水产养殖数字化监测与控制系统关键技术的研究

摘要

近年来，我国水产养殖业蓬勃发展，己逐步从传统的粗放型养殖向工厂化、自动化和数字化方向发展。水产养殖数字化监测与控制将是未来水产养殖的必然趋势。本文在江苏省农业和工业两个科技攻关项目的资助下，重点对水产养殖数字化监测与控制系统中的水质多参数智能检测与控制、水产养殖无线传感器检测网络的体系结构与通信协议、监控设备之间数字通信方式、基于鱼类重要因子溶解氧为顶事件的监控系统可靠性分析、基于数字图像处理技术对鱼体状况监视和预报等关键技术进行研究。
　　 首先，进行了多参数智能检测与控制技术的研究。分析了市场上水质传感器和测控仪表存在的不足，经过实验和分析对比，提出了采用LED光源和硅光电池接受器来设计新型浊度传感器探头，增强了该探头的灵敏度和稳定性；对溶解氧测量数据处理方法上，提出了进行多因子自动补偿，提高了溶解氧测量的精度；对水产养殖鱼池建立了基于变频调速方式的增氧数学模型，采用模糊自整定PID控制算法和现代变频控制技术，自动调节水中溶解氧含量。为了满足不同用户的要求，能够迅速组建数字化数据采集、监控网络，对下位单片机多参数智能检测与控制仪表进行了CAN、PROFIBUS总线接口硬件和软件的设计。
　　 其次，在分析现有的无线传感器网络的体系结构和通信协议的基础上，针对不同水产养殖场水质与环境监控指标、节点数量与分布位置差异大的问题，构建了水产养殖无线传感器树状网络拓扑结构、链状网络拓扑结构和面对较大范围水产养殖场的混合型无线传感网络拓扑结构，并且，在研究混合型无线传感网络拓扑结构工作过程和通信协议的基础上，提出了新增传感器节点在无线传感器网络中的定位和自组织方法。对无线传感器检测网络节能问题进行了研究，提出了传感器网络中路由器能量的解决方法和无线传感器节点的节能方法，并给出了传感器节点和汇聚节点的主程序设计。
　　 接着，基于鱼类重要因子溶解氧为顶事件的监控系统可靠性研究。以溶解氧超限为重要故障事件，建立了溶解氧超限的故障树和故障数学方程，采用故障树方法来进行水产养殖监控系统故障分析、故障预测和诊断，找出监控系统软硬件的薄弱环节，提出了提高监控系统可靠性的方法，实现系统设计的最优化，以保证水产养殖的监控系统正常进行。
　　 随后，是采用数字图像处理技术对鱼体状况监视和预报的研究。利用计算机图像处理技术，远距离监视池塘现场的情况，经过对拍摄的鱼类图像进行多种数字图像方法处理和分析，提出了计算不适鱼类在鱼池漂浮面积以及鱼的游动速度的数学公式，实现对养殖现场中鱼类的生长状况进行实时监控，当鱼类出现不适或死亡时，能够及时报警。
　　 最后，进行了水产养殖数字化监控系统两层通信网络构成的设计。下层网络是以多个单片机测控仪表作为现场鱼池下位机，与现场上位监控计算机通过CAN/PROFIBUS/MODBUS/RS485现场总线连接通信；上层网络是以现场上位监控计算机和远程监控计算机采用移动GPRS无线通讯技术和互联网技术进行远程监控通信，在远程和现场监控的两台计算机上设计了功能丰富的监控组态软件，实现了远程水产养殖多参数采集和监控。