无线传感器网络的水产养殖池塘环境参数监控系统
传统的水产养殖池塘环境监控已不能满足水产养殖业快速发展的需要，根据养殖池塘环境地理分散、水域面积大和水质参数变化复杂等特点，本文结合无线传感器网络、智能控制技术和计算机软件技术等设计一种基于无线传感器网络的养殖池塘环境监控系统，该系统由现场控制层、传输层和数据解析与共享层等组成。检测节点以STC89C52单片机为核心，设计温度、溶解氧、盐度和PH值等信号采集与处理电路；由检测节点、控制节点、路由节点等通过自组织方式构成养殖池塘参数测控无线传感器网络，现场控制层上传池塘环境参数信号给数据解析与共享层；根据池塘溶解氧变化的非线性、时变性和大惯性等特点，将RBF辨识模型、模糊控制器、PI控制器和串级控制相结合，设计基于参数自调整模糊控制与PI构成复合控制器实现对池塘溶解氧的精确和可靠调节。现场联合调试表明本系统动态响应速度快与静态精度高，它能够对池塘养殖环境参数进行实时精确监测和有效控制，可为水产品提供适宜的生长环境。关键词 无线传感器，养殖池塘环境，复合控制器，串级控制
目录
1 绪论 1
1.1 课题的研究背景和意义 1
1.2 国内外现状和发展趋势 1
1.3 研究内容 3
2 监控系统分析与设计 4
2.1 监控系统需求分析 4
2.2 总体设计思路 4
3 监控系统硬件部分设计 5
3.1 测控单元设计 6
3.2 检测电路的设计 9
3.3 显示电路设计 15
3.4 串口通信设计 15
3.5 无线通信接口设计 16
4 监控系统的软件设计 19
4.1 现场监控端软件设计 19
4.2 系统知识库设计 20
4.3 养殖池塘系统检测端软件设计 21
4.4 养殖池塘环境因子控制算法设计 22
5 系统联机调试 29
5.1 池塘溶解氧智能复合控制系统调试 29
5.2 无线通道传输调试 31
5.3 养殖池塘环境参数调控过程 32
5.4 池塘环境参数调试结论 33
结 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: *351916072*
论 36
致谢 37
参考文献 38
附录 40
1 绪论
1.1 课题的研究背景和意义
水产养殖业在我国国民经济增长和社会发展过程要素中充当着着重要的角色，而且在国民经济中的占比也越来越突出。调查研究表明近几年我国的水产养殖业快速发展，池塘养殖面积也在急剧上升，传统的养殖模式已不能满足当前人民生活水平和经济飞速发展的需要，高新技术在水产养殖中的地位越来越高，水产养殖业的智能化与科学技术水平也越来越受到重视和推崇，新型智能化的养殖模式必然取代传统养殖模式[1]。与此同时传统养殖模式效率低下，耗费大量的人力财力和物力，部分养殖户通过应用高新技术来提高池塘养殖的生产效益，但是由于技术的智能化集约化程度较低和不够成熟，设备可靠性不够高，一旦出现故障，将给养殖户甚至整个养殖业带来巨大的经济损失。智能化和集约化水产养殖装备技术的快速发展是未来水产养殖的发展方向。
池塘养殖水体的多种环境参数直接影响水产品的繁育、生长和养殖户的经济利益，适宜的池塘环境参数为水产品提供的良好生长环境，可以保障水产品的健康生长，改善水产品水体环境、及时调节养殖水体环境参数来满足水产品在各个阶段的生长需要是提高养殖效率与养殖收益的关键；同时也是为了满足养殖户提高经济效益的需要、减少水产养殖带来的环境污染问题、有效避免水产品的病害与疾病的传播。当前市场对高质量水产品的需求愈来愈高，养殖池塘水体的各种环境参数的智能化监测和调节势在必行，在线监控池塘环境参数的智能化监控系统在池塘水产养殖中显得十分迫切和必要[2]。
1.2 国内外现状和发展趋势
很长时间以来，我国在水产养殖业方面一直是规模大户，但科学技术在水产养殖业的引用方面仍然处于比较落后位置。据不完全统计，我国现有水产养殖方式当中，绝大多数还是依靠人力监控的水产养殖方式，在整个水产养殖的过程中，以更高的成本代价获得远低于成本水平的利润，同时还会导致生态环境不断恶化，环境问题日益突出，主要依靠人力的传统养殖方式很难长期发展下去。更值得注意的是，近几年随着我国经济发展的不快增长，一些河流、海洋等水域环境正在大面积受到污染，这种现象给整个水产养殖业带来越来越大的消极的影响；养殖环境的好坏必然作用于水产品的产量和质量，它是影响整个水体养殖业发展的关键所在，如果这种传统的养殖方式不加以改变，它必将给水产养殖业的发展带来巨大的阻碍，素有“养鱼先养水”古言。水产品的养殖环境受各种因素的影响，其中主要包括池塘养殖环境的温度、溶解氧、盐度和PH值等，更好地改善池塘养殖的水环境参数问题，也就是通过引入智能控制技术实时调控养殖池塘环境参数到适宜水产品生长范围。
我国从八九十年代已经开始对池塘养殖环境参数的检测，研制池塘养殖环境参数智能监控系统和智能控制系统在水产养殖业中的试验应用工作从未间断，但目前我国市场上水产养殖环境参数智能监控系统的智能化程度和科学技术水平比较低，这种监控系统仅能够解决一定的数据处理功能，而且很难实时进行大量处理数据和对池塘环境参数进行高效智能化调节[2]。随着科学技术水平的飞速发展，无线传感器方面的研究也在不断取得新的成果，把无线传感器网络技术、智能控制技术和计算机软件技术同养殖池塘环境参数高效监控结合是当前水产池塘环境参数监控的研究热点，无线传感器网络技术和智能控制技术的引入能够更大程度的提高池塘养殖环境参数监控的智能化和集约化水平，智能化的池塘环境参数监控系统也有效地降低了养殖成本，提高养殖经济效益，同时最大程度降低整个水产养殖业对生态环境的破坏程度[3]。
通过对我国与国外在池塘养殖环境参数监控的研究成果相比较，一些水产养殖业发达国家开始研究水产养殖池塘环境智能监控系统较早，而且取得比较好的经济效益。在整个水产养殖池塘环境监控中引入无线传感器技术、智能控制技术和计算机软件技术[3]，主要是为了解决水产养殖过程中水产养殖过程中环境参数调节不能适应水产品生产过程对环境参数的需要。据相关可靠统计，在19世纪80年代初能利用物理、化学和生物等高技术方法实现池塘环境参数自动控制的国家主要有挪威、德国、美国和法国等，而且他们在水产养殖环境参数调节试验中也达到了很好的效果；另外一些国家在池塘养殖环境检测方面引入智能控制技术，实现对水产养殖池塘环境参数的实时检测和调节，同时也取得了较好的成绩。目前国外对于这方面的研究主要是集中在现场总线方面，其他领域并没有太多涉及到。无线传感网络技术作为一种刚刚得到发展和逐步成熟的信息传输技术，集约化程度高，成本较低，及时地将这种技术引入到池塘养殖环境参数的监控中显得十分必要。据相关报刊记载，为了能够将无线传感网络技术更好地和水产养殖环境智能监控相结合，一些发达国家的很多高校和科研机构也相继开展这方面的研究工作，美国的自然科学基金会也在很大程度上给予支持，他们通过反复的试验和研究也取得了令人欣慰的成绩。
目录
1 绪论 1
1.1 课题的研究背景和意义 1
1.2 国内外现状和发展趋势 1
1.3 研究内容 3
2 监控系统分析与设计 4
2.1 监控系统需求分析 4
2.2 总体设计思路 4
3 监控系统硬件部分设计 5
3.1 测控单元设计 6
3.2 检测电路的设计 9
3.3 显示电路设计 15
3.4 串口通信设计 15
3.5 无线通信接口设计 16
4 监控系统的软件设计 19
4.1 现场监控端软件设计 19
4.2 系统知识库设计 20
4.3 养殖池塘系统检测端软件设计 21
4.4 养殖池塘环境因子控制算法设计 22
5 系统联机调试 29
5.1 池塘溶解氧智能复合控制系统调试 29
5.2 无线通道传输调试 31
5.3 养殖池塘环境参数调控过程 32
5.4 池塘环境参数调试结论 33
结 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: *351916072*
论 36
致谢 37
参考文献 38
附录 40
1 绪论
1.1 课题的研究背景和意义
水产养殖业在我国国民经济增长和社会发展过程要素中充当着着重要的角色，而且在国民经济中的占比也越来越突出。调查研究表明近几年我国的水产养殖业快速发展，池塘养殖面积也在急剧上升，传统的养殖模式已不能满足当前人民生活水平和经济飞速发展的需要，高新技术在水产养殖中的地位越来越高，水产养殖业的智能化与科学技术水平也越来越受到重视和推崇，新型智能化的养殖模式必然取代传统养殖模式[1]。与此同时传统养殖模式效率低下，耗费大量的人力财力和物力，部分养殖户通过应用高新技术来提高池塘养殖的生产效益，但是由于技术的智能化集约化程度较低和不够成熟，设备可靠性不够高，一旦出现故障，将给养殖户甚至整个养殖业带来巨大的经济损失。智能化和集约化水产养殖装备技术的快速发展是未来水产养殖的发展方向。
池塘养殖水体的多种环境参数直接影响水产品的繁育、生长和养殖户的经济利益，适宜的池塘环境参数为水产品提供的良好生长环境，可以保障水产品的健康生长，改善水产品水体环境、及时调节养殖水体环境参数来满足水产品在各个阶段的生长需要是提高养殖效率与养殖收益的关键；同时也是为了满足养殖户提高经济效益的需要、减少水产养殖带来的环境污染问题、有效避免水产品的病害与疾病的传播。当前市场对高质量水产品的需求愈来愈高，养殖池塘水体的各种环境参数的智能化监测和调节势在必行，在线监控池塘环境参数的智能化监控系统在池塘水产养殖中显得十分迫切和必要[2]。
1.2 国内外现状和发展趋势
很长时间以来，我国在水产养殖业方面一直是规模大户，但科学技术在水产养殖业的引用方面仍然处于比较落后位置。据不完全统计，我国现有水产养殖方式当中，绝大多数还是依靠人力监控的水产养殖方式，在整个水产养殖的过程中，以更高的成本代价获得远低于成本水平的利润，同时还会导致生态环境不断恶化，环境问题日益突出，主要依靠人力的传统养殖方式很难长期发展下去。更值得注意的是，近几年随着我国经济发展的不快增长，一些河流、海洋等水域环境正在大面积受到污染，这种现象给整个水产养殖业带来越来越大的消极的影响；养殖环境的好坏必然作用于水产品的产量和质量，它是影响整个水体养殖业发展的关键所在，如果这种传统的养殖方式不加以改变，它必将给水产养殖业的发展带来巨大的阻碍，素有“养鱼先养水”古言。水产品的养殖环境受各种因素的影响，其中主要包括池塘养殖环境的温度、溶解氧、盐度和PH值等，更好地改善池塘养殖的水环境参数问题，也就是通过引入智能控制技术实时调控养殖池塘环境参数到适宜水产品生长范围。
我国从八九十年代已经开始对池塘养殖环境参数的检测，研制池塘养殖环境参数智能监控系统和智能控制系统在水产养殖业中的试验应用工作从未间断，但目前我国市场上水产养殖环境参数智能监控系统的智能化程度和科学技术水平比较低，这种监控系统仅能够解决一定的数据处理功能，而且很难实时进行大量处理数据和对池塘环境参数进行高效智能化调节[2]。随着科学技术水平的飞速发展，无线传感器方面的研究也在不断取得新的成果，把无线传感器网络技术、智能控制技术和计算机软件技术同养殖池塘环境参数高效监控结合是当前水产池塘环境参数监控的研究热点，无线传感器网络技术和智能控制技术的引入能够更大程度的提高池塘养殖环境参数监控的智能化和集约化水平，智能化的池塘环境参数监控系统也有效地降低了养殖成本，提高养殖经济效益，同时最大程度降低整个水产养殖业对生态环境的破坏程度[3]。
通过对我国与国外在池塘养殖环境参数监控的研究成果相比较，一些水产养殖业发达国家开始研究水产养殖池塘环境智能监控系统较早，而且取得比较好的经济效益。在整个水产养殖池塘环境监控中引入无线传感器技术、智能控制技术和计算机软件技术[3]，主要是为了解决水产养殖过程中水产养殖过程中环境参数调节不能适应水产品生产过程对环境参数的需要。据相关可靠统计，在19世纪80年代初能利用物理、化学和生物等高技术方法实现池塘环境参数自动控制的国家主要有挪威、德国、美国和法国等，而且他们在水产养殖环境参数调节试验中也达到了很好的效果；另外一些国家在池塘养殖环境检测方面引入智能控制技术，实现对水产养殖池塘环境参数的实时检测和调节，同时也取得了较好的成绩。目前国外对于这方面的研究主要是集中在现场总线方面，其他领域并没有太多涉及到。无线传感网络技术作为一种刚刚得到发展和逐步成熟的信息传输技术，集约化程度高，成本较低，及时地将这种技术引入到池塘养殖环境参数的监控中显得十分必要。据相关报刊记载，为了能够将无线传感网络技术更好地和水产养殖环境智能监控相结合，一些发达国家的很多高校和科研机构也相继开展这方面的研究工作，美国的自然科学基金会也在很大程度上给予支持，他们通过反复的试验和研究也取得了令人欣慰的成绩。
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