基于物聯(lián)網(wǎng)的魚塘智能化養(yǎng)殖系統(tǒng)

基于物聯(lián)網(wǎng)的魚塘智能化養(yǎng)殖系統(tǒng)摘要針對現(xiàn)在我國水產(chǎn)養(yǎng)殖規(guī)模越來越大，種類越來越豐富，傳統(tǒng)養(yǎng)殖方式已不能滿足規(guī)定的現(xiàn)狀，國家的戰(zhàn)略規(guī)定，將智能農(nóng)業(yè)推向了風口，“互聯(lián)網(wǎng)+”必將帶動農(nóng)業(yè)的升級。本作品將物聯(lián)網(wǎng)技術相結合應用到水產(chǎn)養(yǎng)殖領域，設計了魚塘養(yǎng)殖智能化系統(tǒng)的架構及應用實施方案。系統(tǒng)分為現(xiàn)場管理單元、遠程管理單元云平臺三個部分。根據(jù)魚塘養(yǎng)殖基本流程，對水產(chǎn)品養(yǎng)殖環(huán)節(jié)的生長環(huán)境進行分析，總結影響水產(chǎn)品生長的環(huán)境因素并擬定出進行水產(chǎn)品高密度養(yǎng)殖的最佳環(huán)境，從而實現(xiàn)環(huán)境資源的充足運用。核心詞：物聯(lián)網(wǎng)、智能化魚塘、CC3200

目錄TOC摘要 II一、概述 31.1設計背景 31.2所涉技術發(fā)呈現(xiàn)狀 31.2.1國內(nèi)外技術發(fā)展 31.2.2存在的技術問題 41.3創(chuàng)新點 51.3.1重要解決的問題 51.3.2設計內(nèi)容介紹 5二、系統(tǒng)的總體方案和功效設計 6系統(tǒng)的總體方案和功效 7三、系統(tǒng)的硬件設計 93.1傳感器節(jié)點的設計 93.2控制節(jié)點設計與實現(xiàn) 93.3現(xiàn)場監(jiān)控中心設計 10四、系統(tǒng)軟件設計 124.1節(jié)點的軟件功效設計 124.2路由器的軟件功效設計 13五、總結 14一、概述設計背景農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)是一種新興農(nóng)業(yè)信息化技術，其體系架構分為顧客層、應用層、傳輸層、感知層和對象層5個層次，其技術可用于實現(xiàn)農(nóng)產(chǎn)品安全溯源、精確化農(nóng)業(yè)生產(chǎn)管理、遠程及自動化農(nóng)業(yè)生產(chǎn)管理和農(nóng)產(chǎn)品智能儲運。農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)含有提高生產(chǎn)效率、減少循環(huán)流轉(zhuǎn)成本、節(jié)省能源資源、提高農(nóng)產(chǎn)品附加值、推動農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)設備和軟件產(chǎn)業(yè)發(fā)展、保護生態(tài)環(huán)境、保障食品安全、平衡產(chǎn)業(yè)構造及解放人員“在場”等社會經(jīng)濟效益。水產(chǎn)養(yǎng)殖產(chǎn)業(yè)的發(fā)展對我國漁業(yè)構造調(diào)節(jié)有著重要的意義，重要體現(xiàn)在漁民有效地使用養(yǎng)殖水域，收入提高，城鄉(xiāng)居民生活質(zhì)量的改善。設施漁業(yè)代表著水產(chǎn)養(yǎng)殖業(yè)的最高水平，也是漁業(yè)當代化的必然產(chǎn)物，含有穩(wěn)產(chǎn)、高產(chǎn)、品質(zhì)好、耗水少等優(yōu)點，能有效檢測與控制養(yǎng)殖水中的多個環(huán)境參數(shù)，建立適于魚類生長的最佳環(huán)境。現(xiàn)在國內(nèi)外學者通過水產(chǎn)品生長營養(yǎng)需求的分析和研究，己得到了諸多水產(chǎn)品營養(yǎng)需求的數(shù)據(jù)。不同的魚類對水場溫度、氧容量等要素也都有它自己嚴格的規(guī)定。如果沒有進行綜合技術的開發(fā)運用，以致水溫不穩(wěn)，影響?zhàn)B殖魚類的生育和設施漁業(yè)的高產(chǎn)高效;另外水體溶解氧檢測不到位影響魚類同化作用的進行，造成水體危害，減少了經(jīng)濟效益。水產(chǎn)養(yǎng)殖的智能化非常重要。國家的戰(zhàn)略規(guī)定，將智能農(nóng)業(yè)推向了風口，“互聯(lián)網(wǎng)+”必將帶動農(nóng)業(yè)的智能化升級。所涉技術發(fā)呈現(xiàn)狀國內(nèi)外技術發(fā)展丹麥、日本等某些水產(chǎn)養(yǎng)殖業(yè)較為發(fā)達的國家，己實現(xiàn)對養(yǎng)殖水體中的溫度、pH值、氨氮、COD、BOD等多項含有重要意義的水質(zhì)參數(shù)進行在線檢測，以計算機技術、控制技術、通信技術、為基礎，通過某種通信網(wǎng)絡將分布在目的現(xiàn)場的智能設備和控制中心連接起來，以實現(xiàn)對現(xiàn)場設備分散控制和集中管理的一種先進控制方式。國外的發(fā)展的趨勢是在計算機中研究魚類生長的外界影響因素，重要是水體的溶氧、溫度可視化建模，離應用尚有一定的距離。事實上，將科學理論基礎與多個建模辦法集成，并有機地將環(huán)境狀況與生態(tài)生理兩個模型結合生長機理模型是建模研究的重要內(nèi)容。水體環(huán)境控制的執(zhí)行機構如何協(xié)調(diào)動作，使調(diào)控的環(huán)境滿足魚類生長需求，現(xiàn)在依靠的僅是經(jīng)驗。這是制約工廠化漁業(yè)發(fā)展的共性問題之一;復雜性的另一種問題是環(huán)境作用的對象是有生命的，它的生長機理或功效模型存在著許多未建模的動態(tài)信息，基于該模型提供的信息，作為控制系統(tǒng)的給定值是制約工廠化漁業(yè)發(fā)展的共性問題之二;另一種復雜性體現(xiàn)在現(xiàn)在的調(diào)控手段并沒有完全與水體的生產(chǎn)經(jīng)濟效益聯(lián)系起來，缺少一種智能決策支持系統(tǒng)，這是現(xiàn)在設施漁業(yè)，特別是示范經(jīng)濟效益不好的重要因素之一，是制約工廠化農(nóng)業(yè)發(fā)展的共性問題之三。從整體上看，西方經(jīng)濟發(fā)達國家水產(chǎn)養(yǎng)殖業(yè)已簽本實現(xiàn)了水產(chǎn)養(yǎng)殖機械化、水產(chǎn)養(yǎng)殖品種良種化、水產(chǎn)養(yǎng)殖管理自動化、水產(chǎn)養(yǎng)航經(jīng)背符理專業(yè)化、水產(chǎn)養(yǎng)殖產(chǎn)品市場營銷信息化。這標志著這些國家水產(chǎn)養(yǎng)殖業(yè)生產(chǎn)和裝備的當代化水平相稱高，如果不加緊水產(chǎn)科技當代化的步伐，就有可能落后世界水產(chǎn)科技進步的進程。存在的技術問題工廠化養(yǎng)殖大多采用循環(huán)流水方式進行，水體通過沉淀和過濾等解決，又流入養(yǎng)魚池繼續(xù)使用。如何對流水水體的多個成分進行有效的控制，是一種難點。由于實際的水體解決不好，水體含有諸多復雜的成分，造成水中殘館、糞便增多，引發(fā)溶氧下降、氨氮升高，造成魚池水環(huán)境污染，使魚發(fā)生疾病甚至引發(fā)死亡。日照時間縮短是溫室內(nèi)水產(chǎn)養(yǎng)殖的又一大問題。如何在光照條件下，最大程度有效地運用日光能量，為魚類發(fā)明良好的生長環(huán)境，是以前研究的一種重點?，F(xiàn)在，絕大多數(shù)水產(chǎn)養(yǎng)殖溫室是鋼架構筑的，并且還安裝有不同的設備，同時在內(nèi)部還建有磚混構造的水池。全部這些都是陽光的遮蔽物，均可明顯縮短日照長度并使得透光性能變差，影響水產(chǎn)養(yǎng)殖物的正常生長和發(fā)育。設施漁業(yè)是高效益、高技術、高投入、高風險的產(chǎn)業(yè)?，F(xiàn)在，由于我國設施漁業(yè)生產(chǎn)過程中環(huán)境管理水平還比較低，基本上沒有同水產(chǎn)養(yǎng)殖的生產(chǎn)效益聯(lián)系起來，加之水產(chǎn)養(yǎng)殖構造調(diào)節(jié)不夠、市場行情把握不好，因而形成了設施漁業(yè)不景氣的現(xiàn)象。創(chuàng)新點重要解決的問題1、實現(xiàn)養(yǎng)殖生產(chǎn)自動化，初步設計的軟、硬件系統(tǒng)，對養(yǎng)殖水體進行水溫、溶氧、酸堿度、氣溫等參數(shù)進行在線自動監(jiān)測，精確地為科學管理提供技術參數(shù)，對提高集約化養(yǎng)殖程度。2、運用TI公司的CC3200構造了智能魚塘的模型的環(huán)境模型，系統(tǒng)可定制方便擴充，可為智能化魚塘養(yǎng)殖業(yè)提供較好的技術方案，也便于推廣。設計內(nèi)容介紹本作品重要目的是實現(xiàn)魚塘養(yǎng)殖場的智能化，可分為現(xiàn)場管理單元和遠程管理單元兩部分?，F(xiàn)場管理單元，或稱為無線傳感器網(wǎng)絡單元(WSN)，位于系統(tǒng)構造的下層，重要實現(xiàn)通過對養(yǎng)殖現(xiàn)場的水質(zhì)參數(shù)進行監(jiān)測與控制的功效，并通過WiFi傳至魚塘監(jiān)控中心，以供遠程客戶使用。現(xiàn)場管理單元需要硬件與軟件配合實現(xiàn)其功效。遠程管理單元位于系統(tǒng)構造的上層，重要實現(xiàn)下層上傳數(shù)據(jù)的綜合分析與解決和養(yǎng)殖專家支持系統(tǒng)兩種功效。遠程管理單元重要依靠軟件系統(tǒng)實現(xiàn)其功效。3、通過將全部數(shù)據(jù)上傳到中央計算機進行數(shù)據(jù)解決分析（云計算），從而實現(xiàn)對養(yǎng)殖環(huán)境、飼料質(zhì)量與養(yǎng)殖效果、養(yǎng)殖魚體健康的監(jiān)測，喂養(yǎng)投喂量、需求量預測、質(zhì)量的判斷，養(yǎng)殖水域環(huán)境質(zhì)量狀態(tài)、技術對策等。二、系統(tǒng)的總體方案和功效設計系統(tǒng)的總體方案和功效本作品把魚塘環(huán)境因子的狀況送到控制中心，由控制中心根據(jù)其具體狀況進行解決，WSN技術應用于水產(chǎn)養(yǎng)殖的遠程監(jiān)控中，在生產(chǎn)現(xiàn)場構建一種小型無線數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡。系統(tǒng)重要構成部分涉及:溶解氧傳感器、溶解氧變送器、圖像采集系統(tǒng)、信號轉(zhuǎn)換單元、CC3200、人機界面、控制電路以及同計算機的通信接口等。系統(tǒng)方案如圖1所示，本系統(tǒng)采用分散監(jiān)控、集中操作、分級管理的辦法，硬件架構重要涉及3部分:信息采集模塊、解決模塊、輸出及控制模塊。圖1基于物聯(lián)網(wǎng)的水產(chǎn)養(yǎng)殖智能化監(jiān)控系統(tǒng)硬件架構圖物聯(lián)網(wǎng)智能化養(yǎng)殖監(jiān)控系統(tǒng)重要有水質(zhì)監(jiān)測、環(huán)境監(jiān)測、視頻監(jiān)測、遠程控制、閉環(huán)控制等功效，該系統(tǒng)綜合運用電子技術、傳感器技術、計算機與網(wǎng)絡通信技術，實現(xiàn)對水產(chǎn)養(yǎng)殖各階段的水溫、pH值和溶氧量等各項基本參數(shù)進行實時監(jiān)測與預警，一旦發(fā)現(xiàn)問題，能及時自動解決。通過某些控制方法來調(diào)節(jié)水產(chǎn)養(yǎng)殖的溶解氧、溫度、pH值和水位等養(yǎng)殖水質(zhì)的環(huán)境因子，同時根據(jù)水產(chǎn)品不同生長階段的需求制訂出測控原則，通過對水產(chǎn)養(yǎng)殖環(huán)境的實時檢測，將測得參數(shù)和系統(tǒng)設定的原則參數(shù)進行比較后自動調(diào)節(jié)水產(chǎn)養(yǎng)殖生態(tài)環(huán)境各控制設備的狀態(tài)，以使各項環(huán)境因子符合既定規(guī)定。系統(tǒng)綜合運用物聯(lián)網(wǎng)傳感技術、智能解決技術及智能控制技術，集數(shù)據(jù)、圖像實時采集、無線傳輸、智能解決和預測預警信息公布、輔助決策等功效于一體，實現(xiàn)現(xiàn)場及遠程系統(tǒng)數(shù)據(jù)獲取和設備控制。通過遠程控制輸氧設備及時補充水中的氧氣，啟動供氧調(diào)節(jié)裝置等，從而實現(xiàn)對水產(chǎn)品生長環(huán)境因子的實時監(jiān)控依靠無線網(wǎng)絡進行數(shù)據(jù)傳輸，將檢測數(shù)據(jù)實時傳送到中央解決系統(tǒng)進行解決，中央解決系統(tǒng)再將分析成果發(fā)送到控制中心，控制中心則根據(jù)多個信息進行全局事務的控制養(yǎng)殖戶能夠通過手機或Web頁面實時理解養(yǎng)殖池內(nèi)各項參數(shù)和啟閉設備，真正實現(xiàn)水產(chǎn)養(yǎng)殖技術的信息化、傳感化，使水產(chǎn)品在最適宜的環(huán)境下生長，達成智能、節(jié)能和增產(chǎn)的目的。水產(chǎn)品在養(yǎng)殖過程中的環(huán)境因子如pH值和溶氧量等數(shù)據(jù)流，采集進入信息采集模塊并做進一步解決后通過網(wǎng)絡通信模塊傳送到中心控制系統(tǒng)，以形成優(yōu)化控制的方略，然后現(xiàn)場監(jiān)控中心或者遠程控制中心進行智能控制或者下達命令讓現(xiàn)場人員進行人工控制，進而對下一時刻的環(huán)境因子數(shù)據(jù)流進行調(diào)控。養(yǎng)殖魚塘系統(tǒng)功效設計如圖2所示，除基本的節(jié)點及控制通信單元，本作品還通過將全部數(shù)據(jù)上傳到中央計算機進行數(shù)據(jù)解決分析（云計算），從而實現(xiàn)對飼料質(zhì)量與養(yǎng)殖效果、養(yǎng)殖魚體健康、養(yǎng)殖產(chǎn)量等的預測，喂養(yǎng)投喂量、需求量預測、質(zhì)量的判斷，養(yǎng)殖水域環(huán)境質(zhì)量狀態(tài)、技術對策等。養(yǎng)殖魚塘養(yǎng)殖的魚養(yǎng)殖的飼料養(yǎng)殖的水體養(yǎng)殖的魚養(yǎng)殖的飼料養(yǎng)殖的水體PH值溫度溶解氧投餌機PH值溫度溶解氧投餌機光照網(wǎng)絡攝像頭光照網(wǎng)絡攝像頭視屏監(jiān)控繼電器傳感器探頭視屏監(jiān)控繼電器傳感器探頭增氧機數(shù)據(jù)分析增氧機數(shù)據(jù)分析光照監(jiān)控中心光照監(jiān)控中心水體P水體Ph值調(diào)節(jié)圖2魚塘智能化養(yǎng)殖功效框圖三、系統(tǒng)的硬件設計現(xiàn)場管理單元重要由:傳感器節(jié)點、路由節(jié)點、協(xié)調(diào)器、控制節(jié)點以及現(xiàn)場管理中心計算機等設備構成。遠程管理系統(tǒng)重要采用客戶機/服務器(C/S模式)和瀏覽器/服務器(B/S模式)實現(xiàn)數(shù)據(jù)的傳輸與共享。3.1傳感器節(jié)點的設計傳感器節(jié)點是無線傳感器網(wǎng)絡的基本元素，其重要實現(xiàn)采集現(xiàn)場數(shù)據(jù)，并進行數(shù)據(jù)通信的功效。系統(tǒng)傳感器節(jié)點構造如圖3所示。多個傳感器如溫度傳感器、溶氧傳感器、pH傳感器等，將采集到的模擬數(shù)據(jù)通過調(diào)理電路進行去干擾和整定，然后通過CC3200芯片的通用I/O口送入芯片內(nèi)部集成的A/D轉(zhuǎn)換器，然后將得到的數(shù)字信號送入芯片解決器進行解決，最后數(shù)據(jù)被送入CC3200芯片的WiFi無線單元，該單元含有在WiFi網(wǎng)絡內(nèi)進行數(shù)據(jù)的發(fā)送與接受。傳感器節(jié)點由電池或太陽能提供能量，由CC3200作為核心單元，放置于傳感器節(jié)點柜內(nèi)部，并固定于池中，多個傳感器放置于養(yǎng)殖池水體中，通過集成于內(nèi)部的無線單元實現(xiàn)數(shù)據(jù)交換。CC3200模塊無線單元MCUCC3200模塊無線單元MCU儲存器A/D轉(zhuǎn)換A/D轉(zhuǎn)換電流電壓轉(zhuǎn)換器電流電壓轉(zhuǎn)換器傳感器模塊傳感器模塊溫度光照溶解氧P溫度光照溶解氧Ph值圖3傳感器節(jié)點構造3.2控制節(jié)點設計與實現(xiàn)控制節(jié)點被安裝位于靠近養(yǎng)殖現(xiàn)場的位置，通過無線網(wǎng)絡與協(xié)調(diào)器連接，其功效重要用來控制調(diào)節(jié)養(yǎng)殖池中溶解氧、pH值和水溫等重要的水質(zhì)因子。控制節(jié)點根據(jù)上位機的軟件發(fā)送來的控制命令和控制參數(shù)，控制電磁閥和增氧機的運行?？刂乒?jié)點由控制模塊和執(zhí)行模塊兩部分構成，控制節(jié)點面對執(zhí)行模塊，用于對一種或若干個養(yǎng)殖池進行對應的動作，由一塊CC3200作為節(jié)點的解決中心，負責接受現(xiàn)場管理中心監(jiān)控計算機發(fā)送過來的控制信號，并驅(qū)動執(zhí)行模塊動作?？刂颇K液晶顯示鍵盤控制模塊液晶顯示鍵盤cc3200cc3200D/A轉(zhuǎn)換光電隔離D/A轉(zhuǎn)換光電隔離執(zhí)行模塊繼電器執(zhí)行模塊繼電器變頻器變頻器執(zhí)行機構執(zhí)行機構增氧機增氧機進水閘出水閘水泵進水閘出水閘水泵圖5控制節(jié)點構造圖3.3現(xiàn)場監(jiān)控中心設計網(wǎng)絡攝像頭和監(jiān)控系統(tǒng)軟件含有實時監(jiān)控、歷史數(shù)據(jù)、系統(tǒng)配備、協(xié)助四大功效構成，如圖6所示。圖6監(jiān)控軟件構造圖四、系統(tǒng)軟件設計智能化監(jiān)控系統(tǒng)的軟件設計以可靠性、安全性為基本原則，以模塊化、可擴展升級為指導來進行設計。軟件設計重要包含節(jié)點的軟件設計和PC機監(jiān)控系統(tǒng)的軟件設計。4.1節(jié)點的軟件功效設計節(jié)點的軟件功效設計分為傳感器節(jié)點通信部分和傳感器節(jié)點采集功效，此部分軟件實現(xiàn)了傳感器節(jié)點的組網(wǎng)與數(shù)據(jù)傳輸工作，如圖7和圖8所示。開始開始系統(tǒng)初始化 N系統(tǒng)初始化超出20次超出20次Y加入網(wǎng)絡定時蘇醒加入網(wǎng)絡定時蘇醒 N Y出錯報警休眠，關閉合同棧休眠指令 Y出錯報警休眠，關閉合同棧休眠指令 N接受簇頭命令接受簇頭命令接受傳感器數(shù)據(jù)接受傳感器數(shù)據(jù)向簇頭發(fā)送數(shù)據(jù)向簇頭發(fā)送數(shù)據(jù)圖7傳感器節(jié)點網(wǎng)絡軟件流程圖開始開始系統(tǒng)初始化系統(tǒng)初始化發(fā)送采集命令發(fā)送采集命令 傳感器自動 N傳感器自動 Y 傳感器自動 N傳感器自動 N 數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換完畢數(shù)