水产养殖智能化补氧系统设计方案

1、水产养殖智能化补氧系统设计方案1、引言渔业养殖水域是水产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。溶解氧是指溶解于水中的分子态氧，是水中生物和植物生存不可缺少的条件1。我国养殖的几种主要鱼类，在成鱼阶段可允许的溶氧量为3mgL以上。当溶氧降低到2mgL以下时，就会发生轻度浮头；降到0806mgL时，出现严重浮头(鱼类发生一次严重浮头就像生一场大病一样)；降到0503mgL时，鱼就

2、会窒息而死2。为此能有效地监测和控制水中溶氧量成为水产养殖急需解决的问题。国内外针对水产养殖监测技术已开展大量研究，有效地提高了传统水产养殖的精准管理水平。现有宋敬德等开发的工厂化水产养殖的多点水质在线监测系统具有位置灵活、测量准确、方便的优点，但需要人工观测或周期接入计算机读出历史数据，无法实现实时监测和自动控制3。吴沧海等人开发的渔业水质自动监控系统，解决了渔业生产过程中增氧、投饲、污水零排放和水质自动调理等环节的控制技术，为养殖业的科学管理提供了很大的方便4。但是该监控系统价格昂贵、安装复杂、维护困难且不易操作，不适合我国现有的中小型水产公司和个人使用。目前，李增祥等人设计的AVR单片机

3、在鱼塘溶解氧检测中的应用能够实时监测并控制增氧机的开关5，但是由于该系统监测和控制必须在一起，不能够进行无线控制，对控制增氧机的电路要求很高，不易实现，在渔塘和供电室距离较远的实际情况中不适合使用。本文提出基于CC2430芯片的Zigbee无线传输和监控模式，设计开发以CC2430芯片和增氧机为核心的监控系统，支持无线传输、实时监测、自动增氧等功能。其中Zigbee是现有的无线和有线通信技术中最低功耗，最低成本的技术6该系统具有成本低、操作简单、应用范围广等优点，为我国现阶段水产养殖业实现科学养殖，达到低成本、高效益工厂化养殖的有效实施提供可行方案。2、系统总体设计本系统分为采集设备和控制设备

4、两部分，均采用模块化设计主要由数据采集模块、中央处理模块、控制模块和人机交互模块四部分组成，采集设备包括数据采集模块和中央处理单元，控制设备包含中央处理模块、控制模块和人机交互模块。其中数据采集模块通过溶解氧传感器、温度传感器及其调制电路，完成对鱼塘溶解氧浓度和温度的实时监测，并将采集的信号传送给采集设备中央处理单元。中央处理模块通过连接I/O和加载软件的不同分别作为采集设备和控制设备的处理单元，完成溶解氧浓度解析和增氧机的控制；同时由于监测设备与可控设备位置存在差异，两类中央处理模块间需完成基于Zigbee网络的无线数据交互。控制模块根据接收到控制设备中央处理模块的控制命令，完成对增氧机的控

5、制，从而实现鱼塘溶解氧浓度的智能控制。考虑到不同鱼类不同阶段溶解氧需要量的差异，本系统还可以通过人机交互模块，其与可控设备中央处理模块相连，完成对不同鱼类的不同生长期设置不同阈值范围，从而更好的适应鱼类对溶解氧浓度的需求。系统整体框图如图1所示 图1 整体框图3、系统硬件设计3.1中央处理单元 中央处理模块采用TI公司的CC2430作为中央处理芯片，CC2430专门针对IEEE 802.15.4和ZigBeeTM应用，它可以用很低的费用构成ZigBee节点7。其主要任务是：（1）负责节点间的通信；（2）完成数据的处理、无线传输、控制增氧机的关闭等；（3）实现终端节点的休眠；（4）完成程序的下载

6、及在线调试仿真。通过各I/O口接入设备的不同，形成采集设备处理模块和控制设备处理模块，其电路如图2所示。其中P0.0和P0.2口作为传感器的数据输入端，P0.7,P1.0,P1.1作为预留端口，便于芯片的扩展；P0.3作为控制端口，P0.4、P0.5、P0.6为键盘控制端； P1口作为数据输出端，与LCD显示屏相连，通过一个外部中断按钮可以实现现场的数据查询； P2.1,P2.2为程序下载和联机调试端口；RF-N，TXRXW，RF-P为射频端口，用于发射和接收数据，实现了数据采集节点与控制节点的无线传输；P2.3,P2.4外接晶振和外部电路构成32.768KHz振荡器，用于唤醒芯片睡眠状态。

7、图2 数据处理模块（采集端）3.2数据采集模块溶氧量在水产养殖中是非常重要的环境因子，而且不同温度下的溶氧量饱和度不同，不同鱼类、不同生长时期适宜的溶氧量也不同，溶氧量对其最终生长结果起决定性影响，因此对溶氧量和温度的监测在水产养殖业中有很大的意义8。不同温度下的饱和溶氧量关系如图3所示图3 不同温度下的溶氧量饱和度该系统采用ROX光学溶解氧传感器，其测量范围 0-50毫克/升；分辨率 0.01毫克/升；准确度 0-20毫克/升。传感器外围电路如图3所示，BNC1为传感器接口，通过运算放大器将采集的电压信号进行放大，通过调节R3,R4的比值来调节P0.0口的输出电压，使其放大到CC2430芯片

8、适宜的电压范围0-3.3V，将采集到的电压信号通过监测节点的中央处理模块A/D转换后，把数据经Zigbee无线传输协议传输到控制节点的中央处理模块，为控制节点的中央处理模块判断溶氧量是否在设定的范围之内提供依据。 该模块立足于一体化数字温度测量传感器DSl8B20构成一种链式温度测量装置，它能在芯片内完成模数转换，从传感器输出的已经是数字量，可以大大提高测量精度和抗干扰能力。DSl8B20的测温范围为-55+125，最高具有0.0625的分辨率。温度采集模块实现对鱼塘水温的实时采集，通过P0.2口将采集的数据通过监测节点的中央处理模块经Zigbee无线传输协议传输到控制节点的中央处理模块，为控

9、制核心查询此温度下的溶氧量上下限提供依据。 图3 溶解氧传感器电路和温度传感器电路3.3补氧模块 补氧模块是鱼类在鱼塘高密度养殖中正常生长的保障。其中中央处理单元2中CC2430芯片的P0.3口与控制模块输入端相连，信号与光电耦合器TPL521反相输入端相连，使中央处理单元和执行原件驱动电路在电气上完全隔离，避免了强电干扰或毁坏芯片。使用光电耦合器有效地降低了外界的干扰对系统的影响，增强了系统的稳定性9。中央处理单元2根据数据采集模块的实时监测，将当前溶氧量与预先设定的阈值比较，再经过中央处理单元2的处理，通过给P0.3口输入高低电平控制光电耦合器的导通与截止，进而控制增氧机的打开与关闭。这样

10、就可以使增氧机有目的的开关，减小了电能消耗并减少了很大的了人力。增氧机的驱动电路如下图4所示，P0.3口为低电平时，光耦导通，进而使三极管导通把LED点亮，表示该路控制的强电设备正常工作。图4 增氧机的驱动电路 3.4 用户交互模块 由于我国养鱼种类比较繁多，不同鱼类的适宜温度和所需溶氧量不相同，为了扩大系统的应用范围，本系统专门设置了用户交模块。此模块由键盘输入子模块和LCD显示子模块两部分组成。用户可在不同季节，针对不同鱼类的不同生长期，通过键盘设定其所需溶氧量。LCD显示子模块可完成溶氧量阈值的设定，还便于用户观察当前溶氧量和温度。从而更好的适应鱼类的生长。在本系统中LCD使用OCM12864。4、系统软件设计软件设计使用IAR软件平台，主要包括Zigbee协议移植、溶氧量和温度采集程序、控制子程序、显示子程序、键盘扫描子程序等。4.1 Zigbee协议移植程序在确定程序整体功能的基础上，采用IAR软件平台对监测节点、控制节点两种不同功能节点进行条件编译，从而使节点具有不同功能。控制节点选择一个信道和网络的PAN ID，组建网络，随后监测节点寻网并加入网络。整个网络组建成功后，控制节点接收监测节点传来的溶氧量和温度数据，从而判断是否开关增氧机；监测节点寻网，加入网络后将本身采集的数据转发给控制节点，同时为降