問題的提出

我國的水產(chǎn)工業(yè)化養(yǎng)殖已經(jīng)取得了顯著的進(jìn)步,已經(jīng)逐步從傳統(tǒng)的池塘養(yǎng)殖走向了工業(yè)化養(yǎng)殖。但是由于現(xiàn)有的工廠化養(yǎng)殖技術(shù)和設(shè)施水準(zhǔn)較低,自動監(jiān)控檢測技術(shù)的應(yīng)用則更加落后,大部分屬于溫室流水養(yǎng)魚,污水不經(jīng)處理直接排放,對于養(yǎng)殖池的環(huán)境參數(shù)只是做定期的檢測,不能根據(jù)魚體的活動狀況隨時做出相應(yīng)的調(diào)整,即還停留在工廠化養(yǎng)殖的初級模式。水質(zhì)直接影響到養(yǎng)殖對象的生長發(fā)育,從而關(guān)系到產(chǎn)量和經(jīng)濟(jì)效益。對養(yǎng)殖水體各參數(shù)的連續(xù)實時自動監(jiān)控,不但可以對環(huán)境因子進(jìn)行自動控制,使水產(chǎn)養(yǎng)殖管理達(dá)到一個新水平。因此,實現(xiàn)一種水產(chǎn)養(yǎng)殖環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)是十分有意義的。

本機(jī)器人可以實現(xiàn)對養(yǎng)殖池環(huán)境參數(shù)的準(zhǔn)確測量，對養(yǎng)殖環(huán)境的溫度、pH值、溶氧量、氨氮等環(huán)境因子進(jìn)行自動檢測和控制，為水產(chǎn)品提供適宜的環(huán)境，實行科學(xué)養(yǎng)殖的功能，達(dá)到低成本，安全、優(yōu)質(zhì)、高產(chǎn)的目的。

功能模塊的組成

(1)太陽能供電模塊

機(jī)器人可以利用太陽能板所儲存的能量為單片機(jī)以及外設(shè)供電，達(dá)到綠色節(jié)能無污染的目的。白天，太陽能板為蓄電池儲能并且為機(jī)器人提供電能;夜間，蓄電池為機(jī)器人供電。從而，達(dá)到不需要外部電源供電的目的，實現(xiàn)自給自足的環(huán)保機(jī)器人。

(2)GSM模塊

機(jī)器人可以實時采集水質(zhì)的環(huán)境因子，假如水中的含氧量不足的話，機(jī)器人會自動向養(yǎng)殖業(yè)主發(fā)送短息，通知業(yè)主采取相應(yīng)的措施，如開啟供氧設(shè)備等。機(jī)器人上面的攝像頭能夠拍攝四周環(huán)境的情況，假如有可疑的人進(jìn)入池塘進(jìn)行非法活動時，GSM模塊同樣會發(fā)送短信通知安防人員采取措施，減小意外的發(fā)生，達(dá)到安全監(jiān)控的目的。

(3)攝像頭模塊

機(jī)器人安裝的攝像頭可以360°旋轉(zhuǎn)進(jìn)行池塘周圍環(huán)境的拍攝，起到安防的目的。CCD攝像頭的360°旋轉(zhuǎn)是通過底部的伺服電機(jī)控制的。伺服電機(jī)能夠精確地旋轉(zhuǎn)給定的角度，使得攝像頭能夠全方位的進(jìn)行拍攝。機(jī)器人將拍攝下來的照片通過無線通用異步收發(fā)器傳送到上位機(jī)，為監(jiān)控人員提供影像信息。如果借助無線網(wǎng)絡(luò)還可以實現(xiàn)實時視頻的傳輸。

(4)傳感器模塊

采用溶氧量傳感器，溫度傳感器，PH值傳感器，氨氮傳感器對養(yǎng)殖環(huán)境的溫度、pH值、溶氧量、氨氮等環(huán)境因子進(jìn)行自動檢測和控制。

(5)驅(qū)動模塊

機(jī)器人可以在水中自由移動，采集不同水域的溫度、溶氧量、PH值等環(huán)境因子，使誤差達(dá)到最小。驅(qū)動設(shè)備采用電機(jī)帶動槳葉的旋轉(zhuǎn)，使機(jī)器人能夠按照上位機(jī)的指令在水中運行到指定的地點進(jìn)行環(huán)境因子的測量。驅(qū)動模塊采用BTS7960大電流半橋電機(jī)驅(qū)動芯片，利用兩個半橋組成一個全橋?qū)崿F(xiàn)電機(jī)的正轉(zhuǎn)和反轉(zhuǎn)。通過PWM調(diào)速實現(xiàn)電機(jī)快慢的控制。

(6)GPS模塊

機(jī)器人借助GPS模塊達(dá)到準(zhǔn)確定位的目的。實時將機(jī)器人的位置信息發(fā)送到上位機(jī)，使得監(jiān)控人員能夠知道機(jī)器人目前所在的位置，便于監(jiān)控人員進(jìn)行后續(xù)操作和控制。

(7)藍(lán)牙模塊

當(dāng)養(yǎng)殖池的業(yè)主距離機(jī)器人10m范圍之內(nèi)時，業(yè)主可以利用手機(jī)通過藍(lán)牙串口模塊進(jìn)行與機(jī)器人的通信，機(jī)器人把傳感器采集來的溫度、溶氧量、PH值等環(huán)境因子通過藍(lán)牙傳給業(yè)主。采用藍(lán)牙模塊還可以對機(jī)器人進(jìn)行定位、投放飼料、撿拾水中雜物等操作。

上位機(jī)監(jiān)控軟件的設(shè)計

采用VB編寫上位機(jī)的監(jiān)控界面，將傳感器、攝像頭、GPS位置信息反映在監(jiān)控界面上。上位機(jī)還要將各項環(huán)境因子以曲線圖的形式動態(tài)顯示在窗口中。

下位機(jī)(機(jī)器人)的設(shè)計

機(jī)器人采用大賽提供的MIPS-Based PIC32單片機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理和控制操作，完成各個功能模塊的協(xié)調(diào)工作。

機(jī)器人與上位機(jī)以及養(yǎng)殖業(yè)主的通信

機(jī)器人通過無線異步收發(fā)器進(jìn)行數(shù)據(jù)的傳輸。

總結(jié)

機(jī)器人通過對水產(chǎn)養(yǎng)殖環(huán)境因子進(jìn)行遠(yuǎn)距離實時監(jiān)控，可以實現(xiàn)：(1)節(jié)省能源。通過對溶氧量的監(jiān)控可以減少增氧機(jī)開啟時間,節(jié)約了電能;(2)降低養(yǎng)殖成本，提高產(chǎn)量。通過對環(huán)境的監(jiān)控為水產(chǎn)品提供了適宜的環(huán)境，減少疾病的產(chǎn)生，合理的投料可減少飼料的浪費; (3)可以減少人工勞動強(qiáng)度，提高勞動效率。

系統(tǒng)框圖

軟件流程介紹：

1. 采用PIC32單片機(jī)作為主控制單元，處理7大功能模塊(太陽能供電模塊、GSM模塊、攝像頭模塊、傳感器模塊、驅(qū)動模塊、GPS模塊、藍(lán)牙模塊)的信息。首先，初始化各個功能模塊的寄存器，程序開始執(zhí)行。實時采樣，將攝像頭的圖像信息存放在數(shù)組中，對圖像進(jìn)行壓縮，壓縮完成后通過無線UART異步收發(fā)器向上位機(jī)發(fā)送圖片信息。上位機(jī)接收到圖像信息后，將二進(jìn)制數(shù)還原成一張圖片。與此同時，單片機(jī)進(jìn)行圖像處理，將可疑人員識別出來，此時，觸發(fā)聲光報警裝置，并且發(fā)送短息給手機(jī)用戶，提醒用戶有外來可疑人的入侵，通知執(zhí)行機(jī)構(gòu)，采取相應(yīng)的措施。

2. 單片機(jī)對4個傳感器(溶解氧傳感器、溫度傳感器、PH值傳感器、氨氮傳感器)實時采樣，進(jìn)行濾波、放大、整形等信號處理，送到單片機(jī)中，單片機(jī)把AD轉(zhuǎn)換后的4個測量值與環(huán)境因子指標(biāo)進(jìn)行比較，如果不符合環(huán)境因子指標(biāo)，就觸發(fā)報警，并且發(fā)短信通知手機(jī)用戶，環(huán)境因子出現(xiàn)異常，觸發(fā)執(zhí)行機(jī)構(gòu)，進(jìn)行投料、開啟供氧機(jī)等操作。

3. GPS模塊向單片機(jī)發(fā)送當(dāng)前位置信號，單片機(jī)再將位置信號上傳到上位機(jī)。

4. 上位機(jī)與單片機(jī)通過無線模塊通信，上位機(jī)把各項傳感器信息描繪成曲線圖，上位機(jī)把當(dāng)前機(jī)器人的位置信息描繪在養(yǎng)殖池的平面圖中，方便監(jiān)控人員觀察養(yǎng)殖場的環(huán)境狀況。上位機(jī)還可以隨時向機(jī)器人發(fā)送命令，控制機(jī)器人運動到指定地點，進(jìn)行投放飼料等操作。