基于云平臺的水產(chǎn)養(yǎng)殖監(jiān)控系統(tǒng)設計

最后在完成系統(tǒng)基本設計任務后，為順應水產(chǎn)養(yǎng)殖產(chǎn)業(yè)的發(fā)展趨勢，還應用(C)1994-2020ChinaAcademicJournalElectronicPublishingHouse.Withthedevelopmentoftheworldsociafaquaticproducts,variousintelligentmonitoringsysthavebeencomprehensiimportantsymboloftheupgradingofmodernaquacultureindusindustrymarket,thereadeficienciesinwaterqualityandenvironmentaldevelopmentofinformatizationandintellectualizationisnotperfect.growthrateofaquacultureindustrygraduallyslowsdown,andtheproductionefficiencyalsolacksroomforimprovement.Inadditiserious.Therefore,theintroductionofnewtechnologiestopromotethetransformationandupgradingoftraditionalaquacultureiTherefore,basedontheInternetofthingstechnology,thispapertakesthedetectionandcontroltechnology,thelowercomputerintegratedprcomputersoftwareandothertechnologiesasthefouinteractionasthecore.Bybuildingrelevanthardwareandwritingcorrespondingprogsoftware,akindofaquacFirstly,intermsofhardware,thispaperselectssuitablehardwproductionrequirements,soastodeterminethebasicframeworkofthesysembeddedprocessor-basedlowercomputersystem,uppercomputer,relacommunicationequipmentandotherThenintermsofsoftware,KeicomputerthroughClanguagetorealizethecommunicationbetweentheandthecloudplatformandtheremotecontroloftheequipment.LabVIEhuman-computerinteractioninterfacewasdesigned,includingthecloudplatformpage,theuppercomputersoftwareinterfaceFinally,afterthecompletionofthebasicdesigntwiththedevelopmenttrendandthepossibleeffectoffuzzycontrKeywords:Aquaculture;IoT;Cloudplatfo(C)1994-2020ChinaAcademicJournalElectronicPublishingHouse.Allrig 11.1研究背景及意義 11.2水產(chǎn)養(yǎng)殖監(jiān)控系統(tǒng)國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀 1.2.1國內(nèi)水產(chǎn)養(yǎng)殖監(jiān)控系統(tǒng)發(fā)展現(xiàn)狀 21.2.2國外水產(chǎn)養(yǎng)殖監(jiān)控系統(tǒng)發(fā)展現(xiàn)狀 31.3論文主要工作 31.4本章小結 32系統(tǒng)總體方案設計 42.1系統(tǒng)需求分析 42.2系統(tǒng)方案設計 42.3系統(tǒng)通信方案設計 72.3.1確定通信硬件方案 72.3.2確定數(shù)據(jù)收發(fā)協(xié)議 82.4本章小結 83下位機硬件設計 93.1嵌入式單片機及其外圍器件 93.1.1嵌入式單片機 93.1.2電源模塊設計 3.1.3網(wǎng)絡通信模塊設計 3.1.4串行通信電路 3.1.5指示燈電路 113.1.6程序下載電路 3.1.7復位電路 3.2增氧機控制及驅(qū)動電路 3.3下位機硬件電路設計總圖 3.4本章小結 4下位機程序設計 4.1下位機程序概述 4.2基于嵌入式操作系統(tǒng)的多線程技術 4.4應用SDK文件實現(xiàn)數(shù)據(jù)格式封裝與解析 4.5下位機程序主要函數(shù)、結構及變量 4.6下位機程序設計 4.6.1下位機程序運行框架 204.6.2云平臺登錄 4.6.3數(shù)據(jù)發(fā)送 224.6.4指令接收 4.6.5增氧機控制 244.7功能測試 4.8本章小結 (C)1994-2020ChinaAcademicJou5上位機軟件及人機交互設計 5.1上位機軟件概述 285.2上位機軟件設計 285.2.1網(wǎng)絡模式 5.2.2離線模式 305.3功能測試 5.4人機交互 5.4.1云平臺交互頁面 5.4.2上位機軟件界面 5.5本章小結 6基于模糊算法的增氧機控制仿真 6.1增氧機模糊控制概述 6.2建立Simulink模型 386.3電壓給定模糊控制器 38 406.5仿真結果及分析 6.6本章小結 7結論與展望 49 49參考文獻 作者簡介 致謝 水產(chǎn)養(yǎng)殖產(chǎn)業(yè)經(jīng)過了數(shù)十年高速發(fā)展已經(jīng)成為全球食品行業(yè)中增長最快的產(chǎn)業(yè)因為目前我國的水產(chǎn)養(yǎng)殖產(chǎn)業(yè)在工廠化養(yǎng)殖以及智能監(jiān)控系統(tǒng)的普及程度上仍舊不較昂貴，中小型養(yǎng)殖企業(yè)無法承擔高昂成本。另外，目前云平臺技術也同樣因服務1.2水產(chǎn)養(yǎng)殖監(jiān)控系統(tǒng)國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀1器的儀器檢測法?。經(jīng)驗法在如今國內(nèi)的傳統(tǒng)水產(chǎn)養(yǎng)殖中仍然得以應用，這對養(yǎng)殖方面，這類養(yǎng)殖人員由于傾向于傳統(tǒng)經(jīng)驗，也在一定程度上阻礙了科學儀器的普及。方武等人設計了一套基于ZigBee信息傳輸技術的水產(chǎn)養(yǎng)殖自動監(jiān)控系統(tǒng)13,從應用作，在全國范圍內(nèi)開展產(chǎn)品試點工作是目前較為流行的做法3,例如中國農(nóng)業(yè)大學的2指定終端，同樣也有著較低的學習成本優(yōu)勢5。了針對魚病的處理平臺，可以通過圖像識別技術來對常見魚病進行確診。1.3論文主要工作(1)根據(jù)養(yǎng)殖現(xiàn)場的各項實際需求對系統(tǒng)整體方案進行設計，同時對下位機系(2)根據(jù)云平臺開發(fā)以及下位機硬件特性編寫對應下位機程序和上位機軟件，(3)對基于模糊控制算法的增氧機控制進行Simulink仿真，作為前瞻性研究用32.1系統(tǒng)需求分析(1)傳感器需求分析(2)云平臺需求分析(3)下位機需求分析(4)上位機軟件需求分析；(5)設備通訊需求分析；(6)調(diào)控設備需求分析；2.2系統(tǒng)方案設計方案框架如圖2-1所示。下面將對設計部分的內(nèi)容進行闡述說明。4圖圖2-1整體設計框架(1)傳感器選擇依據(jù)與方案水產(chǎn)養(yǎng)殖需要測量溫度、溶氧度以及pH信息，同時需要考慮檢測的環(huán)境，因此這里需要選用面向水產(chǎn)養(yǎng)殖領域運行良好的傳表2-1傳感器各項參數(shù)測量范圍(溶解氧)測量范圍測量范圍(溫度)測量精度測量精度(溶解氧)工作溫度測量精度(溫度)測量精度(溫度)工作溫度最大壓力105℃時，為6.9bar5(C)1994-2020ChinaAcademicJournalElectronicPublishingHouse.Allrightsr的是標準的MODBUS-RTU通訊協(xié)議。串口格式為數(shù)據(jù)位8位，停止位1位，無奇偶(2)云平臺選擇依據(jù)與方案受時間和地點的限制就可以通過網(wǎng)絡訪問云平臺WEB頁面，查詢信息、發(fā)送指令都(3)下位機設計依據(jù)與方案件系統(tǒng)(下位機硬件選型與設計將在第3章進行論述)。為使下位機能夠?qū)崿F(xiàn)以數(shù)據(jù)發(fā)送和指令接收兩方面為核心的各項子程序功能，這里選用Keil軟(4)上位機軟件設計依據(jù)與方案6(5)調(diào)控設備設計依據(jù)與方案-變頻器組合的增氧機控制系統(tǒng)。另外，增氧機的轉(zhuǎn)速可通過安上位機就可以通過有線方式和云平臺之間進行穩(wěn)定的信息傳輸。若遇到網(wǎng)絡故障導致例如安裝網(wǎng)絡攝像頭等。系統(tǒng)通信硬件方案如圖2-2所示。網(wǎng)線器互聯(lián)網(wǎng)7(C)1994-2020ChinaAcademicJournalElectronicPublishingHouse.Allrightsreserved.以上對養(yǎng)殖現(xiàn)場設備通信所涉及的硬件以及硬件連接情況進行了描述，下面將對數(shù)據(jù)收發(fā)協(xié)議方案進行選擇。無論是下位機系統(tǒng)還是上位機，都需要與云平臺服務器進行數(shù)據(jù)交互，需要相應的通信協(xié)議，云平臺也面向開發(fā)者提供了一種針對嵌入式領域中較為實用的數(shù)據(jù)收發(fā)EDP(EnhancedDeviceProtocol,增強設備協(xié)議)是OneNET平臺根據(jù)物聯(lián)網(wǎng)特點專門開發(fā)的基于TCP的數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議7),可以廣泛應用到家居、交通、物流、能源等行業(yè)應用中。該協(xié)議有如下特點：(1)長連接協(xié)議；(2)數(shù)據(jù)加密傳輸；(3)終端數(shù)據(jù)點上報，支持的數(shù)據(jù)點類型為浮點數(shù)(float)、整型(int)、字符串(4)平臺消息下發(fā)(支持離線消息);(5)基于端到端的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)。表2-2列出了EDP協(xié)議在設備端需求、可靠性以及應用場景三個方面的特點。Tab.2-2Datatransceiver需要設備上報數(shù)據(jù)到平臺；需要實時接收控制指令；需要保持長連接時數(shù)據(jù)傳輸與控制的場景經(jīng)過以上分析和總結可知，EDP協(xié)議非常適合作為本系統(tǒng)的數(shù)據(jù)收發(fā)協(xié)議。2.4本章小結本章對系統(tǒng)總體結構進行了設計。首先從需求側(cè)出發(fā)，將系統(tǒng)各個部分的需求和對應設計方案進行詳細闡述。最后確定現(xiàn)場通信的硬件方案，最后選擇了適合的數(shù)據(jù)收發(fā)協(xié)議。83.1嵌入式單片機及其外圍器件PAI3HMSSWDIOPCI3TAMPBu亦|m0的器的路;的c_班NCNC8司5開哥玉=__(1)32位處理器，主頻為72Mhz;(2)可用外部針腳數(shù)量為100,其中GPIO引腳數(shù)量為80;9(C)1994-2020ChinaAcademicJournalElectronicPublishingHouse.Allrightsr3.1.2電源模塊設計電源選用了型號為LM17805和AMS1117的供電模塊，電路設計如圖3-2所示。3470UF“1N4007L￥23電源為下位機系統(tǒng)提供了12V的電壓，可以為傳感器提供工作電壓。但嵌入式單片機模塊的工作電壓為3.3V,所以需要利用LM17805模塊將12V轉(zhuǎn)至5V,再利用AMS1117模塊將5V轉(zhuǎn)至3.3V。(1)可調(diào)節(jié)的輸出電壓，可輸出1.5V,1.8V,2.5V,2.85V以及3.3V等5種電壓規(guī)(2)可輸出1A的電流；(3)最大輸入電壓為15V;(4)工作溫度，控制端為0～125℃,功率晶體管為0～150℃。這里選用符合IEEE802.3標準的以太網(wǎng)控制芯片ENC28J60,只要嵌帶有SPI接口就可以和該以太網(wǎng)芯片進行連接，數(shù)據(jù)傳輸速率高達10M/s,滿足設計的需要9。再配合網(wǎng)絡變壓器HR911105A,就可以為下位機提供高速穩(wěn)定的寬帶網(wǎng)以太網(wǎng)模塊ENC28J60通過與單片機STM32F103VET6的SPI1接口連接20]。首先是信號線SO(數(shù)據(jù)輸出)、SI(數(shù)據(jù)輸入)和SCK(時鐘信號),分別與單片機的SPI1-MISO、SPI1-MOSI和SPI1-SCK三個端口相連；CS(網(wǎng)卡片選信號)連接單片機的SPI1-NSS端口；INT(中斷信號)連接單片機的PA8端口。這樣，正確配置處(C)1994-2020ChinaAcademicJournalElectronicPublishin理器SPI1端口后，單片機就可以通過網(wǎng)絡模塊ENC28J60與外界進行通信。通信模塊電路圖如圖3-3所示。單片機通過借助SPI接口快速調(diào)用通信模塊進行數(shù)據(jù)發(fā)送。而在數(shù)據(jù)接收環(huán)節(jié)，由于單片機與通信模塊采用了中斷機制，避免了設置循環(huán)代碼而浪費處理器資源。3.1.4串行通信電路由方案設計可知，傳感器和下位機是通過串行接口并按照Modbus協(xié)議進行通信，因此為滿足串行通信的需求，這里對常用串行接口RS485和RS232電路進行設計。電路設計如圖3-4所示。485RXV為下位機的電路板配置指示燈，用于通過不同的顏色來對下位機的運行情況進行描述，例如綠色燈常亮代表工作正常，黃色燈亮代表網(wǎng)絡故障，紅色燈代表下位機工果單片機3.3V的工作電壓正常，則該指示燈就會亮。圖3-5為指示燈電路設計。為滿足后期程序的調(diào)試和升級，需要設計程序下載接口電路。電路設計如圖3-6復位電路是一種用來使電路恢復到起始狀態(tài)的電路設備，復位電路原理圖如圖(C)1994-2020ChinaAcademicJournalElectronicPublishingHouse.Allrightsr3.2增氧機控制及驅(qū)動電路通過編寫程序令嵌入式單片機輸出一系列占空比可調(diào)的PWM于占空比的電壓輸入量，且電壓范圍是0～10V。3.3下位機硬件電路設計總圖在對各部分器件及電路進行論述后，下一步將各部分進行匯“STM32F103VET6”處理器，將周圍各個模塊、外設以及繼電器器件進行連接，共(C)1994-2020ChinaAcademicJournalElectronicPublishingHouse.Allrig金要工明明金要工明明號號H:一g 目紅蘭H]8陽U皇謂明a與喜HT可可量喜圖3-9下位機硬件電路總圖3.4本章小結(C)1994-2020ChinaAcademicJournalElectronicPublish4下位機程序設計4.1下位機程序概述(1)建立穩(wěn)定的TCP連接在TCP/IP協(xié)議模型的傳輸層中，存在有兩個重要的協(xié)議，分別是TCP協(xié)議 (TransmissionControlProtocol,傳輸控制協(xié)議)和UDP協(xié)議(UserDatagramProtocol,用戶數(shù)據(jù)報協(xié)議)[21,UDP協(xié)議提供的是一種不可靠的信息傳輸服(2)數(shù)據(jù)的打包與解析環(huán)節(jié)，用戶可以通過云平臺WEB頁面給下位機發(fā)送指令，而這同樣是“Json格式”4.2基于嵌入式操作系統(tǒng)的多線程技術這是一款擁有結構小巧、搶占式多任務實時內(nèi)核的操作系統(tǒng)，能夠管理最多64個任務。借助操作系統(tǒng)，就可以將下位機各個子程序分別建立線程，這樣就可以充分利4.3基于LWIP協(xié)議棧的Socket技術TCP/IP協(xié)議通過各種標準來為兩個或多個節(jié)點提供通信服務，可以將其概括為一種分層結構，由上至下分別為應用層、傳輸層、方便的進行程序的開發(fā)245。圖4-1為Socket網(wǎng)絡編程流程圖。bindFig.4-1Socketnetworkprogrammingflowchart(C)1994-2020ChinaAcademicJournalElectronicPublishingHouse.Allrightsreserved.http://www將它們進行二次封裝，封裝成Socket編程語言中常用的套接字函數(shù)26),就可以直接調(diào)用進行Socket網(wǎng)絡編程。表4-1列出了經(jīng)二次封裝后的套接字函數(shù)。原函數(shù)作用向內(nèi)核申請一個套接字發(fā)送UDP報文下位機與云平臺之間的信息傳遞，依靠的是一種“Json格式”數(shù)據(jù)包。這就需要用到云平臺提供給開發(fā)人員的SDK(SoftwareDevelopmentKit,軟件開發(fā)工具包)文件實現(xiàn)對該格式的封裝和解析功能2。在這個軟件開發(fā)工具包中，提供了為格式封裝和解析所需的各種庫函數(shù)，編寫程序時可以直接對其進行調(diào)用。表4-2列出了軟件開發(fā)工具包提供的庫函數(shù)。表4-2軟件開發(fā)工具包提供的庫函數(shù)(部分)作用向?qū)ο笾刑砑釉叵驅(qū)ο笾刑砑訑?shù)字(1)數(shù)據(jù)包結構pbufpbuf是一種數(shù)據(jù)包結構，也是數(shù)據(jù)的載體，在這個結構中定義了若干變量和指針用于記錄數(shù)據(jù)的方方面面，有了pbuf結構，就可以將數(shù)據(jù)包在協(xié)議棧各層級之間傳遞，實現(xiàn)數(shù)據(jù)包發(fā)送或接收。pbuf結構如圖4-2所示。Fig.4-2Schematicdiagramof(2)任務間數(shù)據(jù)傳遞郵箱(3)系統(tǒng)任務建立函數(shù)系統(tǒng)任務建立函數(shù)的原型為sys_thread_new(constchar*name,lwip_thread_fnthread,void*arg,intstacksize,intp(4)多任務并發(fā)機制實現(xiàn)多任務并發(fā)機制的函數(shù)原型是select(intmaxfdp1,fd_set*readset,fd_set“多任務阻塞機制”來說，協(xié)議棧提供的“select多任務并發(fā)機制”可以更好的提升(C)1994-2020ChinaAcademicJournalElectronicPublishingHouse.Allrightsreserved.http://www.4.6下位機程序設計在下位機程序設計之前，需要對程序總體框架進行論述，圖硬件、軟件初始化建立任務啟動系統(tǒng)調(diào)用通信主函數(shù)建立連接并登陸N是否建立連接YNY接收傳感器數(shù)據(jù)執(zhí)行相應指令YNFig.4-3Lowercomputerprogramflowchart建立TCP通信后，就會調(diào)用“select(C)1994-2020ChinaAcademicJournalElectronicPublishingHouse.Allri和保密性。圖4-4為登陸云平臺流程圖。NYNY圖4-4登陸云平臺流程圖(C)1994-2020ChinaAcademicJournalElectronicPublishingHouse.Allrig4.6.3數(shù)據(jù)發(fā)送下位機的單片機內(nèi)部是通過中斷機制來獲取，所以應該建立協(xié)議?？梢宰R別的“sys_mbox_t”指針類型的消息郵箱變量，分別用于接收這三種數(shù)據(jù)對應的指針。數(shù)據(jù)發(fā)送程序負責將傳感器傳輸過來的三個數(shù)據(jù)參數(shù)NYNYFig.4-5Datasentflow數(shù)據(jù)發(fā)送程序會將包含有三種環(huán)境參數(shù)的數(shù)據(jù)進行“Json”格式的封裝，封裝后(C)1994-2020ChinaAcademicJournalElectronicPublishingHouse.Allrig的格式信息會被發(fā)送函數(shù)按照網(wǎng)絡模型的層級結構逐層打包封裝并調(diào)用合適的網(wǎng)絡接口發(fā)送至云平臺。下位機會接收來自云平臺的各類數(shù)據(jù)包并解析，這樣的數(shù)據(jù)包在函數(shù)中定義了三種，分別是“連接數(shù)據(jù)包”、“指令數(shù)據(jù)包”和“心跳數(shù)據(jù)包”。其中連接數(shù)據(jù)包是在下位機和云平臺服務器進行“三次握手”期間接收的數(shù)據(jù)包，是雙方建立TCP連接的基礎，該數(shù)據(jù)包會在“云平臺登錄”程序中得到處理；指令數(shù)據(jù)包是接收來自云平臺或是上位機的指令；心跳數(shù)據(jù)包是在下位機和云平臺建立TCP連接后，云平臺每隔一定時間發(fā)送的小型確認數(shù)據(jù)包，用于判斷下位機是否處于連接狀態(tài)，這種數(shù)據(jù)包無需編寫相應程序進行處理，因為協(xié)議棧已經(jīng)內(nèi)置了相關的處理機制。具體流程圖見圖4-6所示。NYNY圖4-6指令包接收流程圖由于數(shù)據(jù)包為均是通過EDP協(xié)議進行收發(fā)“Json”格式類型，所以指令接收程序需要調(diào)用EDP數(shù)據(jù)包獲取及類型判斷函數(shù)對其進行處理，并從數(shù)據(jù)包中解析“Json”格式類型的數(shù)據(jù)，并調(diào)用相應的程序進行命令的執(zhí)行操作。4.6.5增氧機控制當成功接收并解析完指令數(shù)據(jù)包后，就需要調(diào)用相應程序執(zhí)行指令。為實現(xiàn)對設備的控制，由于已經(jīng)搭建好耦合驅(qū)動電路和變頻器等硬件，因此只需通過編寫程序令嵌入式單片機輸出一系列占空比可調(diào)的PWM波形即可。(1)確定占空比的控制算法PWM波形的調(diào)節(jié)主要是改變其占空比，這在單片機中可以通過編寫代碼實現(xiàn)。而為了能夠快速而又穩(wěn)定的調(diào)整占空比，這里選用控制領域經(jīng)典的PID控制算法進行得益于計算機技術的發(fā)展，PID控制算法得以被移植到計算機中，以程序的形式運行。通過編寫PID的程序代碼來實現(xiàn)，也稱為“數(shù)字式PID”,它的特點是輸出量是離散的。數(shù)字式PID控制可以歸納為兩種形式，一是位置式PID控制，輸出量是絕對數(shù)值；二是增量式PID控制，輸出量是增量數(shù)值。相對于位置式PID來說，增量式PID可以有效減少運算量，提高效率?？紤]到單片機的運算機能，因此這里選用增量式PID進行代碼編寫。數(shù)字式PID的數(shù)學表達式為所以增量式PID控制的輸出為其中T為采樣周期。經(jīng)過數(shù)學推導后，就得到了增量式PID的輸出表達式，△uμ的數(shù)值就是占空比增量值，可以直接賦值給相應寄存器進行占空比調(diào)整。(2)設置寄存器輸出PWM波形PWM波形的輸出是依靠定時器TIM來實現(xiàn)，因此需要對定時器進行配置，PWM配置流程圖如圖4-7所示。這里需要配置TIM寄存器的各項參數(shù)，如設定PWM工作模式、輸出使能、互定時器結構體變量初始化輸出使能(3)占空比動態(tài)調(diào)整在設置完PWM的初始參數(shù)并使能后，變頻器得以驅(qū)動電機正常啟動，啟動過后之后就會進入脈寬調(diào)制階段，通過對轉(zhuǎn)速數(shù)值的實時監(jiān)測，并把實測值反饋至單片機，這一環(huán)節(jié)需要為單片機定義預先設定好的速度變量以供后續(xù)PID程序調(diào)用。速度設定變量如表4-3所示。表4-3預設速度變量變量類型預設速度高速(1000r/min)中速(800r/min)低速(600r/min)在完成對預設速度變量的設定后，單片機便會調(diào)用PID控制模塊計算并輸出PWM增量，程序代碼如下。intpid_ctrl(uint16_tset_speed,uint16_tactual_speed)int32_tek,ek_pre,ek_prpre,dalt=kp*(ek-ek_pre)+ki*ek+kd*(ek-2*ek_ppwm_incre=pid_ctrl(set_speed_high,actual_sppwm_output=pwm_output測試采用上傳隨機數(shù)的方式，查看云平臺WEB頁面能(1)隨機數(shù)發(fā)送測試看結果，結果如圖4-8和圖4-9所示。圖4-8隨機數(shù)測試由數(shù)值曲線可以看到，下位機成功將若干隨機數(shù)發(fā)送到了云平臺服務器，說明下位機可以正常與云平臺進行通信(2)傳感器實際監(jiān)測數(shù)據(jù)上傳隨機數(shù)測試成功表示下位機可以與云平臺進行通信，下一步接上傳感器設備進行實際監(jiān)測，截止到2019年5月19日的實時數(shù)據(jù)顯示如圖所示。7圖4-9實時數(shù)據(jù)4.8本章小結本章對下位機程序進行了設計。程序由登錄程序、數(shù)據(jù)發(fā)送、指令接收以及增氧機控制四個子程序構成。每個子程序分別繪制了工作流程圖以及對部分代碼進行了解釋說明。這里使用嵌入式操作系統(tǒng)進行多任務處理，使用嵌入式協(xié)議棧進行網(wǎng)絡程序5上位機軟件及人機交互設計說明網(wǎng)絡存在故障或是云平臺服務器維護，就應將通信目標更改為下位機對應的IP檢測網(wǎng)絡狀況N網(wǎng)絡是否正常Y正常進行與云平臺的通信將目標IP地址和端口號改為下位機(C)1994-2020ChinaAcademicJournalElectronicPublishingHouse.Allrightsr自動進行歸類和處理，省去了繁瑣的人工維護工作。網(wǎng)絡模式程序如圖5-2所示。圖5-2網(wǎng)絡模式程序控制事件”,只需要在上位機軟件主界面點按對應的按鍵便可觸發(fā)對應事件。圖中只接下來是“數(shù)據(jù)接收循環(huán)結構”,在軟件啟動的同時該程提取出來，因此這里用到“字符串搜索/拆分”控件，由值緊跟在字符串“current_value:”之后，于是可以搜索對應字符串，將返回的字符串構，最后利用“字符串轉(zhuǎn)換控件”將字符串轉(zhuǎn)換成用戶就可以在軟件主界面查看到實時數(shù)據(jù)信息。(1)數(shù)據(jù)庫存儲程序框圖當設備處于離線狀態(tài)時，上位機軟件就需要本地數(shù)據(jù)庫的支持，只要數(shù)據(jù)傳入上這里將其保存為“mdb”格式、名稱為“MyDataBase”的數(shù)據(jù)庫。然后在“ODBC數(shù)據(jù)源管理程序”中，建立數(shù)據(jù)庫的對應用戶數(shù)據(jù)源，采用“MicrosoftAccessDriver”的驅(qū)動程序，為其命名為“OnenetDB”。建立成功后就可用SQL數(shù)據(jù)庫語句在LabVIEW對數(shù)據(jù)庫進行編程，具體程序框圖如圖5-3所示。四?圖5-3數(shù)據(jù)庫存儲程序框圖本次編程中利用“連接字符串”控件進行SQL語句的拼接，將接收的數(shù)據(jù)添加到SQL語句中對應值的位置。數(shù)據(jù)存儲程序中用到了4個“ADO”類型的數(shù)據(jù)庫編Conn”控件用于上位機軟件和建立的數(shù)據(jù)庫建立連接；“OpenConn”控件用于打開指定的數(shù)據(jù)源，這里打開新建的用戶數(shù)據(jù)源“OnenetDB”;“SQLExecute”控件時輸入字符串類型的SQL語句，達到編程目的；最后的“CloseConn”控件用于關閉連(2)數(shù)據(jù)查詢程序框圖當數(shù)據(jù)庫中存入了數(shù)據(jù)后便可以編寫查詢程序框圖，這里按照“年、月、日”的條件進行查詢。具體程序框圖如圖5-4所示。西西Select*fromMyDatawher源時間月圖5-4數(shù)據(jù)查詢程序框圖在數(shù)據(jù)查詢程序框圖中，建立了一種循環(huán)結構，循環(huán)結構內(nèi)部是由事件結構構成的查詢程序主體，將查詢事件設置成只要檢測到“查詢”按鍵值發(fā)生改變，則執(zhí)行拼接的SQL語句。在這里用到了“LIKE”類型的SQL模糊查詢語句，因為存入數(shù)據(jù)庫的時間數(shù)據(jù)是精確到“時、分、秒”,所以用精確查詢無法快捷的查詢，因而考慮進行模糊查詢，由用戶提供精確的“年、月、日”信息，利用“LIKE‘年/月/日%’”語句進行模糊查詢，就可以查詢對應日期一天范圍內(nèi)的數(shù)據(jù)。這里用到了“表格”控件，用于接收并顯示SQL語句被執(zhí)行后的返回數(shù)據(jù)，用戶可以查看到查詢結果，如果數(shù)據(jù)過多，可以拉動滾動條進行查看。目前僅提供按日期進行查詢，當然還可以按具體參數(shù)名稱進行查詢，而這僅需要簡單的增加對應控件以及修改部分SQL語句即可，以滿足不同用戶的功能需求。上位機軟件有網(wǎng)絡模式和離線模式兩種工作模式，需要分別進行測試。網(wǎng)絡模式通過編寫TCP程序使上位機能夠與云平臺進行通信，使上位機能夠獲取云平臺數(shù)據(jù)，向云平臺發(fā)送指令給下位機，因此網(wǎng)絡模式則測試數(shù)據(jù)實時顯示；離線模式是在網(wǎng)絡出現(xiàn)故障，下位機無法與云平臺建立通信時，可通過借助局域網(wǎng)與裝有上位機軟件的主機進行本地通信，該模式下需要測試本地數(shù)據(jù)庫存儲和查詢功能。(1)實時數(shù)據(jù)顯示測試啟動上位機軟件，測試上位機是否能與云平臺進行通信并獲取數(shù)據(jù)。測試結果如圖5-5所示。(2)本地數(shù)據(jù)庫存儲測試333333圖5-6數(shù)據(jù)正常導入數(shù)據(jù)庫(3)數(shù)據(jù)庫查詢功能測試位機軟件界面按日期進行查詢，查詢結果如圖5-7所示。圖5-7上位機查詢界面(C)1994-2020ChinaAcademicJournalElectronicPublishingHous5.4人機交互5.4.1云平臺交互頁面(1)數(shù)據(jù)顯示與設備控制頁面CC增氧電機ON低速☆鈕等控件，就可以完成對數(shù)據(jù)顯示與設備控制交互頁面的設計。圖(2)歷史數(shù)據(jù)查詢頁面重要的作用。歷史數(shù)據(jù)查詢?nèi)鐖D5-9所示。(C)1994-2020ChinaAcademicJournalElectronicPublishingHouse.Allrightsreserved.http://wwwg器”””(3)設備信息統(tǒng)計5-10展示了設備信息統(tǒng)計頁面。其中左上側(cè)為云平臺接入設備的數(shù)量，右上側(cè)為設(C)1994-2020ChinaAcademicJournalElectronicPublishingHouse.Allrig(1)主界面主界面設置了兩個互斥按鍵用于上位機軟件在網(wǎng)絡模式與離線模式之間進行切殖現(xiàn)場進行監(jiān)控。上位機軟件主界面如圖5-11所示。(2)歷史查詢界面設計上位機查詢界面如圖5-12所示。(C)1994-2020ChinaAcademicJournalElectronicPublishingHouse.Allrig5.5本章小結(C)1994-2020ChinaAcademicJournalElectronicPublishingHouse.Allrig6基于模糊算法的增氧機控制仿真在第3章下位機硬件設計當中，單片機輸出PWM波形，借助耦合驅(qū)動電路和積據(jù)。由電路設計可知該電壓量的范圍為0～10V,為變頻器提供了從“增氧機停止”電壓給定量模糊控制器實際溶氧量溶氧量設定值(C)1994-2020ChinaAcademicJournalElectronicPublishingHouse.AllrightsrP密密麗圖6-2增氧機模糊控制系統(tǒng)圖中變頻器等效為一種“交-直-交”電壓型的整流-逆6.3電壓給定模糊控制器(1)確定輸入量及其隸屬函數(shù)[-7,7],EC的范圍設置為[-10,10]。再確定精確輸入量e、和ec的變化范圍，分別是[0,10]以及[-8,8]。最后進行精確量模糊化、確定隸屬函數(shù)，結果如圖所示。圖6-3E的隸屬函數(shù)(C)1994-2020ChinaAcademicJournalElectronicPublishingHouse.AllrightsreservedDegreeofmembershipDegreeofmembershipDegreeofmembershipDegreeofmembershipe(2)確定輸出量及其隸屬函數(shù)量的論域范圍設置為是[0,1],其本質(zhì)是一個“系數(shù)”值，再和一個常數(shù)相乘后解模糊為精確輸出值。輸出量的隸屬函數(shù)如圖6-5所示。V(3)建立控制規(guī)則輸入與輸出的模糊規(guī)則表如表6-1所示。E(C)1994-2020ChinaAcademicJournalElectronicPublishingHouse.Allrightsr16.4模糊PID控制器(1)模糊PID控制器概述部分4-。模糊控制流程圖的基本結構如圖6-7所示。經(jīng)“測量變送器(本質(zhì)為一個系數(shù)乘法器)”處理后變?yōu)橐环N和輸入量同量綱的物理(C)1994-2020ChinaAcademicJournalElectronicPublishingHouse.Allrightsr結束(2)確定輸入量及其隸屬函數(shù)精確輸入量偏差e和偏差變化率ec只有經(jīng)過模糊化為才能被控制器所識別3,模糊化后的變量用E和EC表示。這里首先將模糊量E、EC的范圍都設置為[-6,6],當精確輸入量的變化范圍輸入量是[a,b]時，可以用下式進行變換這樣就可以將變化范圍[a,b]的精確輸入量變換為[-6,6]范圍內(nèi)的模糊量。這里的輸入量是“電壓給定量”,在與“轉(zhuǎn)速反饋電壓量”比較后的得到偏差量e,通過計算可得范圍為[0,7],偏差變化率ec的范圍為[-200,1000],代入上面的公式可得再將區(qū)間[-6,6]內(nèi)連續(xù)變化的量分成7個等級，每一個等級都用“負大(NB)”、來表示15450],其隸屬度函數(shù)設置為高斯分布，隸屬度曲線如圖6-9和圖6-10所示。DegreeofmembershipDegreeofmembershipDegreeofmembershipDegreeofmembershipDegreeofmembershipDegreeofmembership0(3)確定輸出量及其隸屬函數(shù)0(C)1994-2020ChinaAcademicJournalElectronicPublishingHouse.AllrigooNEQ\*jc3\*hps11\o\al(\s\up5(0),A)d控制過程中參數(shù)不斷變化已達到“自適應”的目的，這對于加快響應和減少超調(diào)起到(4)建立控制規(guī)則為使模糊規(guī)則更好的與PID控制規(guī)律相結合，就必須了解PID三個參數(shù)在系統(tǒng)穩(wěn)定性、響應速度、超調(diào)量以及穩(wěn)態(tài)精度四個方面各自起到了何種作用，這可概括為Kp是比例系數(shù)，對應的比例環(huán)節(jié)用于加快系統(tǒng)的響應速度和提高精度，值越大精度也會受影響。Ki是積分系數(shù)，對應的積分環(huán)節(jié)在設定值合理的前提下，可以有效的消除系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差，雖然值越大穩(wěn)態(tài)誤差消除的就越快，如果超過合理值也會產(chǎn)生很大的超調(diào)；同樣的，值越小系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)誤差就越難消除，精度也會受影響。Kd是微分系數(shù)，對應的微分環(huán)節(jié)同樣在設定值合理的前提下，可以改善系統(tǒng)的可見控制系統(tǒng)在不同階段對于PID控制的需求是不同的，系統(tǒng)初始上升階段需要增大比例環(huán)節(jié)的輸出來加快響應速度，而在超調(diào)階段應減小以避免過大的超調(diào)，待系統(tǒng)趨于穩(wěn)定后減小至零；積分環(huán)節(jié)在系統(tǒng)上升階段應增大輸出，而在穩(wěn)態(tài)附近波動時，應盡快穩(wěn)定在某一具體數(shù)值以快速穩(wěn)定系統(tǒng)；微分環(huán)節(jié)在系統(tǒng)啟動瞬間就應具有較大的數(shù)值，但隨時間推移應慢慢減小為某一負值，系統(tǒng)趨于穩(wěn)定后再慢慢回升至零?；谝陨夏康?，通過總結工程人員的技術知識和現(xiàn)場實際操作經(jīng)驗，獲得三個輸出參數(shù)的模糊規(guī)則表(62-5),如表6-2、表6-3和表6-4所示。EEE(5)建立Simulink模型圖6-14模糊PID控制器該模型的輸入量是提供給變頻器的模擬電壓量，輸出量是提供給變頻器逆變環(huán)節(jié)的脈沖觸發(fā)導通角。(C)1994-2020ChinaAcademicJournalElectronicPublishingHouse.Allrightsreserved.h將模型運行兩次，第一次為僅有常規(guī)PID控制器而沒有模糊PID控制器，并將給定電壓人為調(diào)整到10V(10V代表增氧電機以高速1000r/min運行)。第二次為將常規(guī)的PID控制器替換為新建立的模糊PID控制器，同樣將給定電壓人為調(diào)整到10V。運行仿真并將結果匯總至同一坐標系后如圖6-15所示，其中縱坐標為增氧機轉(zhuǎn)速 (r/min),橫坐標為時間(秒)。圖6-15傳統(tǒng)PID與模糊PID結果對比仿真曲線顯示了當對兩次模型運行選定相同的三個PID固定參數(shù)后，模糊控制在線自整定PID參數(shù)優(yōu)化和常規(guī)PID無優(yōu)化的對比情況。其中，傳統(tǒng)PID控制結果用黃色曲線表示，模糊PID控制結果用紅色曲線表示。可以看出模糊PID控制相較傳統(tǒng)PID控制來說，能夠更快速的趨于穩(wěn)定，而且基本無超調(diào)，總體結果達到預期。接下來對增氧機的智能控制進行仿真，首先將溶氧量目標值設定為7.6ppm,再通過模擬一條不斷變化的曲線來代替實際溶氧值。圖為模擬水中溶解氧變化曲線，其中縱坐標為溶氧量(ppm),橫坐標為時間(秒)。該模擬曲線示意圖中，在0～60s時間范圍內(nèi)，曲線由0快速增長至6.8。在60~120s時間范圍內(nèi)，曲線由6.8緩慢增長至7.6。在120～200s時間范圍內(nèi)，曲線數(shù)值保持在7.6不變。在設置好各項參數(shù)后開始仿真，仿真結果如圖6-17所示，其中縱坐標為增氧機轉(zhuǎn)速(r/min),橫坐標為時間(秒)。在0～60s時間范圍內(nèi)，模擬溶氧度數(shù)值從0開始增長到6.8,在該階段增氧機全速運行。在60～120s時間范圍內(nèi)，模擬溶氧度數(shù)值從6.8增長到7.6,在該階段增氧機調(diào)速至650r/min。在120～200s時間范圍內(nèi)，模擬溶氧度數(shù)值穩(wěn)定在7.6,在該階段增氧機調(diào)速至600r/min,并繼續(xù)運行一段時間。(C)1994-2020ChinaAcademicJournalElectronicPublishingHouse.Allrightsr6.6本章小結(C)1994-2020ChinaAcademicJournalElectronicPublishingHouse.Allrightsreserved.http://www.7結論與展望(1)根據(jù)養(yǎng)殖現(xiàn)場的實際需求，完成了對基于云平臺的水產(chǎn)養(yǎng)殖監(jiān)控系統(tǒng)的總(2)對下位機的硬件系統(tǒng)進行了電路設計，包括電源模塊、網(wǎng)絡通信模塊、串(3)根據(jù)系統(tǒng)功能需求和OneNET云平臺設計方案，基于Keil軟件開發(fā)了下位(4)搭建了基于模糊算法的PID控制器，進行了兩次基于模糊算法的增氧機控次仿真結果表明模糊算法可以有效實現(xiàn)根據(jù)溶解氧參數(shù)的變化自動調(diào)整控制策略的7.2展望(C)1994-2020ChinaAcademicJournalElectronicPublishingHouse.Allrig(3)本系統(tǒng)主要對