（控制理论与控制工程专业论文）基于神经网络BP算法的水产养殖监控系统.pdf

江苏大学硕士学位论文 摘要 随着我国水环境因子监控系统的发展，在现代工农业中，水环境因子监控系统对 水环境因子的监控和分析正受到越来越多的关注。本文分析了国内外水环境因子监控 系统的应用现状，并在此基础上提出一个低成本、易推广的水环境因子监控系统的实 现方案。 本文以水环境因子和水生动物之间的相互关系为依据，确立了以水的p h 值、水 温、水中溶解氧和水位为系统监控对象。本系统为二级集散系统。硬件方面，以p l c ( p r o g r a m m a b l el o g i cc o n t r o l l e r ) 为核心设计了带有通讯功能的现场监控仪，用来实 时采集现场数据；通信方面，以r s 2 3 2 4 8 5 串行通信方式实现现场监控仪与现场监控 计算机之间的数据交换，现场监控计算机与远程监控计算机之间的数据交换则采用 g p r s 无线通信技术实现；软件方面，在远程监控计算机和现场监控计算机上使用 v i s u a lc + + 6 0 设计了功能丰富的组态监控软件。该软件具有参数设置、数据库操作和 曲线绘制等功能，并实现了神经网络b p 算法对p i d 控制器控制参数的自适应调节和 通讯中的c r c 校验算法。 系统实际测试中运行稳定，可实现对p h 值、水温、溶解氧和水位的自动调节 有效地增加了水产养殖的密度。与国外同类产品相比，该系统性价比高，操作简单 符合江苏省“十五”科技攻关项目的要求，已顺利通过专家验收。 关键词：神经网络通讯监控系统c r c 校验 江苏大学硕士学位论文 m o n i t o rs y s t e mo f w a t e re n v i r o n m e n t a lf a c t o r sb a s e do nb p w i t ht h ed e v e l o p m e n to ft h ec o n t r o ls y s t e mw h i c hu s e dt om o n i t o re n v i r o n m e n t a l f a c t o r so fw a t e r ，m o r ea n dm o r ea t t e n t i o nw a sp a i do ni t b a s e do nt h ea n a l y s i so ft h ea c t u a l s t a t eo fa f f a i r s ，ae a s yp o p u l a r i z a t i o ni n t e l l i g e n c em o n i t o r i n gs y s t e mo fw a t e re n v i r o n m e n t a l f a c t o r si sp r o j e c t e d r e l yo nt h er e l a t i o nb e t w e e nw a t e rf a c t o r sa n da q u a t i c ，p h ，t e m p e r a t u r e ，d i s s o l v e d o x y g e nw e r ec h o s et ob et h eo b j e c t sw h i c hw i l lb em o n i t o r e di nt h es y s t e m t h es y s t e mi s t w ol e v e ld i s t r i b u t e dc o n t r o ls y s t e m i nh a r d w a r e ，p r o g r a m m a b l el o g i cc o n t m l l e rw a su s e dt od e s i g nt h es p o t 。m o n i t o r i n g i n s t r u m e n tw i 出c o m m u n i c a t i o ni n t e r f a c e i t sm a i nf u n c t i o ni st oc o l l e c tr e a l t i m e1 0 c a l ed a t a i nc o m m u n i c a t i o n r $ 2 3 2 4 8 5w a su s e dt oc o n n e c tt h es p o t m o n i t o r i n gi n s t r u m e n ta n di o c a l e m o n i t o rc o m p u t e r g p r sp r o t o c o lw a su s e di nc o m m u n i c a t i o nb e t w e e nl o c a l em o n i t o r c o m p u t e ra n dl o n g d i s t a n c em o n i t o rc o m p u t e r i ns o r w a r e ，c o n f i g u r a t i o nm o n i t o rs o f t w a r e w a sd e s i g n e do nl o n g d i s t a n c em o n i t o rc o m p u t e ra n dl o c a lm o n i t o rc o m p u t e r t h em a i n f u n c t i o n so ft h i ss o f t w a r ea r ea 枷u s t i n gp a m m e t e r ，d a t a b a s eo p e r a t i n ga n dc h i v ep r o t r a c t i n g t a n di nt h i ss o f t w a r e b pa n dc r ca r i t h m e t i ca r ep r o g r a m m e d t h i s s y s t e m r e a l i z e st h e a u t o - t u n i n g o fd i s s o l v e do x y g e n ，p ha n dt e m p e r a t u r e e n v i r o n m e n t a lf a c t o r s ，w h o s es t a b i l i t yh a sb e e n p r o v e dd u r i n g t h e p r o c e s s o f t e s t i n g c o m p a r e dw i t ho v e r s e ap r o d u c t s ，t h i ss y s t e mh a so b v i o u sm e r i t s ，s u c ha st h eh i l 曲 r a t i oo fp e r f o r m a n c et op r i c ea n ds i m p l eo p e r a t i o n d e s i g ni sa c c o r dw i t ht h ed e m a n d so f p r o j e c to f s c i e n c ea n dt e c h n o l o g yi nj i a n g s up r o v i n c e st e n t hf i v ey e a r sp l a n a n dh a sp a s s e dt h ec h e c k i n gs u c c e s s f u l l y k e yw o r d s ：n n ，c o m m u n i c a t i o n ，m o n i t o rs y s t e m ，c r c 基于神经网络b p 算法的水产养殖监控系统 4 4 本章小结3 5 第5 章程序实现3 6 5 1 系统通讯3 6 5 1 1 下位机通信3 6 51 2 上位机通信3 6 51 3c r c 校验4 0 5 2 数据库操作4 3 5 3b p 算法的实现4 6 53 1 前向传递过程4 6 5 3 2 反向训练过程，4 7 5 , 3 3 神经网络类5i 5 3 4 鱼塘类5 2 5 4 系统数据结构5 3 5 ，5 本章小结5 4 第6 章结论5 5 6 1 实验结果发实验装置5 5 6 2 展望5 7 表目录 表i 1 监控软件功能4 表2 - ic p u 2 2 4 模块的主要指标6 表2 - 2p l ci o 地址分配表7 表2 - 3 变频器主要性能指标7 表3 - i $ 7 - - 2 0 0 通信口引脚与r s 4 8 5 引脚的对应表。1 7 表3 - 2s 7 2 0 0 系y o p l c 的通信控制寄存器1 8 表3 3s 7 2 0 0 系y i f p l c 通信过程中用到的特殊功能寄存器1 8 表3 4s 7 2 0 0 系歹l j p l c 通信信息状态字节1 8 表3 - 5s 7 2 0 0 系y i j p l c 通信接收信息控制字节1 9 表3 - 6a y g 8 3 c 的9 针串口描述 表3 7 从站m o d e m 身份标识信息帧格式 表3 - 8 交换信息的数据帧格式 表3 - 9 计算机对g p r sm o d e m 的控制指令描述 表3 10 系统通信协议 表5 1m s c o m m 控件的重要属性 表5 ，2m f c 库中的d a o 数据库类 表5 - 3c d a o d a t a b a s e 成员函数及其作用 加如甜甜”钙 江苏大学硕士学位论文 表5 4c d a o r e c o r d s e t 成员函数及其作用 表5 5s q l 的主要命令 表6 - 1 系统监测的部分数据 一。，4 4 ，4 5 5 5 图目录 图2 1 系统硬件结构图5 图2 - 2 溶解氧调理电路9 图2 - 3p h 值调理电路9 图2 - 4a d 5 9 0 测温基本电路1 0 图2 5 系统软件主要窗口框图1 l 图2 - 6 系统现场监控模块流程图1 1 图2 7 系统遥测图1 2 图2 - 8 系统遥测图窗口流程图，1 2 图2 - 9 用户管理1 3 图2 1 0 通信设置窗口1 3 图2 - i1 日数据查询窗口1 3 图2 - 1 2 系统数据库数据表图1 4 图2 - 1 3 现场监控计算机通信流程图一1 5 图2 1 4 现场监控单元通信处理流程图一1 5 图4 1 基于b p 神经网络的? i d 控制器结构图一2 7 图4 2b p 网络的结构图2 8 图4 - 3 阶跃信号时，系统输入输出3 0 图4 - 4 阶跃信号时，系统误差3 0 图4 - 5 阶跃信号时，系统控制器输出3 1 图4 - 6 阶跃信号时，系统控制器参数3 1 图4 7 正弦信号时，系统输入输出3 1 图4 8 正弦信号时，系统误差3 1 图4 - 9 正弦信号时，系统控制器输出3 1 图4 - 1 0 正弦信号时，系统控制器参数3 i 图4 11 调整后的神经网络3 2 图4 1 2 阶跃信号时，系统越输入输出一3 2 图4 13 阶跃信号时，系统误差一3 2 图4 1 4 阶跃信号时，系统控制器输出3 2 图4 1 5 阶跃信号时，系统控制器参数一3 2 基于神经网络b p 算法的水产养殖监控系统 图4 1 6 正弦信号时，系统输入输出 图4 - 1 7 正弦信号时，系统误差 图4 1 8 正弦信号时，系统控制器输出 图4 1 9 正弦信号时，系统控制器参数 图4 2 0 阶跃信号时，系统输入输出 图4 - 2 1 阶跃信号时，系统误差 图4 2 2 阶跃信号时，系统控制器输出 图4 2 3 阶跃信号时，系统控制器参数 图4 2 4 正弦信号时，系统输入输出 图4 2 5 正弦信号时，系统误差 图4 2 6 正弦信号时，系统控制嚣输出 图4 2 7 正弦信号时，系统控制器参数 图5 - 1 接收数据流程 图5 - 2 用链表描述被控鱼塘的示意图 图5 - 3 鱼塘结构描述 图6 i 系统实物图 3 3 ，：；3 ，：；3 3 3 ! ：； 3 3 3 4 ，一! 4 一3 4 ：i d l 3 4 ! 1 4 5 4 5 4 学位论文版权使用授权书 y1 0 1 3 9 4 5 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保 留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借 阅。本人授权江苏大学可以将本学位论文的全部内容或部分内容编入有关数据库 进行检索可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 本学位论文属于 保密口在 年解密后适用本授权书。 不保密团 学位论文作者签名：。乡岳通 彩年西鲴 指导教师签名 复、悻拘 少钐年舌觑 独创性声明 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。除文中已经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。对本 文的研究做出重要贡献的个人和集体，均己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：。乡长文：鱼 移k 。铷甩 江苏大学硕士学位论文 第1 章绪论 1 ，1 国内外现状与发展趋势 联合国粮农组织( f a o ) 2 0 0 5 年发布的世界水产品贸易报告l l 】显示，2 0 0 1 年至 2 0 0 3 年，鱼类产品最大的进口国是日本，其次是美国，西班牙居第三位。2 0 0 3 年日本 鱼类产品进1 3 额接近1 2 4 亿美元，美国接近11 7 亿美元。2 0 0 2 年中国超过泰国，成为 世界最大的鱼类产品出口国，当年出口额近4 5 亿美元，2 0 0 3 年中国出口额为5 2 4 亿 美元。在国际渔业贸易中，较大的出1 3 国有中国、泰国、美国、挪威、加拿大等。自 实行“以养为主”的渔业发展方针以来，我国水产养殖尽管取得了举世瞩目的成就 ( ”。但也存在着一些不容忽视的问题。传统的水产养殖业是一项看天吃饭的行业，它 受到气候等自然环境的影响和制约而且产量低。工厂化程度非常低。 自从日本六十年代初期在群马县开始研究水环境因子自动化监控系统进行工厂化 养鱼以来，世界各国，特别是美国、加拿大、德国等纷纷研究、设计了水环境因子自 动化装置，经过几十年的发展水产养殖业逐步形成了高效的规模化产业。水环境因子 监控技术也获得了很大的进步，它在水体消毒、净化、池底排污、增氧及控温方面， 几乎采用了现代所有可以引用的实用技术，水环境因子监控系统已经达到了相当高的 自动化程度。 在欧、美等发达国家，工厂化养鱼已被认为是一项支柱产业，国际上已有许多工 厂化养殖的专业研究单位和生产厂家，他们技术先进的产品和养殖设备已成龙配套， 行销世界各地，大规模的养鱼工厂层出不穷。 我国的水环境因子监控系统的应用以及开展这方面的研究起步较晚j ，技术装备 水平较低。1 9 7 9 年作为科研攻关项目“中国对虾工厂化人工育苗技术的研究”是水环 境因子监控系统的雏形，开发了对虾养殖的控温技术，充气与搅拌技术，饵料的商业 化与营养供给技术，较为全面地形成我国工厂化养殖的基础模式。在2 0 世纪8 0 年代 引入一批国外水环境因子监控系统应用于养鳗鱼的成套设备，但目前仅个别尚可运 转没有普及推广。我国近年来在工厂化养殖设施和设备的研究上投入很大的精力， 取得了明显的成效，工厂化养殖近几年来在各地迅猛地发展，有些地方已形成一定的 规模。 对水环境因子监测项目而言，一般只有溶解氧、水温、水位等三项，目前国外一 些监控系统已包含有七项，增加了p h 、光照、无机物、有机物并从机械化进入自动化 或半自动化控制。目前，从国外进口的价格十分昂贵，一套小型水环境因子监控装置 的价格需要人民币5 5 万元左右。目前的水环境因子监控系统在水产养殖中的应用可以 基于神经网络b p 算法的水产养殖监控系统 为养殖专业户接受的成本价格不超过1 0 万元。因此，发展我国的水环境因子监控系统 应用，首先应该抓好对溶解氧、温度、p h 值的自动监控技术。 2 l 世纪国内外水产养殖专家们均在关注水产养殖产业的发展趋势。从目前发达国 家水产养殖业现代化特点来看，出现“六化”：水产养殖机械化、水产养殖品种良种 化、水产养殖管理自动化、水产养殖经营实现专业化、养殖产品市场社会服务化。2 1 世纪水产养殖产业发展趋势是：水产养殖科学技术以生物工程等高新技术为突破点， 促进渔业科技进步，渔业现代化程度进一步提高。以自动化为主的工厂化养殖是今后 高科技发展的必然趋势。随着现代化水平的不断提高，克隆技术的深入研究，新品 种、最新养殖方式会不断创新，导致新兴产业和相关产业也会不断地出现和发展，也 使水产养殖科学得到进一步发展。 1 2 研究的目的和意义 当前，我国的水产养殖业正处于历史的转折点1 4 j 。一方面，根据农业部的渔业发 展“九五”规划和2 0 1 0 年设想目标，我国水产业又面临一次新的跃升，占据水产业半 壁天下的养殖业将承担重任：另一方面，鉴于我国目前水产养殖的工厂化程度不高， 需要进一步推进我国水产养殖的工厂化程度，改变传统靠天吃饭的粗放式养殖模式。 近年来，鱼类赖以生存的江河、湖泊和浅海等水体环境受到越来越严重的污染， 致使渔业资源日趋衰退，从自然界中捕获到的名、特、优水产品的数量日益减少；另 一方面，传统养殖业中大量养殖污水的排放又加剧了环境污染，使得发展传统养鱼 业与控制环境的矛盾目益突出。因此，发展工厂化养鱼技术是解决人们对鱼类需求和 合理养殖的战略方向。发展工厂化养殖的首先要解决的就是控制设备问题从国外进 口工厂化养殖设备的价格又太高，广大个体养殖户负担不起。因此，研发自己的水产 养殖设备已经成为我国水产养殖工厂化的重中之重。 1 9 9 9 年我国水产品产量达到4 1 2 2 4 3 万吨，水产养殖业产量为2 3 6 9 2 7 万吨，占水 产品总量的5 7 5 ，已成为大农业中的重要产业。但是，目前多数养殖模式是以消耗 资源、牺牲环境为代价。实现渔业现代化不仅是产量问题，还应努力实现“两个转 变”，以满足市场需求，提高人民生活质量，同时保护资源与环境。因此，在当前情 况下要实现上述目标，就必须大力发展工厂化养鱼技术，挖掘资源潜力，提高单产和 经济效益。 国外发达国家 5 】从6 0 年代开始进行工厂化养鱼技术研究，我国起始于7 0 年代， 仅落后发达国家1 0 余年，到8 0 年代初已达到国际同类水平。但近2 0 年为解决吃鱼 难，靠扩大养殖面积、提高养鱼技术，使池塘养殖面积翻了几番，工厂化养鱼却基本 处于停滞状态明显落后于世界水平。因而大力加快发展高科技渔业，推出适合我国 江苏大学硕士学位论文 国情的工厂化养鱼成套技术和设备，迎头赶上国际先进水平，就显得十分必要和紧 迫，而且具有广阔和深远的意义。 随着经济的发展和人民生活水平的提高，人们的消费观念变化很大，消费档次与 水平都在提高，对水产品的需求也由低质“大路货”转向“名、特、优、新”品种。 加快发展高科技渔业工厂化养殖的路子是满足市场需求和发展的必由之路【6 】。工 厂化养鱼以小水体、高放养密度为特点，其经济效益也很明显。另外，工厂化养殖控 制环境参数使水生生物所受的损害减小，有效地、及早地防治病害，最终生产出优质 无公害水产品。 高密度养殖代表着国家水产科技在世界发展的水平和地位反映着一个国家的实 力1 7j ，是发展大渔业的基础，是实现农业现代化的重要组成部分。 因此，用具有占地面积小、用水量少、无污染、不受地域、环境和气候影响等优 点的新型工厂化集约模式代替传统的粗放型模式势在必行，实现工厂化水产养殖的关 键设备是水环境因子智能监控系统。基于以上的原因，开展水环境因子智能监控系统 的研究很有必要。 1 3 本文主要研究内容 1 3 1 现场监控仪的设计 本系统中，现场监控仪是可编程序控制器系统。由环境因子采样调理电路、a d 转换模块、外围设备控制等模块组成。本文详细阐述了各个模块的具体设计和工作原 理并对系统的抗干扰能力进行了有效的优化设计。 1 3 2 系统通信的设计 采用了目前较为流行的r s 4 8 5 总线协议实现现场监控仪与现场控制计算机之间的 连接，并使用g p r s 无限通信实现了现场监控计算机与远程监控计算机之间的连接。 并根据通信的功能为通信设计了相应的通信协议。利用对现场监控设备内部可编程序 控制器的通讯口编程，与工控机监控软件中的通讯模块构成了高可靠性的多机通讯， 实现了现场监控计算机和现场监控单元之间以及远程监视计算机和现场监控计算机之 间的通讯。 1 3 3 神经网络b p 算法在溶解氧控制中的应用 使用神经网络对养殖水环境中的溶解氧含量进行在线自整定调整。研究神经网络 b p 算法的实现t 并使用该算法对p i d 控制器的控制参数k 、置、k 进行自适应调 整。在对神经网络对p i d 控制器参数调整能力的m a t l a b 仿真的前提下，重点分析神经 基于神经网络b p 算法的水产养殖监控系统 网络b p 算法的c + + 程序实现方法，最后将其类化，使此神经网络b p 算法具有通用 性。 l 3 4 系统软件设计 在系统中的现场监控计算机和远程监控机上，设计了功能丰富的监控软件，还用 软件实现了通讯信息的c r c 校验，并在现场监控计算机上实现了神经网络b p 算法t 使其能对现场监控仪中的p i d 控制器进行在线自适应调整。 表1 - 1 监控软件功能 现场监控在室内即可实时监控现场水环境因子的变化 参数自整定使用b p 网络自动调节下位机控制参数 数据库操作可自动保存监控数据，并对历史数据进行浏览分析 实时曲线根据当前时刻的采样数据描绘实时动态曲线 历史曲线根据数据库中的历史数据，描绘历史曲线 事件查询功能可以查询任意时刻的登陆事件和报警事件 1 4 课题来源 本课题是江苏省“斗五”科技攻关项目，编号为( b e 2 0 0 13 8 0 ) 本课题研究项目为江苏省“十五”科技攻关项目，该项目的研究将有效地推进江 苏境内乃至省外水产养殖业的工厂化、自动化程度，提高水资源的利用率。本文介绍 的水环境因子智能监控系统是现代工厂化健康养殖新技术和在i k 上x , j 各类水产品生 长水环境进行监控的核心技术。该技术的研究与推广为江苏在新世纪工、农业加速发 展与产业优化提供了强大的技术支撑，特别是我同加入w t o 以后，研究这样的水环 境因子智能监控系统对于提高综合国力和竞争力显得尤为迫切。 江苏大学硕士学位论文 2 1 系统硬件介绍 第2 章系统介绍 2 1 1 系统硬件结构 本文所研究的水环境因子监控系统主要以溶解氧、温度、p h 值、水位为监控对 象，并着重控制水环境中溶解氧的含量。通过r s 4 8 5 网络把现场监控计算机与现场监 控仪( p l c 系统) 连接起来，并通过g p r s 连接远程监控计算机和现场监控计算机1 8 】。 从而使远程监控计算机能够随时监控现场实时状况，从而形成了一个可远程操作、智 能化的二级集散控制系统”，整个水环境因子的计算机集散监控系统的硬件结构”川 如图2 - 1 所示。 i 剽2 l 系统硬件结构图 远程监控计算机监视被控对象的现场参数变化情况和查询部分历史数据和其趋势 曲线；现场监控计算机根据远程监控计算机用户的要求向远程发送检测到的实时数据 和对现场监控仪的自动化监控；现场监控仪的核心是可编程控制器( p r o g r a m m a b l e l o g i cc o n 仃o l l e r ，简称p l c ) ，实现对被监控参数的测量。分别由被控参数对应的传 感器检测被控对象的实际数据，由调理电路放大，经过隔离电路和a d 转换以后上传 基于神经网络b p 算法的水产养殖监控系统 至p l c ，经p l c 中的p i d 控制器计算出系统的控制量，控制量再由p l c 的d a 转换 模块或p l c 的i o 口向执行机构发送控制信号。 本系统以西门子s 7 2 0 0 可编程控制器为核心设计了水环境因子现场监控仪， 由于它具有通信能力，可以向现场监控计算机传递测量的数据、设备标识、运行状态 等信息，因而可由多个监控仪组成集散控制系统。 调理电路是把各个参数监控传感器的微弱信号经过相关电路转换放大输入到p l c 模拟输入端的接口。系统硬件结构图中只画出一台监控仪的连接结构。 2 ，1 2 现场监控仪的设计 2 1 2 1p l c 的选择 p l c 机型选择的基本原则【1 4 】是：在功能满足要求的前提下，选择最可靠、维护使 用最方便以及性能价格比最优的机型。通常，在工艺过程比较固定、环境条件较好的 场合，选用整体式结构的p l c 其他情况则最好选用模块式结构的p l c ：对于开关量控 制为主、带少量模拟量控制的工程项目中，一般其控制速度无须考虑，因此，选用带 a d 转换、d a 转换、加减运算、数据传送功能的低档机就能满足要求：而在控制比较 复杂，控制功能要求比较高的工程项目中( 如要实现p i d 运算、闭环控制、通信联网 等) ，可视控制规模及复杂程度来选用中档或高档机( 其中高档机主要用于大规模过 程控制、全p l c 的分布式控制系统以及整个工厂的自动化等) 。 西门子公司的s 7 - 2 0 0 系列【1 卅微型p l c 在进行小型数字一模拟混合系统控制时具有 较高的性能价格比，使用方便。其自带的通信功能和p i d 控制功能正好满足本系统的需 要。因此，本系统选用s 7 2 0 0 系y l j p l c 作为控制器。 在s 7 2 0 0c p u 2 2 x 系列产品有：c p u 2 2 1 模块、c p u 2 2 2 模块、c p u 2 2 4 模块、 c p u 2 2 6 模块、c p u 2 2 6 x m 模块。根据系统的i o 口需求和用户程序存储器的大小， 选择c p u 2 2 4 模块作为本系统的现场监控仪核心。 c p u 2 2 4 模块的主要指标【1 6 】如下所示： 表2 1c p u 2 2 4 模块的主要指标 程序存储器4096字 崩户数据存储器2 5 6 0 字 本机i o 扩展模块数量7 个 数字量1 ( 3 映像区大小 2 5 6 ( 1 2 8a d l 2 8 出) 模拟量i o 映像区大小3 2 j 3 2 出 内部继电器 2 5 6 江苏大学硕士学位论文 计数器定时器 顺序控制继电器 2 5 6 模拟调节电位器 2 通信中断发送2 接受 通信口数量 l ( r $ 4 8 5 ) 四则运算功能有 p i d 回路 8 个 同时调用子程序数 6 4 个 根据系统的控制要求和系统的资源情况，分配系统的i o 的地址表如表2 - 2 表2 - 2p l c i o 地址分配表 地址作用开关地址作用开关地址开关作用地址作用 1 0 o 手动溶解氧开 1 0 4 手动p h 值开 1 1 0自动 水泵开关q 0 0 增氧机 1 0 l手动溶解氧停1 0 5手动p h 值关1 1 1自动方式转换 q 0 1 温度 f o 2 手动温度开 1 0 6 手动水位开 1 1 2 自动方式转换q 0 2p h 值 1 0 _ 3 手动温度关 1 07 手动方式转换 1 1 3 自动方式转换q 0 3 水位 2 1 2 2 控制设备的选择 变频器的选择 控制增氧机的变频器选择了深圳安圣电气有限公司的t d l 0 0 0 系列通用变频器。 其主要指标如下： 表2 - 3 变频器主要性能指标 容许电压波动范围：额定电压2 0 输出频率范围：0 - 4 0 0 h z 输出频率精度0 0 i 最高频率 显示方式四位l e d 显示 p w m 控制方式空间电压矢量控制 核心硬件 p i m + d s p 防护等级 i p 2 0 安装方式壁挂 结构特点铸模+ 塑模 传感器器的选择【1 7 1 温度传感器：a d 5 9 0 温度传感器。 基于神经网络b p 算法的水产养殖监控系统 a d 5 9 0 是美国模拟器件公司生产的单片集成两端感温电流源。主要特性如下： 1 、流过器件的电流( t a ) 等于器件所处环境的热力学温度( 开尔文) 度数， 即： ， = 1 1 t a k 式2 - 1 j 式中：t 为流过器件( a d 5 9 0 ) 的电流，单位t a ；t 为热力学温度，单位世。 2 、a d 5 9 0 的测温范围为5 5 + 1 5 0 。 3 、a d 5 9 0 的电源电压范围为4 v 3 0 v 。电源电压可在4 v 6 v 范围变化电流 变化l a ，相当于温度变化l k ，a d 5 9 0 可以承受4 4 v 正向电压和2 0 v 反向电压， 因而器件反接也不会被损坏。 4 、输出电阻为7 1 0 m n 。 5 、精度高。a d 5 9 0 共有i 、j 、k 、l 、m 五档，其中m 档精度最高，在- 5 5 4 c + 1 5 0 。c 范围内非线性误差为士0 3 c 。 溶解氧传感器：l j o - 3 型溶解氧传感器，它的精度是i m g l ，输出电压是3 5 0 7 5 0 m v 。 p h 值传感器：k s - 2 型高稳低漂p h 传感器，精度0 1 p h ，输出电压1 v - + 1 v 。 2 1 2 3 信号调理电路 监控系统获取的监控参数是否准确关键在于各个传感器的精度以及调理转换电路 的性能，这些输入信号是否可靠又依赖于传感器的性能与辅助调理电路的设计，以下 介绍溶解氧、p h 值、温度的传感器和其对应的调理电路。 2 1 2 3 1 溶解氧信号调理电路 目前测量溶解氧1 主要有容量法、比色法、极谱法、电流法、电量法、电导率法 和薄膜电极等方法，而极谱型薄膜氧电极法应用最为广泛。该方法中电极的阴极由 4 m m 黄金片组成，阳极即参比电极为银片，两极之间充以电解液，顶端以聚四氟乙烯 薄膜覆盖，当阴阳两极间加o 7 v 左右的极化电压后，渗透过薄膜的氧在黄金阴极上还 原，由于电极上发生氧化一还原反应，电子的转换产生了正比于样品中氧分压的电 流。无氧时传感器中无电流，有氧时电流大小用式2 - 2 表示： i = k ，nf a t g 巴 式2 - 2 式中：k 为常数；i v 为反应过程中的失电子数；，为法拉第常数；只为薄膜渗透 系数；正为薄膜的厚度；a 为阴极面积；c 。为样品中的氧分压；i 为扩散电流。 当电极结构固定，阴极面积一定，薄膜的种类与厚度一定，a 、只、l 均为常 数，则式2 - 2 变为： 江苏大学硕士学位论文 i = k c s 式2 - 3 式2 - 3 表明，在一定温度下，扩散电流i 的大小与样品中氧分压c 。成正比关系， 测得电流值的大小便可知道样品中的氧含量。这就是极谱型薄膜氧电极测量氧的定量 依据。由于a d 转换的输入是电压信号，因此具体设计时应把扩散电流i 经，一v 变换电 路放大转换成电压信号后，再送入a ，d 转换电路，该转换电路如图2 - 2 所示。 v f fgnd r g n d 图2 - 2 溶解氧调理电路 根据运放电路的虚短和虚地的原理计算，可以得到输出电压为： 口 u o = 一詈“月。 式2 - 4 啦 由式2 - 4 可知【与流过传感器的电流也成正比，从而实现了i v 的变换，并且可 通过改变尺3 与r 2 的阻值实现对信号放大倍数的控制，r 2 = 4 7 k ，r 3 = 2 0 0 k 和l f 3 5 6 。 2 1 2 3 2p h 值信号调理电路 p h 值的检测也是对水环境的化学特性的检测，故需要专门的p h 值测量元件【2 0 1 ( 传 感器) 。本设计选用了上海雷磁e 一2 0 1 一c 型塑壳可充式复合电极，该电极是玻璃电 极和参比电极组合在一起的塑壳可充式复合电极，其测量范围：o 1 4 p h 。考虑到它的 输出为电压信号故无需进行i v 的变换，但输出电压信号小，所以必须放大，p h 值的 信号调理电路如图2 - 3 所示。 图2 3p h 值调理电路 图2 - 3 所示为一典型的仪用放大器，由两个同相并联放大器和一个反相差动放大 器组成，由运放的“虚短路”与“虚断路”可得： 基于神经网络b p 算法的水产养殖监控系统 c ，o 一u j ：= ( + z 鲁 ( v 。一u ：) 叻= 鲁( 一：) = 等( ，+ z 鲁 ( v 一v ：) 式2 - 5 式2 - 6 一 口譬n 图2 - 4a d 5 9 0 测温基本电路 图2 - 4 是a d 5 9 0 f 2 2 】用于测量热力学温度的基本应用电路。因为流过a d 5 9 0 的电流 与热力学温度成正比，当电阻r l 和电位器r 2 的电阻之和为1 k q 时，输出电压u o 随温 度的变化为i m v k 。但由于a d 5 9 0 的增益有偏差，电阻也有误差因此应对电路进行 调整。调整的方法为：把a d 5 9 0 放于冰水混合物中，调整电位器r 2 ，使 u o = 2 7 3 2 m v 。或在室温下( 2 5 ) 条件下调整电位器，使u o = 2 7 3 2 + 2 5 = 2 9 8 2 ( m y ) 。这样调整只能保证在0 c 或2 5 附近有较高精度。在本系统中，因为鱼塘温 度变化不是很大，因此使用这种电路及调整方法己能满足系统需要。 2 2 系统软件框架 水环境因子计算机监控系统中，下位机为带有智能接口的p l c 系统，上位机为工 业控制计算机。两者通过r s 4 8 5 相互连接。下位机系统完成池塘水环境指标的监控、 数据发送等功能；上位机完成系统参数设置、控制参数的设置、实时曲线显示、显示 历史采样值及传感器标定等功能。 上位机系统软件【2 ) 】主要由8 大模块组成，即系统现场监控模块、数据图形显示模 块、系统参数设置模块、历史数据查询模块、控制参数设置模块、系统帮助模块、系 统通信模块、系统数据库操作模块。 江苏大学硕士学位论文 图2 - 5 系统软件主要窗口框图 2 2 1 系统现场监控模块 系统现场监控模块用来显示当前的系统鱼塘相应指标的当前值。在软件运行期 间，不断地将由下位机发送过来的数据进行实时的显示。这些数据包括被检测鱼塘的 溶解氧、水位、p h 值及水温。该模块的系统流程图如图2 - 6 所示。 图2 - 6 系统现场监控模块流程图 2 2 2 数据图形显示模块 该模块跟系统现场监控模块功能相似，都是在程序运行中显示当前系统鱼塘的各 项指标当前值的，不同的是，在此模块下，程序是以曲线的方式显示各项指标的，从 动态曲线可以直观的看出鱼塘各项指标的变化情况。程序运行如图2 7 所示，流程图 基于神经网络b p 算法的水产养殖监控系统 如图2 - 8 所示。在此模块运行过程中， 值、水位、溶解氧和水温之一进行遥测。 先要选择要遥测的鱼池，可以对该鱼池的p h 该曲线还动态的显示最新的数据的值，如图 l 2 7 中的8 9 0 既是鱼池l 溶解氧的当前值。当测量值超出一定范围时，可以通过一 或一放大或缩小纵坐标比例。 图2 7 系统遥测圈 图2 - 8 系统遥测图窗口流程图 2 2 3 系统参数设置模块 系统参数设定模块完成一些系统运行所必需的、与硬件系统密切相关的、以及一 般操作人员不必涉及的参数的设定，如养鱼池的地址、通信参数设置、各操作人员所 具有的操作权限指派等。在该模块中设有密码，只有系统操作员才能进入，以免引起 误操作。图2 - 9 所示的就是在更换用户过程中输错密码的窗口显示。权限最高的系统 管理员可以进行增加用户、删除用户、查看用户权限、指派每个用户的权限等操作。 在整个监控系统中，有多个被控的养鱼池塘，要准确的上传数据和下传系统参 数，必须确切知道每个池塘的地址，这样上位机才可以与多台下位机实现通信这个 地址由系统管理人员设定并可根据实际情况进行更改和增减被监控鱼塘数目。 系统采用串口通信，在通信前需要对串口参数进行设定，其中包括串口号、数据 速度、数据位宽度、缓冲区大小、通信校验方式、起始位宽度和停止位宽度等。图 2 1 0 为系统通信的设置窗口。设定系统通信的参数。 江苏大学硕士学位论文 系统的参数设定，尤其是鱼塘地址的设定可能会导致系统的严重错误。使系统发 生通讯错误，因此对这些参数的设定需要有一定的权限，为此，系统为每位操作人员 设定了不同的操作权限。 图2 - 9 用户管理图2 ，1 0 通信设置窗口 2 , 2 4 历史数据查询模块 作为一个完善的监控系统来说，其标准的设定值是至关重要的，一个好的设定值 直接关系着水产养殖的好坏，而标准的设定值又是从大量的历史数据分析得来的。在 此模块下，用户可以查看系统过去的监测值，为用户提供了分析鱼塘各项指标长时间 的变化情况。使用户可以分析不同季节，不同天气，不同环境条件对水产养殖的影 响，为科学养殖提供了可能性。 本系统的查询主要是使用数据库操作，将在系统运行过程中保存在数据库中的历 史数据用表格或图像的方式显示出来。图2 - 1 1 给出的是以数据表格方式显示的窗 口。图像显示与图2 7 类似，可以显示某+ 一指标的变化曲线。 图2 1 1 日数据查询窗口 基于神经网络b p 算法的水产养殖监控系统 2 2 5 控制参数设置模块 控制参数是指根据鱼类生长的最佳环境状态，所设定的溶解氧量、温度、p h 值等 环境因子的允许变化范围，在此模块下，用户可以对各个监控指标的相应控制器参数 进行调整，此模块只能在用户已经具有了相应权限之下才能进行操作，否则只能观察 当前的控制器参数值。 2 2 6 系统帮助模块 本模块提供系统软件的操作手册和简易故障排查方法。 2 2 7 系统通信模块 此模块是上下位机进行数据通信的软件接口，该模块主要进行实时数据通信，是 系统正常运行的后台模块之一。下位机的数据采集模块把传感器采集到的数据经a d 转 换后上传至上位机，上位机的处理程序对数据进行相关处理，如画出实时曲线并显示、 保存、报警等功能。图2 - 1 3 和图2 1 4 分别