水产养殖智能监测系统.docx

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水产养殖智能监测系统

学号：

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春芽电子科技春芽ing

毕业论文

水产养殖智能监测系统

Intelligentmonitoringsystemforaquaculture

摘要

随着水产养殖业的蓬勃发展，传统水产养殖模式逐渐被工厂化水产养殖模式所替代。

但是工厂化水产养殖中涉及关键技术的是水质监控系统、健康养殖管理系统和数字化物流系统等，水质监控系统是实现健康养殖的最重要的环节。

运用无线传感器网络技术实现工厂化水产养殖的数字化、网络化、分布式实时动态远程水质监控是大势所趋。

因此基于无线技术的网络化智能化传感器是养殖现场的数据能够通过无线网直接进行传输、发布与共享，并同时实现控制阀的智能反馈控制的技术是当今科技发展的必然趋势。

ZigBee技术是近年发展迅速的一种低成本、低功耗、低速率和高可靠性的无线传感器网络技术，因此本课题提出基于ZigBee无线网络技术的水产养殖智能监控系统的设计。

本文首先介绍ZigBee无线传感器网络相关知识和无线传感器网络国内外研究现状。

然后根据监控系统的实际要求进行功能和性能需求分析，提出系统总体设计方案。

监测系统硬件电路部分，分别设计水质测量传感器的信号调理电路，选取CC2530单片机作为ZigBee无线通信模块核心处理器，外围电路包括串口通信电路、液晶显示电路，电源稳压电路，传感器数据采集电路等。

监测系统软件设计部分，首先简单介绍ZigBee协议，然后详细阐述ZigBee协议栈的网络寻址、绑定、消息发送、网络组建、消息接收等程序设计，最后介绍基于CC2530单片机无线通信总体软件设计，先进行数据采集处理和发射，再进行数据接收处理显示等，实现水产养殖系统智能监测。

水产养殖智能监测系统经过反复调试运行基本实现监测系统预期设计功能，养殖现场LCD液晶显示数据与PC端监控数据一致，与水质参数实际值接近，误差保持允许范围内。

水产养殖智能监测系统实时性和稳定性都比较好，具有广阔的市场前景。

关键字：

水产养殖，无线通信，ZigBee，CC2530

Abstract

Withthevigorousdevelopmentoftheaquacultureindustry,thetraditionalmodeofaquaculturehasbeenreplacedbythefactory.Butthekeytechnologiesinvolvedintheprocessofaquaculturearewaterqualitymonitoringsystem,healthmanagementsystemanddigitallogisticssystem.Thewaterqualitymonitoringsystemisthemostimportantpartofthehealthybreeding.Usingwirelesssensornetworktechnologytorealizethedigital,networked,distributedreal-timedynamicremotewaterqualitymonitoringisthetrendofthetimes.Therefore,basedonthewirelesstechnologyofnetworkedintelligentsensorisbreedingsitedatathroughawirelessnetworkdirecttransmission,publishingandsharing,andrealizethecontrolvalveoftheintelligentfeedbackcontroltechnologyistheinevitabletrendofthemodernscienceandtechnologydevelopment.ZigBeetechnologyisinrecentyears,therapiddevelopmentofalowcost,lowpowerconsumption,lowrateandhighreliabilityofthewirelesssensornetworktechnology.Therefore,thispaperproposedbasedonZigBeewirelessnetworktechnologyofaquacultureintelligentmonitoringsystemdesign.

Firstly,thispaperintroducestheZigBeewirelesssensornetworkrelatedknowledgeandresearchstatusofwirelesssensornetworkathomeandabroad.Thenaccordingtotheactualrequirementsofthemonitoringsystem,thefunctionandperformancerequirementsareanalyzed,andtheoveralldesignschemeofthesystemisproposed.Monitoringsystemhardwarecircuitweredesignedwaterqualitysensorsignalconditioningcircuit,selectionofCC2530chipasthecoreprocessorofZigBeewirelesscommunicationmodule,theperipheralcircuitsincludingserialcommunicationcircuit,LCDdisplaycircuit,thevoltagestabilizingcircuitofapowersupply,sensordataacquisitioncircuitetc..Monitoringsystemsoftwaredesignpart,beginningwithabriefintroductionoftheZigBeeprotocol,thendescribestheZigBeeprotocolstacknetworkaddressing,binding,sendamessage,thenetworksetup,messagesandreceivingprogramdesignareintroduced.Atlast,basedonCC2530wirelessmicrocontrollercommunicationsoftwareofthewholedesign,thefirstdatacollectionprocessingandtransmitting,anddatareceivingprocessing,aquacultureintelligentmonitoringsystem.

Aquacultureintelligentmonitoringsystemafterrepeateddebuggingandrunningthebasicrealizationofmonitoringsystemofanticipateddesignfunction,thebreedingsiteLCDliquidcrystaldisplaydataandPCmonitoringdataconsistency,andwaterqualityparametersisclosetoactualvalue,errorwithintheallowablerange.Thereal-timeperformanceandstabilityoftheintelligentmonitoringsystemofaquaculturearebetter,andhavebroadmarketprospects.

Keywords:

Aquaculture,WirelessCommunication,ZigBee,CC2530

第一章绪论

1.1课题研究背景意义

我国是世界上水产品生产大国，产量高居世界第一位连续十二年。

据悉2012年水产品产量已经达到5800万吨之多。

但是我国却是水产弱国，水产养殖业还是用消耗大量资源和粗放式经营的传统养殖方式，可以说是一个靠天吃饭的事情，因此水产养殖业的发展必然要受到气候、水质好坏等自然因素的影响和限制，而且水产品产量低，水产品单调。

随着江河湖泊、近海水域环境污染程度的不断加剧，水产养殖业的难度也越来越大，因此粗放型的传统水产养殖方式被工厂化水产养殖方式取代已经是历史的必然。

如今的工厂化水产养殖中涉及的关键技术是智能水质监控系统、健康养殖管理系统和数字化物流系统等，其中水质监控系统是实现健康养殖的最重要的环节。

“养鱼先养水”，水质监控系统主要是控制水环境的温度、pH值、溶解氧、浊度等对水产品生长环境有重大影响的参数，为水产品生产提供最佳的生长环境。

因此工厂化水产养殖要提高产量、增加生产的稳定性必须依靠智能监控技术。

通过监控水产品的生存环境，管理水源才了解水产品是否生活在理想的水环境中，然后才能对其进行调节，使水环境适合水产品生长繁殖，减少水产养殖的风险损失，使得水产品产量稳产、高产，为人们提供物美价廉的水产品。

简而言之，具备检测技术的工厂化水产养殖才有可能向大规模、高水平、高质量方向发展。

自循环式工厂化养殖业生产还可以大大减少对江河湖海的污染，节约水资源，大大降低自然水产养殖所需的养料等能源。

因此应用检测技术于水产养殖行业不仅能够给工业化水产养殖带来质量和数量，还能够保护自然环境和节约能源[1]。

目前水产养殖监控系统大多数是通过有线方式连接传感器和监控系统，这种方法存在很多问题，例如湖泊和河流水质的测量时，因为浮标常年位于水中，专门架设的通信线路显然不可能；而且当测试点比较多时测试系统的线路将非常复杂。

然而随着工业测控系统规模的不断扩大，大量连线直接增加成本，灵活性也非常差，施工非常困难，要想提高水产养殖监控系统的效率，必须对现有的监测实行技术更新换代。

虽然目前无线监控技术得到飞速发展，但是水产养殖无线监控系统的研究发展比较慢，而且研究大多是温室大棚、农田湖泊和地下水环境信息的远程监测。

运用无线传感器网络技术实现集约化水产养殖的数字化、网络化、分布式的本地或远程的实时动态水质调控是未来的发展趋势。

基于无线技术的网络化、智能化传感器是生产现场的数据能够通过无线链路直接在网络上进行传输、发布与共享，并同时实现执行机构的智能反馈控制是当今信息技术发展的必然结果。

ZigBee技术是近几年发展迅速的面向低成本设备无线传感器网络要求的技术，也是一种近距离、低功耗、低复杂度、低成本、低数据速率的双向无线通信技术，ZigBee应用领域主要是工业控制、消费性电子设备、汽车自动化和医用设备控制等。

因此本课题提出基于ZigBee技术的水产养殖监控系统的设计方案，运用ZigBee技术组建无线传感器网络，能实时监控水体环境的温度、溶解氧、pH值、浊度等重要的水质参数。

如果运用无线通信技术，可以实现大范围、远距离、高速率的数据传输，使用异地操作端及时掌握水产养殖系统运行情况并作出相应操作命令，实现水产养殖系统的远程监控。

因此该系统基本能够满足集约化水产养殖厂要求，具有很高性价比和通用性，能够实现集约化水产养殖条件下的水质环境参数的全天候、数字化智能监测、报警和控制，减少不能对水产养殖环境实时调控造成的经济损失，具有深远的研究意义和经济价值[1]。

1.2国内外研究现状

由于我国重视发展科学技术是在改革开放以后，而国外早已经历第一次、第二次科技革命，所以水环境因子自动监测系统在外国先得到重视，开始主要运用在环保领域，检测环境。

国外在这一行业里已经具备了较为稳固的基础和较长的发展历史，主要表现在工厂化养殖海上养殖网箱等设施渔业。

设施渔业通常又被称“环境控制渔业”或“工厂化渔业”，是利用现代科学技术，建立现代、高效、环保、节能的渔业设备。

其中该领域较为先进的国家和地区主要有日本、美国和部分欧洲国家等。

这些国家之所以在水产养殖业取得这样的成绩，主要是因为这些国家和地区具有雄厚的资金支持水产养殖业的发展，大力发展水产养殖基础设施的建设，以及相关科研技术的开发，所以不论在资金和技术应用方面都有很高的水平，比如营养生理、水处理技术等，尤其是在水产养殖过程中的水质监测和调控方面实现了较高的自动化和机械化，通常采用微型计算机监控养殖水质的PH值、氧溶度、水温、浑浊度等指标的变化，同时对水体外部环境的温度、湿度、太阳辐射及风速风向等进行检测另外在增氧、生物净化沉淀、过滤固体物、脱氮、曝气等都有许多领先技术[2]。

工厂化养鱼和网箱养鱼最发达地区是北欧。

在丹麦500多万人就有2150至300吨的养殖厂50多家，平均产量100至300kg/m3。

一个年产250吨的养殖工厂，依靠高度的机械化、自动化技术，只需一人进行日常生产管理。

丹麦富雅工程公司和丹麦水产研究所DAI研制的成套养鱼设备，已大批出口国外，我国大陆和台湾引进多套养鳗工厂就是从该国购买的。

挪威在十几年的时间内，大力发展深水网箱养殖，网箱从无到有，被称为海水网箱养殖的王国。

2000年挪威网箱养殖产量高达46万吨，养殖成鱼创造产值13亿美元，90%以上的养殖成鱼销售到国外。

美国、日本也在积极发展工厂化养鱼，美国“十大最佳投资项目”之一就是工厂化养鱼。

美国工厂化循环水养殖系统的模式可以划分为两个有着明显差异的方向。

一是以康奈尔大学的教授和西弗吉尼亚淡水研究教授为代表的美国北部派，他们利用各种水处理设备对循环水进行处理，从而形成高集成循环水养殖系统。

二是以路易斯安那州立大学Malone教授AquacultureSystemsTechnologies公司Ebeling博士为代表的美国南部派，他们与北部派相反，为了获得较高的经济效益，通过简化水处理设备，采用简单的处理方式获得经济型循环水养殖系统。

夏威夷考那的自然能源试验厂，利用海洋不同水层的温差发电，为鲍鱼厂提供热源，保持15℃的适温，提高了鲍鱼的生长速度。

密西西比州海水养殖研究所，保证了鱼类生长的需要，冬天利用太阳能为养殖水产提供足够的热量，使水温保持在20℃以上。

日本于20世纪60年代初开始利用发电厂温排水养鱼，现已有40余家电厂与养鱼工厂同步建设，如九州大村发电厂就拥有5000余平方米的养鱼工厂。

日本大洋渔业公司与住友金属公司联合成立一个专业养鱼公司，准备大量发展“养鱼工船”。

日本长崎县养鱼船“兰海号”，长110m，宽32m，能抗12.8m的海浪。

可在30~40m水深海区生产，在只有5人管理的情况下，年产量可达100吨。

日本在浮沉式网箱研究与应用上处于领先地位，解决网箱抗风浪问题和向外海发展问题是其出发点。

主要是以机械牵引、充排气来实现网箱的升降，还在试验利用波能完成浮沉的装置。

欧美和日本主要借助于发达的工业和高水平的科技，开展工厂化流水或封闭型循环水养殖及网箱养殖等，重点进行水质调控方面的自动化和机械化的研究。

目前采用的自动控制系统主要有两种，一是通用控制系统，由微机输入/输出，数据记录仪和遥感控制组件构成；二是工业程序控制系统，由小型计算机和控制软件组成的具有16位控制器的网络组成。

这些国家不仅在水产动物和生态环境基础理论方面研究较深，有先进的养殖设施，而且在进排水、投饵施肥、收获、运输等生产操作中得机械化程度也很高，使操作快捷方便，省时省力，往往一个养殖场需要的技术人员和工人在数量上比我国少得多。

他们健康养殖的水平很高，不仅追求高产量，而且还要求优质、卫生。

总之，这些都是我国与发达国家的差距，是值得借鉴的。

国外凭借自身科技的快速发展，在水质监测系统的开发上起步较早，技术也较为成熟。

20世纪50年代到70年代，许多发达的工业化国家将电子仪器、大型机械、生物工程理论等现代化装备和理论应用于水产养殖业，对影响水产养殖的主要环节，如水温、流速、水质、消毒、投食等进行自动化控制，力求达到水产养殖环境的最优化，使水生物能够在相对理想的环境中生长，进而降低成本，提高产量。

同一时期，瞬态便携式单参数水质监测仪也已经开始出售。

20世纪70年代后期，美国、英国等发达国家首先将新兴的无线电子技术、计算机技术与水质自动化监测相结合，并取得了阶段性的成果，开辟了水产养殖智能化的先河。

西欧也陆续推出了多参数水产养殖水质测定仪，主要监测水体温度、无机盐含量、酸碱度、DOC、微生物含量、水体浊度等指标，水产养殖水质监测自此步入自动化阶段。

德国、挪威、日本、韩国等也先后拥有了各自的水产养殖水质自动化监测设备，并依靠这些系统来监测水产养殖水体参数的变化情况。

水质的实时动态监测使得工作人员的操作流程得以简化，资源得到合理的分配。

目前美国哈希公司、澳大利亚格林斯潘公司、德国SubCtech公司、日本HORIBA及岛津等都研制出在线式水质监测仪，技术也相对成熟，他们在这方面所获得的成功经验是值得我们学习和借鉴[3]。

我国当前水产养殖与发达国家的相比较,最大不同的特点是，发达国家的水产养殖多采用精养模式，工业化技术应用比较多;而我国的水产养殖规模大，以池塘自然生态条件下的养殖方式占大多数。

我国自改革开放以后才打开国门，重视科技，因此在研究水环境因子监控方面比较落后。

1979年作为科研攻关项目的“中国对鱼奸工厂化人工育苗技术的研究”打破了我国在水环境因子研究领域的空白，是以后我国水环境因子监控系统研究的基础。

它全面利用水环境因子监控技术，调控鱼奸养殖的温度，搅拌和充气技术，以及商业化的馆料等。

20世纪80年代，我国逐步引进国外先进水环境因子监控系统，并且把他们运用于饲养，但是效果不太理想，因此没有普遍推广。

近年来，随着科学技术的飞速发展，环境污染日益严重，我国也逐步重视环境，开展环保工作，水质检测分析仪器技术也随之发展，取得一定的成效。

但是总体上国内的水产养殖业水质监测基本上还是处于人工取样、化学分析的人工监测阶段，不仅耗时耗力、精度不高，并且还需要专业人员进行操作。

比较著名的产品主要来自于江苏电分仪器厂、北京瑞利分析仪器有限公司、浙江大学绿盾公司等等。

这些厂家生产的水质分析仪器改变了以往单一传感器的缺陷，能够进行多个参数测量，功能相对完善，并且改变了以往使用麻烦的局面，但是它仍有不足之处，它无法对检测的结果进行及时记录，很多数据无法及时保存下来，因此不能为后续的分析处理以及专家系统的建立提供基础数据，因此带来了一些麻烦,造成很大的资源浪费。

拥有中国老字号之称的上海雷磁仪器厂，目前也在积极研发试制探头式自动监测仪，但是由于以往仪器在数据记录上的空缺，导致其质量不稳定,并且所选的水质参数比较少。

据相关资料显示，现阶段我国大多数水产养殖户使用的依然是投资成本低,操作简单，不能对水质进行连续监测和存储测量数据的单一参数水质分析仪。

因为外国进口的先进养殖水质自动监测系统太贵，远超过一般养殖户能够接受的10万元的价格。

同时国外进口的技术没有比国产的落后监测技术产生特别高的收益，因此一般的小型养殖户还是乐意选择比较落后的水质分析仪。

近年来，我国的水产养殖也已取得了一些成果。

江苏大学的刘星桥等提出一种水产养殖多环境因子的计算机监控系统的设计方案，它以PC机为上位机，以西门子S7-224PLC为下位机，能够实现鱼池溶氧量、温度、pH值的实时控制,使多环境因子稳定维持在最优值附近。

该方案现已成功应用到现实工厂化养殖獲鱼生产中。

中国水产科学研究院的朱明瑞等，在工厂化水产养殖的研究中使用物理手段准确控制水体参数，并且建立由上位机主要完成集中显示、记录、比较、报警、打印、参数设置等功能，由下位机、传感器和执行件实现数据采集、自动控制的组态工程。

浙江海洋学院的汤云峰等，在设计网箱养殖实时监测系统中利用上下位机结构，实现了对网箱的盐度、温度、溶氧等的实时监测以及数据的显示、存储功能。

中国农业大学的李道亮等，在水产养殖的数字化系统研究中，指出消耗大量资源和粗放式经营的传统方式是我国水产养殖业的主要沿用方式。

研究基于专家系统的精细喂养决策、基于无线传感器网络的环境和水质监控网络系统和鱼类病害预报及诊治系统，从而做到对水产养殖的全过程自动控制，实现了水产养殖的科学管理。

目前，我国建立大量的温室用于育苗和养殖。

其中自动监控系统的传感器的质量问题成为了温室智能化工程中的关键技术问题。

国产的传感器大多数质量较差，性能不稳定，只有温度、pH、溶解氧的传感器质量较好。

而且国外进口的先进系统价格十分昂贵，不利于推广使用。

因此根据我国的国情，发展我国渔业的智能自动化监测，首先必须抓好温度、pH值、溶解氧的自动监控技术。

目前我国各水产行业除极少数配备了水质自动监测仪以外，一般单位并没有采用这种监测仪器，其原因多是市场上的水质监测分析仪器价格品贵，而人力相对廉价。

由以上内容可以看出，我国的水产养殖技术设备水平比较低下，自动化水平十分落后。

在我国，较先进的是利用电脑控制传感器装置收集和分析有关环境因子的数据。

但是与国外渔业的自动化、机械化程度相比，还有很大的差距。

因此想要改善水产养殖的传统模式，实现健康养殖，达到水产品的高质、高产，必须要以科技为指导，改革落后设备。

随着水产养殖业的发展，在不久的将来整个水产行业必将发生经营观念上的转变，先进的水质监测系统也必将会逐步用于养殖作业流程。

因此，研发适合我国工业化养殖的水环境因子监测系统势在必行[4]。

1.3课题主要研究内容

本课题主要研究水产养殖智能监控系统，主要分为六章节内容。

第一章为绪论，首先引入工厂化水产养殖的概念，介绍课题研究的背景意义，然后介绍无线传感器网络的国内外研究现状，最后介绍本文的主要研究内容。

第二章从系统的功能和性能要求出发，提出系统总体的设计方案，并对系统组成，工作原理以及系统特点等方面进行必要阐述及分析。

第三章详细描述系统各个硬件电路模块的设计，主要包括传感器数据采集模块设计，ZigBee无线通信模块设计，电源稳压模块设计等。

第四章第四章主要描述系统软件的设计，其中包括传感器数据采集程序，数据发送接收程序，ZigBee无线网络应用程序的设计。

第五章第五章进行系统功能测试，并对测试结果进行分析。

第六章主要对全文的研究内容进行总结与展望。

第二章监测系统设计方案

2.1监测系统需求分析

本课题研究的水产养殖智能监测系统的目标是水质参数，但是工业化水产养殖现场面积比较大，很多池塘直径都大于两千米，因此一般需要采取多点监测才能覆盖大部分范围。

如此设计将更加准确了解具体某区域水质情况，当某个监测点发现问题时，其他监测点同样可以得到该区域水质实时数据。

当采集节点将监测数据通过无线网络传送到远程监测PC端后，管理人员可及时地监测、调节水产养殖的各种水质参数，如此可以大大减少水产养殖人力物力财力的投入，还能通过历史数据的分析比较，及时预测各种水体病情的发生，用最少的投入，获得最大的效益。

下面从监测系统的功能需求和性能需求两个方面具体分析[5]。

2.1.1功能需求分析

根据水产养殖智能监控系统的要求，功