管理的控制模式將解決這一問題，同時(shí)對(duì)幾個(gè)甚至數(shù)幾十個(gè)不同養(yǎng)殖池的水質(zhì)參數(shù)進(jìn)行監(jiān)控，實(shí)現(xiàn)對(duì)養(yǎng)殖池的實(shí)時(shí)監(jiān)控[1]。近年來，經(jīng)過國內(nèi)大量科學(xué)家的潛心研究，研究成果分為如下三類進(jìn)行討論。

1.1基于RS232／RS485網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的分布式控制系統(tǒng)

此類控制方法具有設(shè)備簡單、通信距離遠(yuǎn)、低成本和開放性等優(yōu)勢(shì)，是早期水產(chǎn)養(yǎng)殖測(cè)控系統(tǒng)優(yōu)先選擇的設(shè)計(jì)模式[1]。

１．２基于現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)的分布式控制系統(tǒng)

上海交通大學(xué)的池濤等人[2]設(shè)計(jì)了基于現(xiàn)場(chǎng)總顯得現(xiàn)代化水產(chǎn)養(yǎng)殖基地智能監(jiān)控系統(tǒng)，在每個(gè)育苗車間布置一個(gè)采樣點(diǎn)，能夠在線采集pH值、DO、溫度、鹽度、ORP、光照等6個(gè)傳感器參數(shù)。但是本系統(tǒng)存在產(chǎn)品單一和價(jià)格昂貴的缺點(diǎn)。江蘇大學(xué)的馬叢國等人[3]采用Profibus和Internet技術(shù)相結(jié)合設(shè)計(jì)了多變量模糊前反饋解耦控制水產(chǎn)養(yǎng)殖過程智能監(jiān)控系統(tǒng)，本系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了水產(chǎn)養(yǎng)殖過程的智能控制盒信息共享，系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了溶氧量、溫度、pH值、水位等參數(shù)的采集和相應(yīng)的閉環(huán)控制，實(shí)踐證明其具有現(xiàn)實(shí)意義。

１．３基于無線網(wǎng)絡(luò)的水產(chǎn)養(yǎng)殖監(jiān)控系統(tǒng)國內(nèi)外研究現(xiàn)狀

南京工業(yè)大學(xué)的李新慧等人[4]開發(fā)了基于CC2530的水產(chǎn)養(yǎng)殖監(jiān)控系統(tǒng)，本系統(tǒng)通過無線網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)了傳感器節(jié)點(diǎn)與協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)之間的數(shù)據(jù)準(zhǔn)確傳輸，產(chǎn)品具有低功耗，完成參數(shù)采集、處理與顯示。但其存在如下缺點(diǎn)，協(xié)調(diào)器與上位機(jī)之間的傳輸還是采用總線形式，從根本上說其還沒有完成傳感器組網(wǎng)，智能遠(yuǎn)程集散控制，同時(shí)其僅僅考慮了參數(shù)的采集，并沒有形成閉環(huán)控制，需要人工完成養(yǎng)殖池參數(shù)調(diào)節(jié)。

2監(jiān)控系統(tǒng)存在的問題及解決辦法

2.1存在的問題

傳統(tǒng)監(jiān)控系統(tǒng)大多數(shù)為有線方式，大多數(shù)是采現(xiàn)場(chǎng)總線和集散控制總線等方式居多，隨著科技的發(fā)展，無線監(jiān)控方式也越來越多，但是他們也存在一些缺陷需要解決。

1）現(xiàn)場(chǎng)總線和集散控制方法具有布線繁瑣，不利于系統(tǒng)布局變動(dòng)和維護(hù)成本高，無法適應(yīng)養(yǎng)殖場(chǎng)所規(guī)模的變化的現(xiàn)狀。

2）現(xiàn)場(chǎng)總線和集散控制方法線路易被破壞和腐蝕，系統(tǒng)可靠性差、維護(hù)成本高，同時(shí)遠(yuǎn)程監(jiān)控范圍受限。

3）對(duì)于還未使用水質(zhì)監(jiān)控系統(tǒng)的養(yǎng)殖場(chǎng)，其成本高，對(duì)于一些交通不便的養(yǎng)殖場(chǎng)，需要檢測(cè)人員長期駐守，耗費(fèi)大量的人力和物力。

4）獲得水質(zhì)參數(shù)情況不及時(shí)，對(duì)于大型、分散的養(yǎng)殖場(chǎng)，要獲取全部水質(zhì)參數(shù)將花費(fèi)大量時(shí)間，且水質(zhì)參數(shù)的變化有時(shí)并不是一個(gè)積累的過程，再加上投放飼料、代謝等均會(huì)造成水質(zhì)參數(shù)的變化，空氣狀態(tài)也影響?zhàn)B殖池環(huán)境的變化。

5）現(xiàn)有水產(chǎn)養(yǎng)殖水質(zhì)監(jiān)控系統(tǒng)沒有考慮養(yǎng)殖廢水處理問題、循環(huán)封閉養(yǎng)殖問題；且監(jiān)控參數(shù)有限，無法準(zhǔn)確反映養(yǎng)殖場(chǎng)內(nèi)水質(zhì)參數(shù)的變化。

2.2上述缺陷的解決辦法

1）采用成本低廉、部署方便、組網(wǎng)靈活、覆蓋面廣的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控系統(tǒng)，可以方便對(duì)養(yǎng)殖池水環(huán)境數(shù)據(jù)進(jìn)行采集、傳輸、控制，同時(shí)易實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)監(jiān)控，滿足集約化、網(wǎng)絡(luò)化、數(shù)字化水產(chǎn)養(yǎng)殖方向。

2）采用Labview實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)采集和分析任務(wù)，Labview提供了強(qiáng)大的數(shù)學(xué)分析能力，可以更好的滿足數(shù)據(jù)處理要求（相對(duì)于C程序來說），同時(shí)節(jié)省時(shí)間，修改方便。

3）數(shù)據(jù)集中器到中央控制器之間的傳輸采用GPRS方式完成，這樣可以大量的節(jié)省電纜線，不限方便。

4）探討封閉式循環(huán)水養(yǎng)殖技術(shù)，封閉式循環(huán)水養(yǎng)殖技術(shù)將將水處理凈化與水產(chǎn)養(yǎng)殖技術(shù)充分結(jié)合，定期補(bǔ)充水量，基本不外排養(yǎng)殖廢水。封閉式循環(huán)水養(yǎng)殖是近期全世界重點(diǎn)發(fā)展的應(yīng)用現(xiàn)代工業(yè)技術(shù)的資源節(jié)約型養(yǎng)殖模式，具有高產(chǎn)、優(yōu)質(zhì)、高效、節(jié)能、環(huán)保的優(yōu)點(diǎn)。

3無線檢測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

本檢測(cè)系統(tǒng)主要包括數(shù)據(jù)采集器設(shè)計(jì)、執(zhí)行器設(shè)計(jì)、養(yǎng)殖廢水處理器設(shè)計(jì)、單養(yǎng)殖池控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)及遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)等部分。如圖1所示，控制系統(tǒng)硬件由數(shù)據(jù)采集輸入部分、執(zhí)行器部分及廢水處理節(jié)點(diǎn)3部分組成：數(shù)據(jù)采集輸入部分主要完成溶氧量、溫度、鹽度、氨氮、pH值和水位等環(huán)境因子的檢測(cè)，將系統(tǒng)實(shí)時(shí)采集的信號(hào)轉(zhuǎn)換為計(jì)算機(jī)和操作人員可識(shí)別的數(shù)字量和模擬量，并由計(jì)算機(jī)進(jìn)行處理；執(zhí)行器部分主要根據(jù)數(shù)據(jù)采集輸入的信息的結(jié)果完成自動(dòng)增氧、冷熱水電磁閥門的開關(guān)、風(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)速、PH值電磁閥門的開關(guān)、供水出水閥門等，保持養(yǎng)殖池內(nèi)水環(huán)境參數(shù)與理論設(shè)定值的參數(shù)一致；廢除處理部分主要完成養(yǎng)殖池水的處理，使排放的養(yǎng)殖廢水達(dá)到國家規(guī)定的標(biāo)準(zhǔn)，減少環(huán)境污染，同時(shí)研究養(yǎng)殖池水的循環(huán)利用。

圖 1監(jiān)控系統(tǒng)總體框圖

3.1數(shù)據(jù)采集器節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)

數(shù)據(jù)采集器是無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的基本元素，不僅具有采集養(yǎng)殖池環(huán)境參數(shù)和良好的界面顯示功能，還可以作為無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點(diǎn)，如下圖2所示。在數(shù)據(jù)采集器節(jié)點(diǎn)中，溫度傳感器、溶氧量傳感器、PH值傳感器、水位傳感器、濕度傳感器、氨氮傳感器、鹽度傳感器等將采集到的模擬數(shù)據(jù)通過信號(hào)調(diào)理電路進(jìn)行去干擾和電壓整定，采用CC2530芯片內(nèi)部集成的ADC轉(zhuǎn)換器，將采集的模擬數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為系統(tǒng)能識(shí)別的數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)，CC2530芯片的增強(qiáng)型8051處理器接收到ADC轉(zhuǎn)換的數(shù)字信號(hào)后，在8051處理器中進(jìn)行處理，將處理結(jié)果被送入CC2530芯片的Zigbee無線單元。該單元具有在zigbee網(wǎng)絡(luò)內(nèi)進(jìn)行數(shù)據(jù)的發(fā)送與接收功能。圖3所示為 CC2530控制器外部控制圖。

圖2數(shù)據(jù)采集器節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)

圖3CC2530控制器外部控制圖

3.2執(zhí)行器件節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)

執(zhí)行器件節(jié)點(diǎn)是無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的基本元素之一，其既可以作為執(zhí)行器件工作信號(hào)接收站，又可以作為無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點(diǎn)。如下圖4所示。將數(shù)據(jù)采集器采集的傳感器水質(zhì)參數(shù)與標(biāo)準(zhǔn)設(shè)定參數(shù)進(jìn)行比較，當(dāng)采集的參數(shù)偏離理論值時(shí)，8051控制器控制熱水閥、冷水閥、水泵、酸性電磁閥、增氧機(jī)及堿性電磁閥工作。在控制模塊與執(zhí)行器模塊之間采用光電隔離模塊，從而避免強(qiáng)電對(duì)無線處理模塊的干擾。設(shè)計(jì)中采用了5個(gè)I/O口作為控制信號(hào)，可以直接控制5路設(shè)備工作，根據(jù)具體實(shí)際情況，可以擴(kuò)展I/O接口電路，從而控制更多的設(shè)備。

圖4執(zhí)行器件節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)

3.3匯聚節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)

匯聚節(jié)點(diǎn)在整個(gè)無線傳感監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)中起到一個(gè)承上啟下的作用，在每個(gè)養(yǎng)殖池附近設(shè)置一處匯聚節(jié)點(diǎn)，將無線傳感器節(jié)點(diǎn)傳送回來的數(shù)據(jù)進(jìn)行匯攏，再將匯攏處理的數(shù)據(jù)通過GPRS發(fā)送到遠(yuǎn)程監(jiān)控中心。同時(shí)在匯聚節(jié)點(diǎn)的控制器對(duì)接收的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，通過LCD實(shí)時(shí)顯示在養(yǎng)殖池旁邊，當(dāng)數(shù)據(jù)值超過設(shè)定值后便啟動(dòng)報(bào)警裝置報(bào)警，工作人員便于人為干預(yù)養(yǎng)殖池環(huán)境因子。

匯聚節(jié)點(diǎn)由一塊CC2350芯片模塊、電源模塊、GPRS模塊、顯示裝置、報(bào)警裝置組成，CC2350芯片模塊通過RS232總線與GPRS模塊，匯聚節(jié)點(diǎn)的任務(wù)收集各個(gè)分散的簇頭發(fā)送來的無線數(shù)據(jù)信號(hào)，進(jìn)行解調(diào)，最終上傳給監(jiān)控中心的計(jì)算機(jī)，如圖5所示。

根據(jù)算法運(yùn)算得到控制信號(hào)，下傳給各個(gè)控制節(jié)點(diǎn)。然后控制節(jié)點(diǎn)根據(jù)控制信號(hào)去驅(qū)動(dòng)繼電器或者D/A轉(zhuǎn)換器，從而使執(zhí)行機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)，達(dá)到養(yǎng)殖池水體環(huán)境因子的閉環(huán)控制。

圖5匯聚節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)

3.4 遠(yuǎn)程監(jiān)控中心設(shè)計(jì)

在遠(yuǎn)程監(jiān)控中心處有一個(gè)與匯聚節(jié)點(diǎn)配對(duì)的GPRS模塊，此處的GPRS模塊接收數(shù)據(jù)，通過串口上傳給上位機(jī)，上位機(jī)對(duì)采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)處理，根據(jù)處理結(jié)果進(jìn)行顯示、報(bào)警、存儲(chǔ)等。

監(jiān)控中心計(jì)算機(jī)監(jiān)控軟件采用LABVIEW語言編寫，直接調(diào)用Labview函數(shù)，具有編碼靈活、界面美觀、操作簡單、擴(kuò)展性好、數(shù)學(xué)處理能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。監(jiān)控軟件實(shí)時(shí)顯示PH值、溶氧量、溫度的參數(shù)數(shù)值，并以數(shù)值的形式實(shí)時(shí)顯示，且能以曲線的形式表達(dá)某段時(shí)間的數(shù)據(jù)。采用PID算法對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，得到控制信號(hào)，并自動(dòng)進(jìn)行報(bào)警。

4總結(jié)

本監(jiān)控系統(tǒng)通過自動(dòng)監(jiān)控養(yǎng)殖環(huán)境的變化，以降低電力消耗和人工操作難度，實(shí)時(shí)改善養(yǎng)殖環(huán)境，降低水產(chǎn)品（魚類、蝦類、蟹類等）疾病所造成的損失，減少死亡率。做到通過對(duì)水質(zhì)的監(jiān)控、調(diào)節(jié)來改善水產(chǎn)養(yǎng)殖環(huán)境的目的。 通過機(jī)電技術(shù)控制增氧機(jī)、水泵、電磁閥門等機(jī)械設(shè)備，自動(dòng)調(diào)節(jié)養(yǎng)殖水域的含氧量、鹽度、氨氮含量、水循環(huán)及溫度變化，使得養(yǎng)殖水域水質(zhì)因子適合養(yǎng)殖物得得生長，加速水中物質(zhì)的分解和循環(huán)。通過化學(xué)水處理技術(shù)調(diào)節(jié)水域含氮量、PH值等參數(shù)，控制單細(xì)胞藻類數(shù)量以改變水質(zhì)，增加水產(chǎn)品產(chǎn)量，減少水中污染物的向外排放。本文采用單片機(jī)和Zigbee設(shè)計(jì)了無線智能監(jiān)控系統(tǒng)，將Zigbee技術(shù)與GPGS/GSM通信技術(shù)融合，將采集數(shù)據(jù)的分析結(jié)果直接發(fā)到智能手機(jī)終端，讓養(yǎng)殖戶能隨時(shí)隨地掌握養(yǎng)殖池的實(shí)際情況。本監(jiān)控系統(tǒng)可以應(yīng)用于工廠化水產(chǎn)養(yǎng)殖中，為水產(chǎn)養(yǎng)殖的高產(chǎn)量、大規(guī)模、低成本、低能耗、高質(zhì)量的目標(biāo)提供技術(shù)支持。

【參考文獻(xiàn)】

［１］劉星橋.水產(chǎn)養(yǎng)殖數(shù)字化監(jiān)測(cè)與控制系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)的研究[D].江蘇大學(xué)，2009，6．

［２］池濤，陳明.基于現(xiàn)場(chǎng)總線的現(xiàn)代化水產(chǎn)養(yǎng)殖基地智能監(jiān)控系統(tǒng)[J].機(jī)電一體化，2009(9):37-37.

［３］馬從國，趙德安，秦云，等.基于現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)的水產(chǎn)養(yǎng)殖過程智能監(jiān)控系統(tǒng)[J].農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào)，2007，38(8):113-119.

［４］李新慧,俞阿龍,潘苗.基于CC2530的水產(chǎn)養(yǎng)殖監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].傳感器與微系統(tǒng)，2013，32(3):85-88.

［責(zé)任編輯：薛俊歌］

【摘要】養(yǎng)殖戶可以通過對(duì)水質(zhì)的檢測(cè)掌握水產(chǎn)品是否處于最佳的生存環(huán)境，從而對(duì)水質(zhì)作出相應(yīng)的調(diào)整，使水產(chǎn)品生長在最佳水質(zhì)中。本文采用單片機(jī)和Zigbee設(shè)計(jì)了無線智能監(jiān)控系統(tǒng)，將Zigbee技術(shù)與GPGS/GSM通信技術(shù)融合，將采集數(shù)據(jù)的分析結(jié)果直接發(fā)到智能手機(jī)終端，讓養(yǎng)殖戶能隨時(shí)隨地掌握養(yǎng)殖池的實(shí)際情況。本監(jiān)控系統(tǒng)可以應(yīng)用于工廠化水產(chǎn)養(yǎng)殖中，為水產(chǎn)養(yǎng)殖的高產(chǎn)量、大規(guī)模、低成本、低能耗、高質(zhì)量的目標(biāo)提供技術(shù)支持。

【關(guān)鍵詞】水產(chǎn)養(yǎng)殖環(huán)境；無線網(wǎng)絡(luò)；智能監(jiān)控系統(tǒng)

1水產(chǎn)養(yǎng)殖監(jiān)控系統(tǒng)研究現(xiàn)況

水產(chǎn)養(yǎng)殖業(yè)正從分散式、個(gè)體式養(yǎng)殖向著集約化、工廠化、智能化、產(chǎn)業(yè)化模式方向升級(jí)，導(dǎo)致水產(chǎn)養(yǎng)殖工廠內(nèi)有著大量的水產(chǎn)養(yǎng)殖池，往往能達(dá)到幾十個(gè)，這樣的情況下，要想人工去監(jiān)測(cè)各個(gè)養(yǎng)殖池內(nèi)的水質(zhì)參數(shù)，將非常慢且耗力大，因此分散監(jiān)測(cè)，集中操作，分級(jí)管理的控制模式將解決這一問題，同時(shí)對(duì)幾個(gè)甚至數(shù)幾十個(gè)不同養(yǎng)殖池的水質(zhì)參數(shù)進(jìn)行監(jiān)控，實(shí)現(xiàn)對(duì)養(yǎng)殖池的實(shí)時(shí)監(jiān)控[1]。近年來，經(jīng)過國內(nèi)大量科學(xué)家的潛心研究，研究成果分為如下三類進(jìn)行討論。

1.1基于RS232／RS485網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的分布式控制系統(tǒng)

此類控制方法具有設(shè)備簡單、通信距離遠(yuǎn)、低成本和開放性等優(yōu)勢(shì)，是早期水產(chǎn)養(yǎng)殖測(cè)控系統(tǒng)優(yōu)先選擇的設(shè)計(jì)模式[1]。

１．２基于現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)的分布式控制系統(tǒng)

上海交通大學(xué)的池濤等人[2]設(shè)計(jì)了基于現(xiàn)場(chǎng)總顯得現(xiàn)代化水產(chǎn)養(yǎng)殖基地智能監(jiān)控系統(tǒng)，在每個(gè)育苗車間布置一個(gè)采樣點(diǎn)，能夠在線采集pH值、DO、溫度、鹽度、ORP、光照等6個(gè)傳感器參數(shù)。但是本系統(tǒng)存在產(chǎn)品單一和價(jià)格昂貴的缺點(diǎn)。江蘇大學(xué)的馬叢國等人[3]采用Profibus和Internet技術(shù)相結(jié)合設(shè)計(jì)了多變量模糊前反饋解耦控制水產(chǎn)養(yǎng)殖過程智能監(jiān)控系統(tǒng)，本系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了水產(chǎn)養(yǎng)殖過程的智能控制盒信息共享，系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了溶氧量、溫度、pH值、水位等參數(shù)的采集和相應(yīng)的閉環(huán)控制，實(shí)踐證明其具有現(xiàn)實(shí)意義。

１．３基于無線網(wǎng)絡(luò)的水產(chǎn)養(yǎng)殖監(jiān)控系統(tǒng)國內(nèi)外研究現(xiàn)狀

南京工業(yè)大學(xué)的李新慧等人[4]開發(fā)了基于CC2530的水產(chǎn)養(yǎng)殖監(jiān)控系統(tǒng)，本系統(tǒng)通過無線網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)了傳感器節(jié)點(diǎn)與協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)之間的數(shù)據(jù)準(zhǔn)確傳輸，產(chǎn)品具有低功耗，完成參數(shù)采集、處理與顯示。但其存在如下缺點(diǎn)，協(xié)調(diào)器與上位機(jī)之間的傳輸還是采用總線形式，從根本上說其還沒有完成傳感器組網(wǎng)，智能遠(yuǎn)程集散控制，同時(shí)其僅僅考慮了參數(shù)的采集，并沒有形成閉環(huán)控制，需要人工完成養(yǎng)殖池參數(shù)調(diào)節(jié)。

2監(jiān)控系統(tǒng)存在的問題及解決辦法

2.1存在的問題

傳統(tǒng)監(jiān)控系統(tǒng)大多數(shù)為有線方式，大多數(shù)是采現(xiàn)場(chǎng)總線和集散控制總線等方式居多，隨著科技的發(fā)展，無線監(jiān)控方式也越來越多，但是他們也存在一些缺陷需要解決。

1）現(xiàn)場(chǎng)總線和集散控制方法具有布線繁瑣，不利于系統(tǒng)布局變動(dòng)和維護(hù)成本高，無法適應(yīng)養(yǎng)殖場(chǎng)所規(guī)模的變化的現(xiàn)狀。

2）現(xiàn)場(chǎng)總線和集散控制方法線路易被破壞和腐蝕，系統(tǒng)可靠性差、維護(hù)成本高，同時(shí)遠(yuǎn)程監(jiān)控范圍受限。

3）對(duì)于還未使用水質(zhì)監(jiān)控系統(tǒng)的養(yǎng)殖場(chǎng)，其成本高，對(duì)于一些交通不便的養(yǎng)殖場(chǎng)，需要檢測(cè)人員長期駐守，耗費(fèi)大量的人力和物力。

4）獲得水質(zhì)參數(shù)情況不及時(shí)，對(duì)于大型、分散的養(yǎng)殖場(chǎng)，要獲取全部水質(zhì)參數(shù)將花費(fèi)大量時(shí)間，且水質(zhì)參數(shù)的變化有時(shí)并不是一個(gè)積累的過程，再加上投放飼料、代謝等均會(huì)造成水質(zhì)參數(shù)的變化，空氣狀態(tài)也影響?zhàn)B殖池環(huán)境的變化。

5）現(xiàn)有水產(chǎn)養(yǎng)殖水質(zhì)監(jiān)控系統(tǒng)沒有考慮養(yǎng)殖廢水處理問題、循環(huán)封閉養(yǎng)殖問題；且監(jiān)控參數(shù)有限，無法準(zhǔn)確反映養(yǎng)殖場(chǎng)內(nèi)水質(zhì)參數(shù)的變化。

2.2上述缺陷的解決辦法

1）采用成本低廉、部署方便、組網(wǎng)靈活、覆蓋面廣的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控系統(tǒng)，可以方便對(duì)養(yǎng)殖池水環(huán)境數(shù)據(jù)進(jìn)行采集、傳輸、控制，同時(shí)易實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)監(jiān)控，滿足集約化、網(wǎng)絡(luò)化、數(shù)字化水產(chǎn)養(yǎng)殖方向。

2）采用Labview實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)采集和分析任務(wù)，Labview提供了強(qiáng)大的數(shù)學(xué)分析能力，可以更好的滿足數(shù)據(jù)處理要求（相對(duì)于C程序來說），同時(shí)節(jié)省時(shí)間，修改方便。

3）數(shù)據(jù)集中器到中央控制器之間的傳輸采用GPRS方式完成，這樣可以大量的節(jié)省電纜線，不限方便。

4）探討封閉式循環(huán)水養(yǎng)殖技術(shù)，封閉式循環(huán)水養(yǎng)殖技術(shù)將將水處理凈化與水產(chǎn)養(yǎng)殖技術(shù)充分結(jié)合，定期補(bǔ)充水量，基本不外排養(yǎng)殖廢水。封閉式循環(huán)水養(yǎng)殖是近期全世界重點(diǎn)發(fā)展的應(yīng)用現(xiàn)代工業(yè)技術(shù)的資源節(jié)約型養(yǎng)殖模式，具有高產(chǎn)、優(yōu)質(zhì)、高效、節(jié)能、環(huán)保的優(yōu)點(diǎn)。

3無線檢測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

本檢測(cè)系統(tǒng)主要包括數(shù)據(jù)采集器設(shè)計(jì)、執(zhí)行器設(shè)計(jì)、養(yǎng)殖廢水處理器設(shè)計(jì)、單養(yǎng)殖池控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)及遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)等部分。如圖1所示，控制系統(tǒng)硬件由數(shù)據(jù)采集輸入部分、執(zhí)行器部分及廢水處理節(jié)點(diǎn)3部分組成：數(shù)據(jù)采集輸入部分主要完成溶氧量、溫度、鹽度、氨氮、pH值和水位等環(huán)境因子的檢測(cè)，將系統(tǒng)實(shí)時(shí)采集的信號(hào)轉(zhuǎn)換為計(jì)算機(jī)和操作人員可識(shí)別的數(shù)字量和模擬量，并由計(jì)算機(jī)進(jìn)行處理；執(zhí)行器部分主要根據(jù)數(shù)據(jù)采集輸入的信息的結(jié)果完成自動(dòng)增氧、冷熱水電磁閥門的開關(guān)、風(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)速、PH值電磁閥門的開關(guān)、供水出水閥門等，保持養(yǎng)殖池內(nèi)水環(huán)境參數(shù)與理論設(shè)定值的參數(shù)一致；廢除處理部分主要完成養(yǎng)殖池水的處理，使排放的養(yǎng)殖廢水達(dá)到國家規(guī)定的標(biāo)準(zhǔn)，減少環(huán)境污染，同時(shí)研究養(yǎng)殖池水的循環(huán)利用。

圖 1監(jiān)控系統(tǒng)總體框圖

3.1數(shù)據(jù)采集器節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)

數(shù)據(jù)采集器是無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的基本元素，不僅具有采集養(yǎng)殖池環(huán)境參數(shù)和良好的界面顯示功能，還可以作為無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點(diǎn)，如下圖2所示。在數(shù)據(jù)采集器節(jié)點(diǎn)中，溫度傳感器、溶氧量傳感器、PH值傳感器、水位傳感器、濕度傳感器、氨氮傳感器、鹽度傳感器等將采集到的模擬數(shù)據(jù)通過信號(hào)調(diào)理電路進(jìn)行去干擾和電壓整定，采用CC2530芯片內(nèi)部集成的ADC轉(zhuǎn)換器，將采集的模擬數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為系統(tǒng)能識(shí)別的數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)，CC2530芯片的增強(qiáng)型8051處理器接收到ADC轉(zhuǎn)換的數(shù)字信號(hào)后，在8051處理器中進(jìn)行處理，將處理結(jié)果被送入CC2530芯片的Zigbee無線單元。該單元具有在zigbee網(wǎng)絡(luò)內(nèi)進(jìn)行數(shù)據(jù)的發(fā)送與接收功能。圖3所示為 CC2530控制器外部控制圖。

圖2數(shù)據(jù)采集器節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)

圖3CC2530控制器外部控制圖

3.2執(zhí)行器件節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)

執(zhí)行器件節(jié)點(diǎn)是無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的基本元素之一，其既可以作為執(zhí)行器件工作信號(hào)接收站，又可以作為無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點(diǎn)。如下圖4所示。將數(shù)據(jù)采集器采集的傳感器水質(zhì)參數(shù)與標(biāo)準(zhǔn)設(shè)定參數(shù)進(jìn)行比較，當(dāng)采集的參數(shù)偏離理論值時(shí)，8051控制器控制熱水閥、冷水閥、水泵、酸性電磁閥、增氧機(jī)及堿性電磁閥工作。在控制模塊與執(zhí)行器模塊之間采用光電隔離模塊，從而避免強(qiáng)電對(duì)無線處理模塊的干擾。設(shè)計(jì)中采用了5個(gè)I/O口作為控制信號(hào)，可以直接控制5路設(shè)備工作，根據(jù)具體實(shí)際情況，可以擴(kuò)展I/O接口電路，從而控制更多的設(shè)備。

圖4執(zhí)行器件節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)

3.3匯聚節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)

匯聚節(jié)點(diǎn)在整個(gè)無線傳感監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)中起到一個(gè)承上啟下的作用，在每個(gè)養(yǎng)殖池附近設(shè)置一處匯聚節(jié)點(diǎn)，將無線傳感器節(jié)點(diǎn)傳送回來的數(shù)據(jù)進(jìn)行匯攏，再將匯攏處理的數(shù)據(jù)通過GPRS發(fā)送到遠(yuǎn)程監(jiān)控中心。同時(shí)在匯聚節(jié)點(diǎn)的控制器對(duì)接收的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，通過LCD實(shí)時(shí)顯示在養(yǎng)殖池旁邊，當(dāng)數(shù)據(jù)值超過設(shè)定值后便啟動(dòng)報(bào)警裝置報(bào)警，工作人員便于人為干預(yù)養(yǎng)殖池環(huán)境因子。

匯聚節(jié)點(diǎn)由一塊CC2350芯片模塊、電源模塊、GPRS模塊、顯示裝置、報(bào)警裝置組成，CC2350芯片模塊通過RS232總線與GPRS模塊，匯聚節(jié)點(diǎn)的任務(wù)收集各個(gè)分散的簇頭發(fā)送來的無線數(shù)據(jù)信號(hào)，進(jìn)行解調(diào)，最終上傳給監(jiān)控中心的計(jì)算機(jī)，如圖5所示。

根據(jù)算法運(yùn)算得到控制信號(hào)，下傳給各個(gè)控制節(jié)點(diǎn)。然后控制節(jié)點(diǎn)根據(jù)控制信號(hào)去驅(qū)動(dòng)繼電器或者D/A轉(zhuǎn)換器，從而使執(zhí)行機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)，達(dá)到養(yǎng)殖池水體環(huán)境因子的閉環(huán)控制。

圖5匯聚節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)

3.4 遠(yuǎn)程監(jiān)控中心設(shè)計(jì)

在遠(yuǎn)程監(jiān)控中心處有一個(gè)與匯聚節(jié)點(diǎn)配對(duì)的GPRS模塊，此處的GPRS模塊接收數(shù)據(jù)，通過串口上傳給上位機(jī)，上位機(jī)對(duì)采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)處理，根據(jù)處理結(jié)果進(jìn)行顯示、報(bào)警、存儲(chǔ)等。

監(jiān)控中心計(jì)算機(jī)監(jiān)控軟件采用LABVIEW語言編寫，直接調(diào)用Labview函數(shù)，具有編碼靈活、界面美觀、操作簡單、擴(kuò)展性好、數(shù)學(xué)處理能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。監(jiān)控軟件實(shí)時(shí)顯示PH值、溶氧量、溫度的參數(shù)數(shù)值，并以數(shù)值的形式實(shí)時(shí)顯示，且能以曲線的形式表達(dá)某段時(shí)間的數(shù)據(jù)。采用PID算法對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，得到控制信號(hào)，并自動(dòng)進(jìn)行報(bào)警。

4總結(jié)

本監(jiān)控系統(tǒng)通過自動(dòng)監(jiān)控養(yǎng)殖環(huán)境的變化，以降低電力消耗和人工操作難度，實(shí)時(shí)改善養(yǎng)殖環(huán)境，降低水產(chǎn)品（魚類、蝦類、蟹類等）疾病所造成的損失，減少死亡率。做到通過對(duì)水質(zhì)的監(jiān)控、調(diào)節(jié)來改善水產(chǎn)養(yǎng)殖環(huán)境的目的。 通過機(jī)電技術(shù)控制增氧機(jī)、水泵、電磁閥門等機(jī)械設(shè)備，自動(dòng)調(diào)節(jié)養(yǎng)殖水域的含氧量、鹽度、氨氮含量、水循環(huán)及溫度變化，使得養(yǎng)殖水域水質(zhì)因子適合養(yǎng)殖物得得生長，加速水中物質(zhì)的分解和循環(huán)。通過化學(xué)水處理技術(shù)調(diào)節(jié)水域含氮量、PH值等參數(shù)，控制單細(xì)胞藻類數(shù)量以改變水質(zhì)，增加水產(chǎn)品產(chǎn)量，減少水中污染物的向外排放。本文采用單片機(jī)和Zigbee設(shè)計(jì)了無線智能監(jiān)控系統(tǒng)，將Zigbee技術(shù)與GPGS/GSM通信技術(shù)融合，將采集數(shù)據(jù)的分析結(jié)果直接發(fā)到智能手機(jī)終端，讓養(yǎng)殖戶能隨時(shí)隨地掌握養(yǎng)殖池的實(shí)際情況。本監(jiān)控系統(tǒng)可以應(yīng)用于工廠化水產(chǎn)養(yǎng)殖中，為水產(chǎn)養(yǎng)殖的高產(chǎn)量、大規(guī)模、低成本、低能耗、高質(zhì)量的目標(biāo)提供技術(shù)支持。

【參考文獻(xiàn)】

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［責(zé)任編輯：薛俊歌］