基于云平台的水产养殖监控系统设计

最后在完成系统基本设计任务后，为顺应水产养殖产业的发展趋势，还应用(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研究背景及意义 11.2水产养殖监控系统国内外发展现状 1.2.1国内水产养殖监控系统发展现状 21.2.2国外水产养殖监控系统发展现状 31.3论文主要工作 31.4本章小结 32系统总体方案设计 42.1系统需求分析 42.2系统方案设计 42.3系统通信方案设计 72.3.1确定通信硬件方案 72.3.2确定数据收发协议 82.4本章小结 83下位机硬件设计 93.1嵌入式单片机及其外围器件 93.1.1嵌入式单片机 93.1.2电源模块设计 3.1.3网络通信模块设计 3.1.4串行通信电路 3.1.5指示灯电路 113.1.6程序下载电路 3.1.7复位电路 3.2增氧机控制及驱动电路 3.3下位机硬件电路设计总图 3.4本章小结 4下位机程序设计 4.1下位机程序概述 4.2基于嵌入式操作系统的多线程技术 4.4应用SDK文件实现数据格式封装与解析 4.5下位机程序主要函数、结构及变量 4.6下位机程序设计 4.6.1下位机程序运行框架 204.6.2云平台登录 4.6.3数据发送 224.6.4指令接收 4.6.5增氧机控制 244.7功能测试 4.8本章小结 (C)1994-2020ChinaAcademicJou5上位机软件及人机交互设计 5.1上位机软件概述 285.2上位机软件设计 285.2.1网络模式 5.2.2离线模式 305.3功能测试 5.4人机交互 5.4.1云平台交互页面 5.4.2上位机软件界面 5.5本章小结 6基于模糊算法的增氧机控制仿真 6.1增氧机模糊控制概述 6.2建立Simulink模型 386.3电压给定模糊控制器 38 406.5仿真结果及分析 6.6本章小结 7结论与展望 49 49参考文献 作者简介 致谢 水产养殖产业经过了数十年高速发展已经成为全球食品行业中增长最快的产业因为目前我国的水产养殖产业在工厂化养殖以及智能监控系统的普及程度上仍旧不较昂贵，中小型养殖企业无法承担高昂成本。另外，目前云平台技术也同样因服务1.2水产养殖监控系统国内外发展现状1器的仪器检测法⁶。经验法在如今国内的传统水产养殖中仍然得以应用，这对养殖方面，这类养殖人员由于倾向于传统经验，也在一定程度上阻碍了科学仪器的普及。方武等人设计了一套基于ZigBee信息传输技术的水产养殖自动监控系统13,从应用作，在全国范围内开展产品试点工作是目前较为流行的做法3,例如中国农业大学的2指定终端，同样也有着较低的学习成本优势5。了针对鱼病的处理平台，可以通过图像识别技术来对常见鱼病进行确诊。1.3论文主要工作(1)根据养殖现场的各项实际需求对系统整体方案进行设计，同时对下位机系(2)根据云平台开发以及下位机硬件特性编写对应下位机程序和上位机软件，(3)对基于模糊控制算法的增氧机控制进行Simulink仿真，作为前瞻性研究用32.1系统需求分析(1)传感器需求分析(2)云平台需求分析(3)下位机需求分析(4)上位机软件需求分析；(5)设备通讯需求分析；(6)调控设备需求分析；2.2系统方案设计方案框架如图2-1所示。下面将对设计部分的内容进行阐述说明。4图图2-1整体设计框架(1)传感器选择依据与方案水产养殖需要测量温度、溶氧度以及pH信息，同时需要考虑检测的环境，因此这里需要选用面向水产养殖领域运行良好的传表2-1传感器各项参数测量范围(溶解氧)测量范围测量范围(温度)测量精度测量精度(溶解氧)工作温度测量精度(温度)测量精度(温度)工作温度最大压力105℃时，为6.9bar5(C)1994-2020ChinaAcademicJournalElectronicPublishingHouse.Allrightsr的是标准的MODBUS-RTU通讯协议。串口格式为数据位8位，停止位1位，无奇偶(2)云平台选择依据与方案受时间和地点的限制就可以通过网络访问云平台WEB页面，查询信息、发送指令都(3)下位机设计依据与方案件系统(下位机硬件选型与设计将在第3章进行论述)。为使下位机能够实现以数据发送和指令接收两方面为核心的各项子程序功能，这里选用Keil软(4)上位机软件设计依据与方案6(5)调控设备设计依据与方案-变频器组合的增氧机控制系统。另外，增氧机的转速可通过安上位机就可以通过有线方式和云平台之间进行稳定的信息传输。若遇到网络故障导致例如安装网络摄像头等。系统通信硬件方案如图2-2所示。网线器互联网7(C)1994-2020ChinaAcademicJournalElectronicPublishingHouse.Allrightsreserved.以上对养殖现场设备通信所涉及的硬件以及硬件连接情况进行了描述，下面将对数据收发协议方案进行选择。无论是下位机系统还是上位机，都需要与云平台服务器进行数据交互，需要相应的通信协议，云平台也面向开发者提供了一种针对嵌入式领域中较为实用的数据收发EDP(EnhancedDeviceProtocol,增强设备协议)是OneNET平台根据物联网特点专门开发的基于TCP的数据传输协议7),可以广泛应用到家居、交通、物流、能源等行业应用中。该协议有如下特点：(1)长连接协议；(2)数据加密传输；(3)终端数据点上报，支持的数据点类型为浮点数(float)、整型(int)、字符串(4)平台消息下发(支持离线消息);(5)基于端到端的数据转发。表2-2列出了EDP协议在设备端需求、可靠性以及应用场景三个方面的特点。Tab.2-2Datatransceiver需要设备上报数据到平台；需要实时接收控制指令；需要保持长连接时数据传输与控制的场景经过以上分析和总结可知，EDP协议非常适合作为本系统的数据收发协议。2.4本章小结本章对系统总体结构进行了设计。首先从需求侧出发，将系统各个部分的需求和对应设计方案进行详细阐述。最后确定现场通信的硬件方案，最后选择了适合的数据收发协议。83.1嵌入式单片机及其外围器件PAI3HMSSWDIOPCI3TAMPBu亦|m0的器的路;的c_班NCNC8司5开哥玉=__(1)32位处理器，主频为72Mhz;(2)可用外部针脚数量为100,其中GPIO引脚数量为80;9(C)1994-2020ChinaAcademicJournalElectronicPublishingHouse.Allrightsr3.1.2电源模块设计电源选用了型号为LM17805和AMS1117的供电模块，电路设计如图3-2所示。3470UF“1N4007L¥23电源为下位机系统提供了12V的电压，可以为传感器提供工作电压。但嵌入式单片机模块的工作电压为3.3V,所以需要利用LM17805模块将12V转至5V,再利用AMS1117模块将5V转至3.3V。(1)可调节的输出电压，可输出1.5V,1.8V,2.5V,2.85V以及3.3V等5种电压规(2)可输出1A的电流；(3)最大输入电压为15V;(4)工作温度，控制端为0～125℃,功率晶体管为0～150℃。这里选用符合IEEE802.3标准的以太网控制芯片ENC28J60,只要嵌带有SPI接口就可以和该以太网芯片进行连接，数据传输速率高达10M/s,满足设计的需要9。再配合网络变压器HR911105A,就可以为下位机提供高速稳定的宽带网以太网模块ENC28J60通过与单片机STM32F103VET6的SPI1接口连接20]。首先是信号线SO(数据输出)、SI(数据输入)和SCK(时钟信号),分别与单片机的SPI1-MISO、SPI1-MOSI和SPI1-SCK三个端口相连；CS(网卡片选信号)连接单片机的SPI1-NSS端口；INT(中断信号)连接单片机的PA8端口。这样，正确配置处(C)1994-2020ChinaAcademicJournalElectronicPublishin理器SPI1端口后，单片机就可以通过网络模块ENC28J60与外界进行通信。通信模块电路图如图3-3所示。单片机通过借助SPI接口快速调用通信模块进行数据发送。而在数据接收环节，由于单片机与通信模块采用了中断机制，避免了设置循环代码而浪费处理器资源。3.1.4串行通信电路由方案设计可知，传感器和下位机是通过串行接口并按照Modbus协议进行通信，因此为满足串行通信的需求，这里对常用串行接口RS485和RS232电路进行设计。电路设计如图3-4所示。485RXV为下位机的电路板配置指示灯，用于通过不同的颜色来对下位机的运行情况进行描述，例如绿色灯常亮代表工作正常，黄色灯亮代表网络故障，红色灯代表下位机工果单片机3.3V的工作电压正常，则该指示灯就会亮。图3-5为指示灯电路设计。为满足后期程序的调试和升级，需要设计程序下载接口电路。电路设计如图3-6复位电路是一种用来使电路恢复到起始状态的电路设备，复位电路原理图如图(C)1994-2020ChinaAcademicJournalElectronicPublishingHouse.Allrightsr3.2增氧机控制及驱动电路通过编写程序令嵌入式单片机输出一系列占空比可调的PWM于占空比的电压输入量，且电压范围是0～10V。3.3下位机硬件电路设计总图在对各部分器件及电路进行论述后，下一步将各部分进行汇“STM32F103VET6”处理器，将周围各个模块、外设以及继电器器件进行连接，共(C)1994-2020ChinaAcademicJournalElectronicPublishingHouse.Allrig金要工明明金要工明明号号H:一g 目红兰H]8阳U皇謂明a与喜HT可可量喜图3-9下位机硬件电路总图3.4本章小结(C)1994-2020ChinaAcademicJournalElectronicPublish4下位机程序设计4.1下位机程序概述(1)建立稳定的TCP连接在TCP/IP协议模型的传输层中，存在有两个重要的协议，分别是TCP协议 (TransmissionControlProtocol,传输控制协议)和UDP协议(UserDatagramProtocol,用户数据报协议)[21,UDP协议提供的是一种不可靠的信息传输服(2)数据的打包与解析环节，用户可以通过云平台WEB页面给下位机发送指令，而这同样是“Json格式”4.2基于嵌入式操作系统的多线程技术这是一款拥有结构小巧、抢占式多任务实时内核的操作系统，能够管理最多64个任务。借助操作系统，就可以将下位机各个子程序分别建立线程，这样就可以充分利4.3基于LWIP协议栈的Socket技术TCP/IP协议通过各种标准来为两个或多个节点提供通信服务，可以将其概括为一种分层结构，由上至下分别为应用层、传输层、方便的进行程序的开发245。图4-1为Socket网络编程流程图。bindFig.4-1Socketnetworkprogrammingflowchart(C)1994-2020ChinaAcademicJournalElectronicPublishingHouse.Allrightsreserved.http://www将它们进行二次封装，封装成Socket编程语言中常用的套接字函数26),就可以直接调用进行Socket网络编程。表4-1列出了经二次封装后的套接字函数。原函数作用向内核申请一个套接字发送UDP报文下位机与云平台之间的信息传递，依靠的是一种“Json格式”数据包。这就需要用到云平台提供给开发人员的SDK(SoftwareDevelopmentKit,软件开发工具包)文件实现对该格式的封装和解析功能2。在这个软件开发工具包中，提供了为格式封装和解析所需的各种库函数，编写程序时可以直接对其进行调用。表4-2列出了软件开发工具包提供的库函数。表4-2软件开发工具包提供的库函数(部分)作用向对象中添加元素向对象中添加数字(1)数据包结构pbufpbuf是一种数据包结构，也是数据的载体，在这个结构中定义了若干变量和指针用于记录数据的方方面面，有了pbuf结构，就可以将数据包在协议栈各层级之间传递，实现数据包发送或接收。pbuf结构如图4-2所示。Fig.4-2Schematicdiagramof(2)任务间数据传递邮箱(3)系统任务建立函数系统任务建立函数的原型为sys_thread_new(constchar*name,lwip_thread_fnthread,void*arg,intstacksize,intp(4)多任务并发机制实现多任务并发机制的函数原型是select(intmaxfdp1,fd_set*readset,fd_set“多任务阻塞机制”来说，协议栈提供的“select多任务并发机制”可以更好的提升(C)1994-2020ChinaAcademicJournalElectronicPublishingHouse.Allrightsreserved.http://www.4.6下位机程序设计在下位机程序设计之前，需要对程序总体框架进行论述，图硬件、软件初始化建立任务启动系统调用通信主函数建立连接并登陆N是否建立连接YNY接收传感器数据执行相应指令YNFig.4-3Lowercomputerprogramflowchart建立TCP通信后，就会调用“select(C)1994-2020ChinaAcademicJournalElectronicPublishingHouse.Allri和保密性。图4-4为登陆云平台流程图。NYNY图4-4登陆云平台流程图(C)1994-2020ChinaAcademicJournalElectronicPublishingHouse.Allrig4.6.3数据发送下位机的单片机内部是通过中断机制来获取，所以应该建立协议栈可以识别的“sys_mbox_t”指针类型的消息邮箱变量，分别用于接收这三种数据对应的指针。数据发送程序负责将传感器传输过来的三个数据参数NYNYFig.4-5Datasentflow数据发送程序会将包含有三种环境参数的数据进行“Json”格式的封装，封装后(C)1994-2020ChinaAcademicJournalElectronicPublishingHouse.Allrig的格式信息会被发送函数按照网络模型的层级结构逐层打包封装并调用合适的网络接口发送至云平台。下位机会接收来自云平台的各类数据包并解析，这样的数据包在函数中定义了三种，分别是“连接数据包”、“指令数据包”和“心跳数据包”。其中连接数据包是在下位机和云平台服务器进行“三次握手”期间接收的数据包，是双方建立TCP连接的基础，该数据包会在“云平台登录”程序中得到处理；指令数据包是接收来自云平台或是上位机的指令；心跳数据包是在下位机和云平台建立TCP连接后，云平台每隔一定时间发送的小型确认数据包，用于判断下位机是否处于连接状态，这种数据包无需编写相应程序进行处理，因为协议栈已经内置了相关的处理机制。具体流程图见图4-6所示。NYNY图4-6指令包接收流程图由于数据包为均是通过EDP协议进行收发“Json”格式类型，所以指令接收程序需要调用EDP数据包获取及类型判断函数对其进行处理，并从数据包中解析“Json”格式类型的数据，并调用相应的程序进行命令的执行操作。4.6.5增氧机控制当成功接收并解析完指令数据包后，就需要调用相应程序执行指令。为实现对设备的控制，由于已经搭建好耦合驱动电路和变频器等硬件，因此只需通过编写程序令嵌入式单片机输出一系列占空比可调的PWM波形即可。(1)确定占空比的控制算法PWM波形的调节主要是改变其占空比，这在单片机中可以通过编写代码实现。而为了能够快速而又稳定的调整占空比，这里选用控制领域经典的PID控制算法进行得益于计算机技术的发展，PID控制算法得以被移植到计算机中，以程序的形式运行。通过编写PID的程序代码来实现，也称为“数字式PID”,它的特点是输出量是离散的。数字式PID控制可以归纳为两种形式，一是位置式PID控制，输出量是绝对数值；二是增量式PID控制，输出量是增量数值。相对于位置式PID来说，增量式PID可以有效减少运算量，提高效率。考虑到单片机的运算机能，因此这里选用增量式PID进行代码编写。数字式PID的数学表达式为所以增量式PID控制的输出为其中T为采样周期。经过数学推导后，就得到了增量式PID的输出表达式，△uμ的数值就是占空比增量值，可以直接赋值给相应寄存器进行占空比调整。(2)设置寄存器输出PWM波形PWM波形的输出是依靠定时器TIM来实现，因此需要对定时器进行配置，PWM配置流程图如图4-7所示。这里需要配置TIM寄存器的各项参数，如设定PWM工作模式、输出使能、互定时器结构体变量初始化输出使能(3)占空比动态调整在设置完PWM的初始参数并使能后，变频器得以驱动电机正常启动，启动过后之后就会进入脉宽调制阶段，通过对转速数值的实时监测，并把实测值反馈至单片机，这一环节需要为单片机定义预先设定好的速度变量以供后续PID程序调用。速度设定变量如表4-3所示。表4-3预设速度变量变量类型预设速度高速(1000r/min)中速(800r/min)低速(600r/min)在完成对预设速度变量的设定后，单片机便会调用PID控制模块计算并输出PWM增量，程序代码如下。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测试采用上传随机数的方式，查看云平台WEB页面能(1)随机数发送测试看结果，结果如图4-8和图4-9所示。图4-8随机数测试由数值曲线可以看到，下位机成功将若干随机数发送到了云平台服务器，说明下位机可以正常与云平台进行通信(2)传感器实际监测数据上传随机数测试成功表示下位机可以与云平台进行通信，下一步接上传感器设备进行实际监测，截止到2019年5月19日的实时数据显示如图所示。7图4-9实时数据4.8本章小结本章对下位机程序进行了设计。程序由登录程序、数据发送、指令接收以及增氧机控制四个子程序构成。每个子程序分别绘制了工作流程图以及对部分代码进行了解释说明。这里使用嵌入式操作系统进行多任务处理，使用嵌入式协议栈进行网络程序5上位机软件及人机交互设计说明网络存在故障或是云平台服务器维护，就应将通信目标更改为下位机对应的IP检测网络状况N网络是否正常Y正常进行与云平台的通信将目标IP地址和端口号改为下位机(C)1994-2020ChinaAcademicJournalElectronicPublishingHouse.Allrightsr自动进行归类和处理，省去了繁琐的人工维护工作。网络模式程序如图5-2所示。图5-2网络模式程序控制事件”,只需要在上位机软件主界面点按对应的按键便可触发对应事件。图中只接下来是“数据接收循环结构”,在软件启动的同时该程提取出来，因此这里用到“字符串搜索/拆分”控件，由值紧跟在字符串“current_value:”之后，于是可以搜索对应字符串，将返回的字符串构，最后利用“字符串转换控件”将字符串转换成用户就可以在软件主界面查看到实时数据信息。(1)数据库存储程序框图当设备处于离线状态时，上位机软件就需要本地数据库的支持，只要数据传入上这里将其保存为“mdb”格式、名称为“MyDataBase”的数据库。然后在“ODBC数据源管理程序”中，建立数据库的对应用户数据源，采用“MicrosoftAccessDriver”的驱动程序，为其命名为“OnenetDB”。建立成功后就可用SQL数据库语句在LabVIEW对数据库进行编程，具体程序框图如图5-3所示。四☑图5-3数据库存储程序框图本次编程中利用“连接字符串”控件进行SQL语句的拼接，将接收的数据添加到SQL语句中对应值的位置。数据存储程序中用到了4个“ADO”类型的数据库编Conn”控件用于上位机软件和建立的数据库建立连接；“OpenConn”控件用于打开指定的数据源，这里打开新建的用户数据源“OnenetDB”;“SQLExecute”控件时输入字符串类型的SQL语句，达到编程目的；最后的“CloseConn”控件用于关闭连(2)数据查询程序框图当数据库中存入了数据后便可以编写查询程序框图，这里按照“年、月、日”的条件进行查询。具体程序框图如图5-4所示。西西Select*fromMyDatawher源时间月图5-4数据查询程序框图在数据查询程序框图中，建立了一种循环结构，循环结构内部是由事件结构构成的查询程序主体，将查询事件设置成只要检测到“查询”按键值发生改变，则执行拼接的SQL语句。在这里用到了“LIKE”类型的SQL模糊查询语句，因为存入数据库的时间数据是精确到“时、分、秒”,所以用精确查询无法快捷的查询，因而考虑进行模糊查询，由用户提供精确的“年、月、日”信息，利用“LIKE‘年/月/日%’”语句进行模糊查询，就可以查询对应日期一天范围内的数据。这里用到了“表格”控件，用于接收并显示SQL语句被执行后的返回数据，用户可以查看到查询结果，如果数据过多，可以拉动滚动条进行查看。目前仅提供按日期进行查询，当然还可以按具体参数名称进行查询，而这仅需要简单的增加对应控件以及修改部分SQL语句即可，以满足不同用户的功能需求。上位机软件有网络模式和离线模式两种工作模式，需要分别进行测试。网络模式通过编写TCP程序使上位机能够与云平台进行通信，使上位机能够获取云平台数据，向云平台发送指令给下位机，因此网络模式则测试数据实时显示；离线模式是在网络出现故障，下位机无法与云平台建立通信时，可通过借助局域网与装有上位机软件的主机进行本地通信，该模式下需要测试本地数据库存储和查询功能。(1)实时数据显示测试启动上位机软件，测试上位机是否能与云平台进行通信并获取数据。测试结果如图5-5所示。(2)本地数据库存储测试333333图5-6数据正常导入数据库(3)数据库查询功能测试位机软件界面按日期进行查询，查询结果如图5-7所示。图5-7上位机查询界面(C)1994-2020ChinaAcademicJournalElectronicPublishingHous5.4人机交互5.4.1云平台交互页面(1)数据显示与设备控制页面CC增氧电机ON低速☆钮等控件，就可以完成对数据显示与设备控制交互页面的设计。图(2)历史数据查询页面重要的作用。历史数据查询如图5-9所示。(C)1994-2020ChinaAcademicJournalElectronicPublishingHouse.Allrightsreserved.http://wwwg器”””(3)设备信息统计5-10展示了设备信息统计页面。其中左上侧为云平台接入设备的数量，右上侧为设(C)1994-2020ChinaAcademicJournalElectronicPublishingHouse.Allrig(1)主界面主界面设置了两个互斥按键用于上位机软件在网络模式与离线模式之间进行切殖现场进行监控。上位机软件主界面如图5-11所示。(2)历史查询界面设计上位机查询界面如图5-12所示。(C)1994-2020ChinaAcademicJournalElectronicPublishingHouse.Allrig5.5本章小结(C)1994-2020ChinaAcademicJournalElectronicPublishingHouse.Allrig6基于模糊算法的增氧机控制仿真在第3章下位机硬件设计当中，单片机输出PWM波形，借助耦合驱动电路和积据。由电路设计可知该电压量的范围为0～10V,为变频器提供了从“增氧机停止”电压给定量模糊控制器实际溶氧量溶氧量设定值(C)1994-2020ChinaAcademicJournalElectronicPublishingHouse.AllrightsrP密密丽图6-2增氧机模糊控制系统图中变频器等效为一种“交-直-交”电压型的整流-逆6.3电压给定模糊控制器(1)确定输入量及其隶属函数[-7,7],EC的范围设置为[-10,10]。再确定精确输入量e、和ec的变化范围，分别是[0,10]以及[-8,8]。最后进行精确量模糊化、确定隶属函数，结果如图所示。图6-3E的隶属函数(C)1994-2020ChinaAcademicJournalElectronicPublishingHouse.AllrightsreservedDegreeofmembershipDegreeofmembershipDegreeofmembershipDegreeofmembershipe(2)确定输出量及其隶属函数量的论域范围设置为是[0,1],其本质是一个“系数”值，再和一个常数相乘后解模糊为精确输出值。输出量的隶属函数如图6-5所示。V(3)建立控制规则输入与输出的模糊规则表如表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-。模糊控制流程图的基本结构如图6-7所示。经“测量变送器(本质为一个系数乘法器)”处理后变为一种和输入量同量纲的物理(C)1994-2020ChinaAcademicJournalElectronicPublishingHouse.Allrightsr结束(2)确定输入量及其隶属函数精确输入量偏差e和偏差变化率ec只有经过模糊化为才能被控制器所识别3,模糊化后的变量用E和EC表示。这里首先将模糊量E、EC的范围都设置为[-6,6],当精确输入量的变化范围输入量是[a,b]时，可以用下式进行变换这样就可以将变化范围[a,b]的精确输入量变换为[-6,6]范围内的模糊量。这里的输入量是“电压给定量”,在与“转速反馈电压量”比较后的得到偏差量e,通过计算可得范围为[0,7],偏差变化率ec的范围为[-200,1000],代入上面的公式可得再将区间[-6,6]内连续变化的量分成7个等级，每一个等级都用“负大(NB)”、来表示15450],其隶属度函数设置为高斯分布，隶属度曲线如图6-9和图6-10所示。DegreeofmembershipDegreeofmembershipDegreeofmembershipDegreeofmembershipDegreeofmembershipDegreeofmembership0(3)确定输出量及其隶属函数0(C)1994-2020ChinaAcademicJournalElectronicPublishingHouse.AllrigooNEQ\*jc3\*hps11\o\al(\s\up5(0),A)d控制过程中参数不断变化已达到“自适应”的目的，这对于加快响应和减少超调起到(4)建立控制规则为使模糊规则更好的与PID控制规律相结合，就必须了解PID三个参数在系统稳定性、响应速度、超调量以及稳态精度四个方面各自起到了何种作用，这可概括为Kp是比例系数，对应的比例环节用于加快系统的响应速度和提高精度，值越大精度也会受影响。Ki是积分系数，对应的积分环节在设定值合理的前提下，可以有效的消除系统的稳态误差，虽然值越大稳态误差消除的就越快，如果超过合理值也会产生很大的超调；同样的，值越小系统稳态误差就越难消除，精度也会受影响。Kd是微分系数，对应的微分环节同样在设定值合理的前提下，可以改善系统的可见控制系统在不同阶段对于PID控制的需求是不同的，系统初始上升阶段需要增大比例环节的输出来加快响应速度，而在超调阶段应减小以避免过大的超调，待系统趋于稳定后减小至零；积分环节在系统上升阶段应增大输出，而在稳态附近波动时，应尽快稳定在某一具体数值以快速稳定系统；微分环节在系统启动瞬间就应具有较大的数值，但随时间推移应慢慢减小为某一负值，系统趋于稳定后再慢慢回升至零。基于以上目的，通过总结工程人员的技术知识和现场实际操作经验，获得三个输出参数的模糊规则表(62-5),如表6-2、表6-3和表6-4所示。EEE(5)建立Simulink模型图6-14模糊PID控制器该模型的输入量是提供给变频器的模拟电压量，输出量是提供给变频器逆变环节的脉冲触发导通角。(C)1994-2020ChinaAcademicJournalElectronicPublishingHouse.Allrightsreserved.h将模型运行两次，第一次为仅有常规PID控制器而没有模糊PID控制器，并将给定电压人为调整到10V(10V代表增氧电机以高速1000r/min运行)。第二次为将常规的PID控制器替换为新建立的模糊PID控制器，同样将给定电压人为调整到10V。运行仿真并将结果汇总至同一坐标系后如图6-15所示，其中纵坐标为增氧机转速 (r/min),横坐标为时间(秒)。图6-15传统PID与模糊PID结果对比仿真曲线显示了当对两次模型运行选定相同的三个PID固定参数后，模糊控制在线自整定PID参数优化和常规PID无优化的对比情况。其中，传统PID控制结果用黄色曲线表示，模糊PID控制结果用红色曲线表示。可以看出模糊PID控制相较传统PID控制来说，能够更快速的趋于稳定，而且基本无超调，总体结果达到预期。接下来对增氧机的智能控制进行仿真，首先将溶氧量目标值设定为7.6ppm,再通过模拟一条不断变化的曲线来代替实际溶氧值。图为模拟水中溶解氧变化曲线，其中纵坐标为溶氧量(ppm),横坐标为时间(秒)。该模拟曲线示意图中，在0～60s时间范围内，曲线由0快速增长至6.8。在60~120s时间范围内，曲线由6.8缓慢增长至7.6。在120～200s时间范围内，曲线数值保持在7.6不变。在设置好各项参数后开始仿真，仿真结果如图6-17所示，其中纵坐标为增氧机转速(r/min),横坐标为时间(秒)。在0～60s时间范围内，模拟溶氧度数值从0开始增长到6.8,在该阶段增氧机全速运行。在60～120s时间范围内，模拟溶氧度数值从6.8增长到7.6,在该阶段增氧机调速至650r/min。在120～200s时间范围内，模拟溶氧度数值稳定在7.6,在该阶段增氧机调速至600r/min,并继续运行一段时间。(C)1994-2020ChinaAcademicJournalElectronicPublishingHouse.Allrightsr6.6本章小结(C)1994-2020ChinaAcademicJournalElectronicPublishingHouse.Allrightsreserved.http://www.7结论与展望(1)根据养殖现场的实际需求，完成了对基于云平台的水产养殖监控系统的总(2)对下位机的硬件系统进行了电路设计，包括电源模块、网络通信模块、串(3)根据系统功能需求和OneNET云平台设计方案，基于Keil软件开发了下位(4)搭建了基于模糊算法的PID控制器，进行了两次基于模糊算法的增氧机控次仿真结果表明模糊算法可以有效实现根据溶解氧参数的变化自动调整控制策略的7.2展望(C)1994-2020ChinaAcademicJournalElectronicPublishingHouse.Allrig(3)本系统主要对