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基于Modbus协议和模糊控制的智能渔业监控系统设计.pdf

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摘要摘要目前,国内多数池塘养殖技术和设备落后,投入高,产量低,质量不稳定。为了提高淡水池塘养殖的产量和质量,提升其自动化和智能化水平,结合Modbus协议等技术,设计了一套水产养殖智能监控系统。该系统针对水产养殖高产、高效、生态和安全的发展需要,基于ModbUS协议、ZigBee和GPRS网络、智能数据分析处理与模糊控制等相关技术,集水体因子自动采集、自动组网及传输、智能决策与控制、自动及远程手动控制等功能为一体,是一个智能的水产养殖控制体系。系统主要由采集控制终端、网关及监控平台组成。其中,采集控制终端实时在线监测各项水质参数并将数据经ZigBee及GPRS网络回传服务器进行存储、分析和处理,终端根据模糊控制器的处理结果控制执行机构调节水产养殖环境。系统的数据采集单元采用Modbus协议完成各传感器、执行机构与微处理器的通信,提高系统的抗干扰能力、扩展性和兼容性。采用ZigBee网络实现近距离自组网、GPRS网络实现远距离数据传输,有效解决有线方式成本高、维护难的问题。本系统实时在线监测、传输、存储、展示、分析及处理池塘的溶解氧含量、pH值、光照度、水温、水位等环境因子,通过模糊控制算法闭环控制池塘,达到智能调节池塘环境,保障养殖品种的最佳生长氛围,是自动化及计算机技术服务于现代渔业的一次有益探索。关键词Modbus协议,模糊控制,智能,监控,渔业养殖万方数据AbstractAbstractMost of the ponds still use the仃aditional techniques and equipment currentlythat costs a lot.However,the production iS quite low and the quality iS unstable.Forimproving the production and quality of freshwater ponds,and enhancing theautomation and intelligence level of aquaculture,a set of intelligent monitoringsystem is designed,combining with the Modbus protocol and etc.For meeting theneeds of development of high-output,high-efficiency,ecologic and safety ofaquaculture.the system iS an intelligent aquaculture control system with the functionsof water parameters collecting automatically, networking automatically fortransmission,decision-making intelligently as well as controlling by auto orremotehanding,that is based on the technology of Modbus protocol,ZigBee andGPRS networks,data analysis,and fuzzy contr01.The system is mainly made up of the terminals of acquisition and control,gateways and monitoring plat.And the terminals of acquisition and controlmonitor the water quality parameters online and send the real-time data to the serverfor storing,analyzing and processing,by ZigBee and GPRS network.And theterminals adjust the pond environment by controlling the actuator according to theresults of fuzzy controller.The unit of data acquisition of the system implements the communicationmechanism among sensors,actuators and the microprocessor by using the ModbusProtocol,which helps to improve the anti-jamming ability,scalability andcompatibility of the system.Through applying ZigBee and GPRS networks to thesystem.the data仃ansmission for close and long distance could be realizedrespectively,which efficiently solves the problems of high cost and difficultlymaintain for cable transmission.The system could real-time monitor,transmit,store,visualize,analyze andprocess the environmental factors which include dissolved oxygen content of the pond,pH value,illumination intensity,water temperature,water level and others.Throughapplying the fuzzy control algorithm to closedloop control the pond that regulate theenvironment of pond intelligently,the system guarantees the optimal growthenvironment of aquaculture species,that is a beneficial exploration that the modemfishery iS improved by automation and computer technology.KeywordsModbus Protocol,Fuzzy Control,Intelligence,Monitor,FisheryIII万方数据目录目录摘要.IAbstract..I工工目录.V第1章绪论..11.1课题研究背景及意义11.2 国内外水产养殖研究概况.11.2.1国外发展概况11.2.2我国发展状况21.3发展趋势21.4本章小结3第2章系统总体设计..52.1课题研究内容..52.2系统总体框架..52.3系统实现功能..62.4本章小结7第3章系统硬件设计..93.1采集控制终端设计.93.1.1 MCU单元103.1.2 电源模块...123.1.3数据采集单元..133.1.4 485总线...173.1.5人机交互单元..203.1.6声光报警单元..213.1.7时钟单元22V万方数据目录3.1.8执行机构243.1.9采集监控终端总体电路293.2无线网关设计....293.2.1 ZigBee模块293.2.2 GPRS通讯模块....3l3.3监控平台设计.323.4本章小结..32第4章系统软件设计。334.1下位机软件设计..334.1.1 Modbus协议...334.1.2采集控制终端软件设计374.1.3智能传感模块软件设计434.2无线网关软件设计444.3上位机软件454.4可靠性讨论454.5本章小结..46第5章模糊控制.475.1模糊控制器结构及原理..475.1.1模糊化.485.1.2知识库..485.1.3模糊推理...485.1.4清晰化..505.2模糊控制器设计..505.2.1输入输出变量的确定..515.2.2模糊化过程.5l5.2.3设定控制规则..535.2.4控制表的生成..535.3 MATLAB辅助设计..545.4实验结果.....555.5本章小结..58VI万方数据目录第6章结论及展望59参考文献...61致谢.63在读期间发表的学术论文与取得的研究成果65VII万方数据目录万方数据第1章绪论第1章 绪论1.1课题研究背景及意义近年来,我国水产养殖业快速增长,规模不断扩大,产能逐年提升,占据世界总量七成以上,对繁荣经济、优化调整产业结构以及提高居民生活水平具有重要意义。然而,我国水产养殖多为粗放型生产,生产中很大程度上依赖人工观察、决策和调整,大部分养殖场通过手动控制增氧机调节溶解氧环境,调节滞后,自动化程度低。传统生产方式对养殖人员经验水平要求较高,而且耗时费工,投入成本较高,产量低,效益差,如果养殖人员判断失误或处理不及时可能带来巨大的财产损失。渔业生产的发展方向是智能化养殖。智能化养殖精准地自动监控与调节水环境,通过对水质环境的智能调节与控制,促进养殖品种的健康生长,保障水产品安全,减少人力支出,降低劳动强度,增加产量,提高经济效益及自动化水平。智能化养殖可对养殖品种的成长过程进行全程跟踪,获取并存储养殖环境的多种因子,为全程溯源提供支持,保障了食品安全,也符合物联网的整体发展趋势。1.2国内外水产养殖研究概况1.2.1国外发展概况从二十世纪六七十年代开始,一些发达国家为节约水资源、改善生态环境,开始以工厂化养殖取代简单地增加养殖鱼池的数量。工厂化养殖作为一种新的养殖方式,是在水产养殖业向现代化、规模化的方向发展过程中产生的,实现了渔业生产的高密度、高效率和高产量llJ。该养殖方式较以往传统养殖的范围较集中,人力投入明显减少,产能大幅提高,效率显著提升。美国的工厂化养殖发展迅速,现在己逐步形成了一套较为完善的技术、系统和设备[21。丹麦以高水平的循环流水式以及地下室循环过滤式养殖系统而著称,其养殖系统和设备等已出口到挪威等多个国家。日本的工厂化水产养殖起步也比较早,主要为循环流水式的工业化养殖方式【3J。前苏联、法国、德国、瑞典等国也都先后研究和设计了多种不同类型的工厂化养殖系统,主要用于淡水和海水鱼万方数据第1章绪论类的养殖。以美国为代表的发达国家,利用其工业现代化来大力推动渔业发展。美国工业起步早,工业基础雄厚,并注重利用其工业化来装备渔业。截止1977年美国己实现全面的机械化,其渔业需要很少的劳动力。近年来,电子、信息及自动化技术不断发展,美国、日本等发达国家充分利用其处于前沿的电子及自动化技术促进渔业发展。许多先进的渔业养殖类传感器均来自美国等国家。总体上,国外的工厂化养殖起步较早,计算机及自动化辅助技术先进,管理系统也相对完善。1.2.2我国发展状况我国水产养殖业历史比较悠久,具有自主知识产权的综合养鱼经验在东南亚等一些地区流传甚广,这是我国水产养殖业所取得辉煌成就的标志,但我国的水产养殖自动化和智能化水平低,是靠数量增长,用高成本换来产量的提高。改革开放以后,我国开始实施工厂化养殖,效果显著,尤其是水产养殖业得到迅猛发展,规模逐渐扩大,这不仅解决了我国居民的“吃鱼难”问题,而且也保障了国家的粮食食品安全。同时,对扩大就业、增加收入以及改善水域环境等方面也做出了重要贡献。我国工业化养殖开始于二十世纪七十年代,在世界工业化养殖潮流的影响下不断发展。我国有名的自行研究设计的工业化养鱼系统是八十年代末中原油田养鱼工厂建立的养殖系统【3】。近年来,我国水产养殖的规模有了很大提升,产能有了明显的提高,质量也相对更可靠。然而,我国的水产养殖大多数仍采用传统的养殖方式,需要大量具备丰富养殖经验的专业人员来完成,养殖人员通过人工观察后凭借经验做出判断和控制,这很容易导致由于养殖过程中的调控不及时,带来巨大的财产损失。近年来,越来越多的养殖户开始使用智能化仪表来获取池塘的部分环境参数,相比传统的人工观察有了很大的发展,但能效不高,渔业养殖的设备及系统等都不够完善,人力投入还很大,与智能水产养殖还有很大差距。1.3发展趋势国家科技方面的中长期规划中已经很明确地将“农业精准化与信息化”和“畜禽水产健康养殖’’纳入优先发展方向。水产养殖的自动化与智能化是其发展趋势。随着人们普遍关注食品质量安全,崇尚绿色水产品的消费观念不断增强,加速了落后养殖方式及技术的淘汰,加快了水产养殖向智能工厂化养殖方式转变。2万方数据第1章绪论传统的以人为主的水产养殖生产方式已无法满足需求,物到物的智能化养殖成为未来的方向。水产养殖作为物联网精准农业的一部分,正朝着集约、高效、安全、生态的方向发展。国外的工厂化养殖自动控制系统及设备技术先进,性能优良,但是价格昂贵,再加上运行成本高、维护不方便等因素,使其不适宜在国内推广。因此,开发一套完善的智能养殖监控系统在一定程度上有助于提高我国水产养殖的智能化水平,有利于加快水产养殖高产、高效、优质、安全、生态的步伐。1.4本章小结本章根据我国水产养殖的实际情况,阐述了课题研究的意义。分析了水产养殖业在国外以及国内的现实状况,讨论了我国水产养殖产业的发展趋势,即智能化养殖方式成为其未来的发展方向。3万方数据第1章绪论4万方数据
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