工厂化养殖自动控制系统的设计课程

大连海洋大学毕业论文（设计）一级标题名称毕业论文（设计）工厂化养殖自动控制系统的设计学生姓名： 指导老师： 程绍洪 副教授 专业名称： 电子信息工程 所在学院： 信息工程学院 2012年06月IIIIIIIIII大连海洋大学毕业论文（设计）目录目录摘 要IAbstractII第一章 前言11.1研究的目的和意义11.2国内外研究现状11.3研究内容和方法1第二章 开放式工厂化养殖系统32.1概述32.2充气增氧系统42.3 电子技术在水产养殖领域的应用5第三章 系统的硬件设计73.1 CPU与存储器RAM硬件接口电路设计73.2传感器的选择83.3单片机型号的选择113.4模数转换芯片的选择133.5电源模块153.6显示部分设计173.7 晶振电路183.8复位电路193.9输出控制电路设计19第四章 系统的软件设计214.1主程序和中断服务程序模块214.2单片机系统内部资源分配224.3数据采集模块224.4数据处理模块244.5显示模块264.6实时控制模型31第五章 基于ZigBee网络的网箱养鱼系统335.1系统概述335.2 ZigBee无线传感器网络简介335.3 无线网箱温度自动检测系统的构成345.4 无线网箱温度自动检测系统的设计345.5无线网箱温度自动检测系统的设计意义35第六章 结论与建议36致 谢37参考文献38大连海洋大学毕业论文（设计）目录摘 要随着工厂化水产养殖在国内的不断发展，水产养殖环境因子的监控作为现代化水产养殖的重要因素正受到越来越多的关注。本文针对我国水产养殖急需应用自动控制技术的现状，研制了一套适合我国国情的水产养殖环境因子监控系统，它能在线检测温度、溶解氧浓度、酸碱度三个主要环境参数，并能在室内养殖环境实现对水温的控制，在室外网箱养殖环境实现对水温的检测。在室内养殖环境，本系统采取了上下位机的结构；在室外网箱养殖环境，基于水产养殖的现状，结合ZigBee无线网络通信技术和RS 485有线网络通信技术的优势，设计了一种新的多水体因子远程测控系统。本系统具有低成本、低功耗、低复杂度和长寿命的特点。整套系统实现了水产养殖环境参数的自动采集和数据的实时传输及处理，它实时性好、自动化程度高、电路简单，在工厂化水产养殖应用中具有一定的实际意义。关键词：水产养殖，环境因子，ZigBee，RS 485AbstractAlong with the development of aquaculture in domestic development, acquaculture environment monitoring as a modern aquaculture important factors are paid more and more attention.This article inview of our country aquaculture in urgent need of the application of automatic control technology,develop a set of suitable for the national conditions of our country aquaculture environment factors control system,it can on-line detecting temperature,dissolved oxygen concentration,pH three main environment parameter,and in the indoor environment to achieve control of temperature,the outdoor cage culture environment realization to the water temperature detection.In indoor environment,this system adopted on master-slave structure:the outdoor cage culture environment ,based on the current situation of aquaculture,combined with Zigbee wireless network communication technology and RS 485 cable network communications technology advantages,designe a new multiple water factor remote measurement and control system.This system has the advantages of low cost,low power consuption,low complexity and long life characteristics.The whole system realizes aquaculture environment parameters automatic acquisition and real-time data transmission and processing,its good real-time,high degree of automatic,simple circuit,in industrialized aquaculture application has certain practical significance.Key words: aquaculture,environmental factor,Zigbee,RS 485大连海洋大学毕业论文（设计） 第一章 前言第一章 前言1.1研究的目的和意义在养殖水体有限的情况下，走渔业可持续发展道路，就要求在养殖模式上寻求发展，增加养殖密度，提高单位面积鱼产量，减少养殖对环境的污染。研究本系统的主要目的是为鱼类的生长营造有利的水体环境，从而以高密度、低污染、资源节约的养殖方式获得较高的产量。本系统可以实现大规模水产养殖中的信息化、自动化，对提高养殖产量和质量、降低生产成本、减轻劳动强度具有很高的实际应用价值。1.2国内外研究现状目前已进行工厂化养殖试验的国家有中国、美国、日本、德国、丹麦、挪威等。从历史上看，世界工厂化养殖技术的开发较早，但由于工厂化养殖本身的局限性，其发展速度较慢。20世纪6070年代，不少国家由于过滤系统的技术和设备不够完善，使得当时一度繁荣的闭路式工厂化养殖多因水质控制不理想半途而废。近年来工厂化养殖技术的发展较快，如丹麦的霍姆伯式生物转筒养殖系统、英国汉德斯顿电站的溫流水养殖系统、德国的生物包过滤系统、日本的溫流水养殖系统等，为工厂化养殖的发展提供了宝贵的经验。我国的工厂化养殖起步较晚，规模小，设施落后，技术装备水平和自动控制水平较低，属于比较初级的室内高密度养殖，只是增加了充气和流水，可以说还处在工厂化养殖的初级阶段。80年代初我国渔业生产方式由捕捞型转向养殖型，由粗放粗养转为高密度精养，因而开始开展适合水产养殖对象生存与繁殖的水质状况研究。取得了主要水产养殖动物如草鱼、青鱼、团头鲂、鲤鱼、罗非鱼、鳗鲡和对虾等不同生长阶段的主要水质参数。1.3研究内容和方法从前面的叙述中可以看出，利用自动调控方法进行规模化水产养殖生产，是获得优质、价廉养殖的必备方法，掌握了水生物养殖的自动控制技术，将使养殖生产的实用化、规模化、自动化和商业化成为可能。在室内养殖环境，本课题的主要任务是研制一套单片机系统，并使这套单片机系统能与上位机PC机实现通讯。下位机单片机本身可单独作为测控仪器使用，上位机可实现对水产养殖生产的科学管理。整套系统能够完成养殖环境因子的自动测量和控制。本系统还采用无线传感器、网络技术和微计算机控制技术，实现了水产养殖环境因子的智能化调控，它不但可以避免传统的手工化学测定存在的耗时费力、数据不全等弊端，还可以及时了解数据的变化情况，并对环境参数进行自动控制，使水产养殖的管理上了一个新台阶。为此，本课题主要研究内容如下。1.3.1系统硬件设计完成传感器、电源、AD转换、键盘输入、显示输出、声光报警、继电器驱动、信号放大等电路设计。1.3.2系统软件设计完成主程序、数据采集、数据处理、键盘输入、数据显示、输出控制、数据通讯等模块的设计。1.3.3 ZigBee网络在水体测控中的应用系统的网络结构、主节点硬件设计和子节点硬件设计。38大连海洋大学本科毕业论文（设计） 第二章 开放式工厂化养殖系统第二章 开放式工厂化养殖系统2.1概述2.1.1 工厂化养殖概况工厂化养殖是指运用工厂化、机械化、信息化、自动化等现代工业技术和现代生物技术，在室内养殖车间里高密度养殖优质鱼类，对养殖生产中的水质、水温、水流、投饵、排污等实行全自动或半自动管理，始终维持养殖生物的最佳生理、生态环境，从而达到健康、快速生长和最大限度提高单位水体的养殖产量和质量，而不产生养殖系统内外污染的一种高效养殖方法。1.传统的水产养殖业存在的问题 无论是何种水域的传统水产养殖业，都受当地气候的影响。养殖对象都是变温动物，其体温随水温的变化而变化，它们的生长受到水温的制约。养殖对象在适宜的生长环境下，新陈代谢强，只有这样才能发挥其快速生长、能量转换效率高的特点，其中温度是最大的限制因子。由于温度不同，新陈代谢强度也不同。非最佳温度时，其代谢强度明显下降；当水温达到越冬温度，鱼类代谢下降至最低点，其体重非但不增加，反而因为消耗大量能量而落膘，体重下降。由此可见鱼类等水产经济动物在一年中真正的快速生长时期并不长，而大部分时间由于生长水温偏低或过低处于缓慢生长期和越冬期，造成鱼类等水产经济动物养殖周期过长的缺陷。另外，许多天然水域正受到不同程度的污染，也逐渐成为制约水产养殖业发展的瓶颈。2.工厂化养殖的优点：（1）在养殖车间的人工环境条件下，养殖生物的生长受外界环境的影响小，养殖周期缩短，并可全年生产；（2）养殖水体由于有供气增氧设施和采用流动水，可大大提高放养密度，单位体积的鱼产量大大增加；（3）供水经过净华处理，可提高养殖用水的质量，避免病原传入养殖区；（4）占地少，适用于城市、厂矿和山区养殖；（5）基本可以做到管理机械化和操作自动化，降低劳动强度，提高劳动生产率；（6）属于知识与资金密集型产业，设施与设备投资大、技术要求严、养殖成本与封闭式养殖系统相比较低，比较符合我国当前国情，故目前被广泛应用于水产养殖的育苗和鱼虾类的生产中。2.1.2 工厂化养殖的主要类型工厂化养殖主要有4种类型：自流水式养殖、开放式循环流水养殖、封闭式循环流水养殖和溫流水养殖等。1.自流水养殖 自流水式养殖是利用天然地势形成的水位落差使水不断地流经养殖池，无需动力。例如，在水库大坝下设流水养殖池，在引水下山灌溉的水渠边建造流水养殖池，养殖池流出的水仍可用于农田灌溉。这种类型的流水养殖，成本低，但受当地地形条件的限制，是工厂化养殖的原始类型。2开放式循环流水养殖 开放式循环水养殖的主要特点是利用湖、库、河、海等水域，需用动力抽水导入流水鱼池，使用后的水直接排出或经过处理循环利用，养殖系统始终与天然水体相连，故称开放式。由于技术要求相对较低，设备简单、施工较容易，我国目前大多数育苗温室均采用此种养殖类型。3.封闭式循环流水养殖 封闭式流水养殖的用水需经过专业处理后再重复使用。对技术和设备的要求高，投资大。如何设计理想的水处理体系，是该养殖类型的关键。它是在开放式工厂化养殖的基础之上更佳完善的一种人工可控环境的养殖方式。4.溫流水养殖 溫流水养殖又可分为开放式和封闭式两类。开放式的水源是温泉水或工厂余热水，要求温水水量充足，用过的水不再重复使用，一般有温度调节及增氧设施。封闭式溫流水养殖对技术的要求较高，尤以水体净化处理最为突出，但其生产效果好，是现代化养殖发展的重要方向【1】。2.2充气增氧系统在集约化高密度人工育苗和养殖过程中，采用人工充气技术和设备来增加育苗和养殖水体的溶氧量，可为提高单位水体的育苗量和养殖密度起到重要作用。水体中溶解氧的多寡直接或间接地影响水产经济动物的代谢水平、活动规律、生理状况、能量需求。育苗水体和养殖水体中除了育苗对象和养殖对象耗氧外，还有饵料生物及其他生物、残饵、生物尸体等耗氧。因为育苗和养成的密度越高，投饵量越大，水体所需要的溶解氧也就越多，解决这一需求矛盾的途径只能是人工增氧。在开放式养殖系统中，不管是鱼、虾、贝、蟹育苗池，还是动植物饵料池、预热池和养成场的养成池，在生产期间都必须向水体充气供氧，除供育苗对象和养成对象呼吸生长外，还具有激活水体、改善水质、平衡水温等作用。2.2.1充气机的选用目前生产上使用的充气机，主要有电磁式小型充气机、罗茨鼓风机、全无油旋片式空气压缩机、水环式压缩机、往复式空气压缩机等，其型号规格因产气量和压出气压的多少而不同，可以根据不同的需要选用。电磁式小型充气机具有体积小、重量轻、耗电量少、无污染和价格低廉的特点，一般较多地使用在水深不超过1.5m的小型水槽。开放式工厂化育苗和养成系统所选用的充气机多选用罗茨鼓风机，正常工作时它具有输出的空气不含油污、配用电机容量相对较小而耗电较少、气量较大、风压较低的特点，适合育苗和养成的要求。但噪声较大，输出风压不能突变，如果突然大量减少用气量，风压升高，电机易过载而烧坏，所以采用罗茨鼓风机作为气源的充气增氧系统应设安全阀。也可选用全无油旋片式空气压缩机或水环式压缩机。水环式压缩机，排出气体无油污，风压相对较高，无噪声，但目前应用较少。而往复式空气压缩机一般压出的气体易带油雾，需配有滤油性能好的装置才适合水产养殖使用，目前在工厂化育苗和养成系统中较少采用。一般应根据育苗或养成的总需气量及平均有效水深，因地制宜地选用具有合适的风量与风压的充气机。育苗池和养成池有效水深在1.5m以内，可选用风压为2034kPa的充气机，有效水深1.82m，可选用风压3449kPa的充气机。罗茨鼓风机的风压常用范围在1549kPa之间；水环式空气压缩机最大风压大于147kPa；空气压缩机最大风压大于147kPa；往复式空气压缩机不同型号相差很大，风压一般都在147kPa以上。充气机向育苗池或养成池水体每分钟充的空气量与育苗或养成的品种有关。海水育苗池，每分钟向池内水体全充的空气量（mmin）为育苗水体（m）的1%5%。一般鱼苗为0.5%1.5%；育贝苗为1.0%1.5%；培养动物性生物饵料为0.5%1.5%。如果有500m水体，水深为1.6m的贝类育苗池，可选用通风量为7mmin，风压为34kPa的罗茨风机两台，即可一台运行另一台备用。2.2.2罗茨鼓风机的工作原理罗茨鼓风机属于旋转式鼓风机，它的工作原理类似齿轮油泵，在机身内有两个旋转叶轮，断面形状如同鞋底。叶轮分别安装在两根平行的轴上，每个叶轮的端部与壳壁及另一个叶轮中部的轮廓相吻合，它们之间保持极小的间隙。两叶轮旋转时，在机壳内形成两个室，一为气体吸入室，另一个为气体压出室。罗茨鼓风机的进出口在机壳上下两端，运行时习惯以气体从上部吸入而从下部压出为多用。这样可以利用压缩后的气体抵消叶轮和轴的一部分重量，使轴承的压力减少，从而减轻磨损。2.3 电子技术在水产养殖领域的应用2.3.1基于ZigBee网络的水产养殖测控系统多环境因子水产养殖远程测控系统是一个ZigBee无线应用网络，网络采用星形或树形拓扑结构，由一个负责协调管理的主节点和可扩展的若干个测控子节点和可选的路由节点(用来扩展无线通信距离)组成，其中主节点是本系统的控制核心，负责ZigBee网络的建立、维护、路由等功能，是一个ARM嵌入式系统，它除具有ZigBee全功能设备（FFD）的电路和协议栈之外，还具有RS 485串行通信电路，可以提供计算机的远程访问和控制功能，也可以本地执行用户的测控功能。子节点是一个包含单片机的ZigBee协议应用终端设备（RFD），它用来测量水体的各个因子参数或执行水体改造设备的运行控制，它通过自身的ZigBee模块和主节点或路由节点通信，并经过ZigBee和RS 485网络间接接受用户的远程控制。路由节点也是一个ZigBee全功能设备（FFD），它主要用来将多个星形子节点簇连接成一个树形网络，以扩展测控范围。具体应用时，远程计算机可以放置在用户的单位、居室等方便操作的地方，测量和控制子节点根据养殖现场规模的大小安置在水体适当的位置，必要的时候可以增加路由节点以扩大测控范围，主节点安置在水池岸边的测控室内，主节点和远程计算机通过RS 485网络通信：子节点每隔1min测量一次，并向主控节点发送一次传感器数值，当测量到水温或溶氧量偏低时，自动启动相应设备进行补偿，当水体pH值不正常时发出报警声，提示是否更换水体。2.3.2系统组成1数据采集器：数据采集器主要是由电源模块、温度传感器模块、pH传感器模块、水体透明度检测模块、溶解氧浓度检测模块、单片机控制模块等组成。电源电路供电,单片机接收获取温度传感器、pH传感器等采集到的数据,采集到的数据经过单片机处理后，送到数据采集器的数据输出口（RS 323或者485）。2无线传输设备：前端采用ZigBee模块,Zigbee作为一种无线连接,可工作在2. 14 GHz(全球流行) 、868 MHz (欧洲流行)和915 MHz (美国流行) 3个频段上,分别具有最高至250 kbit/ s、20 kbit/ s、40 kbit/ s的传输速率。该型号设备一般为终端节点，互相之间不能通讯，完成信息的发送和接收。ZigBee中心节点采用ZigBee+GPRS模块，中心节点收到的数据可以通过串口直接输出到服务器上（前端与服务器的距离较近）；还可以通过GPRS把其收到的数据发送的远端的服务器上，GPRS部分采用国际标准TCP/IP通信协议，且两种方式都是实现数据透明传输功能。省去了每个终端的GPRS模块，只需要中心节点一个，节约了成本。2.3.3数据管理中心根据数据采集器每次传送到数据中心的数据，可以看到网箱各个水质参数的变化情况；网箱的集中管理，可以知道每个网箱的情况。管理人员可在中心控制室在管理平台上设定正常温度范围。如果某网箱温度超过设定范围则中心控制单元通过声光等方式报警。并显示出故障设备的名称、地址和故障类型，管理人员可根据养殖实际情况增添或减少监控网箱节点数目。2.3.4 数据中心网络接入方式通过固定公网IP连接。中心采用ADSL等INTERNET公网连接，采用公网固定IP服务。此种方案先向INTERNET运营商申请ADSL等宽带业务，中心有公网固定IP，IP MODEM直接向中心发起连接，运行可靠稳定。大连海洋大学本科毕业设计 第三章 系统的硬件设计第三章 系统的硬件设计3.1 CPU与存储器RAM硬件接口电路设计图31 CPU与存储器硬件接口电路图31为CPU与存储器RAM6264硬件接口电路。对外部数据存储器进行存取时，控制信号是WR和RD。本系统对存储器的地址分配采用了全译码的方式。AT89C51片内地址线为P2.0-P23和P00P07(P23- P20直接与外数据存储器6264的A11-A8相连接，P0.0P07经过74LS373输出后与6264的A0A7相连接)，共12条，片选地址线共四条，其中P27控制三线-八线译码器74LSl38的工作，即与74LSl38的G1端相连，74LSl38的G2a 、G2b端相连接地，P24、P2.5、P26参加译码，分别与74LSl38的A、B、C端相连，且无悬空的片选线。因此，存储器每个存储单元只有唯一的一个CPU地址和它一一对应，只要单片机发出一个地址就可选中存储单元工作，故不存在地址重叠现象，其地址分配如下：Y0： 8000H-8FFFH 接6264RAMY1： 9000H-9FFFH 接6264RAMY2： A000H-AFFFH 接ADC0809Y3： B000H-BFFFH 备用Y4： C000H-CFFFH 备用Y5： D000H-DFFFH 备用Y6： E000H-EFFFH 接8155Y7： F000H-FFFFH 备用当G1=1，非G2a =0，非G2b=0时，译码输入端为C、B、A，74LSl38译码器开始工作；当不满足上述编译条件时，74LSl38输出全为高电平，相当于译码器未工作。因此，芯片6264的基本地址范围是8000H-9FFFH。3.2传感器的选择水产养殖鱼类的生长发育需要有一定的生长环境。这些环境条件主要包括水温、氨氮、溶解氧、pH值、盐度、亚硝酸盐等，养殖对象生长发育的好坏，产量水平的高低、质量的高低，关键在于环境条件对于其鱼类的适合程度。其中水温、溶解氧浓度、pH值的控制最为重要，这是因为这三项指标对水产养殖对象的影响起主导作用。下面分别对这三个参数进行论述，进而选择传感器。3.2.1控制参数分析1水温池水的温度是水质诸因子中与鱼类关系最密切的物理因子之一。水温不但直接影响鱼类的生理活动，而且还影响其他环境条件，从而又间接地对鱼类发生作用，差不多所有的环境条件都受到温度的制约。一般来说，温度升高，鱼虾代谢也加强，每升温l0，鱼虾代谢水平能提高23倍，但温度过高，却会抑制鱼虾生长，甚至导致其死亡。温度急剧下降，鱼虾会陷入休眠，在冰点以下，鱼虾会因体液冻结而死。在适温范围内，水温上升，鱼虾代谢加强，鱼虾的营养、生长、发育强化。因此，在实施鱼虾健康养殖时，控制每种饲养鱼虾的适温范围，具有重要意义。温度影响养殖池的溶氧量。养殖池溶氧量随水温的升高而减少。以鱼类为例，水温上升鱼类呼吸加快，耗氧量增加，加上池中其他生物的呼吸作用和有机物的分解作用随之加强，耗氧量增加，因而容易发生鱼池缺氧现象，这在夏秋高温季节特别明显，必须引起注意。2溶解氧浓度池水中的溶解氧是与养殖鱼类关系最密切的化学因子之一。主要养殖鱼类正常生长发育所需要的溶氧量一般在45毫克升以上，在温度等环境条件适宜的情况下，鱼类摄食强度大，生长快，饵料利用率高；当溶氧低于此水平，鱼的摄食和生长就会受到一定的限制，低于2毫克升时，鱼即不爱吃东西。鱼虾对氧的需求因年龄和环境不同而有所差异。急性缺氧时，鱼会集聚水面，虾会跳到池边浅水处，尽量吞食大气，如果氧供给得不到缓解，鱼会成批死亡。慢性缺氧时，主要表现为食欲不振。生长缓慢，抵抗力下降，易感染疾病。其实对鱼虾生存影响更大的还是由于缺氧，导致整个水体环境的恶化。生产实践中水池缺氧还是经常发生的，特别是在气温很高的夏季，只要注意及时调节，并不会危及鱼虾的生长。3pH值 作为鱼池一个重要的化学和生态因子，pH影响整个鱼虾健康养殖的全过程。在自然界，从pH5095的水域中，都可以有鱼虾生活，这是由于生物在进化过程中长期对环境适应的结果。对大多数鱼虾来说，生活环境中水的pH是相对稳定的，也就是说它们喜欢在特定的酸碱度水中生活。我们养殖的淡水鱼虾最适宜的pH为6875。pH过高或过低对鱼虾都有直接损害，甚至导致其死亡。酸性水，可使鱼虾血液的pH下降，削弱其载氧能力，造成缺氧症，尽管鱼池并不缺氧，鱼虾仍有浮头症状，由于耗氧降低，鱼虾代谢水平急剧下降，即使投喂再可口的饵料，鱼虾因厌食，而处于饥饿状态，危及其生存。pH过高的碱性水，容易腐蚀鱼类鳃组织，对鱼虾生长同