人工養(yǎng)殖大鯢環(huán)境實時監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)

劉源 陳勇

摘 要：為了高效、準(zhǔn)確地獲取人工養(yǎng)殖大鯢生存環(huán)境信息，降低大鯢養(yǎng)殖存在的風(fēng)險與成本，確保養(yǎng)殖環(huán)境的舒適性，設(shè)計實現(xiàn)了人工養(yǎng)殖大鯢環(huán)境實時監(jiān)控系統(tǒng)。該系統(tǒng)基于Qt4.0集成開發(fā)環(huán)境，Microsoft SQL Server 2005數(shù)據(jù)庫，89C52單片機、以及ZigBee、GPRS無線網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)等集成開發(fā)。實現(xiàn)了大鯢養(yǎng)殖全自動且高效率的實時環(huán)境監(jiān)控，解決了目前人工養(yǎng)殖大鯢效率低、環(huán)境信息監(jiān)控不全面等一系列影響大鯢養(yǎng)殖產(chǎn)業(yè)化的主要問題。

關(guān)鍵詞：監(jiān)控；通信；大鯢養(yǎng)殖；ZigBee；GPRS

1 引言

隨著社會的進步，養(yǎng)殖業(yè)技術(shù)的日漸成熟，越來越多的人工養(yǎng)殖大鯢產(chǎn)業(yè)快速興起，由于大鯢的生長對環(huán)境要求十分嚴(yán)格，現(xiàn)有的水產(chǎn)養(yǎng)殖環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)，沒有與大鯢生長所需監(jiān)控環(huán)境指標(biāo)相切合的功能要求，無法滿足養(yǎng)殖大鯢對環(huán)境的全方位監(jiān)控這一需求，故各養(yǎng)殖企業(yè)在對大鯢養(yǎng)殖環(huán)境的監(jiān)測與控制上，投入了大量的人力和物力，很大程度上增加了養(yǎng)殖的成本，并且，由于人工監(jiān)控的實時性太低，不能做到連續(xù)不間斷監(jiān)控，這又給養(yǎng)殖大鯢增添了風(fēng)險。

2 系統(tǒng)總體設(shè)計方案

系統(tǒng)依靠ZigBee無線傳感網(wǎng)絡(luò)，實現(xiàn)對水環(huán)境參數(shù)和大氣環(huán)境參數(shù)的實時監(jiān)測與監(jiān)控，通過傳感器采集養(yǎng)殖環(huán)境各個詳細(xì)參數(shù)，依靠數(shù)據(jù)處理與交互系統(tǒng)實現(xiàn)整個監(jiān)控過程的匯總與反饋，將獲得的全部數(shù)據(jù)做出明確判定，利用最終的報警系統(tǒng)，將危險信息，快速反饋給用戶。實現(xiàn)了人工養(yǎng)殖大鯢高效、準(zhǔn)確養(yǎng)殖環(huán)境實時監(jiān)控。

目前工業(yè)化水產(chǎn)養(yǎng)殖網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控手段較豐富，可以采用 ZigBee、GPRS等無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，也可采用現(xiàn)場總線等有線技術(shù)。綜合技術(shù)、成本、可靠性、工程實施的緊迫性等因素，本方案選用ZigBee作為各現(xiàn)場傳感器與中央監(jiān)控系統(tǒng)之間的通信網(wǎng)絡(luò)。系統(tǒng)總體分為四個部分：人工養(yǎng)殖大鯢環(huán)境信息采集終端、數(shù)據(jù)無線傳輸設(shè)備、數(shù)據(jù)處理與交互系統(tǒng)、預(yù)警系統(tǒng)。實現(xiàn)了對養(yǎng)殖環(huán)境的溫度、濕度、含氧量、酸堿度、水位這五個直接影響大鯢生存發(fā)育的關(guān)鍵環(huán)境參數(shù)，進行實時監(jiān)測與監(jiān)控。系統(tǒng)的功能模塊圖如圖1所示。

3 系統(tǒng)設(shè)計

3.1 信息采集終端系統(tǒng)設(shè)計

信息采集終端是整個系統(tǒng)的基礎(chǔ)部分，它通過各種不同作用的傳感器，將大鯢所在的生存環(huán)境信息指標(biāo)，轉(zhuǎn)化成衡量該信息的數(shù)字指標(biāo)，并將采集到的這一信息標(biāo)注，使之成為可辨別的，帶有編號、名稱等相關(guān)信息的環(huán)境參數(shù)，最后再將處理完成的環(huán)境參數(shù)交由用于無線發(fā)送接收數(shù)據(jù)的傳送設(shè)備。

養(yǎng)殖池水環(huán)境溫度采集：收集各個養(yǎng)殖池水環(huán)境的實時溫度信息，確保養(yǎng)殖池水環(huán)境溫度保持在適宜大鯢生存發(fā)育的范圍內(nèi)。采用DHT11數(shù)字溫濕度傳感器進行溫度采集

養(yǎng)殖池外空氣濕度采集：收集養(yǎng)殖池外空氣的濕度信息，確保養(yǎng)殖池外達(dá)到一定濕度。同樣采用DHT11數(shù)字溫濕度傳感器進行采集。

養(yǎng)殖池水環(huán)境氧含量采集：收集各個養(yǎng)殖池水環(huán)境中氧含量的實時變化信息，確保養(yǎng)殖池水環(huán)境內(nèi)氧含量保持在一定范圍內(nèi)。氧含量采集采用的是電化學(xué)氧氣傳感器。

養(yǎng)殖池水環(huán)境酸堿度采集：收集各個養(yǎng)殖池水環(huán)境的PH情況，給養(yǎng)殖大鯢一個安全的生長環(huán)境。這里采用E-201型PH復(fù)合電極進行數(shù)據(jù)采集。

養(yǎng)殖池水位采集：實時監(jiān)測各個養(yǎng)殖池水位情況，給養(yǎng)殖大鯢提供一個舒適的環(huán)境。這里采用投入式水位傳感器。

3.2 數(shù)據(jù)無線傳輸模塊設(shè)計

通過對現(xiàn)有的無線傳輸設(shè)備的了解，對不同傳輸方式的優(yōu)缺點進行了比較，根據(jù)人工養(yǎng)殖大鯢的環(huán)境特點，決定采用基于ZigBee的無線網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)。

ZigBee技術(shù)組成的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)簡單、體積小、成本低，且傳速速率完全能夠達(dá)到實際需求。從采集終端接收到數(shù)據(jù)后，立即通過無線設(shè)備將數(shù)據(jù)發(fā)出，由遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)處理與交互系統(tǒng)統(tǒng)一接收處理。

3.3 數(shù)據(jù)處理與交互系統(tǒng)設(shè)計

數(shù)據(jù)處理與交互系統(tǒng)模塊基于Windows開發(fā)平臺，采用Qt4.0集成開發(fā)環(huán)境，C/S體系結(jié)構(gòu)設(shè)計開發(fā)的用于接收、處理數(shù)據(jù)、實時顯示人工養(yǎng)殖大鯢生存環(huán)境參數(shù)變化軌跡、記錄各項歷史數(shù)據(jù)，集數(shù)據(jù)處理與用戶交互為一體的綜合服務(wù)系統(tǒng)。該系統(tǒng)是整個系統(tǒng)的大腦，它指揮支配著整個系統(tǒng)各部分的運作，同時也是整個系統(tǒng)實現(xiàn)方便、快捷檢測大鯢生存環(huán)境的最終部分，通過數(shù)據(jù)處理與交互系統(tǒng)，用戶就可以免去不必要的人力，且快速有效的得知目前大鯢所處環(huán)境的詳細(xì)參數(shù)。

基于前面的環(huán)境信息采集終端與無線數(shù)據(jù)傳輸模塊，數(shù)據(jù)處理與交互系統(tǒng)完成對大鯢生長環(huán)境相關(guān)參數(shù)的接收，處理，存儲工作。

影響大鯢生存發(fā)育的環(huán)境參數(shù)范圍設(shè)置大致如下：

溫度：大鯢生長發(fā)育最佳水溫為16～23℃，在實際生產(chǎn)中，根據(jù)生產(chǎn)季節(jié)變換，利用溫度傳感器采集技術(shù)，實時監(jiān)控水溫。以便用戶將水溫控制在16～23℃之間，有利于大鯢的生長發(fā)育，從而提高生長速度，縮短養(yǎng)殖周期。

濕度：有利于大鯢生長的空氣濕度應(yīng)保持在0.45RH左右。

含氧量：水中氧含量應(yīng)保持在10PPB左右。

酸堿度：應(yīng)經(jīng)常保持大鯢池內(nèi)水質(zhì)清爽無污染，利用酸堿傳感器監(jiān)控PH值，確保PH值保持在6.8～8.2間

水位：根據(jù)大鯢成長的不同階段，控制合適的水位，有助于提高大鯢生活環(huán)境的舒適性。

實際運作效果圖如圖2所示。

3.4 預(yù)警系統(tǒng)設(shè)計

預(yù)警系統(tǒng)實際上是通過GPRS網(wǎng)絡(luò)通信，將系統(tǒng)采集分析獲得的危險信息，以短信的形式發(fā)送給用戶指定的手機號碼，實現(xiàn)警報功能。

4 養(yǎng)殖環(huán)境參數(shù)采集測試

通過各不同功能的傳感器，分別實時采集養(yǎng)殖環(huán)境的水環(huán)境溫度，空氣濕度，水環(huán)境含氧量，水環(huán)境酸堿度，水位5個直接影響大鯢生存發(fā)育的環(huán)境參數(shù)。再經(jīng)過無線數(shù)據(jù)傳輸模塊，將數(shù)據(jù)實時反饋至數(shù)據(jù)處理與交互系統(tǒng)。測試如圖3所示。

人工養(yǎng)殖大鯢環(huán)境實時監(jiān)控系統(tǒng)采集到的1號養(yǎng)殖池：1）水環(huán)境溫度；2）空氣濕度；3）水環(huán)境酸堿度；4）水環(huán)境含氧量；5）水位。

5 結(jié)束語

本文利用嵌入式技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)為核心技術(shù)。實現(xiàn)遠(yuǎn)程對大鯢養(yǎng)殖池的溫度、濕度、含氧量、PH值和水位等信息的實時監(jiān)控功能。提高養(yǎng)殖行業(yè)的信息化程度。

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