（农业电气化与自动化专业论文）水产养殖环境无线检测与控制系统的研究.pdf

独创性声明 1 1 11 1i iii ii i iiiii ii il y 18 9 4 5 9 0 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进行研究 工作所取得的成果。除文中已注明引用的内容以外，本论文不包含任何其他个人 或集体已经发表或撰写过的作品成果，也不包含为获得江苏大学或其他教育机构 的学位或证书而使用过的材料。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已 在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名：峰矗其伍 如f 1 年6 月l 牛日 学位论文版权使用授权书 江苏大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆、中国学术期刊( 光盘版) 电子杂志社有权保留本人所送交学位论文的复印件和电子文档，可以采用影印、 缩印或其他复制手段保存论文。本人电子文档的内容和纸质论文的内容相一致， 允许论文被查阅和借阅，同时授权中国科学技术信息研究所将本论文编入中国 学位论文全文数据库并向社会提供查询，授权中国学术期刊( 光盘版) 电子杂 志社将本论文编入中国优秀博硕士学位论文全文数据库并向社会提供查询。 论文的公布( 包括刊登) 授权江苏大学研究生处办理。 本学位论文属于不保密口。 学位论文作者签名：辞凇 2 d1 1 年6 月l 呼同 指导教师签名：怎7 耋t 笈 知1 1 年6 月l 毕曰 江苏大学硕士学位论文 摘要 我国的水产养殖业正从传统的人工养殖逐步向工业化、自动化和集约化的养 殖方式发展。工厂化水产养殖过程中的水质检测与控制对提高水产品产量、降低 生产成本、防止鱼类病害的发生起着决定性作用。而现阶段水产养殖中环境参数 的检测多采用有线检测的方式，这种方式在重构系统时的线路铺设的成本高，传 感器的安装位置也受到限制。而采用无线检测参数方式时，传感器的安装和维护 非常方便，并且不存在重复投资的问题，降低了系统成本。本文从水产养殖参数 的无线检测出发，设计了对温度和溶解氧等主要水质参数进行无线检测和控制的 嵌入式系统。 本系统的硬件眭t a r m 9 芯片$ 3 c 2 4 10 a 为核心的水质参数控制模块和c c 2 4 3 0 为核心的水质参数无线检测模块组成。参数控制模块的主要功能是通过控制水质 参数调节设备，实现对水质环境指标进行控制的目的。无线检测模块的主要功能 是对水质传感器的信号进行处理和传输，并实现与控制模块的无线通信。本系统 的软件的核心是移植到s 3 c 2 4 1 0 a 处理器上的嵌入式l i n u x 操作系统，软件的其他 部分主要包括硬件驱动程序和应用软件。本文完成了水产养殖环境参数的无线检 测与控制系统的设计，完成的主要工作如下： 1 无线检测和控制模块的设计。采用目前流行的a r m 9 体系结构的嵌入式 处理器来设计水质参数无线检测与控制系统的控制模块，将嵌入式l i n u x 2 4 1 8 操作系统软件移植到硬件平台上，并通过c c 2 4 3 0 组建无线检测模块，以实现对 水质参数信号的处理和无线传输。 2 使用m a t l a b 建立模糊神经网络解耦模块，对水产养殖参数中的水温 江苏大学硕士学位论文 和溶解氧进行解耦仿真。本文论述了模糊神经网络的构建与仿真方法，描述了使 用模糊神经网络对水温和溶解氧进行解耦实现过程。 水产养殖环境参数的无线检测与控制系统的设计以嵌入式系统为基础，具有 功耗低、可裁剪定制、安装方便等优点。模糊神经网络解耦系统的仿真实验结果 证明，该系统可以实现对水温和溶解氧进行有效地控制。 关键词：a r m 9 ，c c 2 4 3 0 ，嵌入式l i n u x ，模糊神经网络，解耦 l l 江苏大学硕士学位论文 a b s t r a c t c h i n a sa q u a c u l t u r ei n d u s t r yi sg r a d u a l l ys h i f t i n gf r o mt h et r a d i t i o n a lw a yo f a r t i f i c i a l b r e e d i n g t ot h e d e v e l o p m e n t o fi n d u s t r i a l i z a t i o n ，a u t o m a t i o na n d i n t e n s i f i c a t i o n t h ed e t e c t i o na n dc o n t r o lo fw a t e rq u a l i t yi ni n d u s t r i a l i z e d a q u a c u l t u r ep r o c e s sp l a yad e c i s i v er o l ef o ri m p r o v i n ga q u a t i cp r o d u c t i o n ，r e d u c i n g p r o d u c t i o nc o s t sa n dp r e v e n t i n gt h eo c c u r r e n c eo ff i s hd i s e a s e s t h ed e t e c t i o na n d c o n t r o lo fw a t e rq u a l i t ym a i n l yu s et h ew i r e dw a yi na q u a c u l t u r ea tt h i ss t a g e ，b u tt h e s e n s o rm o u n t i n gp o s i t i o ni sr e s t r i c t e da n dt h ec o s to fl a y i n gt h el i n ei sv e r yh i g hi nt h e r e c o n s t r u c t i o n b u tb yt h ew i r e l e s sw a yo fd e t e c t i o n ，t h es e n s o ri sv e r ye a s yt oi n s t a l l a n dm a i n t a i na n dt h e r ei sn op r o b l e mo fd u p l i c a t i o no fi n v e s t m e n tt h a tr e d u c e st h e s y s t e mc o s t i nt h i sp a p e r ，t h ed e s i g no fe m b e d d e ds y s t e mf o rd e t e c t i n ga n d c o n t r o lo f w a t e rq u a l i t yp a r a m e t e r si na q u a c u l t u r ei sb a s e do nw i r e l e s sd e t e c t i o n i tc a nd e t e c t a n dc o n t r o lt e m p e r a t u r e ，d i s s o l v e do x y g e n ( d o ) a n do t h e rm a j o rw a t e rq u a l i t y p a r a m e t e r s t h eh a r d w a r eo ft h es y s t e mi sc o m p o s e do ft h ec o n t r o lm o d u l ew i mt h ec o r eo f t h ea r m 9 $ 3 c 2 410 ac h i pa n dt h ed e t e c t i o nm o d u l ew i t ht h ec o r eo fc c 2 4 3 0r a d i o c h i p t h ec o n t r o lm o d u l e sm a i nf u n c t i o ni st or e g u l a t et h ew a t e rq u a l i t yp a r a m e t e r st o a c h i e v et h er e q u i r e di n d i c a t o r sb yc o n t r o l l i n gr e l a t e de q u i p m e n t s t h ew i r e l e s s d e t e c t i o nm o d u l e sm a i nf u n c t i o ni st op r o c e s sa n dt r a n s m i tw a t e rq u a l i t ys e n s o r s s i g n a l sa n dt oc o m m u n i c a t ew i t ht h ec o n t r o lm o d u l eb yw i r e l e s s t h ec o r eo ft h e s o f t w a r ei nt h i s s y s t e m i se m b e d d e d - l i n u x o p e r a t i n gs y s t e mt r a n s p l a n t e d t o $ 3 c 2 410 ap r o c e s s o r ，a n do t h e rp a r to ft h es o f t w a r ei n c l u d e sh a r d w a r ed r i v e r sa n d a p p l i c a t i o ns o f t w a r e t h i sp a p e rc o m p l e t e dt h ed e s i g no fw i r e l e s s d e t e c t i o na n d c o n t r o ls y s t e mo fw a t e rq u a l i t yp a r a m e t e r so fi n d u s t r i a l i z e da q u a c u l t u r e t h em a i n w o r kc o m p l e t e di sa sf o l l o w s ： 1 t h ed e s i g no fw i r e l e s sd e t e c t i o nm o d u l ea n dc o n t r o lm o d u l e d e s i g n e dt h e w i r e l e s sc o n t r o lm o d u l eo fw a t e rq u a l i t yp a r a m e t e r sd e t e c t i o na n dc o n t r o ls y s t e mb y c u r r e n t p o p u l a ra r m 9p r o c e s s o r a r c h i t e c t u r ea n d t r a n s p l a n t e d t h ee m b e d d e d 。p e r a t i n gs y s t e ms 。i t w a r el i n u x 2 4 1 8t ot h eh a r d w a r ep l a t f o r m t h e n s e tu pt h e d e t e c t i o nm o d u l eb yc c 2 4 3 0r a d i oc h i pi no r d e r t op r o c e s sa n dt r a n s m i tw a t e rq u a l i t y p a r a m e t e r ss i g n a l 2 s i m u l a t e dt h ed e c o u p l i n go fw a t e rt e m p e r a t u r ea n dd o v a l u ei na q u a c u i t u r e b vt h ef u z z yn e u r a ln e t w o r km o d u l e i nm a t l a b t h i sp a p e rd i s c u s s e d t h e c o n s t r u c t i o no ft h ef 证珂n e u r a ln e t w o r ka n d t h es i m u l a t i o nm e t h o da n dd e s c r i b e dt h e i m p l e m e n t a t i o no fw a t e rt e m p e r a t u r ea n dd ov a l u ed e c o u p l i n g p r o c e s sb yf h z z y n e u r a ln e t w o r k 1 1 1 ew i r e l e s sd e t e c t i o n a n dc o n t r o ls y s t e m o fa q u a c u l t u r ee n v i r o n m e n t p a r a m e t e r sw a sd e s i g n e db a s eo ne m b e d d e ds y s t e mw i t hl o wp o w e rc o n s u m p t l o n ， w h i c hc a nb ec u s t o m i z e da n de a s yt ob ei n s t a l l e d f u z z yn e u r a ln e t w o r kd e c o u p l i n g s y s t e ms i m u l a t i o nr e s u i t ss h o wt h a tt h es y s t e m c a na c h i e v et h et a r g e to fe f 诧c t i v e c o n t r o lo ft e m p e r a t u r ea n dd o v a l u e k e yw o r d s ：a r m 9 ，c c 2 4 3 0 ，e m b e d d e dl i n u x ，f u z z y n e u r a ln e t w o r k ，d e c o u p l e l i 江苏大学硕士学位论文 目录 第一章绪论一1 1 1 本课题背景及意义1 1 2 国内外的研究现状3 1 3 本课题研究的主要内容一5 1 4 本文的内容安排6 第二章水产养殖无线检测与控制系统设计一7 2 1 水质参数监控系统介绍7 2 2 水质参数无线检测技术的应用9 2 3 水质参数的模糊神经网络解耦控制9 第三章系统硬件设计一1 3 3 1a r m 9 无线控制模块1 3 3 1 1a i w 9 控制系统架构l3 3 1 2a r m 的原理及功能1 4 3 1 3c c 2 4 2 0 芯片及外围电路1 7 3 2 无线检测模块2 0 3 2 1 无线检测模块的结构设计2 0 3 2 2 无线检测模块的硬件实现2 1 3 3 主要水质参数检测电路2 2 3 3 1 溶解氧检测电路2 2 3 3 2p h 值检测电路2 4 3 - 3 3 水温检测电路2 5 3 4 本章小结2 6 第四章嵌入式系统软件设计2 7 4 1 嵌入式系统软件概述2 7 4 2 交叉编译环境建立2 8 4 3 内核裁剪和移植2 9 4 3 1b o o t l o a d e r 2 9 i i i 江苏大学硕士学位论文 4 3 2l i n u x 的内核移植3 2 4 4l i n u x 下设备驱动程序3 4 4 4 1 设备驱动程序介绍3 4 4 4 2 步进电机驱动程序编写3 5 4 5 本章小结3 8 第五章模糊神经网络在水质参数控制中的应用3 9 5 1 人工神经网络3 9 5 1 1 人工神经元模型及b p 算法3 9 5 1 2 神经网络结构的确定4 3 5 2 模糊逻辑系统4 4 5 2 1 模糊系统组成4 4 5 2 2 模糊规则制定4 5 5 3 模糊系统与神经网络的融合解耦4 7 5 3 1 模糊系统与神经网络融合介绍4 7 5 3 2 系统结构选定4 9 5 3 3 仿真养殖池模型5 0 5 4 仿真实验51 5 4 1 仿真系统和程序51 5 4 2 仿真结果与分析5 6 5 5 本章小结5 8 第六章系统调试与验证5 9 6 1 调试环境与平台5 9 6 2 调试过程与结果6 l 第七章工作总结与展望6 3 7 1 工作总结6 3 7 2 工作展望6 3 参考文献6 5 致谢6 8 攻读硕士学位期间参加的科研项目与已录用的学术论文6 9 i v 江苏大学硕士毕业论文 1 1 本课题背景及意义 第一章绪论 我国水产养殖业在农业产值结构中的比例在不断提升，并逐渐成为农业的支 柱产业之一。中国在世界上从事水产养殖的历史悠久、发展迅速。自1 9 8 9 年以 来，中国的水产品产量已经连续2 0 年居世界首位。从2 0 0 2 年起，中国水产品的 出口额位列世界第一，目前中国的养殖鱼类产量己占全球产量的2 0 。从1 9 7 8 年至今，我国水产养殖业发展迅猛，经历了逐步从传统的自然环境下的粗放型人 工养殖转向工厂化、自动化和集约化养殖的过程。工厂化水产养殖是运用水生生 物生态学原理及水产坏境监控手段，为水产养殖对象创造良好的生存环境，缩短 生产周期，以最小的投入获取最大经济效益。但是，从目前来看我国的市场还 没有形成规模。无论在水产品的品种、价格和口味上，还是在其品质上都还不能 完全满足消费者的需求，尤其在供应的时间、鲜活程度和深加工上还存在诸多问 题。中国的市场要求水产养殖业要向深加工方向发展，把间断性的淡水鱼供应变 为持久性供应；在保证质量的前提下，打开国内和国际的市场。中国的水资源正 愈加受到重视，但养鱼水体的排放尚未法律化和规范化。养鱼者文化素质普遍较 低，较注重眼前利益，喷施各种化学药品于水体中致使水体受到不同程度的污染， 不利于养殖业的持续、健康发展。中国的淡水生产者将会遇到越来越多的水质问 题。 工厂化养殖方式是水产养殖业发展的主要方向，也是未来大农业发展的主要 方向。随着各地养殖水源的缺乏与养殖环境恶化、排污限制，养殖企业大幅增加 了工厂化养殖方面的人力、物力和财力的投入，特别是在国家、各省市政府的大 力支持下，工厂化循环水养殖技术与规模的发展得到了明显推动。但是养殖水体 的利用总体上仍以流水养殖、半封闭循环水养殖为主，全国范围循坏水养殖发展 力不足的特征仍较明显。工厂化循环水养殖的核心技术是通过水处理系统与循环 系统来实现水体循环利用，并提高水中的溶氧量，进而提高鱼的活动力、摄食率、 健康程度，其水处理技术对选择养殖方式极为重要。工厂化养殖的方式大体上分 为流水养殖、半封闭循环水养殖和全封闭循环水养殖三种形式。与先进国家技术 江苏大学硕士毕业论文 密集型的循环水养殖系统相比，无论在设备、工艺、产量和效益等方面都存在着 相当大的差距，技术应用还属于工厂化养殖的初级阶段。 在工厂化水产养殖系统中，养殖水以循环的方式重复使用，其中影响养殖生 产过程的主要水质环境指标有：水温、溶解氧( d i s s o l v e do x y g e n ) 、p h 值、氨氮、 硫化物、亚硝酸盐等。养殖水质的检测与控制对提高水产品产量、防止鱼类病害 的发生和提高经济效益起着重要的作用。各国对高效、节水和无污染的封闭循环 工厂化水产养殖技术已开展了大量研究，研究的重点是水质净化技术【2 j 。但是， 随着工农业的不断发展，化肥、农药、工业污水、化工产业的废水废气等对环境 的污染，特别是对江河湖海水域水质的污染，对水产养殖环境造成了很大的破坏。 养殖水域水质的质量直接关系到水产动物鱼、虾、蟹、鳖的生长和发育，从而关 系到水产养殖业的产量、质量和经济效益。为此，渔业环境的保护、渔业养殖水 域水质的分析和监测就显得十分必要。渔业养殖水域的水是养殖动物的生活环 境，每一种水产养殖动物都需要有适合其生存的水质环境，水质环境若能满足要 求，水产养殖动物就能生长和繁殖，如果水质环境中的水受到某种污染，某些水 质指标超出水产养殖动物的适应和忍耐范围，轻者水产养殖动物不能正常生长， 重者可能造成水产养殖动物大批死亡。为了防止因水质污染造成水产养殖的环境 破坏，就必须对水产养殖环境的水质进行分析和监测，并通过科学的方法控制水 质，以满足水产养殖动物正常生长发育所需要的水质要求经济性。 现阶段养殖水质的检测与控制主要采用有线的方式，采用的布线有r s 一4 8 5 ， p r o f i b u s d p 和c a n 总线等。现场总线是应用在生产现场的全数字化、双向、 实时、多节点的数字通信系统。将现场总线技术应用到谁知参数检测领域，让传 统的仪表和现场总线相结合，改变了传统监控系统的结构并形成了新型的网络分 布系统。采用全数字通信，具有开放式、可互操作性及现场环境适应性等特点形 成从测控设备到监控计算机的全数字通信网络，顺应了控制网络的发展要求。布 设在监测区域内的传感器将各种监测量通过有线的方式与监控系统相连接，将模 拟信号转换成数字量后进行存储、分析和显示【3 】。在水产养殖环境监测中引入现 场总线技术，为水产养殖的自动化、数字化提供了便利。但是有线网络与无线方 式相比存在着一些不足，例如灵活性差、可扩展性差、改动困难、重新布线的成 本高并且利用率低。采用有线方式连接传感器的情况下，当传感器数目增加时， 2 江苏大学硕士毕业论文 大量连线增加了系统成本和现场安装、维护的困难；对有些应用场合往往会限制 布线而难以监测数据。随着无线技术的发展以及水产养殖场地的变化，无线网络 技术在水产养殖中的应用也备受关注。 无线传感器网络是一种新型的测控网络，它是随着计算机网络、传感器技术、 微电子技术和无线通信的发展而孕育出现的【2 】1 3 1 。它是由部署在监测区域的具有 无线通信、检测和计算能力的传感器节点、网关节点和任务管理服务器构成的， 它综合了传感器技术、嵌入式计算技术、网络及无线通信技术、分布式信息处理 技术等，能够通过各种集成化的微型传感器节点实时检测和采集各种环境参数或 监测对象的数据信息。 无线传感器网络以应用为目的，是当前国际上备受关注的多学科高度交叉的 新兴研究热点领域，被认为是未来改变世界的十大技术之一、全球未来的四大高 技术产业之一，将对人类的生活和工作方式产生深远地影响1 3 】。无线传感器网络 中的时间同步、能耗、节点定位和异构互连等问题得到逐步解决，其经济性和精 度性得以提高，这直接推动了其在水产养殖环境监测和控制中的广泛应用【4 】。无 线传感器网络应用于水产养殖环境监测可以带来巨大的社会与经济效益，对作为 传统的农业大国的中国的发展将发挥重要的作用。 1 2 国内外的研究现状 水质参数检测与调控的好坏直接关系到水产养殖整体功能的质量【5 j 。日本、 丹麦等水产养殖发达国家，能够对养殖水体中的溶解氧、温度、p h 值、盐度、 氨氮、化学需氧量c o d 、生化耗氧量b o d 等1 2 项具有重要意义的水质参数进行 在线检测1 6 j 。 2 0 0 2 年美国新罕布什尔大学开发了一个开放的海洋水产养殖的远程监控系 统，通过采用光学和声学传感器监测工具来远程观察鱼摄食习惯和生在规律。研 究者通过无线电遥测系统监督养殖鱼的状态和饲养员的操作，并且可以将远程遥 测数据传回岸边1 7 1 。y a n g 等提出建立水中无线传感器网络开展实时测量的设计， 可以实时定点获得水体的物理特性如温度、水深、流速、流向等，同时也能获得 溶解有机物、溶解氧、盐分、氮、磷等一些化学特性1 8 。 华盛顿州立大学精准农业系统中心开发了2 套无线传感器网络。一套是基于 3 江苏大学硕士毕业论文 a w n 2 0 0 硬件技术的区域无线传感器网络技术，已经配备到华盛顿州的所有农业 区。另一套是农田霜冻监测的无线传感器网络技术( s s l o o ) 。每个农业气象节点 能够获得气温、相对湿度、降雨、风速、风向、土壤温度和湿度等环境参数【9 l 。 2 0 0 9 年k o t a m f i k i 在芬兰南部一个流域搭建了s o i lw e a t h e rw s n 用于采集农业气 象和水体混浊度等信息为水利管理决策服务，主要研究了如何有效维护网络系统 并减少数据误差【l o l 。 国内很多科研机构也开展了这方面的研究工作，并取得了一些成果。高密 度集约化养鱼系统的开发对主要水质指标的在线监测技术提出了迫切需求。2 0 0 1 年完成的养殖水体多参数在线监控系统可对养殖水体的多个理化指标，如温度、 盐度、溶氧、p h 、氨氮、氧化还原电位、亚硝酸盐、硝酸盐等进行自动监测、 报警，并对水位、增氧、投饵等养殖系统进行自动控制。2 0 0 4 年完成的水产工厂 化养殖多环境因子的远程集散监控系统，除对重要环境因子进行自动监测和控制 外，还采用专家系统和图像处理的方法对鱼病进行自动诊断和早期预报。 江苏大学研发的“水产工厂化养殖多环境因子远程集散监控系统 通过省科 技厅组织的鉴定，该系统可以检测溶解氧、p h 值、温度、氨氮等重要水质环境 因子，具有控制精度高、功能强、成本低及扩充灵活等优点。采用研究开发的专 家系统和图像处理方法对鱼病进行早期诊断和预报，采用故障树分析技术进行控 制系统的故障分析和优化设计，采用g p r s 无线通讯技术和互联网技术进行远程 数据采集和监控，采用现代变频控制技术实现增氧机的节能安全运行。中国水产 科学研究院黄海水产研究所的宋德敬等人开发出种多点在线水质检测系统，可 同时在线监测6 个不同监测点的水质情况【1 1 1 。中科院南京土壤研究所研制的水产 养殖溶解氧单参数分析控制仪，则可根据水体中溶解氧的丰缺情况，自动控制增 氧机的启停，对水体中溶解氧含量进行调制圮】。 传感器网络的研究起步于2 0 世纪9 0 年代末期。国际上，1 9 9 9 年并1 2 0 0 3 年著名 的美国商业周刊和m i t 技术评论t e c h n o l o g yr e v i e w 在预测未来技术发展的报告 中，分别将其列为2 1 世纪最具影响的2 l 项技术和改变世界的1 0 大新技术之一i l 引。 国外的许多大学和研究机构纷纷投入了大量的研发力量从事无线传感器网络软 硬件系统的研究工作，早期研究工作主要由美国国防部支持和大学联合的关于无 线自组传感器网络的项目( w i n s 、s m a r td u s t 、s e n s l t 等) 展开。u c l a 的w i n s 4 江苏大学硕士毕业论文 实验室对如何为嵌入式系统提供分布式网络和互联访问能力进行了大量研究，提 供了在同一个系统中综合微型传感器技术、低功耗信号处理、低功耗计算、低功 耗低成本无线网络等技术的解决方案。 国内关于传感器网络的研究起步晚，主要有一些高校与研究机构在积极开展 无线传感器网络的相关研究工作。国内水质监测多数仍采用人工方式，监测过程 是一个复杂而又有联系的系统，任何一步的差错都将影响最终数据的质量，传统 的采用人工定期或不定期的采样监测费时费力。但是，目前越来越受到国家的重 视，国家发展改革委员会己经将传感器网络( i p v 6 、无线传感器网络节点等) 及 家庭网络列为支持的重点【l 引。 杭州电子科技大学信息与控制研究所研制了基于无线传感器网络的包括数 据监测节点、数据视频基站和远程监测中心三部分的水环境监测系统，可对水温、 p h 值、浊度、电导率、溶解氧等水环境参数和重点区域的视频信息进行感知、 采集、处理和传输。燕山大学以p i c 2 4 f 系列单片机为核心开发了一种兼容型的 无线传感器网络节点系统，在硬件方面实现了基本的水质监测无线传感器网络节 点的设计，在软件方面实现了通讯层的统一，兼容性高，便于移植。华南农业大 学信息学院提出了基于z i g b e e 的无线传感器网络与互联网结合的远程实时水质 监测系统架构，设计了基于无线传感器的水质监测网络体系结构，实现了水质监 测参数的获取及传输。 1 3 本课题研究的主要内容 本课题研究的主要内容是基于嵌入式系统的工业化水产养殖坏境参数的无 线检测与控制系统。本文完成了水产养殖环境参数的无线检测与控制系统的设 计，首先以目前最流行的a r m 体系结构的嵌入式处理器构建水质参数无线监测 与控制系统的控制模块，将嵌入式l i n u x 2 4 1 8 操作系统软件移植到硬件平台，搭 建嵌入式交叉编译环境；然后通过c c 2 4 3 0 组建无线检测模块，实现对水质参数 的检测；最后使用模糊神经网络对水温和溶解氧进行解耦，并对硬件系统进行调 试和修改，进行的主要研究内容如下： 1 ) 学习a r m 嵌入式系统方面的知识，对嵌入式系统的开发有更深一步的认 识，并且在实际应用中掌握a r m 9 微控制器$ 3 c 2 4 1 0 原理和开发过程。 江苏大学硕士毕业论文 2 ) 学习l i n u x 嵌入式操作系统，将l i n u x 2 4 1 8 内核移植到系统硬件平台上。 对l i n u x 的内部机制和体系结构有一定的掌握，并且掌握l i n u x 的开发过程、内核 移植和驱动程序开发。 3 ) 使用m a t l a b 建立模糊神经网络解耦的架构，对水产养殖参数中的水温 和溶解氧进行解耦仿真。 1 4 本文的内容安排 本文共分为七章。 第一章是绪论部分，主要介绍了本课题研究背景、发展现状和研究意义。 第二章介绍了水产养殖环境水质检测和控制系统的设计框架，给出系统硬件 设计框架图及模糊神经网络解耦方法的介绍。 第三章介绍了系统硬件的设计以及外围传感器信号处理电路，主要分为以 a r m 9 为核心的无线控制模块的设计和无线监测模块的设计两部分。 第四章介绍了嵌入式交叉编译环境的建立过程，包括嵌入式l i n u x 内核的移 植过程和l i n u x 下的设备驱动程序相关的内容。 第五章介绍人工神经网络和模糊网络系统的基础知识和构造方法以及本系 统的模糊神经网络的搭建过程。 第六章介绍了系统调试和验证。 第七章对全文做总结和展望。 6 江苏大学硕士毕业论文 第二章水产养殖无线检测与控制系统设计 2 1 水质参数监控系统介绍 在水产养殖中，适当的温度、溶解氧含量、p h 值及盐度是必不可少的条件。 而氨氮、亚硝氨及硫化氢等是鱼虾代谢或残余饲料所产生的主要有毒有害物质， 准确及时地测量这些物质的浓度，然后采取相应的措施则可大大提高鱼虾的成活 率，降低水产养殖成本【u l 。水产养殖生产过程中，水质的检测与控制对提高水产 品的产量、预防鱼类病害的发生、提高经济效益起着决定性作用。水质在线自动 监测系统作为循环水养殖系统的重要组成部分，可实现对主要水质指标( 如溶解 氧、p h 值、温度、盐度、氧化还原电位和三态氮等) 的在线监测，其中三态氮 的在线监测由于传感器过于昂贵，养殖企业一般难以承受。 随着我国经济的迅速发展和城市化进程的加快，大量的工业废水和城市生活 污水不经处理即排入江河湖泊和海区，其中还含有未充分利用或未降解的农药、 化肥等，使水域受到严重污染，并导致赤潮灾害频发，严重威胁着水产养殖业的 生存和发展，其中主要的原因就是水产养殖用水的质量下降或遭到污染【l6 1 。目前， 国内养殖水体在线监测系统的产品提供商数量不多，主要有上海华夏、上海雷磁、 广州德港等企业。采用的传感器国产和进口均有，国产传感器稳定性和可靠性相 对较差，但价格较为便宜。目前一组四参数水质在线自动监测系统主要根据原器 件品牌等的不同，价格一般为5 1 5 万元左右。本文设计了无线水质参数的检测 和控制系统。 本监控系统是由一台通用计算机为远程监控计算机、一个a r m 嵌入式控制 模块为现场控制平台、多个无线检测模块组成的水产养殖的水质环境参数检测和 控制系统。a r m 嵌入式控制模块为监控中心，负责对增氧机和水温调节装置等 设备的运行进行控制；无线检测模块则是由c c 2 4 3 0 和外围电路构成的水质参数 检测模块，负责水质信号的采集与发送。远程监控计算机与a r m 控制模块之间 通过g p r s 通信，以实现对各个养殖鱼池的水质参数的监测与控制。并且a r m 控 制模块可以通过r s 2 3 2 接口或者网线与个人计算机相连，以方便养殖者可以随时 读取养殖池的相关信息到p c 电脑中。系统结构如图2 1 所示。 7 江苏大学硕士毕业论文 无线检测模块分为传感器信号调理模块和水质参数信号无线发射模块，负责 对整个养鱼池的养殖环境参数进行检测。然后把传感器采集的有关参数如温度、 氨氮含量、溶解氧含量、p h 值、水位、浑浊度等转换为数字信号，并把数据以 无线的方式传递给监控计算机，然后与给定值进行比较，经模糊神经网络解耦之 后，给出相应的控制信号，经过a r m 控制模块接受来控制执行机构的动作。远 程监控计算机主要完成数据管理、智能决策、历史资料统计分析，并对数据进行 显示以及信息共享，为水产品安全质量监控的可溯源系统提供平台1 1 7 1 0 传统的养殖过程中，水质分析及控制是采用人工采集水样、实验室分析，或 根据生产实践经验判断进行水质参数的控制。而在工业化养殖条件下，水质环境 控制正向以自动化、智能化和网络化为主的方向发展，也是水产养殖发展的必然 趋势【1 8 1 。并且随着水产养殖技术的发展和微型计算机的应用普及，水质自动监控 系统开始进入水产养殖行业。以计算机为基础的也为无线水产养殖的实现做出了 贡献。 存 储 器 l c d a r m 9 m c u s 3 c 2 4 l o 执行 机构 控制 模块 g p r s 模块b 一一一一一一 热泵电机 ig p r s 模块l 韭 远程监控i 计算机l l 图2 1水产养殖无线检测和控制系统框图 8 、r i j 一 、 一 一 、 一 一 、 一 一 、 一 一 、，j 1 、。， 、 一 、 一 一 一 一 一 l 竺堕亘l 霎 江苏大学硕士毕业论文 本文即是在养殖水质自动监测系统的发展的基础上，借鉴无线传感器网络技 术，使用嵌入式处理器和嵌入式操作系统构建了无线水产养殖的水质参数检测和 控制系统。 2 2 水质参数无线检测技术的应用 目前水产养殖的水质参数检测中采用有线方式采集传感器数据，存在安装维 护困难等问题。传统用于工农业水环境监测的系统，是由布设在监测区域内的传 感器将各种待测参数( 如：温度，盐度，p h 等) 通过有线的方式与监控系统相 连接，将模拟信号转换成数字信号后进行存储、分析和显示l l 引。这种传统的方式 会面临许多问题，例如当传感器数目增加时，采用有线方式连接的大量连线增加 了系统成本。如果将监测环境的参数数据，通过无线的方式发送到控制系统存储 器或者远程监控计算机上，将只要在传统设备监测系统的基础上，增加无线检测 模块而连线则几乎不需要做改动，就可以实现对监测区域的有效监nr 2 0 j 。 无线传感器网络采用无线通信的方式进行数据传输，很适合应用于水环境的 环境参数的监n t 2 。通过无线传感器网络，一方面可以提高生产效率和安全性， 降低生产成本，另一方面还可以降低劳动者的生产强度，提高管理水平，从而带 来巨大的经济效益和社会效益。传感器、感知对象和观察者构成了无线传感器网 络的三个要素。传感器是构建无线传感器网络的基础，其质量的好坏直接影响着 网络对参数的检测效果【2 2 】。 由于目前国产的传感器中，除了温度、p h 、溶解氧的传感器质量较好外， 多数传感器性能不稳定，质量较差，而进口传感器过于昂贵，不适合应用于水产 养殖生产中。考虑到以上因素，本系统设计时只选择水温和溶解氧作为检测和控 制对象。因此网络的复杂度不高，网络的拓扑结构选择为星型结构即可构建简单 的水质参数传感器检测网络。这种网络的节点数量有限，拓扑和路由简单，通信 协议容易实现【2 3 1 。 2 3 水质参数的模糊神经网络解耦控制 养殖水质的好坏对所有水生生物来说都是至关重要的，在水产养殖中必须要 9 江苏大学硕士毕业论文 把温度、盐度、溶解氧、酸碱度等保持在合适的水平。但是控制好相关水质参数 使之达到所要求的水平并不是很容易做到的，因为各个水质参数之间会相互影响 相互作用，有的参数甚至受到好几个参数的影响。而实际控制时，即使把一个参 数调节到了合适的水平，但同时另一个参数却也随之发生了变化而不符合此参数 的要求。 特别是水温几乎和其他的各个水质参数都有影响，而且它们之间的耦合强度 不可忽略。在有光照的情况下，水温的控制也是一个动态的过程。夏天的光照强 度大，提高了水体表面温度，随着水体深度的增加水温也有所下降。即使是在室 内封闭环境下养殖，也不能完全遮挡太阳光，因为光照可以促进鱼类甲状腺的分 泌帮助其生长，长期处于暗淡环境中的鱼类的会感觉迟钝，食欲下降，内分泌紊 乱，鱼体会停止生长【2 4 1 。水温还受到风速、增氧机、空气温度等因素的影响。增 氧机运行时，养殖水体随之流动而提高了水的溶氧含量，同时水流使水体温度变 得均匀，但也扩散了一些水温。 溶解氧不仅是保证鱼虾正常生理功能和健康生长的必需物质，又是改良水质 和底层的必需物质，是维持氮循环顺利进行的关键因素。不同的水生动物的需氧 量不相同，水生动物与临界溶解氧和致死溶解氧如表2 1 所示。我国主要养殖鱼 类溶氧要求达4 - - - 5 毫克升，河蟹溶氧要求达到5 毫克升以上。如果养鱼池溶解氧 低于2 毫克升，养虾池低于3 毫克升时，鱼虾呼吸频率即加快；鱼类在池水溶氧 低于1 毫克升时，常引起浮头，甚至死亡；虾类在池水溶氧低于1 2 毫克升时出 现死亡现象。水中溶氧量低于4 毫克升时，鱼的生理活动就会受抑制。当晚上水 体缺氧或亚缺氧状态时，次同早晨鱼类明显减少摄食活动，而且生长几乎停顿。 同时，草鱼增重率在溶解氧5 5 6 毫克升时i z l 2 7 3 毫克升时提高9 8 倍，饲料系数 低5 5 倍。水温2 4 , - - , 3 2 。c 时，草鱼在溶氧为5 - 6 毫克升的摄食量要比溶解氧含量 2 6 - - - 3 0 m g l 时高2 0 - - - 2 2 倍，由此可见溶解氧的重要性。 表2 1 水生动物与临界溶解氧和致死溶解氧( m g l ) 动物类别 临界溶氧量致死溶氧量 冷水型鱼类 5 0 6 02 5 3 5 温水型鱼类 4 0 5 01 0 2 o 虾类 3 0 4 0o 5 1 o l o 江苏大学硕士毕业论文 氧气在水中的溶入和解析是一个动态可逆过程，当溶入和解析速率相等时， 即达到溶氧的动态平衡，此时水中溶氧的浓度即为该条件下溶解氧的饱和含量， 即饱和溶氧量。水中饱和溶氧量受到大气氧分压、水温、水中其它溶质( 如其它 气体、有机物或无机物) 含量等因素共同作用的影响。水中的饱和溶氧与大气氧 分压呈正相关关系，自然条件下大气氧分压不会有大幅度变化，因此对饱和溶氧 量的影响可以忽略。溶解氧