文献综述 高产鱼塘溶氧控制设计.doc

重庆理工大学毕业论文 文献综述重 庆 理 工 大 学文 献 综 述高产鱼塘溶氧控制设计二级学院 电子信息与自动化学院 班 级 08级电气班 学 号 10821740157 学生姓名 杨 昕 摘要：针对鱼塘传统的观测手段耗时费力、步骤复杂、成本高等缺点。设计了基于无线传感器网络的鱼塘实时在线监测系统。在鱼塘的监测区域中，该系统利用无线传感器节点测得监测区域中的温度和溶氧量，并通过Zigbee无线网络将数据传输到终端控制系统，控制系统作出判断同时发出报警信号并控制增氧机的工作状态。系统中以MSP430和XBee模块为核心芯片，能够实时获得鱼塘中的一些参数，例如温度、溶氧量等。同时该系统还可以进一步扩展使用GPRS或3G网络实现远程监控Abstract:In this paper, a real time and online monitoring system for fish ponds based on wireless sensornetworks, the system was designed to overcome the disadvantage of the observed of the traditional means infish ponds, such as time-consuming and laborious, step complexity and high cost. The whole system was makeup of sensor modules and wireless communication modules mostly. In the monitoring area of fish ponds, wecould get temperature and dissolved oxygen by making use of wireless sensor nodes, and then we could makeuse of Zigbee network protocol to transmit the data to the terminal control system. The terminal control systemmade a judgement, and then it sent out warning signal. At the same time, the terminal control system controlledthe working state of the oxygen machine. The design of the whole system, which had MSP 430 and Xbeemoudle as the hard core chips, was very useful and simple but not easy. The whole system could get monitorparameters in fish ponds in real time and intelligently, such as temperatur, dissolved oxygen and so on. At thesame time, the whole system could be further expanded to achieve remote monitoring and control by make useof the GPRS or 3G networks.1.鱼塘溶氧技术现状阐述：氧是鱼类赖以生存和生长发育必备条件之一。水中溶氧量主要与温度、湿度和鱼的密度等因素有关。鱼类只有在水中溶氧量达到一定数值后，才能维持其生命活动，且在一定的范围内，其生长速度及对饲料的利用率都将随着水中溶氧量的升高而增加，低氧对鱼类的生活及生长是十分不利的。目前，大多数渔业养殖户对水中溶解氧含量的判断主要来自经验，即通过观察阳光、气温、气压以及鱼有无浮头等现象，判断水中溶解氧含量的高低，并控制增氧机是否开机增氧。为了防止发生泛塘现象，渔民需要花费大量的时间、精力观察鱼塘的情况。这种方式存在事后控制、增氧不及时或过度增氧、费时、劳动强度大等缺点，在一定程度上影响了鱼类的生长，增加了养殖的成本。为了提高鱼类产品饲养的质量和数量，提升水产养殖技术的自动化水平，减轻渔民的劳动强度，降低水产养殖的成本，研制了鱼塘含氧量自动控制系统，实时监测水中的溶氧量和温度，自动启动鱼塘中增氧机运行，使鱼塘中水的溶氧量和温度的上下限保持在设定的范围内，有效地提高了鱼类养殖的安全性，降低了养殖成本，对提高养殖产量，达到高产高效的目的，具有重要的意义。2鱼塘氧气控制选取方案简述：2.1基于无线传感器网络的鱼塘监控系统2.1.1系统总体设计：池塘水产养殖过程中需要自动监测水中溶氧量及水温，并在超过水温上限及溶氧量上、下限时进行自动报警和控制增氧机开/关的装置。池塘水产养殖增氧机控制系统主要由传感器节点、增氧机和终端控制模块三部分组成。整个系统完成的功能是利用温度和溶解氧传感器将采集到的数据传输到传感器节点，并进行数据处理，然后通过无线通信协议发送到终端控制模块，终端控制模块进行判断，在超出设定的界限时发出报警信号，同时开启或关闭增氧机。整个系统框图如图1 所示。2.1.2系统硬件设计：由于传感器节点放在池塘中，考虑到供电的方便和安全，所以采用电池供电。传感器节点的无线通信协议采用满足IEEE802.15.4网络通信标准10的Zigbee协议。同时在电路设计过程中，芯片的选择均从低功耗、体积小、应用方便等角度进行考虑。传感器节点主控芯片及电路介绍此设计中传感器节点主要由溶氧量和温度传感器、运算放大电路、处理器、无线收发模块和电源等构成。传感器节点电路连接图如图2所示。其中主处理器 芯 片 选 用 TI 公 司 的 超 低 功 耗 单 片 机MSP430F149。MSP430F149 具有很低的供电电压，供电范围是1.8V-3.6 V。MSP430F149具有超低的功耗，在休眠条件下工作电流只有0.8 uA。MSP430F149具有唤醒时间短，从休眠方式中唤醒只需要6 us。并且其具有丰富的外设，12位的A/D转换器，串口通信模块可设置成UART或SPI方式，有6个数据端口及60KB 的 Flash 等。此外，MSP430F149 具有 JTAG 仿真调试接口，便于软件的调试。在应用过程中MSP430F149接两个外部晶体振荡器，分别为低速晶体振荡器和高速晶体振荡器，低速晶体振荡器支持超低功耗，它在低频模式下使用一个 32.768 KHz 的晶体，该晶体直接连接在 XIN 和XOUT 管脚上。高速晶体振动器作为它的第二晶体振荡器。与低速晶体振荡器不同点是功耗较大且必须外接电容。系统可以根据不同的需要选择不同的晶体振荡器作为主时钟。此设计中设定在一般情况下微处理器工作在低频，从而降低功耗，等需要进行温度和溶氧量检测时，立即切换到高频时钟上，马上进行温度和溶氧量的采集、处理和数据的收发等操作。由于两个晶体振荡器的存在，在保证系统低功耗的同时也可以保证系统的快速响应。Zigbee 是一种新兴的短距离、低速率无线网络技术，Zigbee的基础是IEEE 802.15.4，它具有传输速率低、功耗低、成本低、网络容量大、安全性好等特点，是自动控制系统和工农业生产中短距离无线通信的首选网络。具体芯片选择DIGI公司的XBee模块，XBee模块是一个外型小巧，功能完善的Zigbee收发器，支持半双工操作，射频部分芯片全部内部集成，可以外接多种类型的天线。XBee模块通过UART与MSP430相连进行通信。XBee模块的SLEEP引脚与MSP430的P4.3 相连，通过对 P4.3 编程来控制 XBee 进入休眠状态。为了有效的观察XBee的通信状态，将MSP430的P3.6 和 P3.7 与发光二极管相连。通过发光二极管的闪烁情况来判断XBee的通信状态。由传感器采集的模拟信号，经运算放大器进行放大以后送至单片机的P6.3，P6.2引脚进行模拟/数字转换。其他数字传感器接口只是用于扩展接口，当系统需要增加采集因子时，在此接口连接相应的传感器即可。单片机将处理后的数据通过串口传输给无线通信模块，无线通信模块将数据发送到终端控制系统，这样终端控制系统就可以通过阈值来控制报警系统和增氧机的工作状态。终端控制的设计终端控制系统主要由溶氧量和水温报警电路、控制电路和无线收发模块等组成。该系统的工作过程是：单片机和无线收发模块都采用上文中的芯片。无线通信模块接收来自于传感器节点采集的溶氧量和水温的数值信息。单片机通过串口接收来自于无线模块的数值，在其内部进行计算和比较，判断采集到的数值是否超过了设定的数值限制。单片机根据判断结果控制是否发出报警信号并控制增氧机开启或关闭。其中增氧机控制电路图如图4所示。增氧机控制电路主要由光电耦合器和继电器组成。其工作原理为：当MSP430单片机的I/O引脚输出低电平时，光耦U1 截止，继电器线圈两端无电位差，继电器处于常开状态，相当于开关断开；当单片机的I/O引脚输出高电平时，光耦U1饱和导通，VDD电源加到继电器线圈两端，继电器吸合，其常开触点闭合，相当于开关闭合。在光耦截止瞬间，线圈中的电流不能突变为零，继电器线圈两端会产生一个较高电压的感应电动势，所以在线圈两端并联上一个二极管D1，使线圈产生的感应电动势通过D1放电，保护三极管不被击穿，并消除感应电动势对其他电路产生的干扰。此系统中使用光电耦合器有效地降低了外部干扰对系统的影响，增强了系统的稳定性。2.1.3系统软件设计:监控系统的软件主程序流程图如图5所示。它的工作过程是：系统上电后，单片机完成各部分的初始化工作，系统自动读入来自被监控点的温度、溶氧量值，将其与设定的温度、氧浓度值进行比较，判定测得的值是否超出了设定的界限值，并决定是否启动报警器和增氧机。/*主程序初始化*/open_watch_dog (); /打开看门狗MclkInit_32K(); /系统时钟初始化32Klow_power_init(); /省电初始化timeA_init(); /时基初始化timeB_init();sys_init(); /系统初始化clear_watch_dog();/*ZB 初始化*/u_char zb_init(void)lzs_strcpy(char*)us_tx_buf,(char*)AT_RQ);us_tx_num=lzs_strlen(char*)AT_RQ);us_tx(us_tx_buf,us_tx_num);us_rx_num=(u_int)us_rx_p-(u_int)us_rx_buf;us_rx_bufus_rx_num=0;n=lzs_strcmp(char*)us_rx_buf,(char*)AT_OK);if(n!=0) return 0; /*错*/系统中传感器节点的程序流程如图6所示。它的工作过程是：系统上电后，单片机完成各部分模块的初始化工作，无线通信模块获得通信信道，单片机启动内部的A/D转换模块将传感器采集的数据进行模数转换，然后单片机进行数据处理和计算，同时将数据存储在无线模块的发送缓存器里发送出去，如果采集的时间到了，单片机进入睡眠模式，一但单片机的睡眠模式的定时时间到，单片机再返回工作模式，继续进行采集工作。2.2基于射频RF技术的鱼塘溶解氧无线监控系统2.2.1系统的硬件构成系统的结构框图和主从机方案如图1和图2所示。系统主要组成部分包括：溶解氧传感器、信号调理单元、AVR单片机、无线射频模块(RF模块)、GSM(global system for mobile communications)模块以及液晶屏等。系统的硬件部分主要完成信号调理和信号采集。整个硬件电路以ATmega128 AVR单片机为控制核心。 通信方式采用主从结构，整个系统有一个主站，多个从站。主站与从站之间采用无线射频方式进行通信，这样，相对于每个鱼塘都设置一个GSM模块来说可以节省大量资金。而主站和业主之间采用GSM网进行通信，只要是GSM网覆盖的范围都能进行通信，这样既扩大了通信范围和空间，又保证了通信质量。只要业主的手机带在身边则随时都可以知道自己鱼塘中的氧含量。从站的硬件设计本系统使用瑞士Hamilton公司的溶解氧电极检测鱼塘中水的含氧量，它广泛应用于水、废水、游泳池和鱼塘，该电极有一个内置的22 k的温度补偿电阻，极化和反应时间极短，可以精确地检测到水中的含氧量。传感器输出的溶解氧和温度送人德国PISCO变送器，变送器可以输出420 mA的标准信号。把这个标准信号接入一定的电阻和电容后，转化为05 V电压信号，这样就可以送入单片机进行AD转换了。 ATmega128 AVR单片机是由美国ATMEL公司研制开发的，具有增强型Flash的RISC精简指令集高速8位单片机。AVR单片机可以广泛应用于计算机外部设备、工业实时控制、仪器仪表、通信设备、家用电器等各个领域。AVR单片机废除了机器周期，抛弃复杂指令计算机(CISC)追求指令完备的做法；采用精简指令集，以字作为指令长度单位，将内容丰富的操作数与操作码安排在一字之中(指令集中占大多数的单周期指令都是如此)，取指令周期短，又可预取指令，实现流水作业，故可高速执行。在从站中的AVR单片机接收标准的05 V信号，利用片内的12位AD转换器做AD转换，并把转换的结果与设定值进行比较，启停增氧机；通过射频模块把检测到的信号传给主站。 射频传输使用STR-30。它具有微功率发射，最大发射功率10 mW；载频频率433915 MHz；高抗干扰能力和低误码率；在视距情况下，天线高度2 m，可靠传输距离可达3004 000 m(BER=1 200 bs)；透明的数据传输；多信道；双串口，3种接口方式；智能数据控制，用户无需编制多余的程序等特点。RF射频模块与单片机连接，进入单片机的采集的数据通过RF射频模块就可以实现主、从机多点双向数据传输了。从站的主体电路图如图3所示。主站的硬件设计主站的STR30射频模块循环接受从站发送来的数据，把各个从站的溶解氧循环显示在主站的前面板上。前面板由44的按键和液晶屏组成。由于季节的不同，鱼塘中溶解氧含量的设定值也有所变化，用户可以在前面板上修改设定值，而无需修改程序，大大地方便了用户的使用。当鱼塘中的溶解氧超出没定值时，为了及时地反映系统的状况，本系统使用ME40+的GSM模块。ME40+是一款TTLCMOS电平的嵌入式Modem，可直接与用户的单片机连接，作为一个无线通讯应用单元，此产品是在核心模块的基础上，增加了供电、SIMUIM卡、物理电平转换、语音电路、接口等电路；并且外形紧凑、尺寸小，方便集成到各种应用。在GSM模块的插槽内插入手机SIM卡，在前面板上设定用户的手机号，用单片机来控制GSM模块，那么GSM模块就可以像手机一样进行收发短信息。这样，在溶解氧超过限值，发出报警信号后主站就可以通过GSM模块向业主发出短信息，以便通知业主。最后，主站把从站传递来的溶解氧信号通过RS232以数据帧的方式发送给PC，PC实时采集数据进行监控。电平转换部分由MAX232芯片完成。增氧机的控制技术本系统通过对水体溶解氧含量的实时检测，将当前溶氧量与设定参数进行比较，再经过AVR单片机的处理，通过单片机发出控制信号经驱动器后控制光电耦合器的工作状态。当光电耦合器工作后，使得继电器的常开触电闭合，进而控制增氧机工作。使用光电耦合器有效地降低了外部干扰对系统的影响，增强了系统的稳定性。这样就可以实时控制增氧机的工作，使增氧机有目的、有效率地运行，减少了噪声污染，降低了能源消耗。2.2.2系统的软件设计系统软件的单片机程序采用C语言编写而成，包括键盘、显示、数据采集与数据处理等模块化程序。键盘处理程序主要根据不同的季节完成溶解氧上下限的设定，按键动作的识别采用软件去抖动的方法。整个系统结构分明紧凑，程序运行可靠。从站的软件设计从站主要完成数据的采集，AD转换启停增氧机和向主站发送采集到的数据等工作，系统的从站流程图如图4所示。主站的软件设计主站主要完成循环显示各个从站的溶解氧含量、向业主发送手机短信以及和PC通信等，系统的主站流程图如图5所示。3鱼塘溶氧技术发展方向：溶解氧是鱼类赖以生存和生长的必备条件之一。如果水中溶氧量降到一定限度，就会给鱼类生长带来不良的影响，氧量继续下降到临界状态就可造成鱼类大批死亡。水中含氧量主要与自然温度、湿度和鱼的密度等因素有关。水场要为在其中生长的鱼类提供一个良好的环境，使用的主要手段是给定水场自动控制系统一个最佳的设定值，设计一个良好的智能控制算法。这是水产养殖环境控制的两大核心问题。它又不同于工业过程控制，工业上的控制系统的设定值是已知的；控制器的输出一般是连续量。而水场调控系统的设定值是鱼类等生长的时间模型(温度、pH值、溶氧量，氨氮量、浑浊度、水位等)，控制器的输出大多是开关量(控制热泵、增氧泵、水阀门、水泵等)。通过研究该类系统的控制算法，能够协调各个执行机构按照一种优化的方法动作，使水场内的环境尽可能地满足鱼类生长的需要与生态需求。因此对水体这两大主题进行研究是必要的，同时对促进工厂化渔业发展也有着深远的意义。目前，国外的发展趋势主要是研究鱼类生长的外界影响因素，主要是水体的溶氧、温度可视化建模，离应用还有一定的距离。而且国外并没有把无线监控和无线通讯报警等技术应用到鱼塘监控系统中，所以构建一个支持控制系统正常运作的，应当充分考虑水体生产效益的智能决策支持系统(设定点)是很有必要的。4参考文献译文：4.1高产鱼塘的水质特点：(1)透明度透明度是光透入塘水中的程度，主要是随着塘水的浑浊度而改变。浑浊度是由于塘水中混有各种微粒和浮游生物造成的。测定水的透明度，通常采用透明板。它用直径20厘米的圆铁片制成，在圆心处开设一个小孔，穿上一条有刻度标志的细绳，并通过圆心，将圆铁片分成四等份。把对角的两等份油漆成白色，另两等份油漆成黑色，使圆铁片黑白分明。测量时手提小绳，将透明板缓缓沉入水中，当看到透明板的黑白部分隐约难分时，便停止下沉。这时，浸入水中的绳子长度即为塘水的透明度。简易的测定法是：将手掌与手臂垂直，掌心向上平放于水中，向下沉至刚看不清掌心时的这个深度，即为透明度。透明度能大致表示水中浮游生物的丰歉和水质的肥瘦程度。一般以透明度2540厘米称为肥水，塘水较浓，不太浑浊，无腥味，呈油绿色或黄褐色，给人以嫩翠之感，在这样的水中，清晨鱼浮头，日出后即消失。透明度经常为60厘米以上，称为瘦水，塘水清淡，呈浅绿色或淡黄色，清晨鱼不浮头。透明度在20厘米以下称为老水，塘水过浓，很浑浊，常有腥味，呈灰蓝色、暗绿色或棕色带黑，给人以老、浓之感，清晨鱼浮头严重，日出许久鱼浮头仍不消失。高产鱼塘要求在鱼生长季节即410月池水透明度为1830厘米，59月应在1825厘米范围内。(2)溶解氧氧气是鱼类赖以生存的必要条件之一。鱼、虾、贝、藻类的呼吸都要消耗氧气，水中有机质、底泥的分解也要消耗大量氧气，故鱼塘水中溶解氧量少且多变。高产鱼塘内饲养密度大，鱼类往往面临缺氧，造成大量浮头或窒息死亡。因而高产精养鱼塘对溶解氧的变动有特殊要求。通常高产鱼塘表层水体下午在5.518毫克/升范围内变动，底层则在48毫克/升范围内变动，凌晨6时塘水溶氧量最低，已接近鱼浮头的临界值(2毫克/升)。上述溶解氧的变动范围不至于影响鱼类正常生长，但要鱼增加产量，还需采取增氧措施。(3)耗氧量高产鱼塘的耗氧量变动较大，波动范围在1025毫克/升之间，其平均值为1215毫克/升。因此，1215毫克/升已成为肥水的标志。(4)酸碱度养鱼水体适宜的pH值范围为78.5。高产鱼塘的水质一般呈弱碱性，pH值稳定在8左右，水质的缓冲性较好，有利于鱼类生长。(5)氮、磷营养元素高产鱼塘的三种无机氮总量为13毫克/升，其平均值为1.5毫克/升。可溶性磷酸盐含量为0.11毫克/升，平均值为0.20.4毫克/升。氮、磷比为72。“三氮”中铵氮占60%75%，硝酸盐氮占20%24%，亚硝酸盐氮占1%2%，氮、磷比例较为合理。(6)浮游生物鱼塘的浮游植物优势种群有隐藻、蓝隐藻、绿球藻、十字藻、衣藻、小球藻、栅藻、小环藻、直链藻、平列藻、裸藻等10多种。浮游动物优势种群为轮虫，主要种类为晶囊轮虫、裂足轮虫、疣毛轮虫、萼花臂尾轮虫、针簇多肢轮虫等。枝角类、桡足类很少，其生物量不超过1毫克/升。浮游植物个数在10 000万20 000万个/升之间变动，生物量在30110毫克/升之间波动，平均为6080毫克/升。浮游动物量约占浮游植物的1/41/3。浮游生物量与鱼产量成正相关。养鱼高产关键之一就是“看水养鱼”，故渔民通常根据水色来鉴定水质，而鱼塘水色主要由浮游生物的种类和数量来决定。4.2高产鱼塘改善水质的措施：(1)根据水色和透明度灵活调节水质若塘水透明度过低(20厘米以下)，表示水质过肥，浮游生物繁殖过盛，遇天气不正常时容易大量死亡和腐败，使水质突变，继而转清、发臭，渔民称为“臭清水”。这时水中溶解氧被大量消耗，塘水缺氧严重，极易引起鱼类大量死亡。因此，当发现水质将要突变时，必须及时冲注新水或开动增氧机，增加水体溶氧量，防止水质恶化。当透明度在40厘米以上时，表明水质过瘦，浮游生物数量偏少，应该及时施肥。速效方法是追施碳酸氢铵和过磷酸钙，每667平方米水面各施用10千克。施肥后5天内若透明度未能恢复到35厘米以下，应再次施肥。此后每1520天施肥1次，并适当施用人畜粪等有机肥，塘水透明度就能保持2040厘米。(2)适时注水并提高鱼塘水位在鱼类生长旺季的46月，每月注水13次，每次使鱼塘水深增加10厘米，既可补充池水溶氧量的不足，又改善了水质条件。(3)适时启动增氧机每667平方米水面产鱼500千克以上的鱼塘，原则上每0.67公顷水面配备1台功率2.5千瓦的增氧机。46月每天启动13小时，711月每天启动48小时。(4)翻动底泥改善水质59月，每月用泥耙翻动鱼塘底泥12次，使底泥营养成分在水中溶解释放出来，从而达到施肥、减少底泥耗氧和改善水质的目的。(5)施放化肥改善水质在鱼类生长旺季的59月，施用氮、磷比为11的化肥。每667平方米水面每次施用45千克，每34天施用1次，既可增加塘水生物量，又能达到生物增氧目的。(6)施放石灰改善水质58月，每月用生石灰水溶液