智能水產(chǎn)養(yǎng)殖系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

馬海亮 冉衛(wèi)凌 趙虎

摘 要：水產(chǎn)養(yǎng)殖需要投入大量的人力和物力，由于養(yǎng)殖的環(huán)境比較復(fù)雜，因此還存在很多安全隱患，對養(yǎng)殖戶而言極不方便?；诖?，本文就智能水產(chǎn)養(yǎng)殖系統(tǒng)進(jìn)行研究，將水產(chǎn)養(yǎng)殖與信息技術(shù)相結(jié)合，利用Cortex內(nèi)核的STM32微控制器實(shí)現(xiàn)水產(chǎn)養(yǎng)殖的自動化控制。首先就智能水產(chǎn)養(yǎng)殖系統(tǒng)的設(shè)計(jì)現(xiàn)狀進(jìn)行分析，然后根據(jù)現(xiàn)實(shí)情況，對水產(chǎn)養(yǎng)殖系統(tǒng)進(jìn)行創(chuàng)新設(shè)計(jì)，從而提高水產(chǎn)養(yǎng)殖的智能化水平。

關(guān)鍵詞：智能化系統(tǒng)；水產(chǎn)養(yǎng)殖；無線傳感器

中圖分類號：F326.4 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1004-7344（2018）21-0341-01

引 言

傳統(tǒng)水產(chǎn)養(yǎng)殖技術(shù)比較落后，養(yǎng)殖規(guī)模難以拓展，在生產(chǎn)和實(shí)踐中需要投入大量的人力資源和物力資源，導(dǎo)致水產(chǎn)養(yǎng)殖的成本較高。另外，養(yǎng)殖戶在水產(chǎn)養(yǎng)殖過程中會面臨比較復(fù)雜的生產(chǎn)環(huán)境，如果缺乏專業(yè)的養(yǎng)殖技術(shù)和豐富的養(yǎng)殖經(jīng)驗(yàn)，很容易發(fā)生危險。為了改善這一現(xiàn)狀，必須對智能化技術(shù)進(jìn)行有效結(jié)合。當(dāng)前智能化生產(chǎn)已經(jīng)成為社會發(fā)展的必然趨勢，因此探究水產(chǎn)養(yǎng)殖智能系統(tǒng)的設(shè)計(jì)是很有必要的。

1 智能水產(chǎn)養(yǎng)殖系統(tǒng)的設(shè)計(jì)概述

1.1 智能水產(chǎn)養(yǎng)殖系統(tǒng)的研究動態(tài)

近年來我國農(nóng)業(yè)技術(shù)水平不斷提升，水產(chǎn)養(yǎng)殖也逐漸拋棄落后的養(yǎng)殖模式和技術(shù)手段，向著更加智能化和自動化的方向發(fā)展。傳統(tǒng)水產(chǎn)養(yǎng)殖主要依靠人力進(jìn)行種植和生產(chǎn)，由于對勞動力的需求較大，因此投入的成本相對較高，同時也限制著水產(chǎn)養(yǎng)殖規(guī)模的擴(kuò)大。另外，傳統(tǒng)養(yǎng)殖技術(shù)雖然有可取之處，但是生產(chǎn)效率較低，無法對水域進(jìn)行系統(tǒng)控制，因此國內(nèi)外針對智能水產(chǎn)養(yǎng)殖系統(tǒng)進(jìn)行研究和設(shè)計(jì)，主要從提高經(jīng)濟(jì)效益和保護(hù)生態(tài)環(huán)境相結(jié)合的角度出發(fā)，利用Zigbee無線通訊技術(shù)實(shí)現(xiàn)水域間的智能化管理，并且為魚類生存環(huán)境進(jìn)行調(diào)節(jié)，實(shí)現(xiàn)集約化和現(xiàn)代化的科學(xué)養(yǎng)殖。

1.2 智能水產(chǎn)養(yǎng)殖系統(tǒng)的項(xiàng)目創(chuàng)新點(diǎn)

本項(xiàng)目對智能水產(chǎn)養(yǎng)殖系統(tǒng)的設(shè)計(jì)主要利用Cortex內(nèi)核的STM32微控制器實(shí)現(xiàn)水產(chǎn)養(yǎng)殖的自動化控制，利用Zigbee無線通訊技術(shù)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的傳輸和接收，利用STM32構(gòu)建水產(chǎn)養(yǎng)殖水質(zhì)監(jiān)控系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)水質(zhì)的調(diào)節(jié)和優(yōu)化，并且能夠用XBee協(xié)調(diào)器接收水產(chǎn)養(yǎng)殖的相關(guān)數(shù)據(jù)信息，從而實(shí)現(xiàn)水域的數(shù)據(jù)查詢和實(shí)時監(jiān)控，為后續(xù)的生產(chǎn)養(yǎng)殖提供可靠參考。另外，運(yùn)用于水產(chǎn)養(yǎng)殖項(xiàng)目中的水質(zhì)監(jiān)測系統(tǒng)，同樣也能夠應(yīng)用于其他領(lǐng)域的水質(zhì)監(jiān)測，從而實(shí)現(xiàn)更高的社會價值和市場價值。

2 智能水產(chǎn)養(yǎng)殖系統(tǒng)的具體設(shè)計(jì)

2.1 Zigbee無線通訊技術(shù)的可行性

Zigbee無線通訊技術(shù)是近年來興起的一種通訊技術(shù)，能夠?qū)崿F(xiàn)短距離內(nèi)數(shù)據(jù)的傳輸，但是傳輸?shù)男瘦^低，傳輸內(nèi)容也比較簡單，因此適用于周期較長的生產(chǎn)領(lǐng)域，不僅節(jié)能省電，而且操作簡便。當(dāng)系統(tǒng)處于非工作狀態(tài)時，Zigbee無線通訊技術(shù)就會促使系統(tǒng)進(jìn)入休眠狀態(tài)，當(dāng)再次激活系統(tǒng)只需要很短的時間。Zigbee無線通訊技術(shù)能夠構(gòu)建起不同形式的網(wǎng)絡(luò)，常見的網(wǎng)絡(luò)形式有樹形文網(wǎng)絡(luò)、星形網(wǎng)絡(luò)等，Zigbee無線通訊技術(shù)可以通過調(diào)節(jié)節(jié)點(diǎn)加入或減少設(shè)備，因此網(wǎng)絡(luò)形式較為靈活，可以實(shí)現(xiàn)動態(tài)的轉(zhuǎn)變。根據(jù)水產(chǎn)養(yǎng)殖的特點(diǎn)，基于Zigbee無線通訊技術(shù)選擇樹形網(wǎng)絡(luò)組合方式，將終端設(shè)備、節(jié)電設(shè)備、傳感器和路由器相連接[1]。

2.2 智能水產(chǎn)養(yǎng)殖系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

根據(jù)Zigbee無線通訊技術(shù)的樹形網(wǎng)絡(luò)組合方式，可得出智能水產(chǎn)養(yǎng)殖系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)。整個系統(tǒng)最核心的結(jié)構(gòu)為監(jiān)控中心，監(jiān)控系統(tǒng)與協(xié)調(diào)器相連接，下接承擔(dān)三個功能的路由器設(shè)備，分別為負(fù)責(zé)溫度監(jiān)測的路由器、負(fù)責(zé)光照監(jiān)測的路由器和負(fù)責(zé)pH值監(jiān)測的路由器，而在溫度、光照和pH值的路由器下分別設(shè)置采集節(jié)點(diǎn)和控制節(jié)點(diǎn)，對溫度傳感器、光照傳感器和pH傳感器相連接。智能水產(chǎn)養(yǎng)殖系統(tǒng)的設(shè)計(jì)主要從水域的監(jiān)測控制出發(fā)，對生物繁衍生產(chǎn)的環(huán)境進(jìn)行調(diào)節(jié)，根據(jù)水產(chǎn)養(yǎng)殖的特點(diǎn)，必須從水域溫度、水量位置、光照強(qiáng)度、水域氧量、空氣質(zhì)量和PH值進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，但是在系統(tǒng)設(shè)計(jì)中還必須考慮意外安全問題，例如火災(zāi)、地震的發(fā)生，因此在系統(tǒng)的節(jié)點(diǎn)利用Zigbee無線通訊技術(shù)設(shè)置報(bào)警系統(tǒng)，加強(qiáng)水產(chǎn)養(yǎng)殖的安全性和穩(wěn)定性。

2.3 智能水產(chǎn)養(yǎng)殖系統(tǒng)的控制方法

在智能水產(chǎn)養(yǎng)殖系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，溫度、光照和pH值的路由器下分別設(shè)置采集節(jié)點(diǎn)和控制節(jié)點(diǎn)，而控制節(jié)點(diǎn)下設(shè)S7200執(zhí)行機(jī)構(gòu)和EM231傳感器，由EM231傳感器對水產(chǎn)養(yǎng)殖中的水域溫度、水量位置、水域氧量和pH值進(jìn)行控制。

就水域溫度的控制而言，智能水產(chǎn)養(yǎng)殖系統(tǒng)主要利用PT100傳感器進(jìn)行水溫控制。對水域溫度的控制主要為加溫、降溫和保溫三種。根據(jù)生物對環(huán)境的要求，以自動注入熱水的方式進(jìn)行加溫，以自動增強(qiáng)對流的方式進(jìn)行降溫，以搭建大棚的形式實(shí)現(xiàn)保溫。

就水量位置的控制而言，主要采用浮球液位控制器進(jìn)行水位測量，在智能水產(chǎn)養(yǎng)殖系統(tǒng)中設(shè)置最高值和最低值，然后通過觸發(fā)電磁閥的方式對水位進(jìn)行控制，實(shí)現(xiàn)水產(chǎn)養(yǎng)殖區(qū)域內(nèi)的自動出水和進(jìn)水。

就水域含氧量的控制而言，要根據(jù)水產(chǎn)養(yǎng)殖中生物所需的標(biāo)準(zhǔn)環(huán)境條件進(jìn)行相應(yīng)的調(diào)節(jié)。對于水產(chǎn)養(yǎng)殖的魚類而言，對水域含氧量的要求必須超過4～5mg/L，由于環(huán)境的影響，水域含氧量會發(fā)生變化，智能水產(chǎn)養(yǎng)殖系統(tǒng)主要利用PID控制模塊對水域含氧量進(jìn)行檢測，從而對增氧機(jī)進(jìn)行調(diào)節(jié)。

就水域pH值的控制而言，對于水產(chǎn)養(yǎng)殖的魚類而言，對水域pH值的要求必須控制在6.8～7.5以內(nèi)，利用智能水產(chǎn)養(yǎng)殖系統(tǒng)中的PID功能模塊，可以對水域的酸堿值進(jìn)行監(jiān)控，然后調(diào)整中和劑的比例。

另外，還要通過S7200執(zhí)行機(jī)構(gòu)對水泵、電磁閥、投飼機(jī)、增氧機(jī)和波位進(jìn)行自動控制。通過葉輪增氧機(jī)旋轉(zhuǎn)攪水的方式進(jìn)行增氧，波浪越大含氧量越大；自動投飼機(jī)主要保證水產(chǎn)養(yǎng)殖的安全和經(jīng)濟(jì)，以水體為標(biāo)志進(jìn)行飼料投放，以5mg/L為標(biāo)準(zhǔn)，在超過這一標(biāo)準(zhǔn)后停止飼料投放；利用變頻調(diào)速技術(shù)控制增氧機(jī)的運(yùn)作，在降低功率的情況下避免增氧機(jī)反復(fù)啟動和停用而發(fā)生故障[2]。

3 結(jié) 論

綜上所述，針對智能水產(chǎn)養(yǎng)殖系統(tǒng)設(shè)計(jì)的探究是很有必要的。本文主要從國內(nèi)外研究現(xiàn)狀出發(fā)，在智能水產(chǎn)養(yǎng)殖系統(tǒng)的發(fā)展基礎(chǔ)上進(jìn)行創(chuàng)新設(shè)計(jì)。研究可得，智能水產(chǎn)養(yǎng)殖系統(tǒng)利用Zigbee無線通訊技術(shù)實(shí)現(xiàn)水產(chǎn)養(yǎng)殖的自動化控制，基于STM32實(shí)現(xiàn)養(yǎng)殖環(huán)境的水質(zhì)監(jiān)控，并且能夠一次查看多個水域的數(shù)據(jù)參數(shù)，實(shí)現(xiàn)全面化的系統(tǒng)控制。希望本文可以為研究智能水產(chǎn)養(yǎng)殖系統(tǒng)設(shè)計(jì)的相關(guān)人員提供參考。

項(xiàng)目基金：大學(xué)生創(chuàng)新項(xiàng)目“基于STM32與uCOS系統(tǒng)的智能水產(chǎn)養(yǎng)殖系統(tǒng)”（QJCX-2017-002）。

參考文獻(xiàn)

[1]楊金明，劉鵬航.基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的水產(chǎn)養(yǎng)殖智能管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].湖北農(nóng)業(yè)科學(xué)，2016，55（16）：4276～4279.

[2]許濤濤，陳 鋒.嵌入式水產(chǎn)養(yǎng)殖智能檢測系統(tǒng)的研究與設(shè)計(jì)[J].儀表技術(shù)，2014（09）：21～23.

收稿日期：2018-6-25

指導(dǎo)老師：趙 虎