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基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的水產(chǎn)養(yǎng)殖智能管理系統(tǒng)研究論文
隨著人們對水產(chǎn)品需求的不斷擴(kuò)大，國內(nèi)水產(chǎn)養(yǎng)殖業(yè)得到了突飛猛進(jìn)的發(fā)展，傳統(tǒng)的養(yǎng)殖方式已不能滿足市場需要，信息化、智能化以及規(guī)�；殉蔀樗a(chǎn)養(yǎng)殖技術(shù)的發(fā)展方向。物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)是信息技術(shù)發(fā)展的一次革命，它將所有物品連接互聯(lián)網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)智能化識別管理的技術(shù)。國內(nèi)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)被列為國家五大新興戰(zhàn)略性產(chǎn)業(yè)之一， 在工業(yè)生產(chǎn)、智能家居和交通運(yùn)輸?shù)刃袠I(yè)得到廣泛運(yùn)用。
本研究將物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)運(yùn)用到水產(chǎn)養(yǎng)殖中，通過分布于水域各處的傳感設(shè)備采集各水池中水的溶解氧、pH 和水溫等指標(biāo)，運(yùn)用ZigBee 無線通信方式上傳采集的數(shù)據(jù)，上位機(jī)接收數(shù)據(jù)后，通過編寫好的人機(jī)交互系統(tǒng)實(shí)時(shí)顯示、存儲和分析計(jì)算接收到的信息數(shù)據(jù)，同時(shí)運(yùn)行控制程序給出相應(yīng)的控制命令，并將控制命令發(fā)送給上位機(jī)PLC，PLC 控制水池中的調(diào)節(jié)設(shè)備動(dòng)作，最終達(dá)到自動(dòng)運(yùn)行的目的。同時(shí)為了達(dá)到便攜式管理，還開發(fā)了相應(yīng)的手機(jī)App服務(wù)端。結(jié)果表明，該系統(tǒng)能夠簡便高效地調(diào)節(jié)水質(zhì)因素，達(dá)到設(shè)計(jì)目標(biāo)。
1 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)
1.1 數(shù)據(jù)采集模塊硬件設(shè)計(jì)
數(shù)據(jù)采集模塊主要負(fù)責(zé)采集各水質(zhì)參數(shù)(水溫、溶解氧和pH)，前端采集模塊硬件設(shè)計(jì)如圖3 所示。首先各傳感器設(shè)備采集到的信號通過調(diào)理電路轉(zhuǎn)化為穩(wěn)定的模擬信號，然后通過模數(shù)轉(zhuǎn)換后變成數(shù)字信號，在通過串口與ZigBee 傳送數(shù)據(jù)，最后通過無線通信技術(shù)將采集到的信息發(fā)送給服務(wù)器。數(shù)據(jù)采集模塊的核心為傳感器，精準(zhǔn)采集能力是整個(gè)系統(tǒng)有效運(yùn)行的基礎(chǔ)。由于長時(shí)間泡在水中，傳感器容易附著水中的雜質(zhì)，進(jìn)而影響采集的精準(zhǔn)度，并損害傳感器的使用壽命。因此，傳感器配備了相應(yīng)的保護(hù)裝置。保護(hù)裝置，該裝置主要有傳動(dòng)和沖洗兩大功能，通過控制電機(jī)正反轉(zhuǎn)實(shí)現(xiàn)傳感器探頭自動(dòng)出水和入水的功能;控制電磁閥完成沖洗和保濕的作用。
1.2 前端執(zhí)行模塊硬件設(shè)計(jì)
前端執(zhí)行模塊主要由ZigBee 模塊接收上位機(jī)給出的控制命令和數(shù)據(jù)，然后通過串口RS232 發(fā)送給PLC，PLC 運(yùn)行控制程序，控制前端設(shè)備動(dòng)作，執(zhí)行相關(guān)命令，到達(dá)控制目的。
1.3 協(xié)調(diào)器模塊硬件設(shè)計(jì)
協(xié)調(diào)器模塊是整個(gè)系統(tǒng)的中樞，不僅要將接受到的前端數(shù)據(jù)上傳服務(wù)器，同時(shí)還要將服務(wù)器給出的控制命令發(fā)下傳下位機(jī)PLC。ZigBee 模塊通過RS232 串口與服務(wù)器相連， 采用Modbus 協(xié)議傳送數(shù)據(jù)。
2 通信系統(tǒng)
本研究水產(chǎn)養(yǎng)殖智能管理系統(tǒng)采用ZigBee 技術(shù)搭建無線通信系統(tǒng)。通信系統(tǒng)中ZigBee 采用星形拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)形式組網(wǎng)， 與ZigBee 模塊相連的傳感器端、上位機(jī)和前端執(zhí)行器作為該拓?fù)渲械腪igBee 節(jié)點(diǎn)。無線通信系統(tǒng)如圖6 所示，溫度、溶解氧和pH等傳感器以及前端控制器PLC 作為ZigBee 網(wǎng)絡(luò)中的終端設(shè)備，服務(wù)器則作為協(xié)調(diào)器。系統(tǒng)中上位機(jī)通過ZigBee 無線通信系統(tǒng)與各傳感器傳輸信息，接收并實(shí)時(shí)顯示各傳感器采集傳送的數(shù)據(jù)，同時(shí)通過ZigBee 無線通信系統(tǒng)對PLC 發(fā)送指令， 以及讀取PLC 發(fā)送給上位機(jī)關(guān)于各設(shè)備工作狀態(tài)的信息并顯示在人機(jī)界面上。
3 系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)
該系統(tǒng)軟件主要由上位機(jī)軟件和下位機(jī)軟件組成，下位機(jī)軟件已經(jīng)固化在PLC 程序存儲器中，接收到上位機(jī)的數(shù)據(jù)和指令后，控制相應(yīng)的前端設(shè)備動(dòng)作，對水質(zhì)因子進(jìn)行調(diào)節(jié)。圖7 為魚塘實(shí)時(shí)監(jiān)控平臺，可以將其劃分為5 大模塊：①魚塘溶解氧、水溫和pH 的實(shí)時(shí)顯示模塊; ②系統(tǒng)參數(shù)設(shè)置和報(bào)警模塊;③運(yùn)行方式的切換模塊;④設(shè)備狀態(tài)顯示和手動(dòng)控制模塊;⑤升降機(jī)(傳感器保護(hù)模塊)定時(shí)設(shè)置。圖8 為魚塘實(shí)時(shí)監(jiān)控平臺控制原理圖，首先上位機(jī)向某個(gè)魚塘的采集端發(fā)出查詢水質(zhì)參數(shù)命令，在收到正確的信息后，系統(tǒng)首先判斷水質(zhì)參數(shù)采樣數(shù)據(jù)是否在系統(tǒng)設(shè)定的上、下限范圍內(nèi)。如果超出范圍，則判定為異常，如溶解氧(DO)為9.5 mg / L，超出系統(tǒng)設(shè)定的上限，其狀態(tài)顯示為異常，并發(fā)出警告提醒用戶;如果數(shù)據(jù)正常，系統(tǒng)將溶解氧、pH 和水溫的信息實(shí)時(shí)顯示在界面上。系統(tǒng)的運(yùn)行方式分為自動(dòng)和手動(dòng)，如果系統(tǒng)工作在自動(dòng)狀態(tài)，系統(tǒng)會根據(jù)收到的信息和設(shè)定的控制參數(shù)自行分析運(yùn)算，并給出控制命令;如果系統(tǒng)工作在手動(dòng)狀態(tài)則等待人工給出控制命令，一般只有在出現(xiàn)報(bào)警等特殊情況下才切換到手動(dòng)運(yùn)行狀態(tài)。正常時(shí)系統(tǒng)工作在自動(dòng)運(yùn)行狀態(tài)，且運(yùn)行在自動(dòng)狀態(tài)時(shí)，投餌機(jī)和升降機(jī)會定時(shí)工作，如圖中“區(qū)域⑤”就是設(shè)定升降機(jī)的升降時(shí)間，時(shí)間結(jié)束馬上將傳感器拉出水面(投入水中)進(jìn)行沖洗保養(yǎng)。
4 系統(tǒng)調(diào)試
系統(tǒng)測試分在線監(jiān)測系統(tǒng)測試和在線控制測試兩步， 在線監(jiān)測系統(tǒng)主要完成水質(zhì)參數(shù)的監(jiān)測，在線控制則根據(jù)采集到的水質(zhì)參數(shù)信息完成水質(zhì)參數(shù)調(diào)節(jié)。在線監(jiān)測系統(tǒng)完成水質(zhì)參數(shù)采集、數(shù)據(jù)上傳和上位機(jī)實(shí)時(shí)顯示功能，主要由水質(zhì)參數(shù)采集系統(tǒng)、無線通信系統(tǒng)和上位機(jī)人機(jī)交互系統(tǒng)組成。水質(zhì)參數(shù)采集系統(tǒng)主要完成溶解氧、水溫和pH的采集，系統(tǒng)在信息采集端自帶液晶顯示功能。精準(zhǔn)的水質(zhì)參數(shù)采集是系統(tǒng)高效運(yùn)行的基礎(chǔ)。為了確保采集數(shù)據(jù)的正確性，本研究將采集系統(tǒng)采集的信息和參考數(shù)據(jù)進(jìn)行對照試驗(yàn);為了確保溶解氧的樣信號的準(zhǔn)確性，本研究將其與進(jìn)口的高精度溶解氧測量儀器(參考傳感器)的采樣結(jié)果進(jìn)行對照;同時(shí)為了測試通信系統(tǒng)和上位機(jī)人機(jī)交互系統(tǒng)的穩(wěn)定性，將上位機(jī)監(jiān)控界面實(shí)時(shí)顯示的數(shù)據(jù)也與前兩者進(jìn)行對比。測試步驟是先將溶解氧傳感器探頭和參考傳感器探頭伸入同一區(qū)域的水中，然后兩者進(jìn)行連續(xù)1 h 內(nèi)采集對比， 每隔10 min 記錄一次，記錄結(jié)果如表1 所示。比較溶解氧傳感器的讀數(shù)和參考讀數(shù)可知，兩者的讀數(shù)是基本一致的，最大誤差為0.1 mg / L，在允許誤差內(nèi)，能夠滿足控制精度要求。同時(shí)上位機(jī)讀數(shù)和傳感器讀數(shù)完全一致，說明無線通信系統(tǒng)和上位機(jī)人機(jī)交互系統(tǒng)工作穩(wěn)定可靠，整個(gè)監(jiān)測系統(tǒng)能夠?qū)崟r(shí)、精準(zhǔn)、穩(wěn)定地完成水質(zhì)參數(shù)的采集和顯示任務(wù)。在線控制測試主要是上位機(jī)通過控制算法計(jì)算分析采集到的水質(zhì)信息，形成控制命令下發(fā)給PLC，PLC 通過控制前端設(shè)備達(dá)到調(diào)節(jié)水質(zhì)參數(shù)的目的。
本文以溶解氧為例進(jìn)行了現(xiàn)場測試。測試對象為江門某水產(chǎn)養(yǎng)殖推廣站，水產(chǎn)養(yǎng)殖現(xiàn)場2 個(gè)大塘及4 個(gè)小塘， 魚塘內(nèi)養(yǎng)殖的魚類為班鳠和錦鯉，二者對溶解氧的要求較高，一般在5 mg / L 以上，最佳值為6 mg / L。系統(tǒng)設(shè)定參考值為6mg / L，測試時(shí)間為24 h，表2 為測試得到的溶解氧數(shù)據(jù)。
5 結(jié)論
本研究將物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)應(yīng)用于水產(chǎn)養(yǎng)殖業(yè)中，開發(fā)了一整套水產(chǎn)養(yǎng)殖智能管理系統(tǒng)，該系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集精準(zhǔn)，數(shù)據(jù)通信上傳穩(wěn)定，人機(jī)交互系統(tǒng)簡潔形象，操作方便且功能齊全，適應(yīng)性強(qiáng)。結(jié)果表明，該系統(tǒng)能夠系統(tǒng)連續(xù)準(zhǔn)確地遠(yuǎn)程監(jiān)控水池的環(huán)境因子，實(shí)現(xiàn)水池養(yǎng)殖的自動(dòng)化、智能化目標(biāo)。
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