一种水产养殖智能增氧与远程监控装置及控制方法与流程

1.本发明涉及水产养殖监控技术领域，尤其涉及一种水产养殖智能增氧与远程监控装置及控制方法。


背景技术：

2.随着人们生活水平的日益提高，人们对水产品的需求也日益加大，我国作为水产养殖大国，由于成本和地域的限制，大多采用传统的人工养殖，根据养殖户的个人经验进行养殖，不能达到良好的养殖效果。为了提高养殖效率，需要结合当前的前沿技术，不断的发展创新，建立一个完善的水产养殖智能增氧与远程监控装置，为养殖对象提供一个合适的养殖环境，提高养殖对象的品质和产量。
3.目前的水产养殖监控系统大多采用gprs技术实现水质参数信息的无线传输，gprs技术在覆盖、连接、功耗、和成本等方面都没有窄带物联网技术更加有优势。作为新兴物联网数据传输技术，窄带物联网已经实现了大规模的商业，成为当前的热点研究话题。
4.如今，增氧机的控制方法主要包括人工模式下控制继电器开断和通过设置阀值上下限的智能控制。人工模式下的增氧机控制主要依靠养殖经验，需要现场打开和关闭增氧机，较为繁琐，特殊天气需要频繁启停增氧机，而且没有实际的参数作为依据，不能实现最佳的控制效果。通过阀值上下限的控制方式，在一些特殊天气下也会频繁的对增氧机启停，不仅对增氧机的寿命会造成严重的损害，而且达不到良好的控制效果。
5.目前，水产养殖监控系统的传感器探头大多都是直接暴露在水中，水中的浮游生物和其他粘附物很容易对探头造成干扰，影响测量精度。所以需要在传感器采集模块设计一种传感器保护装置，防止传感器探头被干扰，保护装置同样也可以减少探头清理的次数。水产养殖监控系统实现养殖环境参数的远程监测，大多需要建立自己的服务器，而且不断的传输会增加功耗，所以市面上的监控系统大多存在成本较高的问题。
6.因此，需要开发出可以实现低功耗、远距离传输的方法，用户在不建立自己服务器的前提下，能实现服务器的数据储存，并且可以远程监控制养殖环境，通过云平台的存储数据分析养殖参数和养殖效果之间的关系，方便进行下一个阶段的养殖，提高养殖产量和质量。水产养殖智能增氧模块大多采用设置阀值上下限来进行控制，雨天和一些特殊天气由于溶解氧浓度短时间变化较大，会造成增氧机的反复开闭，缩短增氧机的使用寿命，不能达到良好的增氧效果。在实际养殖中，应根据池塘中鱼的密度、水质条件、生长季节、天气状况、活动状态以及增氧机负荷面积大小等具体情况进行控制，从而达到耗电少、增氧效果好、鱼类不浮头的目的。单片机模块的供电大多采用转化电路和电池供电，反复的更换电池和进行电路转换都会造成不断的成本投入，而太阳能电池板能达到一劳永逸的效果，而且能提供稳定的电源和储能，防水防暑防潮，使用寿命长。本设计就是解决上述问题，设计出一种水产养殖智能增氧与远程监控装置，满足鱼塘水产养殖、网箱水产养殖，工业化水产养殖等。


技术实现要素：

7.本发明要解决的技术问题在于针对现有技术中的缺陷，提供一种水产养殖智能增氧与远程监控装置及控制方法。
8.本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：
9.本发明提供一种水产养殖智能增氧与远程监控装置，该装置包括采集模块、zigbee无线传输模块、用户监控模块、执行器控制模块、窄带物联网无线传输模块、光伏发电模块、云平台；zigbee无线传输模块包括zigbee终端节点和zigbee协调器；其中：
10.采集模块设置有多个，分别设置在各个鱼塘中，采集模块包括水质传感器和下位机，每个采集模块均与一个zigbee终端节点连接，各个zigbee终端节点均与zigbee协调器连接；下位机和zigbee无线传输模块初始化后，zigbee无线传输模块完成自动组网；水质传感器采集水质参数信息，并通过下位机进行处理，下位机将处理后的水质参数信息传输至zigbee终端节点，各个zigbee终端节点将处理后的水质参数信息传输给zigbee协调器；
11.用户监控模块包括上位机，上位机与zigbee协调器连接；执行器控制模块与上位机连接，包括设置在各个鱼塘内的多个控制模块，通过控制模块连接增氧机；上位机还连接有温湿照传感器；窄带物联网无线传输模块一端与上位机连接，另一端与云平台连接；上位机初始化后在中断中接收发送来的水质参数信息，上位机对其中的溶解氧参数与设定的阈值进行比较，若低于阈值则通过控制模块打开增氧机进行供氧；上位机通过温湿照传感器采集当前的温度、光照、湿度信息，对参数进行判断得到当前时刻的实时天气，最后执行增氧机的智能控制算法，让装置自动的对增氧机进行控制；光伏发电模块用于为装置的各个模块进行供电。
12.进一步地，本发明的采集模块的传感器周围设置有一层滤网，用于对传感器探头进行保护。
13.进一步地，本发明的上位机上还连接有用于实时显示水质参数信息的lcd屏幕。
14.进一步地，本发明的上位机通过窄带物联网无线传输模块将水质参数信息发送至云平台，用户通过手机或web登录云平台，远程监测各个池塘的水产养殖环境。
15.进一步地，本发明的下位机和上位机均采用单片机。
16.本发明提供一种水产养殖智能增氧与远程监控装置的控制方法，包括以下步骤：
17.步骤1、上位机、下位机、zigbee无线传输模块初始化；
18.步骤2、根据zigbee自组网的算法进行组网；
19.步骤3、上位机通过温湿照传感器获取温度、湿度、光照数据，根据天气控制算法进行判断，得出当前实时的天气状况，将得到的天气信息保存并实时的显示在lcd显示屏上；
20.步骤4、上位机对采集的参数进行实时显示，通过nb
‑
iot模组获取时间api，得到当前的时间信息，将上下阀值、天气、时间、溶解氧、水温、ph、投饲时间参数结合建立数学控制模型；
21.步骤5、上位机通过建立的数学模型得到实际的控制结果，控制继电器的开闭，对执行进行控制，调节增氧机的开闭。
22.进一步地，本发明的所述步骤2的具体方法为：
23.步骤2.1、终端节点和协调器采用星型的方式进行组网；
24.步骤2.2、组网成功后，确定网络中的协调器，并对网络中的信道进行扫描；
25.步骤2.3、协调器为各个终端节点分配短地址；
26.步骤2.4、终端节点收到下位机传来的数据，在接收数据中加入鱼塘编号，并对协调器发送关联请求，待协调器回复确认帧后进行无线传输；
27.步骤2.5、协调器和终端节点在未接收到数据时，自动进入休眠模式。
28.进一步地，本发明的所述步骤3的具体方法为：
29.步骤3.1、上位机通过nb
‑
iot模组获取时间api，得到当前的时间；
30.步骤3.2、通过温湿照传感器获取当前的实时温度、湿度、光照强度信息；
31.步骤3.3、根据时间对比当前的光照强度，对天气进行初步判断，再对湿度参数进行判断，得到当前是否降雨，以及降雨的程度，最后对温度进行判断得出当前的实际天气值。
32.进一步地，本发明的所述步骤4的具体方法为：
33.通过窄带物联网实现多鱼塘的水质参数远程监控，将天气、溶解氧浓度、时间、上下阀值参数结合，建立一个数学控制模型，来实现增氧机的智能控制，云平台也能通过它的nb
‑
iot模组下传指令打开增氧机；
34.步骤4.1、确定养殖对象和根据不同的季节确定养殖对象最佳溶解氧浓度，通过按键调节上下阀值，确定数学模型的上下阀值；
35.步骤4.2、对当前的溶解氧进行判定，如果低于最低阀值则立即打开增氧机，若未低于最低阀值则进行增氧机智能控制；
36.步骤4.3、对当前的时间进行判定，得到当前所处的时间区间；
37.步骤4.4、对当前的水温进行判定，判定当前的水温是偏冷还是偏热，得到溶解氧的消耗量；
38.步骤4.5、对当前的时间进行判定，是否处于投饲的时间段，是否提高阀值下限；
39.步骤4.6、对当前的天气进行判定，是否需要打开增氧机。
40.进一步地，本发明的所述步骤5的具体方法为：
41.步骤5.1、上位机得出实际的控制结果，控制继电器的开闭；
42.步骤5.2、继电器间接控制接触器，对增氧机的开闭进行控制。
43.本发明产生的有益效果是：本来发明的水产养殖智能增氧与远程监控装置及控制方法：
44.①
本监控装置能通过在传感器周围加一层滤网实现传感器探头的自动保护，防止浮游生物和其他粘附物影响传感器的测量精度，传感器模块可以预留多余的探头孔，便于拓展监测其他的水质参数信息。滤网可以减少对传感器清洗次数，提高传感器测量精度。
45.②
通过zigbee组网，实现了多鱼塘终端节点的组网，将各个节点的水质参数信息统一发送到协调器。协调器将数据通过单片机进行实时显示，可以在现场实时监控各个池塘的养殖环境。系统通过窄带物联网将数据发送到阿里云服务器，用户可以通过手机和web登录阿里云平台，远程监测各个池塘的水产养殖环境。窄带物联网可以实现低功耗传输，一节电池可以用10年，当模块不工作时，自动进入休眠状态。养殖户不用自己购买服务器，可以直接使用阿里云的服务器保存和采集水质参数信息，便于分析养殖效果与参数之间的关系，养殖户只用支付每年的流量套餐就能满足监测需求。
46.③
单片机能通过采集的时间、溶解氧浓度、水温、阀值上下限，结合判断得到的天
气条件，通过已经建立好的数据模型，对增氧机进行智能控制。不同天气状态下，可以先对增氧机进行一般控制，同时又能结合实时的溶解氧浓度、阀值上下限、水温、时间等参数对增氧机的控制状态进行调整，数学控制模型也可以通过控制效果进行分析对比，不断的进行完善，达到更好的控制效果。
47.④
整体系统连接到云平台后，云平台可以下发指令通过窄带物联传到单片机，控制执行器模块的开闭，实现系统的远程监控。
48.⑤
光伏发电可以达到一劳永逸的效果，只需要每月用软布擦拭光伏组件上的灰尘，就可以确保发电站的发电量不会减少，而且基本上可以实现监控设备永不断电。
49.⑥
本系统将传感器采集和执行器控制模块、zigbee无线传输模块、用户监控模块、窄带物联网无线传输模块进行组合，不是将所有的功能集成在一块单片机上，方便进行系统整体的调试，后期方便进行维护和解决各个模块在运行时出现的问题。
附图说明
50.下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明，附图中：
51.图1是本发明实施例的水产养殖智能增氧和远程监控装置系统构架；
52.图2是本发明实施例的增氧机的控制方案与天气之间的关系；
53.图3是本发明实施例的装置工作流程图；
54.图4是本发明实施例的增氧机的智能控制流程图；
55.图5是本发明实施例的zigbee组网流程图。
具体实施方式
56.为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
57.如图1所示，本发明实施例的水产养殖智能增氧与远程监控装置。该装置能采集各个节点的水质参数信息，通过单片机将水质参数进转化，各个节点的数字量信息将通过zigbee无线模块传输到协调器，协调器通过串口将数据传输到用户监控端进行实时显示，最后通过窄带物联网将各个节点的水质参数传输到云平台，实现手机端和web的远程实时监测。用户监控端可以发送控制指令到控制端，控制执行器的开闭，进而控制增氧机和投饲机的开闭。控制端同样能通过建立好的数学模型，结合池塘中鱼的密度、水质条件、生长季节、天气状况、活动状态以及增氧机负荷面积大小等具体实现增氧机的智能控制和投饲机的控制。各个节点采用光伏发电进行供电，整个系统能实现多个鱼塘的远程监控和云平台的实时监测。具体包括：采集模块、zigbee无线传输模块、用户监控模块、执行器控制模块、窄带物联网无线传输模块，光伏发电模块；zigbee无线传输模块包括zigbee终端节点和zigbee协调器；其中：
58.采集模块设置有多个，分别设置在各个鱼塘中，采集模块包括水质传感器和下位机，每个采集模块均与一个zigbee终端节点连接，各个zigbee终端节点均与zigbee协调器连接；下位机和zigbee无线传输模块初始化后，zigbee无线传输模块完成自动组网；水质传感器采集水质参数信息，并通过下位机进行处理，下位机将处理后的水质参数信息传输至
zigbee终端节点，各个zigbee终端节点将处理后的水质参数信息传输给zigbee协调器；
59.用户监控模块包括上位机，上位机与zigbee协调器连接；执行器控制模块与上位机连接，包括设置在各个鱼塘内的多个控制模块，通过控制模块连接增氧机；上位机还连接有温湿照传感器；窄带物联网无线传输模块一端与上位机连接，另一端与云平台连接；上位机初始化后在中断中接收发送来的水质参数信息，上位机对其中的溶解氧参数与设定的阈值进行比较，若低于阈值则通过控制模块打开增氧机进行供氧；上位机通过温湿照传感器采集当前的温度、光照、湿度信息，对参数进行判断得到当前时刻的实时天气，最后执行增氧机的智能控制算法，让装置自动的对增氧机进行控制；光伏发电模块用于为装置的各个模块进行供电。
60.本发明装置的总体工作流程如图3所示，下位机初始化和zigbee模块初始化后，zigbee模块完成自动组网。水质参数信息通过水质传感器上传到下位机进行处理，下位机将处理后的水质参数信息传输到zigbee终端节点，各个终端节点将处理后的水质信息通过无线模块传输到zigbee协调器。上位机初始化之后在中断中接收串口发来的水质参数信息，将各个节点的水质参数信息实时的显示在lcd屏幕上，单片机通过mqtt的方式与云平台建立连接，将水质参数信息发送到阿里云平台，在通过阿里云获取当前的时间信息。单片机会对采集的溶解氧参数与设定的阀值进行比较，如果参数低于设定阀值会立刻打开增氧机进行供氧。单片机然后通过温湿照传感器采集当前的温度、光照、湿度信息，对参数进行判断得到当前时刻的实时天气，最后执行增氧机的智能控制算法，让系统自动的对增氧机进行控制，达到良好的控制效果。养殖户可以通过单片机控制增氧机和投饲机的启停，可以通过单片机的引脚控制电气控制柜的开闭，实现对增氧机和投饲机的控制，养殖用户同样可以通过云平台下发指令，通过窄带物联网传输到单片机，控制执行器模块的开闭。
61.增氧智能控制如图4所示，控制算法首先对得到的天气信息进行判断，然后判断当前的时间区间和水温情况，最后判和增氧有关的投饲情况以及设定好的阀值和养殖密度，估计出理想状态下的溶解氧浓度，对增氧机进行控制，为养殖对象提供一个合适的生存环境。
62.zigbee自组网的流程图如图5所示，组建一个完整的zigbee网状网络包括网络初始化和节点加入网络。网络初始化首先是确定网络中的协调器，然后进行信道扫描，最后为各个设备分配短地址，之后各个节点进行网络协调器的查找，节点发送关联请求命令，等待协调器处理，发送数据请求命令，回复确认帧通告关联成功，到这一步自组网就完成了，接下来就可以进行无线传输了。
63.本发明实施例的水产养殖智能增氧与远程监控装置的控制方法，包括以下步骤：
64.步骤1、上位机、下位机、zigbee无线传输模块初始化；
65.步骤2、根据zigbee自组网的算法进行组网；
66.步骤2.1、终端节点和协调器采用星型的方式进行组网；
67.步骤2.2、组网成功后，确定网络中的协调器，并对网络中的信道进行扫描；
68.步骤2.3、协调器为各个终端节点分配短地址；
69.步骤2.4、终端节点收到下位机传来的数据，在接收数据中加入鱼塘编号，并对协调器发送关联请求，待协调器回复确认帧后进行无线传输；
70.步骤2.5、协调器和终端节点在未接收到数据时，自动进入休眠模式。
71.步骤3、上位机通过温湿照传感器获取温度、湿度、光照数据，根据天气控制算法进行判断，得出当前实时的天气状况，将得到的天气信息保存并实时的显示在lcd显示屏上；
72.步骤3.1、上位机通过nb
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iot模组获取时间api，得到当前的时间；
73.步骤3.2、通过温湿照传感器获取当前的实时温度、湿度、光照强度信息；
74.步骤3.3、根据时间对比当前的光照强度，对天气进行初步判断，再对湿度参数进行判断，得到当前是否降雨，以及降雨的程度，最后对温度进行判断得出当前的实际天气值。
75.步骤4、上位机对采集的参数进行实时显示，通过nb
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iot模组获取时间api，得到当前的时间信息，将上下阀值、天气、时间、溶解氧、水温、ph、投饲时间参数结合建立数学控制模型；
76.通过窄带物联网实现多鱼塘的水质参数远程监控，将天气、溶解氧浓度、时间、上下阀值参数结合，建立一个数学控制模型，来实现增氧机的智能控制，云平台也能通过它的nb
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iot模组下传指令打开增氧机；
77.步骤4.1、确定养殖对象和根据不同的季节确定养殖对象最佳溶解氧浓度，通过按键调节上下阀值，确定数学模型的上下阀值；
78.步骤4.2、对当前的溶解氧进行判定，如果低于最低阀值则立即打开增氧机，若未低于最低阀值则进行增氧机智能控制；
79.步骤4.3、对当前的时间进行判定，得到当前所处的时间区间；
80.步骤4.4、对当前的水温进行判定，判定当前的水温是偏冷还是偏热，得到溶解氧的消耗量；
81.步骤4.5、对当前的时间进行判定，是否处于投饲的时间段，是否提高阀值下限；
82.步骤4.6、对当前的天气进行判定，是否需要打开增氧机。
83.步骤5、上位机通过建立的数学模型得到实际的控制结果，控制继电器的开闭，对执行进行控制，调节增氧机的开闭。
84.步骤5.1、上位机得出实际的控制结果，控制继电器的开闭；
85.步骤5.2、继电器间接控制接触器，对增氧机的开闭进行控制。
86.应当理解的是，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，而所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。