CN111470605A - 一种基于lora无线通讯的工厂化水产养殖ph调控设备 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于LORA无线通讯的工厂化水产养殖PH调控设备，包括无线采样组件、控制组件和药液混合组件；无线采样组件包括LORA无线变送器、防水数据线和PH传感器成；PH传感器设置在养殖池内，其用于实时获取养殖池内的PH值，并通过防水数据线传输给LORA无线变送器，LORA无线变送器将PH值发送给控制组件；所述控制组件包括arduino单片机、LORA模块、上位机、光耦固态继电器和继电器模块，arduino单片机通过LORA模块收取LORA无线变送器发送的PH值并传输给上位机，上位机经过BP神经网络计算整定PID参数发送PWM值给arduino单片机，arduino单片机输出对应的PWM和电平信号给光耦固态继电器和继电器模块控制药液混合组件工作，使养殖池的PH值达到设定要求。
Description
技术领域
本发明涉及水产养殖水质调控领域，具体地说，特别涉及到一种基于LORA无线通讯的工厂化水产养殖PH调控设备。
背景技术
鱼类最适宜在中性或微碱性的水体中生长，偏酸性水体会引发鱼病，导致由原生动物引起的鱼病爆发，如鞭毛虫病、根足虫病、孢子虫病、纤毛虫病、吸管虫病等。所以PH调控在水产养殖中十分重要，PH调控工况具有不确定性、滞后性、存在约束等特点，故需要采用非线性***对PH进行控制。
在池塘养殖环境中，已经出现了智能PH调控设备，学者们利用神经网络PID、模糊控制PID算法将PH控制在设定值精度范围内。但是工厂化水产养殖不同于池塘，工厂化水体不会因为植物导致水质变碱，工厂化环境中温度是可控的，溶解氧较高，鱼类密度较大。水质会因为鱼类的呼吸，***变酸，PH变化较大不易于养殖鱼生长，目前工厂化工况中常用PID来调控PH，但是PID算法整定时间过长，超调量较大，应对突发影响反应不及时。故需要一种稳定耐用，整定迅速，超调小，应对突发影响反应及时的PH控制调控设备。
发明内容
本发明的目的在于针对现有技术中的不足，提供一种基于LORA无线通讯的工厂化水产养殖PH调控设备，以解决现有技术中存在的问题。
本发明所解决的技术问题可以采用以下技术方案来实现：
一种基于LORA无线通讯的工厂化水产养殖PH调控设备，包括无线采样组件、控制组件和药液混合组件；
所述无线采样组件包括LORA无线变送器、防水数据线和PH传感器成；所述PH传感器设置在养殖池内，其用于实时获取养殖池内的PH值，并通过防水数据线传输给LORA无线变送器，LORA无线变送器将PH值发送给控制组件；
所述控制组件包括arduino单片机、LORA模块、上位机、光耦固态继电器和继电器模块，arduino单片机通过LORA模块收取LORA无线变送器发送的PH值并传输给上位机，上位机经过BP神经网络计算整定PID参数发送PWM值给arduino单片机，arduino单片机输出对应的PWM和电平信号给光耦固态继电器和继电器模块控制药液混合组件工作；
所述药液混合组件包括药液准备桶和加药桶，在所述药液准备桶和加药桶内分别安装有一上水位监测传感器和一下水位监测传感器，在药液准备桶的下方设由抽水泵，抽水泵通过抽水管与药液准备桶内部连通，抽水管和抽水泵用于往药液准备桶内添加水，在药液准备桶的顶部设有加药机，加药机用于往药液准备桶内添加碱性药剂，在药液准备桶的底部设有磁力搅拌机，磁力搅拌机用于搅拌药液准备桶内的水和碱性药剂；所述药液准备桶通过侧方的转移泵取药液管与加药桶连通，在转移泵取药液管上设有转移泵，转移泵用于将药液准备桶内的药液通过转移泵取药液管输送至加药桶；在所述加药桶上设有取药液管，取药液管与下方的加药液管连通，在加药液管上安装有加药泵，加药泵用于将加药桶内的药液通过取药液管和加药液管输出至养殖池，使养殖池的PH值达到设定要求。
进一步的，所述加药机包括用于放置药粉的药盒，在药盒的顶部设有药盖，在所述药盖上安装有同步电机，同步电机的输出端与设置在药盒内的赶药板连接，且可驱动赶药板转动，在所述药盒的上方设有直线电机座，在直线电机座上安装有直线电机，所述直线电机的输出端与推药块连接，且可驱动推药块移动。
进一步的，所述药液混合组件安装在机架上，所述机架包括吕字形铝型材结构框架，在吕字形铝型材结构框架的外表面安装有封板，在吕字形铝型材结构框架的底部安装有脚轮座和带自锁脚轮，在吕字形铝型材结构框架的正面安装有药液混合室门，药液混合室门通过合页与吕字形铝型材结构框架连接，在药液混合室门上设有把手，在吕字形铝型材结构框架的下方设有用于遮挡管材的橡胶帘。
进一步的，所述工厂化水产养殖PH调控设备设置在安全轨道上，安全轨道由三角钢制成，用来防止设备跑偏。
进一步的，所述碱性药剂为碳酸氢钠。
进一步的，所述上位机为labview程序，功能有PH设定值输入、输出PWM值显示、PH监测、判断、变化曲线显示，药液准备桶和加药桶的状态显示，药粉剩余显示，抽水泵、转移泵、加药泵的手动控制按钮。
进一步的，所述上位机的BP神经网络采用3-6-3结构，输入层为期望值、实际值、误差；隐含层为6层；输出层为PID比例系数Kp、积分常数Ki、微分常数Kd；学习率为0.25；惯性因子为0.05；用户设定好期望值，BP神经网络通过学习在线调整PID最优控制比例系数Kp、积分常数Ki、微分常数Kd，PID输出驱动光耦固态继电器控制加药泵，PH传感器作为反馈信号将实际值反馈给神经网络，神经网络利用梯度下降法，修正加权系数，从而得到最优的PID参数。
一种基于LORA无线通讯的工厂化水产养殖PH调控设备的PH控制方法，包括如下步骤：
1)PH传感器实时获取养殖池内的PH值，并通过防水数据线传输给LORA无线变送器，LORA无线变送器每秒发送个数据到调节池上方的控制箱中，控制箱中的Arduino单片机读取养殖池中实时PH值后，即刻发送给上位机，上位机经过BP神经网络计算整定PID参数后发送PWM值给控制箱，控制箱输出对应的PWM信号控制药液混合组件；
1)药液混合组件中的加药桶中的碱性药液通过取药液管与下方的加药液管连通，在加药液管上安装有加药泵，加药泵用于将加药桶内的药液通过取药液管和加药液管输出至养殖池，使养殖池的PH值达到设定要求；
当加药桶中的碱性药液不足触发下水位监测传感器时，转移泵启动，转移泵将药液准备桶内的碱性药液通过转移泵取药液管输送至加药桶内，当加药桶内的碱性药液液面触发上水位监测传感器时，转移泵停止工作；
当药液准备桶中的碱性药液不足触发下水位监测传感器时，抽水泵启动，抽水泵通过抽水管往药液准备桶内添加水，直至药液准备桶中液面触发上水位监测传感器；然后加药机启动，往药液准备桶内添加碱性药剂，在药液准备桶的底部的磁力搅拌机工作，磁力搅拌机将药液准备桶内的水和碱性药剂搅拌碱性药剂，以供加药桶使用。
与现有技术相比，本发明的有益效果在于：
本通过LORA技术实现无线采样，上位机可以实现对PH、药液准备桶、加药桶、药粉量、抽水泵、转移泵、加药泵的监测和控制，上位机经过BP神经网络计算整定PID参数后发送PWM值给下位机，下位机输出对应的PWM信号控制加药泵使鱼池PH值达到设定要求。本工厂化水产养殖PH智能调控装备，具有可远程实现鱼池PH采样和控制，能够不间断工作。其具有高精度，超调小，整定快的优势，在工厂化水产养殖PH调控上具有较大的推广价值。
附图说明
图1为本发明所述的水产养殖PH调控设备的示意图。
图2为本发明所述的药液混合组件的示意图。
图3为本发明所述的加药机的示意图。
图4为本发明所述的BP神经网络PID控制框图。
图5为本发明所述的整体控制框图。
具体实施方式
为使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，下面结合具体实施方式，进一步阐述本发明。
参见图1至图5，本发明所述的一种基于LORA无线通讯的工厂化水产养殖PH调控设备，包括无线采样组件、控制组件和药液混合组件；
所述无线采样组件包括LORA无线变送器(32)、防水数据线(33)和PH传感器(34)成；所述PH传感器(34)设置在养殖池内，其用于实时获取养殖池内的PH值，并通过防水数据线(33)传输给LORA无线变送器(32)，LORA无线变送器(32)将PH值发送给控制组件；
所述控制组件包括arduino单片机、LORA模块、上位机、光耦固态继电器和继电器模块，arduino单片机通过LORA模块收取LORA无线变送器(32)发送的PH值并传输给上位机，上位机经过BP神经网络计算整定PID参数发送PWM值给arduino单片机，arduino单片机输出对应的PWM和电平信号给光耦固态继电器和继电器模块控制药液混合组件工作；
所述药液混合组件包括药液准备桶(14)和加药桶(15)，在所述药液准备桶(14)和加药桶(15)内分别安装有一上水位监测传感器(16)和一下水位监测传感器(17)，在药液准备桶(14)的下方设由抽水泵(11)，抽水泵(11)通过抽水管(10)与药液准备桶(14)内部连通，抽水管(10)和抽水泵(11)用于往药液准备桶(14)内添加水，在药液准备桶(14)的顶部设有加药机(13)，加药机(13)用于往药液准备桶(14)内添加碱性药剂，在药液准备桶(14)的底部设有磁力搅拌机(24)，磁力搅拌机(24)用于搅拌药液准备桶(14)内的水和碱性药剂；所述药液准备桶(14)通过侧方的转移泵取药液管(19)与加药桶(15)连通，在转移泵取药液管(19)上设有转移泵(21)，转移泵(21)用于将药液准备桶(14)内的药液通过转移泵取药液管(19)输送至加药桶(15)；在所述加药桶(15)上设有取药液管(18)，取药液管(18)与下方的加药液管(9)连通，在加药液管(9)上安装有加药泵(20)，加药泵(20)用于将加药桶(15)内的药液通过取药液管(18)和加药液管(9)输出至养殖池，使养殖池的PH值达到设定要求。
所述加药机(13)包括用于放置药粉的药盒(30)，在药盒(30)的顶部设有药盖(29)，在所述药盖(29)上安装有同步电机(28)，同步电机(28)的输出端与设置在药盒(30)内的赶药板(31)连接，且可驱动赶药板(31)转动，在所述药盒(30)的上方设有直线电机座(25)，在直线电机座(25)上安装有直线电机(26)，所述直线电机(26)的输出端与推药块(27)连接，且可驱动推药块(27)移动。
所述药液混合组件安装在机架上，所述机架包括吕字形铝型材结构框架(23)，在吕字形铝型材结构框架(23)的外表面安装有封板(1)，在吕字形铝型材结构框架(23)的底部安装有脚轮座(7)和带自锁脚轮(8)，在吕字形铝型材结构框架(23)的正面安装有药液混合室门(2)，药液混合室门(2)通过合页与吕字形铝型材结构框架(23)连接，在药液混合室门(2)上设有把手(4)，在吕字形铝型材结构框架(23)的下方设有用于遮挡管材的橡胶帘(6)。
所述工厂化水产养殖PH调控设备设置在安全轨道(35)上，安全轨道(35)由三角钢制成，用来防止设备跑偏。
所述碱性药剂为碳酸氢钠。
所述上位机为labview程序，功能有PH设定值输入、输出PWM值显示、PH监测、判断、变化曲线显示，药液准备桶和加药桶的状态显示，药粉剩余显示，抽水泵、转移泵、加药泵的手动控制按钮。
所述上位机的BP神经网络采用3-6-3结构，输入层为期望值、实际值、误差；隐含层为6层；输出层为PID比例系数Kp、积分常数Ki、微分常数Kd；学习率为0.25；惯性因子为0.05；用户设定好期望值，BP神经网络通过学习在线调整PID最优控制比例系数Kp、积分常数Ki、微分常数Kd，PID输出驱动光耦固态继电器控制加药泵，PH传感器作为反馈信号将实际值反馈给神经网络，神经网络利用梯度下降法，修正加权系数，从而得到最优的PID参数。
一种基于LORA无线通讯的工厂化水产养殖PH调控设备的PH控制方法，包括如下步骤：
1)PH传感器(34)实时获取养殖池内的PH值，并通过防水数据线(33)传输给LORA无线变送器(32)，LORA无线变送器(32)每秒发送3个数据到调节池上方的控制箱(5)中，控制箱(5)中的Arduino单片机读取养殖池中实时PH值后，即刻发送给上位机，上位机经过BP神经网络计算整定PID参数后发送PWM值给控制箱(5)，控制箱(5)输出对应的PWM信号控制药液混合组件；
2)药液混合组件中的加药桶(15)中的碱性药液通过取药液管(18)与下方的加药液管(9)连通，在加药液管(9)上安装有加药泵(20)，加药泵(20)用于将加药桶(15)内的药液通过取药液管(18)和加药液管(9)输出至养殖池，使养殖池的PH值达到设定要求；
当加药桶(15)中的碱性药液不足触发下水位监测传感器(17)时，转移泵(21)启动，转移泵(21)将药液准备桶(14)内的碱性药液通过转移泵取药液管(19)输送至加药桶(15)内，当加药桶(15)内的碱性药液液面触发上水位监测传感器(16)时，转移泵(21)停止工作；
当药液准备桶(14)中的碱性药液不足触发下水位监测传感器(17)时，抽水泵(11)启动，抽水泵(11)通过抽水管(10)往药液准备桶(14)内添加水，直至药液准备桶(14)中液面触发上水位监测传感器(16)；然后加药机(13)启动，往药液准备桶(14)内添加碱性药剂，在药液准备桶(14)的底部的磁力搅拌机(24)工作，磁力搅拌机(24)将药液准备桶(14)内的水和碱性药剂搅拌碱性药剂，以供加药桶(15)使用。
以上显示和描述了本发明的基本原理和主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。
Claims (8)
1.一种基于LORA无线通讯的工厂化水产养殖PH调控设备，其特征在于：包括无线采样组件、控制组件和药液混合组件；
所述无线采样组件包括LORA无线变送器(32)、防水数据线(33)和PH传感器(34)成；所述PH传感器(34)设置在养殖池内，其用于实时获取养殖池内的PH值，并通过防水数据线(33)传输给LORA无线变送器(32)，LORA无线变送器(32)将PH值发送给控制组件；
所述控制组件包括arduino单片机、LORA模块、上位机、光耦固态继电器和继电器模块，arduino单片机通过LORA模块收取LORA无线变送器(32)发送的PH值并传输给上位机，上位机经过BP神经网络计算整定PID参数发送PWM值给arduino单片机，arduino单片机输出对应的PWM和电平信号给光耦固态继电器和继电器模块控制药液混合组件工作；
所述药液混合组件包括药液准备桶(14)和加药桶(15)，在所述药液准备桶(14)和加药桶(15)内分别安装有一上水位监测传感器(16)和一下水位监测传感器(17)，在药液准备桶(14)的下方设由抽水泵(11)，抽水泵(11)通过抽水管(10)与药液准备桶(14)内部连通，抽水管(10)和抽水泵(11)用于往药液准备桶(14)内添加水，在药液准备桶(14)的顶部设有加药机(13)，加药机(13)用于往药液准备桶(14)内添加碱性药剂，在药液准备桶(14)的底部设有磁力搅拌机(24)，磁力搅拌机(24)用于搅拌药液准备桶(14)内的水和碱性药剂；所述药液准备桶(14)通过侧方的转移泵取药液管(19)与加药桶(15)连通，在转移泵取药液管(19)上设有转移泵(21)，转移泵(21)用于将药液准备桶(14)内的药液通过转移泵取药液管(19)输送至加药桶(15)；在所述加药桶(15)上设有取药液管(18)，取药液管(18)与下方的加药液管(9)连通，在加药液管(9)上安装有加药泵(20)，加药泵(20)用于将加药桶(15)内的药液通过取药液管(18)和加药液管(9)输出至养殖池，使养殖池的PH值达到设定要求。
2.根据权利要求1所述的基于LORA无线通讯的工厂化水产养殖PH调控设备，其特征在于：所述加药机(13)包括用于放置药粉的药盒(30)，在药盒(30)的顶部设有药盖(29)，在所述药盖(29)上安装有同步电机(28)，同步电机(28)的输出端与设置在药盒(30)内的赶药板(31)连接，且可驱动赶药板(31)转动，在所述药盒(30)的上方设有直线电机座(25)，在直线电机座(25)上安装有直线电机(26)，所述直线电机(26)的输出端与推药块(27)连接，且可驱动推药块(27)移动。
3.根据权利要求1所述的基于LORA无线通讯的工厂化水产养殖PH调控设备，其特征在于：所述药液混合组件安装在机架上，所述机架包括吕字形铝型材结构框架(23)，在吕字形铝型材结构框架(23)的外表面安装有封板(1)，在吕字形铝型材结构框架(23)的底部安装有脚轮座(7)和带自锁脚轮(8)，在吕字形铝型材结构框架(23)的正面安装有药液混合室门(2)，药液混合室门(2)通过合页与吕字形铝型材结构框架(23)连接，在药液混合室门(2)上设有把手(4)，在吕字形铝型材结构框架(23)的下方设有用于遮挡管材的橡胶帘(6)。
4.根据权利要求1所述的基于LORA无线通讯的工厂化水产养殖PH调控设备，其特征在于：所述工厂化水产养殖PH调控设备设置在安全轨道(35)上，安全轨道(35)由三角钢制成，用来防止设备跑偏。
5.根据权利要求1所述的基于LORA无线通讯的工厂化水产养殖PH调控设备，其特征在于：所述碱性药剂为碳酸氢钠。
6.根据权利要求1所述的基于LORA无线通讯的工厂化水产养殖PH调控设备，其特征在于：所述上位机为labview程序，功能有PH设定值输入、输出PWM值显示、PH监测、判断、变化曲线显示，药液准备桶和加药桶的状态显示，药粉剩余显示，抽水泵、转移泵、加药泵的手动控制按钮。
7.根据权利要求1所述的基于LORA无线通讯的工厂化水产养殖PH调控设备，其特征在于：所述上位机的BP神经网络采用3-6-3结构，输入层为期望值、实际值、误差；隐含层为6层；输出层为PID比例系数Kp、积分常数Ki、微分常数Kd；学习率为0.25；惯性因子为0.05；用户设定好期望值，BP神经网络通过学习在线调整PID最优控制比例系数Kp、积分常数Ki、微分常数Kd，PID输出驱动光耦固态继电器控制加药泵，PH传感器作为反馈信号将实际值反馈给神经网络，神经网络利用梯度下降法，修正加权系数，从而得到最优的PID参数。
8.根据权利要求1所述的基于LORA无线通讯的工厂化水产养殖PH调控设备，其特征在于：其控制方法如下：
1)PH传感器(34)实时获取养殖池内的PH值，并通过防水数据线(33)传输给LORA无线变送器(32)，LORA无线变送器(32)每秒发送3个数据到调节池上方的控制箱(5)中，控制箱(5)中的Arduino单片机读取养殖池中实时PH值后，即刻发送给上位机，上位机经过BP神经网络计算整定PID参数后发送PWM值给控制箱(5)，控制箱(5)输出对应的PWM信号控制药液混合组件；
2)药液混合组件中的加药桶(15)中的碱性药液通过取药液管(18)与下方的加药液管(9)连通，在加药液管(9)上安装有加药泵(20)，加药泵(20)用于将加药桶(15)内的药液通过取药液管(18)和加药液管(9)输出至养殖池，使养殖池的PH值达到设定要求；
当加药桶(15)中的碱性药液不足触发下水位监测传感器(17)时，转移泵(21)启动，转移泵(21)将药液准备桶(14)内的碱性药液通过转移泵取药液管(19)输送至加药桶(15)内，当加药桶(15)内的碱性药液液面触发上水位监测传感器(16)时，转移泵(21)停止工作；
当药液准备桶(14)中的碱性药液不足触发下水位监测传感器(17)时，抽水泵(11)启动，抽水泵(11)通过抽水管(10)往药液准备桶(14)内添加水，直至药液准备桶(14)中液面触发上水位监测传感器(16)；然后加药机(13)启动，往药液准备桶(14)内添加碱性药剂，在药液准备桶(14)的底部的磁力搅拌机(24)工作，磁力搅拌机(24)将药液准备桶(14)内的水和碱性药剂搅拌碱性药剂，以供加药桶(15)使用。
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| CN113110211A (zh) * | 2021-04-29 | 2021-07-13 | 南京工程学院 | 一种养殖渔场分布式水质远程监控***及监控方法 |
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2020
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