基于GSM的对虾养殖场增氧机监控系统设计

高凤强， 颜逾越， 康 恺， 郭一晶

(厦门大学嘉庚学院信息科学与技术学院，福建 漳州，363105)



基于GSM的对虾养殖场增氧机监控系统设计

高凤强， 颜逾越， 康 恺， 郭一晶

(厦门大学嘉庚学院信息科学与技术学院，福建 漳州，363105)

增氧机是实现高密度、高产量对虾养殖的重要设备。为保障增氧机连续可靠运行，减少因增氧机故障给养殖户带来的损失，研究并设计了一套基于GSM通信网络的增氧机监控系统。该系统由手机终端和监测执行终端组成，监测执行终端以STC12C5A32S2为主控芯片，并采用AC电流检测电路及SIM900模块对增氧机运行状态进行监测及远程通信。通过手机终端，养殖户可实现对增氧机运行状态的实时监测和控制。当增氧机工作异常时，系统会立即以电话方式通知养殖户，并开启本地声音报警；如果养殖户配备了备用增氧机，系统会自动打开备用增氧机。实际应用效果显示，该系统能够满足养殖户对增氧机实时监控的需求，运行稳定、装配简易、操作方便，可有效降低养殖户巡查和维护的强度。

水产养殖；增氧机；GSM；监控系统

增氧机是保证对虾养殖高产、稳产不可或缺的重要机械设备[1]。目前养殖户主要采用人工方式管理增氧机，不仅增加了人力成本，而且容易产生由于未及时调控增氧机而造成的重大经济损失的情况[2-5]。因此，建立自动增氧机工作异常监控系统尤为重要。目前，针对增氧机的自动控制已有多种方案[6-9]，但这些方案主要解决的是增氧机的自动或远程开启问题，并没有涉及增氧机工作异常的报警；此外，传输控制距离普遍较近，不能完全满足用户远程监控的需求。在上述研究的基础上，提出了一款基于GSM的对虾养殖场增氧机监控系统。

1 系统总体结构设计

本系统由监控执行终端、手机终端、接触器和增氧机构成，并采用GSM进行数据通信。GSM是一种当前应用极为广泛的移动通讯标准，具有网络覆盖率高、传输特性好的优势。同时，它可以以短消息的方式实现任何时间、任何地点的无线通信，是采集数据良好的无线传输方式[10-11]。通信架构图如图1所示。

图1 系统通信架构图Fig.1 Frame diagram of system communication

该系统的核心部件——监控执行终端只需要安装在养殖场的电房内，即可实现对整个养殖场增氧机的监控。监测执行终端主要由STC12C5A32S2单片机、AC电流检测模块、SIM900模块、继电器模块、接触器和扬声器等组成(图2)。单片机主要完成数据处理和逻辑处理；AC电流检测模块将增氧机电流数据转换为相应的模拟量输出；继电器模块是系统的控制执行单元，通过控制接触器实现增氧机的打开或关闭；SIM900模块是系统的GSM通信单元，通过串口与单片机相连，用于监测执行终端与手机的通信；扬声器用于当增氧机出现工作异常时报警。

图2 监测行终端总体结构图Fig.2 General structure of monitoring terminal

2 系统硬件设计

2.1 单片机及其外围电路

本系统采用STC12C5A32S2单片机作为系统的控制核心。该单片机是宏晶科技生产的单时钟/机器周期的新一代单片机，其运算速度比传统8051单片机快8～12倍，而指令代码完全兼容[12]。它具有32K FLASH程序存储字节、29K EEPRROM字节、8路高速、10位A/D转换等功能，同时具备高速、可靠、低功耗、低成本、强抗静电、强抗干扰的优点。

2.2 AC电流检测电路

AC电流检测电路主要用于监测增氧机工作电流的变化，从而判断增氧机工作是否异常，其原理图如图3所示。交流感应信号经过整流电路转换为直流信号，再通过电容滤波平滑后，经运算放大器MCP602放大、修正，最终以模拟信号形式输出。单片机对模拟信号取样、A/D转换和软件滤波后[13-14]，即可获得实时的增氧机电流数据，从而为判断增氧机的工作情况提供依据。

图3 AC检测电路原理图Fig.3 Schematic diagram of AC detection circuit

2.3 SIM900电路

系统采用SIM900模块进行数据通信。该模块是集成度高的GSM/GPRS模块，采用ARM926EJ-S架构，性能强大[15]。单片机通过AT指令与SIM900进行交互，控制SIM900模块进行拨打电话和短信发送的操作。

2.4 继电器及输入输出电路

继电器模块电路原理图如图4所示。其中包括K1在内的继电器控制端与单片机相连，输出端OUT1与接触器的控制线圈相连，从而实现单片机对增氧机的控制。接触器反馈信号电路用于监测接触器是否接通。KINO1-6连接的是接触器反馈端，IN1-6则直接与单片机相接。该反馈用于保证系统的可靠性。为进一步提高远程开启动作的可靠性，系统采用电流反馈作为主反馈方式。

图4 继电器及输出电路原理图Fig.4 Schematic diagram of relay and output circuit

3 系统软件设计

3.1 系统功能介绍

系统的软件部分具有实现增氧机状态监测与查询、远程控制及反馈、异常报警等功能。由于增氧机工作状态的变化会直接体现在供电电路电流数据的变化上，因此本系统通过对供电电路中电流数据的监测，从而达到对增氧机工作状况的监测。增氧机状态监测与查询是指系统能够监测增氧机的工作状况，同时允许用户通过手机短信进行远程状态查询；远程控制及反馈是指用户可通过手机短信远程控制增氧机的启动或停止，同时检测接触器反馈线圈是否正常动作和供电电路电流变化是否符合远程命令，并将命令执行结果以短信形式反馈给用户；异常报警是指当系统检测到增氧机工作异常时自动拨打养殖户电话进行远程报警，同时开启扬声器报警；增氧机工作异常是指非远程人为操作时，供电电路的相电流降低值大于设置的报警电流阈值。

3.2 主程序设计

系统的主程序流程图如图5所示。系统开始运行时需要对系统进行初始化，初始化内容主要包括初始化A/D、串口、SIM900工作模式、定时器、中断、标志位等。初始化完成后，系统将进行AD电流数据采集，采集的时间间隔由定时器控制。当单片机采集到的电流数据异常即增氧机工作异常时，单片机将通过AT指令控制SIM900拨打养殖户号码进行电话报警，同时开启扬声器报警。如果用户设置了启用备用增氧机，系统还会自动启动。若采集到的数据正常且接收到远程短信指令，单片机将进行远程控制指令的解析并执行相应命令，例如打开或关闭增氧机等。

图5 主程序流程图Fig.5 Flow chart of main program

3.3 报警电流设置分析

设置报警电流是为判定当前增氧机是否工作异常提供参考，即当非人为远程关闭指令时，电路电流降低值大于设置的报警电流阈值即视为增氧机工作异常。该参数的设置直接影响到增氧机异常时系统能否报警。目前对虾养殖场中被广泛使用的增氧机多采用三相电机作为动力，因此本设计据此进行参数计算。

三相电机的功率计算公式[16]：

(1)

式中：UL—线电压，V；IL—线电流，A；cosψ—功率因素；η—电机满负载时的效率。

根据公式(1)可求得打开或关闭一台750 W增氧机后电流变化值为：

(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分别是从电机铭牌获取的电机满负载时的效率和功率因数。为避免误报，报警电流阈值的设置不应超过此值。

在养殖过程中，养殖户会通过在增氧机的浮筒上增减重物来改变增氧机的负载。通过实际测试得到，在增氧机处于轻载运行的养殖初期，其电流值约为1.1 A；而在增氧机处于重载运行的养殖后期，其电流可高达2.2 A。同时，系统中采用的电流互感器的量程为60 A，精度为5‰，其满负荷运行时的电流波动约0.3 A(60 A×5‰)。综合以上因素，同时兼顾避免误报和漏报的需求，本系统设置系统的报警电流值为0.8 A(1.1-0.3 A)。

值得注意的是，在电流检测过程中，增氧机的启动过程会造成电流迅速上升和下降。这种突变信号将影响系统的正常判断，应加以滤除。考虑到在增氧机正常工作过程中，电流不会明显跃变等实际情况，系统中使用了设置阈值变化极限并结合中值滤波的方法来鉴别和剔除增氧机启动过程产生的数据[18]。实践证明，该方法有效地防止了由于电机启动带来的误报情况。

4 测试结果及分析

2014年10月，在福建省漳州市的一个对虾养殖场进行了系统功能测试。该养殖场配备有7台750 W水车式增氧机，且每台增氧机均可手动独立控制启停。测试前对该养殖场的电路进行了简单改造。首先将三相供电电路中的一相穿过系统用的电流互感器，从而达到监测整个养殖场所有增氧机工作状态的目的；再在每个空气开关的下方串入一个交流接触器，让每台增氧机具备独立自动控制的条件。测试工作分为增氧机工作异常报警测试和远程开关增氧机测试两个部分。

由于系统采用阈值报警的方式，因此，只要测试系统在供电电路电流降低值最小的情况下是否能够正常报警即可。为保证异常报警测试的科学性，分别进行1台、2台、3台、4台、5台、6台增氧机同时工作时，其中1台增氧机突然停止工作的测试。同时也将6台增氧机的负载进行了随机调整，模拟在养殖过程中增氧机负荷的变化。

从测试结果(表1)可知，增氧机的启动过程不会影响系统的报警判断。当出现增氧机故障的时候，系统可以实现远程和本地报警，并自动打开备用增氧机。

表1 增氧机联机测试异常报警记录

为减少增氧机同时开启对于电网的冲击，便于正确判断某台增氧机是否正常开启，如果需要同时开启多台增氧机，系统会依次开启；为保证系统的稳定性，增氧机开启时间间隔必须2 s以上，且增氧机的工作稳定后，系统才会开启下一台。基于实际测试条件和需求，远程测试进行了开启1台、2台、3台、4台、5台和6台增氧机的测试，并对成功开启返回时间(指手机端开始发送控制短信到收到开启成功反馈短信的时间间隔)进行记录，分别为25 s、29 s、33 s、35 s、38 s、和41 s，增氧机均能成功开启。从测试结果可知，系统可以正确接收并执行来至手机端的短信开关指令，实现远程自动开启多台增氧机的目标，且开启台数越多，成功开启返回时间越长。

从2015年3月起该设备已小批量投入市场，目前已在漳州的龙海市和漳浦县安装102台。从用户使用情况跟踪结果来看，该系统未出现漏报和误报情况，运行稳定。

5 结论

针对对虾养殖户对养殖场增氧机监控的需求而开发的基于GSM的对虾养殖场增氧机监控系统，可以实现养殖场增氧机的实时监控、状态查询、远程操作和异常报警等功能，可克服人工巡查不可靠、不及时的缺点。该系统已投入到福建漳州当地养殖场的实际生产中，使用验证及测试结果表明，该系统完全达到了预定的设计功能。本设计部分功能仍有待进一步提高与完善，如尚未对溶氧进行实时检测与反馈，尚未根据实时溶氧需求自动启动或关闭增氧机等。

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[1] 范春,高雪忠.增氧机在南美白对虾养殖中的使用方法[J].科学养鱼,2011(8)：23.

[2] 马从国,赵德安,王建国,等.基于无线传感器网络的水产养殖池塘溶解氧智能监控系统[J].农业工程学报,2015,31(7)：193-200.

[3] 蒋建明,史国栋,李正明,等.基于无线传感器网络的节能型水产养殖自动监控系统[J].农业工程学报,2013,29(13)：166-174.

[4] YANG S H,KE J,ZHAO J M.Wireless monitoring system for aquiculture environment[J]. 2010 International Conference on Computer Design and Applications,2010,4(1)：4524-4527.

[5] 蒋建明,史国栋,赵德安,等.基于Zigbee通信的节能型混合式机械增氧系统[J].农业机械学报,2013,44(10)：242-247.

[6] 杨友平,翁惠辉,邹友志.基于无线发射接收组件的鱼塘增氧机自动控制系统[J].农机化研究,2007(2)：109-111.

[7] 李鑫,戴梅,佟天野.基于无线传感器网络的自动增氧控制系统研究[J].江苏农业科学,2013,41(6)：382-385.

[8] 陈思欣,张敏,蒋猛.多因子综合控制的鱼塘增氧机控制器硬件系统设计[J].贵州农业科学,2013,41(7)：143-145.

[9] 陈柱,谢跃帆,李恒颂.鱼塘水质监测及增氧机自动监控系统[J].海洋与渔业,2014(3)：48-50.

[10]李阳辉.基于STM32和GSM的温度远程监控系统设计[J].自动化与仪器仪表,2015(1)：56-59.

[11]郑争兵.基于GSM网络的蔬菜大棚环境参数监测系统[J].广东农业科学,2012(1)：158-159.

[12]黄销,廖俊,欧阳威.基于北斗和Android手机的车载防盗系统设计[J].测控技术,2015,34(10)：115-118.

[13]崇庆峰,刘星桥,宦娟,等.基于Android和GPRS的水产养殖监控系统设计[J].渔业现代化,2013,40(6)：24-29.

[14]罗书克,张元敏,左永明,等.基于SIM900 的粮仓通风自动控制监测系统[J].湖北农业科学,2015,54(5)：1212-1215.

[15]王雪瑞,周岩.分布式空气质量远程集中监测管理系统设计[J].计算机测量与控制,2015,23(7)：2314-2317.

[16]邱关源.电路[M].北京：高等教育出版社,2006：301-312.

[17]张立臣.电路基础[M].北京：机械工业出版社,2011：148-160.

[18]王建明,王泽宇,刘日升.激光测距短跑训练分析仪的设计[J].北京师范大学学报,2015,51(3)：246-249.

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年中青年教师教育科研项目“基于物联网的水产养殖监控系统(JA15615) ”；2014年度国家级大学生创新创业项目“基于GPRS的水产养殖场智能监控报警系统(201413469003)”

高凤强(1984—)，男，讲师，硕士，研究方向：农业物联网技术。E-mail：fengqianggao@foxmail.com

郭一晶(1980—)，男，副教授，硕士，研究方向：计算机控制和物联网技术。E-mail：yjguo@xujc.com

10.3969/j.issn.1007-9580.2016.01.003

TP277；TP331.2

A

1007-9580(2016)01-013-05