高鳳強(qiáng)， 顏逾越， 康 愷， 郭一晶

(廈門大學(xué)嘉庚學(xué)院信息科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，福建 漳州，363105)

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基于GSM的對蝦養(yǎng)殖場增氧機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

高鳳強(qiáng)， 顏逾越， 康 愷， 郭一晶

(廈門大學(xué)嘉庚學(xué)院信息科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，福建 漳州，363105)

增氧機(jī)是實(shí)現(xiàn)高密度、高產(chǎn)量對蝦養(yǎng)殖的重要設(shè)備。為保障增氧機(jī)連續(xù)可靠運(yùn)行，減少因增氧機(jī)故障給養(yǎng)殖戶帶來的損失，研究并設(shè)計(jì)了一套基于GSM通信網(wǎng)絡(luò)的增氧機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)。該系統(tǒng)由手機(jī)終端和監(jiān)測執(zhí)行終端組成，監(jiān)測執(zhí)行終端以STC12C5A32S2為主控芯片，并采用AC電流檢測電路及SIM900模塊對增氧機(jī)運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)測及遠(yuǎn)程通信。通過手機(jī)終端，養(yǎng)殖戶可實(shí)現(xiàn)對增氧機(jī)運(yùn)行狀態(tài)的實(shí)時(shí)監(jiān)測和控制。當(dāng)增氧機(jī)工作異常時(shí)，系統(tǒng)會立即以電話方式通知養(yǎng)殖戶，并開啟本地聲音報(bào)警；如果養(yǎng)殖戶配備了備用增氧機(jī)，系統(tǒng)會自動打開備用增氧機(jī)。實(shí)際應(yīng)用效果顯示，該系統(tǒng)能夠滿足養(yǎng)殖戶對增氧機(jī)實(shí)時(shí)監(jiān)控的需求，運(yùn)行穩(wěn)定、裝配簡易、操作方便，可有效降低養(yǎng)殖戶巡查和維護(hù)的強(qiáng)度。

水產(chǎn)養(yǎng)殖；增氧機(jī)；GSM；監(jiān)控系統(tǒng)

增氧機(jī)是保證對蝦養(yǎng)殖高產(chǎn)、穩(wěn)產(chǎn)不可或缺的重要機(jī)械設(shè)備[1]。目前養(yǎng)殖戶主要采用人工方式管理增氧機(jī)，不僅增加了人力成本，而且容易產(chǎn)生由于未及時(shí)調(diào)控增氧機(jī)而造成的重大經(jīng)濟(jì)損失的情況[2-5]。因此，建立自動增氧機(jī)工作異常監(jiān)控系統(tǒng)尤為重要。目前，針對增氧機(jī)的自動控制已有多種方案[6-9]，但這些方案主要解決的是增氧機(jī)的自動或遠(yuǎn)程開啟問題，并沒有涉及增氧機(jī)工作異常的報(bào)警；此外，傳輸控制距離普遍較近，不能完全滿足用戶遠(yuǎn)程監(jiān)控的需求。在上述研究的基礎(chǔ)上，提出了一款基于GSM的對蝦養(yǎng)殖場增氧機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)。

1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)由監(jiān)控執(zhí)行終端、手機(jī)終端、接觸器和增氧機(jī)構(gòu)成，并采用GSM進(jìn)行數(shù)據(jù)通信。GSM是一種當(dāng)前應(yīng)用極為廣泛的移動通訊標(biāo)準(zhǔn)，具有網(wǎng)絡(luò)覆蓋率高、傳輸特性好的優(yōu)勢。同時(shí)，它可以以短消息的方式實(shí)現(xiàn)任何時(shí)間、任何地點(diǎn)的無線通信，是采集數(shù)據(jù)良好的無線傳輸方式[10-11]。通信架構(gòu)圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)通信架構(gòu)圖Fig.1 Frame diagram of system communication

該系統(tǒng)的核心部件——監(jiān)控執(zhí)行終端只需要安裝在養(yǎng)殖場的電房內(nèi)，即可實(shí)現(xiàn)對整個養(yǎng)殖場增氧機(jī)的監(jiān)控。監(jiān)測執(zhí)行終端主要由STC12C5A32S2單片機(jī)、AC電流檢測模塊、SIM900模塊、繼電器模塊、接觸器和揚(yáng)聲器等組成(圖2)。單片機(jī)主要完成數(shù)據(jù)處理和邏輯處理；AC電流檢測模塊將增氧機(jī)電流數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的模擬量輸出；繼電器模塊是系統(tǒng)的控制執(zhí)行單元，通過控制接觸器實(shí)現(xiàn)增氧機(jī)的打開或關(guān)閉；SIM900模塊是系統(tǒng)的GSM通信單元，通過串口與單片機(jī)相連，用于監(jiān)測執(zhí)行終端與手機(jī)的通信；揚(yáng)聲器用于當(dāng)增氧機(jī)出現(xiàn)工作異常時(shí)報(bào)警。

圖2 監(jiān)測行終端總體結(jié)構(gòu)圖Fig.2 General structure of monitoring terminal

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1 單片機(jī)及其外圍電路

本系統(tǒng)采用STC12C5A32S2單片機(jī)作為系統(tǒng)的控制核心。該單片機(jī)是宏晶科技生產(chǎn)的單時(shí)鐘/機(jī)器周期的新一代單片機(jī)，其運(yùn)算速度比傳統(tǒng)8051單片機(jī)快8～12倍，而指令代碼完全兼容[12]。它具有32K FLASH程序存儲字節(jié)、29K EEPRROM字節(jié)、8路高速、10位A/D轉(zhuǎn)換等功能，同時(shí)具備高速、可靠、低功耗、低成本、強(qiáng)抗靜電、強(qiáng)抗干擾的優(yōu)點(diǎn)。

2.2 AC電流檢測電路

AC電流檢測電路主要用于監(jiān)測增氧機(jī)工作電流的變化，從而判斷增氧機(jī)工作是否異常，其原理圖如圖3所示。交流感應(yīng)信號經(jīng)過整流電路轉(zhuǎn)換為直流信號，再通過電容濾波平滑后，經(jīng)運(yùn)算放大器MCP602放大、修正，最終以模擬信號形式輸出。單片機(jī)對模擬信號取樣、A/D轉(zhuǎn)換和軟件濾波后[13-14]，即可獲得實(shí)時(shí)的增氧機(jī)電流數(shù)據(jù)，從而為判斷增氧機(jī)的工作情況提供依據(jù)。

圖3 AC檢測電路原理圖Fig.3 Schematic diagram of AC detection circuit

2.3 SIM900電路

系統(tǒng)采用SIM900模塊進(jìn)行數(shù)據(jù)通信。該模塊是集成度高的GSM/GPRS模塊，采用ARM926EJ-S架構(gòu)，性能強(qiáng)大[15]。單片機(jī)通過AT指令與SIM900進(jìn)行交互，控制SIM900模塊進(jìn)行撥打電話和短信發(fā)送的操作。

2.4 繼電器及輸入輸出電路

繼電器模塊電路原理圖如圖4所示。其中包括K1在內(nèi)的繼電器控制端與單片機(jī)相連，輸出端OUT1與接觸器的控制線圈相連，從而實(shí)現(xiàn)單片機(jī)對增氧機(jī)的控制。接觸器反饋信號電路用于監(jiān)測接觸器是否接通。KINO1-6連接的是接觸器反饋端，IN1-6則直接與單片機(jī)相接。該反饋用于保證系統(tǒng)的可靠性。為進(jìn)一步提高遠(yuǎn)程開啟動作的可靠性，系統(tǒng)采用電流反饋?zhàn)鳛橹鞣答伔绞健?/p>

圖4 繼電器及輸出電路原理圖Fig.4 Schematic diagram of relay and output circuit

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

3.1 系統(tǒng)功能介紹

系統(tǒng)的軟件部分具有實(shí)現(xiàn)增氧機(jī)狀態(tài)監(jiān)測與查詢、遠(yuǎn)程控制及反饋、異常報(bào)警等功能。由于增氧機(jī)工作狀態(tài)的變化會直接體現(xiàn)在供電電路電流數(shù)據(jù)的變化上，因此本系統(tǒng)通過對供電電路中電流數(shù)據(jù)的監(jiān)測，從而達(dá)到對增氧機(jī)工作狀況的監(jiān)測。增氧機(jī)狀態(tài)監(jiān)測與查詢是指系統(tǒng)能夠監(jiān)測增氧機(jī)的工作狀況，同時(shí)允許用戶通過手機(jī)短信進(jìn)行遠(yuǎn)程狀態(tài)查詢；遠(yuǎn)程控制及反饋是指用戶可通過手機(jī)短信遠(yuǎn)程控制增氧機(jī)的啟動或停止，同時(shí)檢測接觸器反饋線圈是否正常動作和供電電路電流變化是否符合遠(yuǎn)程命令，并將命令執(zhí)行結(jié)果以短信形式反饋給用戶；異常報(bào)警是指當(dāng)系統(tǒng)檢測到增氧機(jī)工作異常時(shí)自動撥打養(yǎng)殖戶電話進(jìn)行遠(yuǎn)程報(bào)警，同時(shí)開啟揚(yáng)聲器報(bào)警；增氧機(jī)工作異常是指非遠(yuǎn)程人為操作時(shí)，供電電路的相電流降低值大于設(shè)置的報(bào)警電流閾值。

3.2 主程序設(shè)計(jì)

系統(tǒng)的主程序流程圖如圖5所示。系統(tǒng)開始運(yùn)行時(shí)需要對系統(tǒng)進(jìn)行初始化，初始化內(nèi)容主要包括初始化A/D、串口、SIM900工作模式、定時(shí)器、中斷、標(biāo)志位等。初始化完成后，系統(tǒng)將進(jìn)行AD電流數(shù)據(jù)采集，采集的時(shí)間間隔由定時(shí)器控制。當(dāng)單片機(jī)采集到的電流數(shù)據(jù)異常即增氧機(jī)工作異常時(shí)，單片機(jī)將通過AT指令控制SIM900撥打養(yǎng)殖戶號碼進(jìn)行電話報(bào)警，同時(shí)開啟揚(yáng)聲器報(bào)警。如果用戶設(shè)置了啟用備用增氧機(jī)，系統(tǒng)還會自動啟動。若采集到的數(shù)據(jù)正常且接收到遠(yuǎn)程短信指令，單片機(jī)將進(jìn)行遠(yuǎn)程控制指令的解析并執(zhí)行相應(yīng)命令，例如打開或關(guān)閉增氧機(jī)等。

圖5 主程序流程圖Fig.5 Flow chart of main program

3.3 報(bào)警電流設(shè)置分析

設(shè)置報(bào)警電流是為判定當(dāng)前增氧機(jī)是否工作異常提供參考，即當(dāng)非人為遠(yuǎn)程關(guān)閉指令時(shí)，電路電流降低值大于設(shè)置的報(bào)警電流閾值即視為增氧機(jī)工作異常。該參數(shù)的設(shè)置直接影響到增氧機(jī)異常時(shí)系統(tǒng)能否報(bào)警。目前對蝦養(yǎng)殖場中被廣泛使用的增氧機(jī)多采用三相電機(jī)作為動力，因此本設(shè)計(jì)據(jù)此進(jìn)行參數(shù)計(jì)算。

三相電機(jī)的功率計(jì)算公式[16]：

(1)

式中：UL—線電壓，V；IL—線電流，A；cosψ—功率因素；η—電機(jī)滿負(fù)載時(shí)的效率。

根據(jù)公式(1)可求得打開或關(guān)閉一臺750 W增氧機(jī)后電流變化值為：

(2)

式中：UL=380 V[17]，ΔP=750 W，cosψ=0.76，η=0.85，得ΔI=1.76 A。其中0.76和0.85分別是從電機(jī)銘牌獲取的電機(jī)滿負(fù)載時(shí)的效率和功率因數(shù)。為避免誤報(bào)，報(bào)警電流閾值的設(shè)置不應(yīng)超過此值。

在養(yǎng)殖過程中，養(yǎng)殖戶會通過在增氧機(jī)的浮筒上增減重物來改變增氧機(jī)的負(fù)載。通過實(shí)際測試得到，在增氧機(jī)處于輕載運(yùn)行的養(yǎng)殖初期，其電流值約為1.1 A；而在增氧機(jī)處于重載運(yùn)行的養(yǎng)殖后期，其電流可高達(dá)2.2 A。同時(shí)，系統(tǒng)中采用的電流互感器的量程為60 A，精度為5‰，其滿負(fù)荷運(yùn)行時(shí)的電流波動約0.3 A(60 A×5‰)。綜合以上因素，同時(shí)兼顧避免誤報(bào)和漏報(bào)的需求，本系統(tǒng)設(shè)置系統(tǒng)的報(bào)警電流值為0.8 A(1.1-0.3 A)。

值得注意的是，在電流檢測過程中，增氧機(jī)的啟動過程會造成電流迅速上升和下降。這種突變信號將影響系統(tǒng)的正常判斷，應(yīng)加以濾除?？紤]到在增氧機(jī)正常工作過程中，電流不會明顯躍變等實(shí)際情況，系統(tǒng)中使用了設(shè)置閾值變化極限并結(jié)合中值濾波的方法來鑒別和剔除增氧機(jī)啟動過程產(chǎn)生的數(shù)據(jù)[18]。實(shí)踐證明，該方法有效地防止了由于電機(jī)啟動帶來的誤報(bào)情況。

4 測試結(jié)果及分析

2014年10月，在福建省漳州市的一個對蝦養(yǎng)殖場進(jìn)行了系統(tǒng)功能測試。該養(yǎng)殖場配備有7臺750 W水車式增氧機(jī)，且每臺增氧機(jī)均可手動獨(dú)立控制啟停。測試前對該養(yǎng)殖場的電路進(jìn)行了簡單改造。首先將三相供電電路中的一相穿過系統(tǒng)用的電流互感器，從而達(dá)到監(jiān)測整個養(yǎng)殖場所有增氧機(jī)工作狀態(tài)的目的；再在每個空氣開關(guān)的下方串入一個交流接觸器，讓每臺增氧機(jī)具備獨(dú)立自動控制的條件。測試工作分為增氧機(jī)工作異常報(bào)警測試和遠(yuǎn)程開關(guān)增氧機(jī)測試兩個部分。

由于系統(tǒng)采用閾值報(bào)警的方式，因此，只要測試系統(tǒng)在供電電路電流降低值最小的情況下是否能夠正常報(bào)警即可。為保證異常報(bào)警測試的科學(xué)性，分別進(jìn)行1臺、2臺、3臺、4臺、5臺、6臺增氧機(jī)同時(shí)工作時(shí)，其中1臺增氧機(jī)突然停止工作的測試。同時(shí)也將6臺增氧機(jī)的負(fù)載進(jìn)行了隨機(jī)調(diào)整，模擬在養(yǎng)殖過程中增氧機(jī)負(fù)荷的變化。

從測試結(jié)果(表1)可知，增氧機(jī)的啟動過程不會影響系統(tǒng)的報(bào)警判斷。當(dāng)出現(xiàn)增氧機(jī)故障的時(shí)候，系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程和本地報(bào)警，并自動打開備用增氧機(jī)。

表1 增氧機(jī)聯(lián)機(jī)測試異常報(bào)警記錄

為減少增氧機(jī)同時(shí)開啟對于電網(wǎng)的沖擊，便于正確判斷某臺增氧機(jī)是否正常開啟，如果需要同時(shí)開啟多臺增氧機(jī)，系統(tǒng)會依次開啟；為保證系統(tǒng)的穩(wěn)定性，增氧機(jī)開啟時(shí)間間隔必須2 s以上，且增氧機(jī)的工作穩(wěn)定后，系統(tǒng)才會開啟下一臺。基于實(shí)際測試條件和需求，遠(yuǎn)程測試進(jìn)行了開啟1臺、2臺、3臺、4臺、5臺和6臺增氧機(jī)的測試，并對成功開啟返回時(shí)間(指手機(jī)端開始發(fā)送控制短信到收到開啟成功反饋短信的時(shí)間間隔)進(jìn)行記錄，分別為25 s、29 s、33 s、35 s、38 s、和41 s，增氧機(jī)均能成功開啟。從測試結(jié)果可知，系統(tǒng)可以正確接收并執(zhí)行來至手機(jī)端的短信開關(guān)指令，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程自動開啟多臺增氧機(jī)的目標(biāo)，且開啟臺數(shù)越多，成功開啟返回時(shí)間越長。

從2015年3月起該設(shè)備已小批量投入市場，目前已在漳州的龍海市和漳浦縣安裝102臺。從用戶使用情況跟蹤結(jié)果來看，該系統(tǒng)未出現(xiàn)漏報(bào)和誤報(bào)情況，運(yùn)行穩(wěn)定。

5 結(jié)論

針對對蝦養(yǎng)殖戶對養(yǎng)殖場增氧機(jī)監(jiān)控的需求而開發(fā)的基于GSM的對蝦養(yǎng)殖場增氧機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)，可以實(shí)現(xiàn)養(yǎng)殖場增氧機(jī)的實(shí)時(shí)監(jiān)控、狀態(tài)查詢、遠(yuǎn)程操作和異常報(bào)警等功能，可克服人工巡查不可靠、不及時(shí)的缺點(diǎn)。該系統(tǒng)已投入到福建漳州當(dāng)?shù)仞B(yǎng)殖場的實(shí)際生產(chǎn)中，使用驗(yàn)證及測試結(jié)果表明，該系統(tǒng)完全達(dá)到了預(yù)定的設(shè)計(jì)功能。本設(shè)計(jì)部分功能仍有待進(jìn)一步提高與完善，如尚未對溶氧進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測與反饋，尚未根據(jù)實(shí)時(shí)溶氧需求自動啟動或關(guān)閉增氧機(jī)等。

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The design of an aerator-monitoring system in shrimp farms based on GSM

GAO Fengqiang, YAN Yuyue, KANG Kai, GUO Yijing

(Information Science Technology College, Tan Kah Kee College, Xiamen University， Zhangzhou 363105, China)

Aerator is the guarantee of high density and production of shrimp culture. To reduce the loss caused by aerator fault for shrimp farmers, and ensure continuous and reliable operation of the aerator, this paper proposed an aerator-monitoring system based on GSM communication network. This system consists of a mobile terminal and monitoring execution terminal, and the the main control chip of latter is the STC12C5A32S2. AC current detection circuit and SIM900 module are chosen for remote communication and aerator working condition monitoring. Through the mobile terminal, shrimp farmers can achieve the real-time monitoring and control of the aerator. When the aerator is abnormal, the system will immediately inform the farmers by calling and enable local audible alarm; if spare aerator is equipped by the shrimp farmers, the system will automatically open the spare aerator. The application showed that the system could satisfy the users’ requirement for real-time monitoring for the aerator, which was characterized by stable running, simple installation, convenient operation, and effective reduction of the strength of inspections and maintenance work for shrimp farmers.

aquiculture; aerator; GSM; monitoring system

2015-11-08

2016-02-08

福建省2015年中青年教師教育科研項(xiàng)目“基于物聯(lián)網(wǎng)的水產(chǎn)養(yǎng)殖監(jiān)控系統(tǒng)(JA15615) ”；2014年度國家級大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)項(xiàng)目“基于GPRS的水產(chǎn)養(yǎng)殖場智能監(jiān)控報(bào)警系統(tǒng)(201413469003)”

高鳳強(qiáng)(1984—)，男，講師，碩士，研究方向：農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)。E-mail：fengqianggao@foxmail.com

郭一晶(1980—)，男，副教授，碩士，研究方向：計(jì)算機(jī)控制和物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)。E-mail：yjguo@xujc.com

10.3969/j.issn.1007-9580.2016.01.003

TP277；TP331.2

A

1007-9580(2016)01-013-05