鱼塘含氧量自动检测控制装置研究
教学资源： 如何增加养鱼池中的含氧量
【教学资源】如何增加养鱼池中的含氧量湖北省石首市文峰中学刘涛 434400某化学探究小组积极参与暑期社会实践活动，发现鱼虾是装在铁箱中进行远距离运送的，输送途中将如何解决鱼的吸氧问题呢？经了解后知道，解决鱼的吸氧问题一般有三种方法：方法一：物理方法即通过增氧泵或直接用瓶装氧气向水中增氧本地养鱼专业户在炎热的夏天和下暴雨之前（空气中水蒸气含量增大，气压减小）的闷热天气里，都要给鱼塘增氧，否则鱼塘会因缺氧而出现翻塘死鱼现象：⑴盛夏时节的鱼塘里严重缺氧的原因是夏天随着气温升高，空气中的氧气在水中溶解量减小，因此鱼儿浮头，呼吸空气中的氧气。
⑵养鱼池中设立水泵（见图一），把水喷向空中，或水箱中安装增氧泵（见图二），通过增大空气与水的接触面积，以增加水中的溶解量；⑶在寒冷的冬季，北方养鱼池的冰面上总要打许多洞，这是为了增加水中含氧量。
【拓展应用1】养鱼专业户在炎热的夏天给水中增加氧气含量的方法是利用水泵或增氧泵鼓入空气或氧气。
（图一）（图二）方法二：化学方法即向水中加入增氧剂常用的增氧剂主要有过氧化钙。
为了解增氧剂的增氧原理，化学课外小组查阅了有关资料：过氧化钙为白色颗粒（见图三），化学式为CaO2。
干燥的过氧化钙在常温下很稳定，但在潮湿空气中或水中可缓慢反应生成氢氧化钙和氧气，以长时间维持水中的溶解氧。
（图三）⑴过氧化钙能杀菌消毒，且能与水反应产生氧气，请写出该化学方程式为2CaO2+2H2O=2Ca(OH)2+O2↑；⑵已知对缺氧池塘过氧化钙的用量是：水深lm，每亩用过氧化钙2kg，以后水深每增加0.5m，每亩增加过氧化钙l kg，现有水深1.5m的池塘10亩，则共需要施加30Kg过氧化钙。
⑶欲测定所用的过氧化钙样品中过氧化钙的质量分数，现做如下实验：称取样品2.0g，加入到足量的水中，生成224mL氧气(氧气的密度为1.43g/L），则所用样品中过氧化钙的质量分数为72%。
【拓展应用2】空运观赏鱼必须密封，为了解决鱼的吸氧问题，给水增加氧气含量的方法是可在水中加入适量的过氧化钙。
无线传感器技术在鱼塘含氧量监控中的应用
无线传感器技术在鱼塘含氧量监控中的应用摘要：目前，远程监控系统已被广泛应用于各个领域，为了提高水产养殖的自动远程监控和控制水平，设计了关于鱼塘含氧量控制的远程监控系统，重点分析了无线传感器技术在现代鱼塘含氧量控制中的应用。
该系统采用Nordic公司生产的nRF905无线传输模块，它主要用于增氧节点和数据监控节点之间的通信。
同时，它包含一个GSM模块用于实现与业主进行通信，业主可以通过GSM模块向系统发送包含控制命令的短信，以实现对系统的远程控制。
关键词：无线通信；nRF905；自动控制；含氧量0 引言鱼是人类摄取动物蛋白的主要来源，然而随着经济的发展，人们对自然水资源保护的呼声渐浓，工厂化养殖是今后都市渔业发展的方向。
自动化的养殖方式是减少劳动强度，实现工厂化养殖的必要措施。
在众多的水体参数中，含氧量是影响渔业生产的一个重要指标。
氧是水产品赖以生存的必备条件之一。
鱼对水中的含氧量非常敏感，传统的养殖方式一般是根据经验观察鱼的浮头情况来判断水中是否缺氧。
为了防止泛塘的发生，渔民需花费大量的时间、精力观察鱼塘情况。
此种方式存在事后控制、增氧不及时或过度增氧、费时、费力等缺点，并且增加了人为因素在养殖中所占的比重，而这也恰是工厂化养殖要避免的。
同时，不同的养殖种类及养殖种类的不同养殖时期对含氧量多少的要求也不相同。
完全依靠单一的人工控制，可能会丧失最佳的含氧量控制时期和控制浓度，在一定程度上影响了水产品的生长，增加了养殖成本。
本文重点分析了无线传感器技术在现代鱼塘含氧量控制中的应用，包括基本硬件电路模块的设计和软件流程。
1 含氧量自动控制系统总体设计在工厂化养殖中，不同的养殖车间对含氧量的要求不同。
借助于传感器技术，对不同的养殖车间的含氧量分别进行采样，并按照不同养殖需求分别进行控制。
本文设计的自动监控系统可实时监测水中的含氧量，自动反映给上位机控制台，管理员可以实时进行控制。
若上位机没有及时加以处理，则把本请求转发给鱼塘业主，业主可以通过手机短信的方式进行远程控制。
渔工鱼塘全自动增氧机控制器
渔工鱼塘全自动增氧机控制器渔工鱼塘增氧机控制器性能：渔业养殖很辛苦，特别是大面积泛塘时有发生，本产品可在夜间天气变化时帮助您自动启动增氧机，助您养殖一臂之力；本产品具有自动，手动及定时增氧控制3大功能。
仪器内设定有多种天气变化增氧模式，无需特殊维护，操作简单，适用于不需长期测氧，帮您防止天气变化所致的鱼塘缺氧情况，让您夜里高枕无忧！方式一：自动控制当天气变化，大气中氧气压力降低，导致鱼塘内氧气溢出到空气中，水中含氧量下降，仪器可自动启动增氧机增氧。
方式二：手动增氧根据不同养殖情况，您可以手动启动本仪器增氧。
方式三：定时增氧仪器内置定时功能，可根据需要定时启动增氧机增氧，本仪器可设置3组定时增氧启动时间。
渔工鱼塘增氧机控制器优势特点：1、采用高灵敏度溶氧传感器监测水中氧含量；2、有线传送数据，放置简便；3、主机内设空气开关，接触器，有过载过流保护功能；4、接线简单，设有专用接线端口，只需接好进线、电机即可；5、操作容易，无需用户特殊设置，专为养殖户贴心设计；6、努力打造老百姓用得起的高科技产品，同类产品，价格最低。
渔工鱼塘增氧机控制器产品性能：渔工增氧控制器高灵敏度溶氧传感器监测水中氧含量，传感器采用最新数字传感器技术，有线传送数据，仪器采用模块化设计，使用维护方便。
1）实时监测水中氧含量2）测试信号采用高灵敏度数字传感器，灵敏度高。
使用寿命长。
3）有线数据传送，取放便捷，测试距离可达500米。
4）缺氧自动增氧，水中含氧量达到设定值停止增氧。
5）报警功能。
6）系统自动校准功能。
7）故障自动检测、过载自动保护功能8）异常状态下系统自动启动增氧机，最大限度保证安全。
为什么要使用渔工增氧控制器？池塘的溶解氧：溶解氧是池塘养殖最重要的水质标准。
溶解氧的来源主要是有浮游植物的光合作用产生，以及由空气中的氧气溶入水中产生的；溶解氧的消耗主要是由浮游生物的呼吸作用、水中有机物的分解，以及鱼类的呼吸作用造成的。
光合作用对溶氧的影响较大。
水产养殖智能化监控技术国内外研究现状
水产养殖智能化监控技术国内外研究现状国内外在水产养殖方面，应用无线传感器网络技术已经进行了部分探索和应用研究。
Qi等（2011）利用无线传感器网络系统建立了水产养殖和销售可追溯系统。
Yoneyama等（2009）建立了罗非鱼胆固醇含量监测的无线传感器网络系统，实现了罗非鱼胆固醇含量的在线快速监测。
Zhu等（2010）建立了集约化养鱼水质远程无线传感器网络系统，该系统可根据水质含氧量的历史数据进行预警预报，避免经济损失。
López等（2009）建立了工厂化养鱼环境pH，NH4+和温度的无线传感网络监测系统。
Han等（2009）研发了一套水分监测及自动灌溉控制系统。
陈娜娜等（2011）综合应用传感器技术、ZigBee无线传感器网络技术和GPRS通信技术,设计并实现了一个无线监控系统。
提出了一种改进的无线传感器网络路由协议,可降低路由消耗,提高可靠性。
闫敏杰等（2010）设计了基于无线传感器网络的鱼塘实时在线监测系统，该系统利用无线传感器节点测得监测区域中的温度和溶氧量，并通过Zigbee无线网络将数据传输到终端控制系统，控制系统作出判断同时发出报警信号并控制增氧机的工作状态。
史兵等（2011）设计了一种基于无线传感网络的规模化水产养殖智能监控系统，提高了参数控制精度。
李道亮和傅泽田设计了一种智能化水产养殖信息系统。
马从国等（2007）研发了一套基于现场总线技术的水产养殖过程智能监控系统。
李季冬和沈守平（1999）进行了水产育苗温室监控系统与计算机连接分析。
祁昕等（2001）研发了水产养殖业用溶解氧检测仪。
马祖长和孙怡宁（2003）研发了温湿度检测的无线传感器网络。
裘正军等（2007）开展了基于模糊控制与虚拟仪器的灌溉决策系统研究。
方旭杰等（2009）研制了基于ZigBee技术的无线智能灌溉系统。
史兵等（2011）研发了一种基于无线传感网和可溯源技术相结合的智能系统在工厂化水产养殖中的应用方案。
基于物联网的鱼塘环境监测系统设计
物联网技术 2018年 / 第11期智能处理与应用Intelligent Processing and Application72基于物联网的鱼塘环境监测系统设计漆 颢1，管 华1，龚晚林2（1.湖北中医药大学 信息工程学院，湖北 武汉 430065；2.武汉大学 电子信息学院，湖北 武汉 430000）摘 要：文中设计了一款基于物联网、传感器的集反馈与控制于一体的鱼塘环境监测系统，利用水温水位传感器、水质pH 值检测传感器和溶氧量检测传感器监测鱼塘相关参数，并通过分析监测数据判断鱼塘当前的环境状况，进而控制气泵、水泵对鱼塘进行充氧、换水等操作。
该系统可实现淡水养殖过程的水质自动控制、管理与预警，降低水产养殖风险，提高产品数量和质量，具有广阔的市场应用前景。
关键词：物联网；传感器；监测系统；无线网络中图分类号：TP212.9 文献标识码：A 文章编号：2095-1302（2018）11-0072-02————————————————收稿日期：2018-06-04 修回日期：2018-07-04基金项目：湖北中医药大学“青苗计划”资助项目（2017ZZX017）；湖北中医药大学校级教学研究课题（2016B12）DOI ：10.16667/j.issn.2095-1302.2018.11.0210 引 言我国渔业总产量连续多年居世界首位。
鱼的产量与鱼塘环境休戚相关，一旦水质被污染就会破坏鱼塘环境导致减产，因此必须对鱼塘环境相关参数进行监测，预防水质被破坏，满足鱼塘所需的水质要求[1]。
目前我国大多数鱼塘管理者对水中环境好坏的判断主要通过鱼有无浮头等现象来判断含氧量的多少，再利用人工控制增氧机作业。
这类方法效率低。
随着计算机技术和物联网技术的不断发展和提高，远程监测系统已被广泛应用于各领域。
在水产养殖领域，传统的人工养殖和人工采样监测已无法实现对鱼塘环境的实时监控，也不能随时获取鱼塘的水质动态，所以智能化、自动化和网络化的工厂化养殖方式已成为渔业发展的必然趋势[2]。
智能鱼塘系统方案
智能鱼塘系统解决方案一、系统背景以前的鱼塘养殖户们每天都要24小时看管鱼塘，不仅要实时注意鱼塘的水温、光照、湿度等问题，更重要的是时刻掌握好鱼塘水的溶氧值。
现在有了物联网技术的帮助，智能化鱼塘养殖监控系统提供水环境监测、远程控制等功能，综合利用计算机与网络通讯技术、传感器技术、电子技术，实现对水产生长繁育阶段的水温、光照强度和PH值等各项基本参数进行实时监测预警，养殖户可在家中可通过电脑了解鱼塘的情况，不仅掌握鱼塘水质实时数据的变化，查看视频，实时监控鱼塘现场环境，更重要的是一旦发现问题，能够及时自动处理对在鱼塘中的增氧设备实现远程操作，而不需要划船到水中央去开关增氧设备，这为养殖户提供了很大的便利。
二、系统分析2.1系统需求实现24小时实时测量温度、PH值、含氧量等水环境数据；能够远程控制加氧、换水设备保证水环境处于最佳；当温度、PH值、含氧量等数据出现异常时主动发出报警；监控中心可以远程实时查看视频等。
2.2系统实现方案数据采集部分:采用四信的F2x14系列DTU实现将鱼塘的温度、PH值、含氧量等数据传输到监控中心；视频监控部分：采用四信的F6933视频监控设备，监控中心能够通过3G/4G 网络实时查看现场视频。
2.3系统拓扑监控中心网络接入方式可以分为2种：公网方式和专网方式。
公网方式：先向运营商申请ADSL等宽带业务，监控中心具有公网固定IP。
终端设备直接向中心发起连接，稳定可靠，推荐此方案。
专网方式：监控中心接入APN专线，终端设备采用APN专网卡。
双方地址处于同一个局域网，并采用防火墙进行隔离，在防火墙上进行IP地址和端口过滤。
此种方案适合于安全性要求较高、数据点比较多、实时性要求较高的应用环境。
在资金允许的情况下的最佳组网方式。
图1.运营商公网方式图2.运营商专网方式三、系统组成智能鱼塘系统分为三个部分：监控中心、数据传输终端和视频监控终端、终端数据采集设备和摄像头。
监控中心包括WEB服务器、数据服务器以及PC等，监控平台可以24小时不间断采集现场实时数据，动态显示鱼塘温度、PH值、含氧量等水环境数据，自动形成报表以及水质异常时自动发送短信报警,并且监控中心可以实时查看现场视频，另外养殖户也可以通过Internet访问监控平台实时查看相应数据和视频、或者控制换水、加氧等设备。
基于PLC的水产养殖监控系统的开发实验
一天，水中的水溶氧 含 量 都 随 着 日 光 的 照 射 而 发 生 变 化 ，从 早 上 六 点 太 阳 出 来 开 始 ，直 到 下 午 四 点 以 后 太 阳 落山，鱼塘中的水 溶 氧 含 量 先 升 高 再 降 低。 鱼 塘 中 水 温也是随着日照的 变 化 而 变 化，根 据 其 他 文 献 介 绍 得 到如图３所示的水温与水溶氧含量的关系曲线。
根据实验数据分 析，不 同 水 深 有 不 同 的 水 温 和 水 溶氧含量，随着水深 数 值 增 大，水 温、水 溶 氧 含 量 也 会 随之降低 。 ［２］
图 ３ 温 度 与 水 溶 氧 的 关 系 曲 线
２ 基于 犘犔犆 的水产养殖监控系统总体设计 ２．１ 控 制 要 求
该 系 统 针 对 水 深 、水 温 、水 溶 氧 含 量 进 行 监 控 并 通 过执行机构进行调 节，有 效 地 控 制 了 鱼 塘 水 产 生 长 环 境，基于 ＰＬＣ 的水产养殖系统结构如图４所示。
鱼塘环境对水产 品 的 生 长 至 关 重 要，其 中 尤 以 水 深 、水 温 、水 溶 氧 含 量 最 为 重 要 。 以 上 因 素 会 直 接 影 响 水 产 品 的 生 长 速 度 和 质 量 ，如 果 把 握 不 好 其 中 关 系 ，甚 至会导致鱼塘水产大范围患病及死亡 。 ［１］ 根据相 关 文 献及 资 料 查 询 所 得 鱼 塘 中 的 水 溶 氧 含 量 如 图 １、图 ２ 所示。
屏上 实 时 显 示；② 根 据 传 感 器 上 的 信 息 反 映，通 过 ＰＬＣ 程序处理，顺 利 完 成 执 行 机 构 的 工 作；③ 渔 户 可 根 据 季 节 、天 气 等 实 时 自 然 条 件 进 行 手 动 操 作 ，以 达 到
完 美 控 制 ，实 现 利 益 最 大 化 。
化学需氧量在线自动监测仪检定装置技术报告
化学需氧量在线自动监测仪检定装置技术报告化学需氧量(COD)是一种评估水体或废水污染程度的指标。
COD测定是指将样品中的有机物氧化至水和二氧化碳，测定其消耗的氧量。
因此，COD在线自动监测仪对于水环境的监测具有重要意义。
本技术报告将介绍COD在线监测仪检定装置的设计原理和实验结果。
一、设计原理COD在线自动监测仪检定装置的设计原理主要包括样品供给系统、反应系统、检测系统和控制系统。
1.样品供给系统：该系统负责将待测样品输入至反应系统。
通常采用定量进样装置，确保每次进样的样品量相同。
2.反应系统：样品进入反应池，在其中进行化学氧化反应。
常用的氧化剂包括高锰酸钾、硫酸铜等。
反应过程需要控制时间和温度。
3.检测系统：该系统主要测量反应后产生的二氧化碳量。
常用的检测方法包括红外光吸收法、溶解氧法和电化学法。
其中，红外光吸收法是较为常用的方法。
4.控制系统：控制系统负责监测和控制整个检定装置的运行状态。
通常使用微处理器控制，实现对进样、反应时间、温度和检测等参数的自动控制和记录。
二、实验结果实验使用了一台COD在线自动监测仪，并设计了相应的检定装置进行实验。
实验测试了样品供给系统、反应系统和检测系统的性能。
1.样品供给系统实验：实验参数为进样量和进样时间。
通过在不同条件下进行实验，测量反应后二氧化碳的产生量。
实验结果显示，在进样量为10mL且进样时间为5s时，得到的二氧化碳产生量最大。
2.反应系统实验：实验参数为反应时间和反应温度。
通过在不同条件下进行实验，测量反应后二氧化碳的产生量。
实验结果显示，在反应时间为30分钟且反应温度为40℃时，得到的二氧化碳产生量最大。
3.检测系统实验：实验采用红外光吸收法进行二氧化碳的测量。
通过在不同浓度下进行实验，测量反应后产生的二氧化碳量与实际浓度之间的关系。
实验结果显示，测量值与实际浓度之间具有良好的线性关系。
综上所述，本技术报告介绍了COD在线自动监测仪检定装置的设计原理和实验结果。
鱼塘自动增氧控制系统设计
• 148•为了提高淡水养殖的自动化水平和水产养殖的质量，研制了鱼塘水体溶氧监控和自动增氧控制系统，该系统采用无线传感技术，将水体温度和溶氧量信号通过ZigBee 通信网络传输给单片机，通过单片机分析和处理，实现增氧机的自动控制和实时监控。
鱼塘水体含氧量是池塘水产养殖管理中的一项重要指标，在传统的淡水养殖中，水体增氧一般是根据经验确定，这种方法随意性比较大，时常会发生由于增氧不及时而造成的鱼苗缺氧死亡等养殖损失现象。
为此，本文设计了一种鱼塘自动增氧控制系统，该系统的使用改变了传统的水产养殖方式，从而对提高淡水养殖产量的提高、降低养殖成本、减轻人工劳动强度都具有重要的意义。
1 系统设计本系统主要由溶氧量传感器采集模块、水温传感器采集模块、信号处理与无线通信模块、STC89C52主控器模块、增氧机控制模块、上位机监控显示设置模块组成，系统框图如图1所示。
块发出控制指令。
接收和存储上位机的参数设置信号。
系统主控器使用的是STC89C52单片机，该单片机是宏晶公司生产的一种低功耗、高性能CMOS8位微控制器，具有8K 字节系统可编程Flash 存储器，指令代码完全兼容传统8051，具有512字节内部RAM ，4KB 内部ROM ，完全能够满足设计要求。
2.2 数据采集模块本设计主要对鱼塘的水温和溶氧量进行测量，数据采集模块包括温度传感器模块和溶氧量传感器模块。
温度传感器型号选用DS18B20，是DALLAS 公司生产的一线式数字温度传感器，通过单线接口与主控模块通讯。
溶氧量传感器采用北京博海志远科技有限公司生产的DOB-300A 型在线溶解氧传感器和变送器， 其测量范围是0-20mg/L ，分辨率为01mg/L ，输出模拟电压0-5V 。
2.3 信号处理与通信模块该模块采用美国TI(Chipcon)公司生产的一款基于ZigBee 技术鱼塘自动增氧控制系统设计华北理工大学人工智能学院 王睿铮华北理工大学电气工程学院 曹文军 于文硕图1 鱼塘自动增氧控制系统原理框图传感器模块将溶氧浓度信号、水温信号经信号处理与无线传输模块转化成数字信号后通过无线网络传给主控器模块，主控器模块将接收到的数据与设定数据比较，输出相应的控制指令，通过无线网络传输给对应的信号处理与无线传输模块，通过驱动电路，控制增氧机工作。
STM32单片机的智能水产养殖监测系统
S T M 32单片机的智能水产养殖监测系统*陈定武,张思扬(温州商学院信息工程学院,温州325035)*基金项目:浙江省自然科学基金(项目编号:L Y 16F 020022)㊂摘要:本文针对传统人工养殖方式存在人力和物质资源严重浪费问题,设计了基于S TM 32的智能水产养殖系统,以实现对水产养殖水质环境各种关键指标的实时监控如水质含氧量㊁温度㊁p H 值㊁物联网显示㊁自动报警装置以及设备自动控制㊂该智能养殖系统以S TM 32单片机为核心,通过数据采集㊁数据传输㊁数据库存㊁数据分析以及数据显示等功能集为一体,将设计好的智能化养殖器应用在鱼塘进行实时监控发现㊂该系统有较高的稳定性㊁可靠性和准确性,它不仅能提高经济效益,而且能降低物资与人力资源且提升水产生物成活率㊂关键词:物联网;S TM 32;水产养殖;智能化中图分类号:T P 273 文献标识码:AI n t e l l i g e n t A q u a c u l t u r e M o n i t o r i n g S ys t e m B a s e d o n S T M 32C h e n D i n g w u ,Z h a n g S i y a n g(S c h o o l o f I n f o r m a t i o n E n g i n e e r i n g ,W e n z h o u B u s i n e s s C o l l e ge ,W e n z h o u 325035,C h i n a )A b s t r a c t :T h e i n t e l l i g e n t a q u a c u l t u r e s ys t e m b a s e d o n S TM 32f o r t h e s e r i o u s w a s t e o f h u m a n a n d m a t e r i a l r e s o u r c e s i n t r a d i t i o n a l a r t i f i -c i a l w a y s o f r a i s i n g i s d e s i g n e d i n t h i s p a p e r t o r e a l i z e t h e r e a l -t i m e m o n i t o r i n g f o r v a r i o u s k e y i n d i c a t o r s o f w a t e r q u a l i t y ,i n c l u d i n g th e o x y g e n c o n t e n t ,t e m p e r a t u r e ,p H v a l u e ,d i s p l a y o f i n t e r n e t o f t h i n g s a n d a u t o m a t i c a l a r m d e v i c e .T h e s y s t e m t a k e s S TM 32M C U a s t h e c o r e ,i n t e g r a t i n g f u n c t i o n s l i k e d a t a c o l l e c t i o n ,d a t a t r a n s m i s s i o n ,d a t a i n v e n t o r y ,d a t a a n a l y s i s a n d d a t a d i s p l a y w h i l e m a k i n g re a l -t i m e m o n i t o r i n g w i t h d e s i g n e d i n t e l l i g e n t b r e e d i n g d e v i c ef o r f i s h p o n d .T h e e x p e r i m e n t r e s u l t s s h o w t h a t t h i s s y s t e m h a s t h e f u n c t i o n o f h i gh s t a b i l i t y ,r e l i a b i l i t y a n d a c c u r a c y ,w h i c h c a n n o t o n l y i n c r e a s e e c o n o m i c b e n e f i t ,d e c r e a s e m a t e r i a l a n d h u m a n r e s o u r c e s ,b u t a l s o i m p r o v e t h e s u r v i v a l r a t e o f a q u a t i c o r ga n i s m s .K e y wo r d s :I n t e r n e t o f T h i n g s ;S TM 32;a q u a c u l t u r e ;i n t e l l i g e n t i z a t i o n 引 言都说 养鱼先养水 ,从这句话中可见水产养殖对水质的要求极高,水质的质量也直接影响水产的生长和发育,从侧面也反应出水产品的产量与质量的高低㊂[1]近年来,我国有五大方面阻碍水产养殖发展:养殖技术和方式落伍,水域资源不断减少,水质污染迅速加重,水产品安全系数严重下降㊂然而,国内对水产养殖监控系统研发较少,而且以往的技术存在诸多问题:数据检测准确性低㊁通信距离短㊁开发成本高㊁纠错能力差㊁未接入物联网㊂本文针对上述存在的问题,提出智能水产养殖监测系统对电热棒㊁增氧机㊁投粉机等远程设备进行控制并通过远程监控系统显示水质信息,用户可以实时监控电机运行状态和水质信息,还可以对水质进行实际情况调节,这样智能养殖检测系统具有方便㊁准确㊁实时的特点㊂1 水产养殖监控系统结构分析Z i gB e e 是一种短距离㊁低功耗㊁可靠性高的全双工无线通信技术,遵循了I E E E 802.15.4标准的规定[2]㊂可以适用于自动控制和远程控制领域,链接嵌入各种设备,具有省电㊁节点安装灵活方便㊁覆盖范围宽阔和传输准确性高等优点㊂G P R S 网络是一种高速分组数据交换无线业务,具有远距离传输可靠度高㊁可以和物联网物联㊁实时性好等优点[3]㊂在远程数据传输过程中,我们采用G P R S 技术,通过客户端和服务器进行点对点数据传输㊂基于Z i g B e e 和G P R S 的特点,系统采用Z i gB e e 和G P R S 的技术组成无线网络,设计互联网水产养殖检测系统,分别由采集控制层㊁网关监控层㊁监控中心构成㊂采集控制层由传感器采集数据节点和继电器控制器节点组成,传感器节点编码具有唯一性,经过Z i g B e e 高可靠无线网络技术传输到网关监控层㊂网关监控层具有接收传感器检测数据结果和显示数据以及传输电机控制指令功能,经过串口总线与G P R S 无线传感网络通信,并经过G P R S 无线将水环境检测结果传输到服务层㊂监控中心可分为服务层和应用层,服务层 利于保存㊁录入㊁分析㊁发布检测结果;服务层具有保密性㊁完整性㊁可控性;应用层 用户可以通过电脑㊁手机㊁平板等电子设备浏览设备运行情况和水质数据信息㊂2 系统硬件设计2.1 采集控制层硬件设计采集控制层由中央主板模块㊁传感器模块㊁电机控制模块㊁电源模块组成,如图1所示㊂传感器模块由溶解氧传感器(带有温度传感器)㊁p H 值传感器和信号调理电路构成;电机控制模块由继电器控制电路和电机设备构成;中央处理模块是由A /D 转换器㊁S TM 32以及Z i gB e e 通信构成㊂[4]图1 采集控制层硬件设计方框图图2 p H 值调理电路2.1.1 采集传感器层硬件选用考虑到水产养殖系统在室外,用电方面存在阻碍,则电源模块采用太阳能发电,太阳能以锂电池为储能,晴天利用太阳能技术给锂电池充电,就算夜晚或下雨的情况也能保证采集控制层弱电部分正常工作,另外也预留出干电池接口,以防不测㊂电机控制模块由空气开关㊁保险丝㊁热继电器㊁交流接触器等原器件组成㊂对电机进行漏电㊁过载㊁短路㊁缺相一系列保护㊂电机控制模块收到无线信息时,单片机对继电器进行控制,再由继电器控制交流继电器,以弱电压控制强电压,最后在由交流接触器全方面保护下启动电机设备㊂例如,池塘的增氧机的功率一般为1000~4000W ㊂按4000W 计算,额定功率表达式为:P =3ˑUˑI ˑc s c Ø,功率因素c s c Ø一般为0.7~0.9,按0.7计算,根据额定功率P 表达式可以推出额定电流I 的表达式:I =P /(3ˑ380ˑc s c Ø)ʈ8.7A ,上述分析可得:按成本与安全等因素考虑,控制模块的设备额定电流应在12A 以上㊂传感器模块中的p H 传感器和溶解氧传感器分别是由豪森传感器公司和上海仪电科学仪器公司提供,p H 传感器测量范围为0~14,溶解氧传感器测量范围为0~20m g/L ,其内置热敏电阻,两款传感器具有安装方便㊁稳定性好㊁价钱低廉的特点㊂[5]2.1.2 p H 值调理电路分析pH 值传感器输出电极信号以m A 级为单位,并且内阻十分高㊂[6]在P H 值调理电路设计中,采用集成运算放大电路构成3级放大电路:第一级将p H 值传感器输出信号与电压跟随器相连,其作用是提高p H 值调理电路输入阻抗,并让隔离前级与后级之间互不影响;第二级是将p H 值传感器输出信号滤波放大;第三级是将p H 值传感器输出信号放大,放大后正常的电压在0~3.3V 之间,以满足A /D 转换器正常转换㊂p H 值调理电路图2所示㊂(注:1和2端分别是p H 值输出信号端)通过电路分析整理可得p H 值调整电路输出电压V o 1表达式为:V o 1=R 8R 61+R 7+R P 1)R 6 V i n -3R 12R 12+R 111+R 8R 9(1)其中,V i n 为pH 值传感器输出信号;除R P 1为可变电阻,其余电阻为固定电阻㊂2.1.3 溶解氧调理电路分析溶解氧电极输出电流一般在10~100μA 之间㊂在调理电路的设计中,必须把电流信号转换为电压信号,因为A /D 转换器只对电压进行转换㊂另一方面,溶解氧电极需要施加0.7V 左右电压才能正常工作㊂[7]第一级放大器为电压跟随器,调节R P 2可以对溶解氧阴极电位调节;第二级放大器作用是把溶解氧输出电流转换为电压㊂另一方面,调节R P 2,使得溶解氧阴极和阳极电位差为0.7V ,保证溶解氧电极正常工作;第三级是将第二级的输出电压反相放大滤波,溶解氧调理电路图3所示㊂(注:3和4端分别是溶解氧值输出信号端)经过电路图分析整理可得出溶解氧输出电压V o 2表达式为:V o 2=R 14R 15R 18I (2)其中,R 14㊁R 18㊁R 15为固定电阻;I 为溶解氧输出电流㊂图3 溶解氧调理电路2.1.4 温度调理电路分析本文中溶解氧传感器内置热敏电阻,具有灵敏度好㊁精度高㊁测量范围广等特点,于是利用它作为温度传感器,在温度调理电路设计中,采用电桥电路和运算放大电路组成温度调理电路,R 21㊁R 22㊁R 23㊁R P 3㊁R t 组成电桥电路,电桥的平衡条件是:R 21=R 23,R 22=(R t ||R 23),(R t ||R 23)=R 23,R 21=R 22;如果电桥不平衡将调节R P 3阻值,让放大器输出端为0,由于外部的温度变化时电桥失去平衡状态,从而放大器的输出端将输出电压信号㊂温度调理电路如图4所示㊂(注:5和6端分别是热敏电阻输出信号端)㊂图4 温度调理电路经过电路图分析整理可得出温度调整电路输出电压V o t 表达式为:V o t =5R tR P 3R 21+R t R P 31+R 22R 26+R 23R 26R 22R 24+R 22R 23+R 23R 24-R 23R 26R 22R 24+R 22R 23+R 23R 24(3)其中,R P 3为可调电阻,R t 为溶解氧传感器内嵌热敏电阻,R 21~R 24㊁R 26为固定电阻㊂2.2 网关监控层硬件设计网关监控层分别由显示器模块㊁Z i gB e e 通信模块㊁电源模块㊁G P R S 通信模块㊁单片机处理器组成㊂本系统的主控芯片是S TM 32F 103单片机,具有高性能㊁低成本㊁低功耗,专门为嵌入式设计,拥有5个串口[8]㊂Z i gB e e 通信电路采用C C 2530完成无线接收㊁数据传输及智能控制,并通过标准的串口传送给单片机,C C 2530能够以非常低的总材料成本建立强大的网络节点㊂网关监控层硬件设计如图5所示㊂图5 网关监控层硬件设计方框图触摸显示模块和G P R S 无线通信模块经过R S 485总线与单片机相连㊂R S 485总线采用半双工工作方式,具备抑制共模干扰能力㊁抗噪声干扰性好㊁数据传输速率高㊁多点互联方便以及高灵敏度等优点[9-10]㊂显示器采用7寸触摸串口屏(U S A R T HM I ),屏幕具备睡眠和触碰唤醒特点,显示器还可以通过图表㊁文字来显示水质信息和电机状态,A P M 2483是一款隔离型的R S 485收发器㊂其显示器通信串口连接电路图6所示㊂G P R S 采用MA X 3082芯片,芯片接收速率可达85.60k b p s ,发送速率达14.4k b ps ,芯片具有永久在线连接㊁快速数据存储和数据下载速度快的特点㊂其G P R S 通信串口连接电路如图7所示㊂3 系统软件设计S T M 32单片机智能水产养殖检测系统软件设计基于μV i s i o n 5软件环境开发,K e i l 是由美国K e i l S o f t w a r e 公司出品,软件可以运用汇编程序㊁C 51程序混合式编写㊂软件生成目标代码效率高㊁界面简单方便㊁可读性强㊁利于维护[11]㊂本系统采用 主机+副机 模式, 副机 是由电机控制器担任㊂主机在每30s 发送给电机控制器正确信息,说明系统运行良好,如果超过30s 时间未发送数据或错发数据给电机控制器,则断定主机出现问题,于是系统自动启动 副机 进行控制整个系统运行,同时也对养殖户发出相应的警报,即主机发生故障,系统依旧能够正常运行㊂此外,如果温度或溶解氧很低,而主机还是对电热棒和增氧机发出关闭指令,则 副机 对主机进行监察,判断主机图6显示器通信串口连接电路图图7 G P R S 通信串口连接电路图是否不开启,假如主机还是关闭,则 副机 自动对水质温度㊁含氧量进行获取,在进一步分析处理㊂ 主机+副机 模式可提高整个系统的可靠性㊂3.1 采集控制层软件设计采集控制层软件设计对各个电路进行分析计算,处理结果,软件设计主要有采集层各个部分电路初始化㊁A /D 转换器进行数值转换处理和R S 485串口中断服务㊂采集控制层软件设计程序方框图如图8所示㊂图8 采集控制层软件设计程序方框图首先程序对设备进行初始化设置,接着采集的数据经过A /D 转换器将模拟量转换为数字量,A /D 将转换后的结果再发送给单片机,单片机设置数据采集延时为20m i n ,连续采集两次数据,如果两次采集的数据超出允许误差,则再次采集数据,如果数据还是超出允许误差,则报警设备立刻对用户发出警报,否则计算两次采集结果的平均值,使得数据更加可靠㊁准确㊂紧接着R S 485串口进行点对点的通信,并将结果传输到Z i gB e e 无线通信电路㊂最后Z i gB e e 无线通信电路将信息传输到网关监控层㊂3.2网关控制层软件设计图9 网关控制层软件设计程序方框图网关控制层软件设计中的手动控制软件和自动控制软件的设计主要分为设备初始化化㊁接收采集控制层数据㊁检测是否自动或者手动状态㊁检测数据参考范围㊁发送继电器闭合或是断开指令等步骤㊂网关控制层软件设计流程如图9所示㊂网关监控层首先接收采集控制层数据并进行数据显示,然后收集数据进行分析㊁计算㊁处理㊁整合,在断定手动或是自动状态后,判定的结果通过G P R S 电路将操作指令发送到服务层平台,平台可以根据数据的推算和人为发出的指令,通过G P R S 网络发送到服务器,接着通过Z i g B e e 网络传输到操作点,如果是自动状态则将当前数据和设定的闭合继电器数据进行对比,如果达标继电器闭合,否则继电器断开,从而控制电机设备的开启或断开㊂3.3 监控中心软件设计应用层软件设计基于V i s u a l S t u d i o 软件平台进行开发,V i s u a l S t u d i o 是目前最流行的W i n d o w s 平台应用程序,是一个超集成㊁全面㊁界面简洁的开发工具,V i s u a lS t u d i o 可以创建W i n d o w s 应用程序,其必须运行在.N E T 框架之上,.N E T 支持多种语言,如V B .N E T ㊁C #㊁C ++等,服务器开发环境使用C #.N E T 语言编写㊂服务器根据鱼塘唯一码通过无线通信模块与网关监控层通信,利用互联网监控鱼塘水质信息㊂该系统主要由用户管理㊁参数配置和实时监控栏目组成㊂[12]用户管理模块主要是监控中心管理员对访问用户的身份授权与维护,用户查阅或导出系统的水环境数据进行不同级别管理,所有用户登陆后均可修改自己的登陆密码;参数配置模块可以查阅设备的型号以及设备参数,设置投饵机㊁增氧机以及加热棒定时和运行时间;实时监控是指远程监控中心通过互联网来收集采集节点传送的水质情况,对水质进行数据分析与显示,当水质参数与设备工作状态异常时则启动报警装置㊂其客户端基本结构如图10所示㊂图10 客户端基本结构4 系统数据测量结果分析2018年1月3日,我们将设计好的智能养殖器进行测试,测试项目主要包括网络数据丢失率㊁水质数据采集以及设备运行情况,网络数据丢失率用于验证网络传输的准确性,水质数据采集则考验传感器采集数据和传输数据的可靠性,设备运行情况用于检验设备运行的稳定性㊂我们在水产养殖公司中把6个传感器节点分别安放在6个鱼塘里,安放6个路由器节点和1个汇聚节点,其中传感器节点主要负责对水质环境进行采集,路由器节点负责转发数据,汇聚节点作为监控中心㊂[13]传感器节点每30s 采集一次数据,并采用Z i gB e e 和G P R S 的技术组成传输到网络㊂测试结果如表1所列,通过表1分析整个系统数据包丢失率为0.62%,证明该网络通信情况符合设计要求㊂表1 网络丢失包率数据统计传感器节点号实际数据包数接收数据包数丢失数据包差值丢失数据包率%11200120000.0021200119730.2531200119370.58412001186141.12512001187131.1061200119280.67当检测系统水质信息与电机状态时,将水质进行部分干扰,让水质数据在设备启动和关闭之间㊂一般情况下,把鱼塘的温度㊁pH 和溶解氧的值分别定在ȡ20ħ㊁ɤ6.5和ȡ6m g/L ㊂[14]系统测量数据及误差结果如表2所列㊂表2 系统测量实验数据及误差结果控制参数检测时间系统检测值精度仪器检测值设备状态是否报警实际相对误差/%温度/ħ21:05:0016.217.3O N 是-6.421:20:0018.719.2O N是2.621:35:0020.821.1O F F 否-1.4pH 值21:40:005.25.4O N 是-3.721:42:006.3.6.4O N 是-1.621:44:007.37.2O F F否1.4溶解氧/m g㊃L 422:00:004.54.3O N 是4.722:05:005.35.5O N 是-3.622:10:007.87.9O F F否-1.3从表2中可以看出温度㊁pH 值和溶解氧分别从数据库中抽取三次的数据结果,温度的时间间隔是15m i n ㊁p H 值是2m i n ㊁溶解氧是5m i n,对上述三种控制参数进行实际相对误差计算,从计算结果可看出水质测量相对误差并不是很大㊂控制参数获取三次临界数据可以很清晰看出电热棒㊁石灰粉投粉机㊁增氧机以及报警装置运行正常㊂通过表可以看出检测传感器测量的准确性,无线传输的实时性以及设备控制的可靠性,基本符合设计要求㊂结 语本文设计的基于S TM 32单片机智能水产养殖检测系统具有众多优点㊂系统维护方便:智能监控中心可以设置在各个地方,在远程控制端用户可以通过电脑㊁手机㊁平板等电子设备浏览设备运行情况和水质数据信息;智能化集成高:通过S TM 32单片机对系统进行水质监测㊁短信报警㊁自动调节水质,使整个系统更加智能化㊁科技化;降低成本:整个系统基于自动化,自动启动增氧机㊁热电棒等设备,极大避免水质不合格造成经济损失,提高水产养殖的产量和质量,减少对水产养殖过程中的人力和物力消耗,具有良好的经济效益㊂参考文献[1]曾文辉,匡迎春,欧明文,等.水产养殖水质监测温度补偿系统[J ].中国农学通报,2016,32(11):1721.[2]基于Z i gB e e 和G P R S 的水质监测系统节能设计[J ].渔业现代化,2017,4(44):2429.[3]Z i gB e e 及G P R S 模块的智能家居系统设计[J ].单片机与嵌入式应用,2014,5(14):2628,32.[4]吴泽鑫,高一川,肖进,等.基于嵌入式的水产养殖环境监控系统设计[J ].中国农机化学报,2016,37(9):8387.[5]杨旭辉.基于Z i gB e e 的节能型水产养殖环境监测系统的研究[D ].兰州:兰州大学,2016.[6]李成春.基于C C 2430无线多参数传感器检测网络的设计[D ].镇江:江苏大学,2010.[7]陈彪.基于M S P 430水产养殖环境监控系统设计[D ].海口:海南大学,2015.[8]张洋,刘军.原子教你玩S TM 32库函数版[M ].北京:北京航空航天大学出版社,2018.[9]P i e r c e F J ,E l l i o t t T V.R e gi o n a l a n d o n -f a r m w i r e l e s s s e n s o r n e t w o r k s f o r a g r i c u l t u r a l s ys t e m s i n E a s t e r n W a s t e r n W a s h -i n g t o n [J ].C o m p u t e r s a n d E l e c t r o n i c s i n A gr i c u l t u r e ,2008,61(1):3243.[10]Z h u X ,L i D ,H e D ,e t a l .A r e m o t e w i r e l e s s s ys t e m f o r w a -t e r q u a l i t y o n l i n e m o n i t o r i n g i n i n t e n s i v e f i s h c u l t u r e [J ].C o m p u t e r s a n d E l e c t r o n i c s i n A gr i c u l t u r e ,2010(71):S 3S 9.[11]任工昌,张戈.基于S T C 12的家居智能信息仪设计与实现[J ].现代电子技术,2017,44(8):6972.[12]刘星桥,骆波,朱成云.基于物联网和G I S 的水产养殖测控系统平台设计[J ].渔业现代化,2016,43(6):1620.[13]黄建清,王卫星,姜晟,等.基于无线传感网络的水产养殖监控系统开发与试验[J ].农业工程学报,2013,29(4):189190.[14]基于物联网的水产养殖测控系统的设计与实现[D ].镇江:江苏大学,2017.陈定武(本科生),主要研究方向为自动化控制㊁嵌入式开发;张思扬(副教授),主要研究方向为电子电工技术㊁电气工程与自动化㊂(责任编辑:杨迪娜 收稿日期:2018-04-23) 2.4G H z 频段的n R F 24L 01射频芯片,并与低功耗单片机S T C 89C 52结合,设计了一套无线病床呼叫系统,实现了短距离无线数据通信功能㊂经实验测试,该系统功耗低㊁传输速率高㊁通信稳定可靠,是无线技术在医学临床上的大胆应用,具有创新性和可行性㊂参考文献[1]朱玉颖,蔡占辉.基于n R F 24L 01的远程温度检测系统设计[J ].通信与信息处理,2010,29(5):5658.[2]高天星,赵旭强,马忠梅.基于C C 3200的W i F i 无线组网式跌倒检测系统[J ].单片机与嵌入式系统应用,2016(1):4144.[3]H a o M a ,H a o L i u ,Z h i Q i n g M a .T h e D e s i gn o f C o m m u n i c a t i o n S y s t e m f o r W e a r a b l e H e a l t h M o n i t o r i n g E q u i p m e n t [J ].A p pl i e d M e c h a n i c s a n d M a t e r i a l s ,2014(599601):11061110.[4]X i n R u i J i a n g ,Y i M i n g L v ,X i a o H a n C h e n g .D e s i gn o f W i r e -l e s s C o mm u n i c a t i o n S y s t e m B a s e d o n n R F 24L 01[J ].A d -v a n c e d M a t e r i a l s R e s e a r c h ,2014(945949):17561759.吕晓颖(讲师),主要研究方向为通信系统与数据处理㊂(责任编辑:杨迪娜 收稿日期:2018-04-16)U l t r a S o C 嵌入式分析技术与I m pe r a s 虚拟平台联手助力多核开发及调试U l t r a S o C 和I m pe r a s 共同宣布:双方将达成一项广泛的合作,为多核系统级芯片(S o C )开发人员提供结合了嵌入式分析技术和虚拟平台技术的强大组合㊂根据协议条款,U l t r a S o C 将把I m p e r a s 开发环境的关键元素纳入其提供的工具中,从而为设计人员提供一个统一的系统级预处理和后处理芯片开发流程,显著地缩减了产品开发时间和整体开发成本㊂通过结合半导体知识产权(I P )和相关软件,U l t r a S o C 提供行业领先的独立片上监测㊁分析和调试技术㊂I m p e r a s 首创的虚拟平台方法使得软件开发人员能尽早启动S o C 项目的相关开发工作,并提供一系列调试工具为开发人员提供系统全局视角㊂将两家公司提供的技术结合起来可创造一个强大的㊁带有一个通用软件调试环境的集成化设计流程,为项目发展提供平稳过度㊂与I m pe r a s 一起合作使得我们能够为多核设计人员提供一个省时且性价比很高的商业级平台,用来开发并推出行业领先的S o C 设计, U l t r a S o C 首席执行官R u p e r t B a i n e s 说道㊂ R I S C V 或A R M ,无论设计人员的选择是什么,我们都提供一套完整的且最优化的解决方案㊂U l t r a S o C 携手I m p e r a s 可为半导体行业所面临的复杂性㊁规模和质量问题提供独特的解决方案㊂此次合作就是在我们达成了为系统性复杂挑战提供解决方案这一共识后迈出的第一步㊂。
水产养殖水质智能监控系统研究与设计
水产养殖水质智能监控系统研究与设计摘要：目前国家将物联网作为推进产业信息化的重要战略，农业作为关系着国计民生的基础产业，其信息化、智能化进程由为迫切。
在此背景下，研究及设计水产养殖水质智能监控系统应用于一些大型水产养殖企业，提升养殖成品质量、实现规模化科技化的水产养殖。
关键词：水质监测、水产养殖、物联网、智能监控一、项目背景根据对水产养殖基地的实地察看以及和现场技术人员的深入沟通，了解到水产迫切希望通过先进科技手段实现户外鱼塘的水质监控，以便减少鱼因缺氧、水质异常造成大批量死亡的风险，减少人力电费，达到降低养殖成本提高养殖安全性的目的。
并以此为起点逐步实现，从依靠传统人工经验的养殖模式，向依靠科技手段的自动化和智能化养殖模式的转变。
物联网的应用在各个领域起着重要的作用。
具有环境感知能力的各个类终端、基于泛在技术的计算模式、移动通信等不断融入到不同行业的各个环节，可大幅提高各行业的效率，改善质量，降低成本和资源消耗。
目前国家将物联网作为推进产业信息化的重要战略，农业作为关系着国计民生的基础产业，其信息化、智能化进程由为迫切。
在此背景下，水产养殖环境智能监控系统得到了大力的发展，并成功试用于一些大型水产养殖企业，实践证明该系统对提高养殖产量、提升养殖成品质量、实现规模化现代化的养殖起到了非常重要的作用。
二、需求分析水对鱼类，就像空气对人类一样重要，是鱼类生存的必需条件，不同的鱼需要不对同的水质，因此如何选择和调节最适宜的水质，是科学水产养殖的关键。
水产养殖中，以往的水质检测都是人工按固定周期（大约一季度一次），或根本就没有水质检测。
目前对水质的判断、分析和调节主要还是依靠人的经验，而这种经验缺乏科学的数据分析、积累时间长、不可复制、无法共享，它严重制约了企业向规模化、集约化、标准化发展的进程。
因此建立水产养殖环境智能监控系统，量化养殖经验，使养殖过程自动化，管理模式标准化是大规模水产养殖企业非常关心的事情。
水产养殖智能化管理需求调研与方案设计阶段
水产养殖智能化管理需求调研与方案设计阶段目录一、前言 (2)二、需求调研与方案设计阶段 (2)三、自动化控制系统开发与部署 (5)四、智能化管理在水产养殖中的实施必要性 (7)五、培训推广与试运行阶段 (9)六、水产养殖行业的现状与挑战 (12)一、前言声明：本文内容来源于公开渠道或根据行业大模型生成，对文中内容的准确性不作任何保证。
本文内容仅供参考，不构成相关领域的建议和依据。
二、需求调研与方案设计阶段（一）需求调研1、行业现状与趋势分析在需求调研初期，首先需要对水产养殖业的现状和发展趋势进行深入了解。
这包括养殖规模与产量的持续增长情况，养殖品种的多样化趋势，以及智能化养殖技术的普及程度等。
通过对行业现状的调研，可以明确智能化管理方案需要解决的核心问题和潜在的市场需求。
2、市场需求分析市场需求分析是需求调研的重要环节。
需要了解养殖户对于智能化管理系统的具体需求，包括他们对水质监测、饲料投喂、疾病预警、远程控制等功能的期望。
同时，还需要调研市场上同类产品的竞争态势，包括竞争对手的产品特点、市场份额等，以便制定更具针对性的市场策略。
3、技术发展趋势调研随着物联网、大数据、人工智能等技术的不断发展，智能化管理系统的技术实现方式也在不断更新。
因此，在需求调研阶段，还需要对技术发展趋势进行调研，了解最新的技术成果和应用案例，以便在方案设计中融入先进的技术理念。
4、养殖场地与环境评估对养殖场地进行实地考察，评估其地理环境、水质条件、养殖品种等因素。
同时，还需要对养殖场的网络环境、硬件设备等进行评估，确保系统建设的技术可行性。
这些评估结果将为后续的系统规划和设计提供重要依据。
（二）方案设计1、系统架构设计基于需求调研的结果，设计智能化管理系统的整体架构。
通常，系统架构包括感知层、网络层和应用层三个层次。
感知层负责连接各种设备，采集水质、设备等的信息；网络层负责采集信息的上传和控制指令的下达；应用层则提供各种联网应用，如数据处理、远程控制、实时监控等。
渔业上应用的超声波增氧系统的研究进展
其 空 化现 象 ， 将超 声 波 发生 器 的辐 射 面 放 人水 中 ， 并 不 断 冲人 空气 ， 使 辐 射 面上 产 生一 个 水 气 两相 态 ， 产
生 雾状 水气 泡 ， 然 后再 喷入 水 中 。超声 波在 水 中产生
的微 小气 泡存 在 时 间短 ， 但 因表 面张 力 关 系 ， 其 内部 压强上升 ， 因此 ， 即 使 水 中气 体呈 过 饱 和 状 态 ， 气 体 分 子仍 能 向水 中溶解 ， 水 气 泡逐 渐消 失 。因此超 声波
，
水 中含氧 量 主 要 与 自然 温度 、 湿 度 以及 鱼 体 的密
的控 制监 测 功能 不 健全 ，这些 问题 都会 给养 殖 者造
度有关。在炎热 的夏天 ， 溶氧量的减少会使鱼上浮水 面吸氧 ， 鱼体能消耗大 ， 长期后还可能导致鱼的生病
及死 亡 。因此 ， 鱼类 的人工 养殖 必须 进行 增氧 。超声
水 产 工 程
渔 业 上 应 用 的 超 声 波 增 氧 系 统 的 研 究 进 展
张俊 臣 （ 黑龙 江省 合 江林 业科 学研 究所 黑龙 江佳 木斯 １ ５ ４ ０ ０ ２ ）
氧 是 鱼 类 赖 以生 存 和 生 长 发 育 的必 备 条 件 之
一
氧效 果并 不 明显 ， 并且 何 时需 要 增氧 、 何 时无 需 增 氧
成不必要的麻烦 。许多养殖者期望能够研发新型 自 动增氧器 ， 能够使增氧效果显著 。出于用户 的更高需 求 ，专 家 为此 进 行 了超 声 波 自动 增 氧 系统 设 计 的研 究 。超 声波 自动 增氧 系统 具有 如下 显著 的特 点 。 高 效溶 氧 。超声 波 增氧 的理论 依 据是 ， 超 声波发
教学资源： 如何增加养鱼池中的含氧量
【教学资源】如何增加养鱼池中的含氧量湖北省石首市文峰中学刘涛 434400某化学探究小组积极参与暑期社会实践活动，发现鱼虾是装在铁箱中进行远距离运送的，输送途中将如何解决鱼的吸氧问题呢？经了解后知道，解决鱼的吸氧问题一般有三种方法：方法一：物理方法即通过增氧泵或直接用瓶装氧气向水中增氧本地养鱼专业户在炎热的夏天和下暴雨之前（空气中水蒸气含量增大，气压减小）的闷热天气里，都要给鱼塘增氧，否则鱼塘会因缺氧而出现翻塘死鱼现象：⑴盛夏时节的鱼塘里严重缺氧的原因是夏天随着气温升高，空气中的氧气在水中溶解量减小，因此鱼儿浮头，呼吸空气中的氧气。
⑵养鱼池中设立水泵（见图一），把水喷向空中，或水箱中安装增氧泵（见图二），通过增大空气与水的接触面积，以增加水中的溶解量；⑶在寒冷的冬季，北方养鱼池的冰面上总要打许多洞，这是为了增加水中含氧量。
【拓展应用1】养鱼专业户在炎热的夏天给水中增加氧气含量的方法是利用水泵或增氧泵鼓入空气或氧气。
（图一）（图二）方法二：化学方法即向水中加入增氧剂常用的增氧剂主要有过氧化钙。
为了解增氧剂的增氧原理，化学课外小组查阅了有关资料：过氧化钙为白色颗粒（见图三），化学式为CaO2。
干燥的过氧化钙在常温下很稳定，但在潮湿空气中或水中可缓慢反应生成氢氧化钙和氧气，以长时间维持水中的溶解氧。
（图三）⑴过氧化钙能杀菌消毒，且能与水反应产生氧气，请写出该化学方程式为2CaO2+2H2O=2Ca(OH)2+O2↑；⑵已知对缺氧池塘过氧化钙的用量是：水深lm，每亩用过氧化钙2kg，以后水深每增加0.5m，每亩增加过氧化钙l kg，现有水深1.5m的池塘10亩，则共需要施加30Kg过氧化钙。
⑶欲测定所用的过氧化钙样品中过氧化钙的质量分数，现做如下实验：称取样品2.0g，加入到足量的水中，生成224mL氧气(氧气的密度为1.43g/L），则所用样品中过氧化钙的质量分数为72%。
【拓展应用2】空运观赏鱼必须密封，为了解决鱼的吸氧问题，给水增加氧气含量的方法是可在水中加入适量的过氧化钙。
AVR单片机在鱼塘溶解氧检测中的应用
渔民的劳动强度，以最少的投资获得最大的效益。
参考文献：
［1］ 崔 峰．池塘水中溶解氧变化规律的分析［J］． 安徽农业技术师 范学院学报，1999，13（3）： 73－75．
［2］ 崔 健．鱼 塘 自 动 增 氧 系 统 的 设 计 ［J］． 渔 业 机 械 仪 器 ，1994，21 （5）：33－34．
第7期
李增祥等：AVR 单片机在鱼塘溶解氧检测中的应用
1713
溶氧传感器 温度传感器
通过 RS232 电平转换连接 PC 机
调整 电路
ATMega128 单片机
图 2 系统组成框图
键盘输入及显示 报警单元 增氧机控制
2 硬件电路的设计
2．1 含氧量、温度数据采集 本 系 统 使 用 瑞 士 Hamilton 公 司 的 溶 解 氧 电 极
［3］ 赵 亮，侯国锐．单片机 C 语言编程与实例［M］．北京：人民邮电 出 版 社 ，2003．307－311．
［4］ 丁 易 新．OCMJ 图 形 液 晶 显 示 器 与 AVR 单 片 机 的 接 口 设 计 ［J］． 电 子 工 程 师 ，2005 ，31 （4）：48－50．
［5］ 成永旭，金继明，朱选才，等．用测氧仪自动监控精养鱼池增氧机 适 时 开 机 的 实 验 ［J］．渔 业 现 代 化 ，1996，23 （6）：7－10．
开始 系统初始化 采集传感器数据 数据调查 A/D 转换
停止增氧机
溶解氧＜下限值
N Y
溶解氧＞上限值 N
发送数据
Y 启动增氧机
图 3 系统主程序流程图
4 小结
该自动监控系统以水中含氧量和温度为主要
监控参数对增氧机实时控制，系统实时采集水体中
例题1右图的装置来测定空气中氧气的体积分数概要
第⑷小题图第⑸小题图练习 1（ ）某同学在商店买到一种“果冻蜡烛”（见右图）。
他想对“果冻蜡烛”进行探究。
【提出问题】“果冻蜡烛”是否含有碳、氢、氧元素。
【查阅资料】“果冻蜡烛”可完全燃烧，燃烧时无烟尘，燃烧过程和熄灭时无异味； 【探究实验】（请完成下列实验报告）【实验结论】该同学分析：水是由氢元素和氧元素组成，二氧化碳是由碳元素和氧元素组成，因此“果冻蜡烛”含有碳、氢、氧元素。
【反思】你认为该同学得出的实验结论是否准确？ （填“准确”或“不准确”），请说明原因 。
2如右图是用排水法收集的两瓶氧气，分别敞口放 置30 秒，用带火星的 木条分别以甲、乙两种方式 迅速插入，观察到木条复燃，在甲中燃烧比在乙中 更旺。
上述实验说明了氧气具有的性质： ① ； ② 。
2右图是西文同学做铁丝在氧气中燃烧性质的实验操作 图，做实验的时候她在集气瓶底部先放少量的水，这 样做的目的是 ，西文同学将铁丝在酒精灯上加热到红热 的状态，然后放入氧气的集气瓶中，但是几次她都没有 看到明显的现象，你认为可能的原因是 ，同组小彤同学拿来一根光亮洁净的细铁丝，先在细铁丝的底部绑上一根火柴棒，引燃火柴棒，再将细铁丝放入另一个氧气的集气瓶中，于是两位同学一起完成实验，果然看到了预期的现象，你认为他们看到的现象是 ，两位同学认真反思实验的过程，觉得如果在将细铁丝放入氧气的集气瓶中时，需要在火柴棒将燃尽时再放入，才可以确保看到比较明显的实验现象，你认为这样做的理由是 。
3⑴原始大气中的气体主要成分有二氧化碳、一氧化碳、甲烷、氨气等，通过绿色植物的作用，慢慢转化为现代大气的成分。
原始大气中的氨气（NH3），你认为最有可能转化为现代大气中的。
⑵下图是用来测定空气中氧气含量的实验装置图，它由两个注射器组成密闭系统，其中留有30mL空气。
给装有细铜丝的玻璃管加热，同时交替缓慢推动两个注射器的活塞。
停止加热后冷却至室温，将气体全部推至一支注射器中，请据你的理解回答：①实验应先检查装置的气密性，你认为方法是②如果实验中测定的氧气体积分数小于五分之一，可能的原因有，。
水社会循环领域创新性训练基础_福州大学中国大学mooc课后章节答案期末考试题库2023年
水社会循环领域创新性训练基础_福州大学中国大学mooc课后章节答案期末考试题库2023年1.我国高等教育现状，无论是学科设置、还是教材内容，无论是知识传授、还是政策鼓励，无论是教学方法、还是指导帮助，都尚不能说达到了鼓励“大众创业、万众创新”的要求。
答案:2.在以下观点中，哪一个是应该倡导的：答案:科学家应该及时反思和前瞻科学对社会的影响，使科学服务于全人类的福祉。
3.一种基于海绵城市的节能防涝预警雨水系统的雨水调蓄模块增设于易涝路段，起调节（）的作用。
答案:洪峰流量4.以下哪项不是“基于厕所革命的智慧公厕”的创新点？答案:设备通过发电机进行发电5.那些为研究者提供了研究条件或对论文提出了重要修改意见者对人应该有权在研究成果上署名。
答案:错误6.“将设计的方案进行实现，和最终用户进行沟通，实现方案的落地和推广”是创新性设计思维一般过程中六大步骤的（）。
答案:价值7.大量使用自己已发表论著中的重要内容而未进行适当的引注，不构成“自我剽窃”。
答案:8.价值中立思想对于科研工作者来说，是绝对正确的吗？答案:9.关于恰当署名，以下哪一个表述是正确的？答案:不可将不符合作者资格的导师列为作者_对研究成果仅有名义上和辅助性贡献的人，不应被列为作者，但可致谢_导师在没有参加学生的研究工作的情况下，不应该在学生发表的成果上署名，同时也应该拒绝学生赠送署名10.下列不属于创新性设计思维具体表现形式的是（）。
答案:具象思维11.一种基于海绵城市的防涝、储水、发电一体化路面雨水收集系统由涡轮虹吸雨水口、（）、（）、雨水储存装置、智能灌溉喷洒装置组成。
答案:12.科研人员应该履行一系列责任，包括但不限于以下哪些选项？答案:13.基于厕所革命的智慧公厕中，滤料渗透装置包括以下哪些部分？答案:14.世界上设计流派的不同而有诸多的创新设计理论和方法，其中影响最大、流传最广的应属（）。
答案:头脑风暴法15.“介绍有待解决的问题；对问题进行分析，井将问题分为几个小问题；主持人或问题的提出者对问题发问井做引导性发言。
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鱼塘含氧量自动检测控制装置研究
作者：张雪等
来源：《安徽农业科学》2014年第15期
摘要传统的养鱼方法只注重向池塘大量投饵施肥，使池塘生态系常常处于“生态饱和”的状态下，同时导致水体含氧量不足。
为了提高鱼类产品饲养的质量和数量，提升水产养殖技术的自动化水平，减轻渔民的劳动强度，降低水产养殖的成本，研制了一种鱼塘含氧量自动检测控制装置，实时监测水中的含氧量，自动启动水产增氧设备的运行，使鱼塘中水的含氧量的上下限保持在设定范围内，有效提高了鱼类的安全性，从而降低养殖成本。
关键词鱼塘；含氧量；自动检测装置
中图分类号S932.9文献标识码A文章编号0517-6611（2014）15-04656-02
AbstractThe traditional way of feeding fish is pouring a large amount of baits and fertilizer into fish pool to keep it “Ecological Saturated”. However， this way leads to shortage of oxygen in water. This paper introduces an automatically detection and control device for oxygen content in fish pool. The device was designed to improve the quality and quantity of fish， to increase the automation of aquaculture， to lighten the labor intensity of fishermen， and to reduce the cost of aquaculture. This device can detect the oxygen content in fish pool in time and control the aerator automatically. All these can keep the change of oxygen content in a setting range and thus increase the safety of aquatic product.
Key wordsFish pool； Oxygen content； Automatic detection device
水体含氧量不仅是衡量水质的重要指标，也是影响鱼类生长的主要因素之一。
当水体含氧量低于临界氧浓度时，大多数鱼类都会出现生长减慢现象。
由于含氧量会随着环境温度、水体酸碱度和鱼类活跃程度等因素而变化，因此对鱼塘中含氧量进行自动检测并进行实时增氧控制具有重要意义[1-2]。
在传统鱼类养殖过程中，通常通过观察鱼类是否有浮头情况来判断水中含氧量是否低于鱼类生长需求，这种观察的方法存在劳动强度大、实时性差、事后控制不及时等问题，一定程度上影响了鱼类生长，增加了额外的养殖成本[3]。
目前市场上也有含氧量检测仪器，但这种仪器通常采用人工采集水样送回室内检测方案，难以实现鱼塘中央水质的检测，并且也存在滞后性问题。
笔者针对鱼塘水质中检测与供氧不及时问题进行研究，并实现对鱼塘水质的实时多点检测，当水体溶解氧含量低于设定值时，系统自动启动增氧设备，给水体自动增氧，克服了传统的方式中供氧迟滞现象，同时对该装置的含氧量检测精度及整体功能在鱼塘中进行试验。
1系统总体方案设计
含氧量自动检测装置主要由传感器检测模块、终端控制模块、ZigBee无线通信模块和增氧设备控制端子4部分组成。
整个装置功能的完成是利用溶解氧传感器采集当前水体含氧量，经数据处理后传送给终端控制模块进行判断，在超出设定阈值时，通过无线通信协议发送到增氧设备控制端，控制增氧设备的开启或关闭，从而调节鱼塘中氧含量。
系统整体框图如图1所示。
图1系统整体框架整个系统采用主从设计方式，主机和从机之间采用无线射频的方式进行通信。
从机建立无人监测站以监测和记录沿线各点的水质变化，实时测量鱼塘中的溶解氧和温度；主机将从机发送来的信号在液晶屏上显示，同时主机上可以根据不同的季节和时段进行溶解氧上下限的设定，以便于启停增氧设备；增氧设备的启动命令由主机发出，由从机来执行启动控制信号，启动增氧设备的系统也备有手动方式。
2系统单元实现
该系统主要包括溶解氧传感器、单片机终端控制模块、ZigBee无线通信模块、增氧设备控制模块等单元。
2.1溶解氧传感器该系统采用极谱型隔膜氧电极传感器，由阴极和阳极构成，电极腔内充有特制电解液，当2个电极上加有固定的极化电压时，氧在阴极上发生氧化—还原反应产生扩散电流，电极电流可近似表示为[4-5]：
因阴极还原反应速度很快，氧在阴极附近几乎不积累，在传感器隔膜厚度和电极有效工作面积一定时，电极两端的电流仅与被测溶液氧浓度及隔膜透气率有关；当电极参数一定时，在一定温度下稳定后电极产生的电流与被测氧浓度呈线性关系，可用来指示氧浓度，但由于不同温度下隔膜的氧穿透系数不同和氧在电解质溶液中的扩散系数会变化，导致电极产生的电流信号随温度的改变而变化[6]，因此设计温度补偿电路[7]（图2），以减小温度的改变对检测结果的影响。
根据传感器资料可知，采用的DOG2000溶氧传感器薄膜透气性与温度的变化系数大约为每度增加3%。
因此，温度补偿电路应实现当温度偏离额定温度27 ℃时每增加1 ℃，RF应减小3%，可见热敏电阻应选用负温度系数。
2.2单片机终端控制模块单片机终端控制模块包括中央处理器、数据采集转换部分和显示部分。
该装置采用AT89C51单片机作为终端控制模块，其内部有4 kB的E2PROM和128 B RAM，存储器资源满足系统要求，因此不需要外扩存储器。
模数转换部分采用TI公司的
TLC1543，来完成氧含量和温度传感器信号的A/D转换。
它具有输入通道多、性价比高、易于
与单片机接口的特点，可广泛用于各种数据采集系统。
显示部分由单片机控制LCD12864液晶显示设定含氧量、当前含氧量和当前温度值。
2.3ZigBee无线通信模块该装置采用基于ZigBee无线通信模块实现终端控制器与从机之间的无线通信。
ZigBee传输模块是将采集到的信息数据以无线方式发送出去，具有传输速率低、功耗低、成本低、网络容量大、安全性好等特点，是自动化控制系统和工农业生产中的首选网络[8]。
该装置发送节点和接收节点统一采用UBEC公司推出的高度整合的SoC芯片
UZ2400无线射频芯片实现数据传输。
2.4增氧设备控制模块由于增氧设备是大功率器件，工作电压为220 V，而单片机是一个弱电器件，驱动电流为毫安级，不能直接用单片机控制增氧设备，中间要加入继电器模块[9]。
当继电器闭合时，通过无线传输模块控制增氧设备开始工作；反之，继电器断开，增氧设备停止工作。
电路原理如图3所示。
3应用
3.1系统检测方案以0.2 hm2大小鱼塘为例，一般情况下面积0.33 hm2以下的鱼塘可选用1台功率1.5 kW的增氧设备。
从图4可以看出，中间为增氧设备，在鱼塘中设置4个检测点，接下来以单点检测为例，说明该装置的具体工作流程。