CN102426441B - 面向水产养殖的智能化补氧系统 - Google Patents
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Abstract
面向水产养殖的智能化补氧系统，包括数据监测节点和数据控制节点，数据监测节点由第一中央处理单元和数据采集模块组成，数据采集模块包括溶解氧传感器和温度传感器，溶解氧传感器和温度传感器的输出连接第一中央处理单元的数据输入端；数据控制节点由第二中央处理单元、补氧模块和用户交互模块组成，第二中央处理单元接收第一中央处理单元发送的数据，其输出连接增氧机驱动电路来控制增氧机，增氧机驱动电路和增氧机组成补氧模块，第二中央处理单元运行反馈控制算法，可根据实时采集信息和不同温度下溶氧量合理范围，驱动增氧机实现自动溶氧量调节；本发明支持无线传输、实时监测、自动增氧等功能，成本低、操作简单、应用范围。
Description
技术领域
本发明属于农业现代化领域，涉及对水产养殖环境的改善，具体涉及一种面向水产养殖的智能化补氧系统。
背景技术
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。我国养殖的几种主要鱼类，在成鱼阶段可允许的溶氧量为3mg/L以上。当溶氧降低到2mg/L以下时，就会发生轻度浮头；降到0.8-0.6mg/L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0.5-0.3mg/L时，鱼就会窒息而死。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。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。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，但是由于该系统未考虑不同温度下的溶氧量差异性，以及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。
发明内容
为了克服上述现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种面向水产养殖的智能化补氧系统，支持无线传输、实时监测、自动增氧等功能，具有成本低、操作简单、应用范围广的优点。
为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：
面向水产养殖的智能化补氧系统，包括数据监测节点和数据控制节点，
所述数据监测节点由第一中央处理单元11和数据采集模块12组成，数据采集模块12包括溶解氧传感器121，溶解氧传感器121的输出连接第一中央处理单元11的数据输入端；
所述数据控制节点由第二中央处理单元21、补氧模块22和用户交互模块23组成，第二中央处理单元21接收第一中央处理单元11发送的溶氧量数据信息，第二中央处理单元21的输出驱动连接增氧机驱动电路221，增氧机驱动电路221的输出连接增氧机222，增氧机驱动电路221和增氧机222组成补氧模块22，第二中央处理单元21的数据输出端连接用户交互模块23，所述用户交互模块23由显示屏和输入键盘组成。
所述数据采集模块12还可以包括温度传感器122，温度传感器122的输出连接第一中央处理单元11的数据输入端，温度传感器可选用一体化数字温度测量传感器DS18B20，为查询此温度下的溶解氧量上下限提供依据。
所述第一中央处理单元11和第二中央处理单元21都为TI公司的射频集成电路芯片CC2430，其射频端口都分别连接天线，第一中央处理单元11的P0.0和P0.2口为数据采集模块12的数据输入端口，第一中央处理单元11通过芯片自带的射频端口发送溶氧量数据信息，第二中央处理单元21通过芯片自带的射频端口发送接收第一中央处理单元11发送的数据。
所述溶解氧传感器121为ROX光学溶解氧传感器，其传感器接口BNC1连接运算放大器U5的正输入端，运算放大器U5的负输入端通过反馈电阻R3连接到输出端，运算放大器U5的负输入端还通过差模输入电阻R4接地，运算放大器U5的输出端连接到第一中央处理单元11的P0.0端口。
所述的增氧机驱动电路221包括光耦U7和固态继电器U6，光耦U7的阴极连接第二中央处理单元21的P0.3端口，发射极通过第十电阻R10连接到第一三极管Q1的基极，光耦U7的集电极通过第六电阻R6连接固态继电器U6的正输入端，光耦U7的集电极还连接第七电阻R7，第七电阻R7的另一端连接发光二极管DS3的阳极，发光二极管DS3的阴极连接到固态继电器U6的负输入端和第一三极管Q1的集电极，固态继电器U6的两个输出端接给增氧机222供电的220V交流电信号。
第一中央处理单元11的射频端口连接天线，第二中央处理单元21的射频端口连接天线，以保证信号的无线传输。
所述第二中央处理单元21根据设定的不同鱼类不同温度下的溶氧量需求范围，先将接收到的温度与原始设定温度对比，然后在对应的温度范围内将接收到的溶解氧数据与原始设定溶氧量需求范围对比，如果接收到的溶解氧数据在原始设定溶氧量需求范围内或者大于原始设定溶氧量需求范围的最大值，则控制端输出信号保持增氧机222关闭，如果接收到的溶解氧数据小于原始设定溶氧量需求范围的最小值，则控制端输出信号通过增氧机驱动电路221打开增氧机222进行补氧。
本发明与现有技术相比，具有以下优点：
1)本发明采用无线传输方式实现水体实时监测、自动增氧，克服了传统有线补氧设备布线复杂、维护困难等缺点。
2)本发明采用基于ZigBee的无线传输协议，具有无线通信技术中最低功耗、最低成本等优点。
3)本发明实现的补氧方法与系统，具有测量位置灵活，数据实时性高、可靠性强等优势。
4)本发明成本低廉、操作简单，维护方便，迎合了我国水产养殖以中小型企业和个人为主的生产现状。
附图说明
图1是本发明系统的整体框图。
图2是本发明采用射频集成电路芯片CC2430第一中央处理单元的外围电路图。
图3是本发明溶解氧传感器的外围电路。
图4是本发明增氧机驱动电路原理图。
图5是本发明的数据监测节点工作流程图。
图6是本发明的数据控制子程序流程图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步详细说明。
如图1所示，本发明为面向水产养殖的智能化补氧系统，包括数据监测节点和数据控制节点，
所述数据监测节点由第一中央处理单元11和数据采集模块12组成，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，因此数据采集模块12包括溶解氧传感器121和温度传感器122，温度传感器122的输出和溶解氧传感器121的输出都分别连接第一中央处理单元11的数据输入端，溶解氧传感器121选用ROX光学溶解氧传感器，温度传感器122选用一体化数字温度测量传感器DSl8B20，DSl8B20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；
所述数据控制节点由第二中央处理单元21、补氧模块22和用户交互模块23组成，第二中央处理单元21接收第一中央处理单元11发送的溶氧量数据信息，第二中央处理单元21的输出驱动连接增氧机驱动电路221，增氧机驱动电路221的输出连接增氧机222，增氧机驱动电路221和增氧机222组成补氧模块22，第二中央处理单元21的数据输出端连接用户交互模块23，所述用户交互模块23由显示屏和输入键盘组成。
如图2所示，为第一中央处理单元11的外围电路图，其为各部分电路提供电压的引脚按照手册连接，其中，复位引脚通过第十三电阻R13连接到电源，AVDD1～AVDD12连接到一起，同时与RREG_OUT引脚连接，RREG_OUT引脚通过多个并联的电容接地，RBISA1引脚通过偏置电阻R14接地，RBISA2引脚通过精确电阻R15接地，XOSC_Q2引脚和XOSC_Q1引脚之间连接第二晶振X2，XOSC_Q2引脚和XOSC_Q1引脚还各自通过电容接地，P2.4/XOSC_Q2引脚和P2.4/XOSC_Q1引脚之间连接第一晶振X1，P2.4/XOSC_Q2引脚和P2.4/XOSC_Q1引脚还各自通过电容接地，RF_N引脚通过第一电感L1连接第六电容C6，第六电容C6的另一端连接发射天线，TXRX_SWITCH引脚与RF_N引脚之间连接有第三电感L3，RF_P引脚与RF_N引脚之间连接有第二电感L2，第三电感L3同时还接在RF_P引脚与TXRX_SWITCH引脚之间。
第二中央处理单元21的外围电路与第一中央处理单元11的外围电路基本相同，增加了与用户交互模块23的连接，天线的连接方式相同，作用转为接收。
如图3所示，为本发明的溶解氧传感器121的外围电路，溶解氧传感器121选择ROX光学溶解氧传感器，其传感器接口BNC1通过第五电阻R5连接运算放大器U5的正输入端，运算放大器U5的负输入端通过反馈电阻R3连接到输出端，运算放大器U5的负输入端还通过差模输入电阻R4接地，运算放大器U5的输出端连接到第一中央处理单元11的P0.0端口，运算放大器U5的输出端还连接第四二极管D4的阳极和第五二极管的阴极，第四二极管D4的阴极正电源，第五二极管的阳极接地。通过运算放大器U5将采集的电压信号进行放大，通过调节反馈电阻R3和差模输入电阻R4的比值来调节P0.0口的输出电压，使其放大到CC2430芯片适宜的电压范围内，将采集到的电压信号通过第一中央处理单元11经ZigBee无线传输协议传输到第二中央处理单元21中，为第二中央处理单元21判断溶氧量是否在设定的范围之内提供依据。
如图4所示，为本发明增氧机驱动电路原理图，光耦U7的阴极连接第二中央处理单元21的P0.3端口，阳极通过第九电阻R9连接正电源，发射极通过第十电阻R10连接到第一三极管Q1的基极，光耦U7的集电极通过第六电阻R6连接固态继电器U6的正输入端，光耦U7的集电极还连接第七电阻R7，第七电阻R7的另一端连接发光二极管DS3的阳极，发光二极管DS3的阴极连接到固态继电器U6的负输入端和第一三极管Q1的集电极，固态继电器U6的两个输出端接给增氧机222供电的220V交流电信号。
第二中央处理单元21根据接收到的实时监测数据，将当前溶解氧量与预先设定的阈值比较，若接收数据低于所设下限阈值，第二中央处理单元21将P0.3口置于低电平，使光耦U7导通，进而使固态继电器U6导通打开增氧机222；当接收的数据在所设阈值范围之内时，补氧模块22不工作；当补氧模块22工作时，直到监测的数据达到所设阈值的上限，第二中央处理单元21才将P0.3口置于高电平，使光耦U7截至，进而使固态继电器U6断开关闭增氧机222。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，这样就可以使增氧机222有目的的开关，减小了电能消耗并减少了很大的了人力。补氧模块中不限定增氧机的型号，可控制220V和380V交流电增氧机。
同时，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23，与第二中央处理单元21的数据输出端连接，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。
如图5所示，为本发明的数据监测节点工作流程图，开机后将关闭所有中断使能，然后检查电源工作，进行ZigBee协议栈和全部硬件的初始化，然后开启所有中断使能，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，随后监测节点寻找并加入网络。整个网络组建成功后，控制节点接收监测节点传来的传感器数据，即溶氧量和温度数据，并判断是否在该温度下的溶氧量上下限阈值内，进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，同时为降低功耗，监测节点在不发送数据时进入休眠程序，休眠时间设为10分钟。
如图6所示，是本发明的数据控制子程序流程图，控制节点在组网成功后接收从监测节点传输的数据并传送至控制节点的第二中央处理单元21中，供控制子程序判断当前温度下溶氧量是否低于设定的阈值并进行处理。控制节点启动后首先进行系统初始化然后进入主菜单，并接收当前采集的溶解氧量和温度数据，根据用户选择通过显示子程序可显示当前的溶氧量和温度数值，可设定溶氧量上下限阈值，判断当前溶解氧量是否低于下限，当监测到的数据低于所设溶解氧量下限时便发出控制信息，控制相应端口打开增氧机222；增氧机222打开20分钟后再次进行判断当前溶解氧量是否高于所设上限阈值：若低于上限阈值，则继续使增氧机处于打开状态，若高于上限阈值则关闭增氧机；间隔20分钟后再进行判断。其中判断数据的时间可通过简易键盘进行更改。
Claims (4)
1.面向水产养殖的智能化补氧系统，包括数据监测节点和数据控制节点，其特征在于，
所述数据监测节点由第一中央处理单元（11）和数据采集模块（12）组成，数据采集模块（12）包括溶解氧传感器（121），溶解氧传感器（121）的输出连接第一中央处理单元（11）的数据输入端；
所述数据采集模块（12）还包括温度传感器（122），温度传感器（122）的输出连接第一中央处理单元（11）的数据输入端；
所述数据控制节点由第二中央处理单元（21）、补氧模块（22）和用户交互模块（23）组成，第二中央处理单元（21）接收第一中央处理单元（11）发送的溶氧量数据信息，第二中央处理单元（21）的输出驱动连接增氧机驱动电路（221），增氧机驱动电路（221）的输出连接增氧机（222），增氧机驱动电路（221）和增氧机（222）组成补氧模块（22），第二中央处理单元（21）的数据输出端连接用户交互模块（23），所述用户交互模块（23）由显示屏和输入键盘组成；
所述第一中央处理单元（11）和第二中央处理单元（21）都为TI公司的射频集成电路芯片CC2430，第一中央处理单元（11）的P0.0和P0.2口为数据采集模块（12）的数据输入端口，第一中央处理单元（11）通过芯片自带的射频端口发送溶氧量数据信息，第二中央处理单元（21）通过芯片自带的射频端口接收第一中央处理单元（11）发送的数据；
所述的增氧机驱动电路（221）包括光耦（U7）和固态继电器（U6），光耦（U7）的阴极连接第二中央处理单元（21）的P0.3端口，发射极通过第十电阻（R10）连接到第一三极管（Q1）的基极，光耦（U7）的集电极通过第六电阻（R6）连接固态继电器（U6）的正输入端，光耦（U7）的集电极还连接第七电阻（R7），第七电阻（R7）的另一端连接发光二极管（DS3）的阳极，发光二极管（DS3）的阴极连接到固态继电器（U6）的负输入端和第一三极管（Q1）的集电极，固态继电器（U6）的两个输出端接给增氧机（222）供电的220V交流电信号。
2.根据权利要求1所述的面向水产养殖的智能化补氧系统，其特征在于，所述溶解氧传感器（121）为ROX光学溶解氧传感器，其传感器接口BNC1连接运算放大器（U5）的正输入端，运算放大器（U5）的负输入端通过反馈电阻（R3）连接到输出端，运算放大器（U5）的负输入端通过差模输入电阻（R4）接地，运算放大器（U5）的输出端连接到第一中央处理单元（11）的P0.0端口。
3.根据权利要求1所述的面向水产养殖的智能化补氧系统，其特征在于，所述第一中央处理单元（11）的射频端口连接天线，第二中央处理单元（21）的射频端口连接天线。
4.根据权利要求1所述的面向水产养殖的智能化补氧系统，其特征在于，所述第二中央处理单元（21）根据设定的不同鱼类不同温度下的溶氧量需求范围，先将接收到的温度与原始设定温度对比，然后在对应的温度范围内将接收到的溶解氧数据与原始设定溶氧量需求范围对比，如果接收到的溶解氧数据在原始设定溶氧量需求范围内或者大于原始设定溶氧量需求范围的最大值，则控制端输出信号保持增氧机（222）关闭，如果接收到的溶解氧数据小于原始设定溶氧量需求范围的最小值，则控制端输出信号通过增氧机驱动电路（221）打开增氧机（222）进行补氧。
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