基于物联网的水产养殖智能监控系统的研究

摘要

近些年来，由于水产品具有高蛋白、低脂肪、营养平衡性好的特点，获得人们越来越多的喜爱。虽然近几年我国水产养殖产量已经达到7000万吨，水产品产量均占全世界的70％以上，排名全球首位，水产养殖面积达到将近2000万平方米，但国内水产养殖多为粗放型管理，存在着现代化、信息化、智能化程度低，监控因素单一等亟待解决的问题，容易造成水体污染、水产品品质下降等不利后果，因此通过利用新兴技术实现水产养殖的信息化、智能化成为一种必然。
　　在这种背景下物联网技术的引入使高效、高产、环保、节约人力成本的水产养殖成为可能，物联网系统以其智能化、可靠性、适应环境能力强等优良特性在近些年来得到越来越多的应用。本文通过对物联网相关技术的研究设计了一种基于物联网的水产养殖智能监控系统，通过硬件和软件的设计，对水产养殖环境的温度、pH、溶解氧等水质环境参数和视频数据等进行实时智能监控，使整个水产养殖的环境监测系统一体化、自动化，即实现对水产养殖的生产环境进行实时远程智能监控，方便用户随时随地进行生产环境控制。本文主要完成以下工作：
　　（1）通过对系统需求的分析，根据物联网感知层、网络层、应用层三层体系架构，结合实际水产养殖环境，设计了系统底层水质环境检测与控制层、监控中心层、远程终端管理层的三层体系架构。
　　（2）系统硬件与软件设计。系统底层水质环境检测与控制层通过温度、pH、溶解氧等多种传感器和相应的执行设备对养殖水环境进行监控，并依据ZigBee无线传输网络协议与监控中心层进行无线通信，监控中心层作为系统核心部分，采用CC2530单片机作为核心处理器，对检测数据进行分析处理，可根据接收到的检测数据智能调节相应的执行设备调节水质环境参数，同时监控中心层配备液晶显示屏在养殖车间现场实时显示水质参数，并通过GPRS无线传输网络与远程终端进行数据通信。
　　（3）系统采用LabVIEW软件设计了远程用户终端，即远程终端管理层，使用户具有更好的设备操作体验，主要包括用户管理界面、水质环境监控界面、数据管理界面、视频监控界面等部分的设计。不仅可以实现远程实时显示水产养殖的各环境参数及视频监控数据，还建立了水产养殖数据库，可进行历史数据的查询。
　　（4）此外系统设计了视频监控子系统实现水产养殖环境的实时安防监控，视频监控子系统通过人体红外感应器对养殖环境进行布防，当某处被入侵时，应用CC3200WiFi模块和摄像头监控设备实时采集养殖环境的现场视频信息，并产生声光报警，使相关人员做出防范措施。
　　（5）在水产养殖的过程中，对水中溶氧量的控制尤为关键。由于水产养殖外部环境容易变化，而且本系统的被控对象存在较强的滞后性，传统的控制方法如阈值控制、经典PID控制等很难适应外部环境参数的变换，容易造成能源的浪费，或因调控不及时造成不必要的损失。因此本系统优化了对溶氧量的控制方式，采用了模糊控制方法设计了带积分环节的模糊控制器，实现了对溶氧量更加有效、节能、实时、精确的控制，进一步确保的养殖户的财产安全。
　　最后，该系统经过硬件测试、软件测试，并通过在小型鱼塘养殖场地的整体测试，系统运行稳定可靠。整个系统成本低，操作简便，实用性强，扩展性强，信息化、智能化程度高，改善了传统水产养殖劳作中的弊端，具有良好的实用价值，在普遍的水产养殖生产中有良好的发展前景。

目录

声明

第一章 绪论

1.1论文研究背景及意义

1.2水产养殖物联网的研究现状

1.3本文主要内容及章节安排

第二章 系统需求分析与总体方案设计

2.1系统需求分析

2.2系统方案设计

第三章 系统硬件设计

3.1水质环境检测节点设计

3.2水质环境控制节点设计

3.3 ZigBee通讯模块设计

3.4监控中心硬件设计

3.5 电源模块设计

3.6 视频监控系统硬件设计

第四章 系统的软件设计与实现

4.1 软件开发环境

4.2 水质环境监控软件设计

4.3 监控中心与远程服务器通讯设计

4.4视频监控系统软件设计

第五章 基于模糊控制算法的控制器设计

5.1模糊控制器结构及原理

5.2模糊化

5.3设置控制规则

5.4清晰化

5.5 MATLAB仿真分析

第六章 上位机用户监控终端设计

6.1上位机设计软件的选择与应用

6.2上位机功能的实现

第七章 系统测试

7.1系统硬件调试

7.2软件调试

7.3系统整体运行调试

第八章 总结和展望

参考文献

附录

致谢

攻读硕士研究生期间的研究成果