龙虾养殖远程监控系统的设计与实现数据采集上位机软件模块.docx

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龙虾养殖远程监控系统的设计与实现数据采集上位机软件模块

编号

淮安信息职业技术学院

毕业论文

题目

龙虾养殖远程监控系统的设计与实现——数据采集上位机软件模块

学生姓名

杨正丽

学号

31082008

系部

计算机科学与工程系

专业

软件技术

班级

310820

指导教师

王志勃讲师

顾问教师

二〇一〇年六月

摘要

基于CAN总线的龙虾养殖远程监控系统是针对江苏盱眙龙虾养殖基地而设计的一套高效精细化养殖系统。

采用高效现代化设施农业改造是实现精细化养殖，提高特色水产养殖经济效益的必由之路。

根据本项目作业范围大的特点，系统采用了CAN总线作为现场总线，配合多种传感器技术和远程控制技术，实现了对现场的数据采集和电气设备控制。

在此基础上开发了一整套用于监控和数据处理的智能化龙虾养殖管理系统。

基于CAN总线的龙虾养殖远程监控系统集数据采集、视频监控、软件控制等多种技术于一体，是一个综合性、应用性比较强的项目。

分别由计算机科学与工程系和电子系教师承担指导，两系学生共同完成。

项目总体分为四个模块：

数据采集上位机软件模块、远程监控软件模块、环境数据采集硬件模块和视频监控模块组成。

本篇论文主要完成龙虾养殖远程监控系统中上位机数据采集模块功能的设计与实现。

在该模块中通过CAN总线实现了对现场多种传感器的数据读取，同时根据系统的设定自动或手动的启动养殖水域的各种电气设备。

在这个过程中依赖CAN远程控制卡提供的DLL驱动，实现了数据的读取与设备控制。

上位机数据采集模块使用C#语言进行开发，模块系统基于C/S架构。

关键词：

CAN总线数据采集C#三层模型龙虾养殖监控

第一章前言

1.1项目开发背景与意义

1.1.1项目开发背景

“盱眙龙虾”是一种淡水龙虾，学名克氏螯虾，俗称“小龙虾”原产于欧美国家，20世纪中期传入我国并大量繁殖。

小龙虾早在18世纪时，就成为欧洲和美洲人的重要食物，欧美市场小龙虾需求量大，自给能力不足，我国一直是小龙虾的出口国，但近几十年来，中国人也开始大规模消费小龙虾，自然龙虾资源不断枯竭，为了缓解供需矛盾，上世纪八十年代初开始研究小龙虾生物学特性，人工繁殖，人工养殖及加工，国内外建立了大量的小龙虾养殖场，开始大规模人工养殖小龙虾，几十年来，由于人们对小龙虾的研究，基本上停留在对小龙虾生物学特性的认知层面，对于龙虾养殖管理技术的研究投入不足，尤其是在现代计算机控制技术和多种信息采集技术突飞猛进，计算机技术迅速向各行各业渗透的今天，龙虾养殖业的发展尚未有效地与计算机技术结合，这不能不说是一种缺陷。

不失时机地把龙虾规模化养殖与信息化管理技术结合起来，迅速提升龙虾养殖产业管理技术水准，以现代装备手段，推动龙虾养殖产业长足发展，是龙虾人工繁殖、养殖技术进一步发展的重要任务。

本项目旨在建设“盱眙龙虾规模化养殖与信息化管理技术相结合的数字监控系统”它是把现代成熟的计算机控制技术和多种信息采集技术，系统地应用到大规模龙虾养殖产业工作中，其实质是把龙虾养殖这个新兴产业与计算机现代高科技手段相结合，以现代测控技术为实施农业服务，形成技术集成创新，引领龙虾养殖管理技术的发展趋势。

1.1.2项目开发意义

实施“5000亩盱眙龙虾规模化养殖与信息化管理技术开发应用”项目，为了促进盱眙龙虾成虾养殖和繁殖工作向集约化方向发展，将盱眙龙虾养殖技术与基于计算机技术的信息化管理技术相结合，实现龙虾养殖稳产、高产、保产、保收、保增长、保效益的目的。

本项目不是要研究龙虾养殖技术本身，也不是要研究计算机技术本身，它是把计算机和多种信息采集设备及应用技术结合到龙虾养殖业工作中，完成两种现有技术的集成。

大莲湖龙虾养殖基地位于江苏省淮安市盱眙县河桥镇大莲湖村境内，连片龙虾养殖面积6000多亩，精养水面3000余亩，是目前江苏省规模最大的专业化淡水龙虾养殖基地，5000亩盱眙龙虾规模化养殖与信息化管理技术开发应用，有利于建设规模更大、养殖水平更高的盱眙龙虾精细化养殖示范基地，有利于推动数字农业技术进步，增强盱眙龙虾品牌的高科技含量。

有利于加快建设盱眙龙虾现代综合性专业化养殖体系，有利于推动中国小龙虾养殖乃至于推动世界小龙虾养殖产业发展。

1.2龙虾养殖国内外情况调查

1.2.1龙虾养殖国外情况

国外研究淡水螯虾的历史很早，可以追溯到一百多年前，国外养殖小龙虾的历史大概有六十到七十年，但从二十世纪七十年代后发展非常迅速。

北美是淡水螯虾分布最多的地区，约有四百多个种类。

在那里淡水螯虾已经成为重要的水产资源，特别是美国，1978年美国国家研究委员会强调发展淡水小龙虾的养殖，其养殖产量占美国甲壳类水产动物养殖产量的90%以上。

仅路易斯安那州1985年的龙虾养殖面积就超过4.8万公顷，产量达8000吨，产值七千万美元。

美国淡水螯虾养殖单产高的达到每公顷4000多公斤。

主要的养殖种类是克氏螯虾，也就是我们常说淡水小龙虾或小龙虾，此外还有原螯虾属、太平螯虾属等。

小龙虾养殖方式有粗放养殖、混养和池塘强化养殖，较多的是与水稻的轮作和混作。

墨西哥2003年淡水螯虾的产量为3000多吨，主要品种是克氏螯虾，此外还有从澳大利亚引进的红螯虾。

    澳大利亚20世纪60年代后期开始淡水小龙虾养殖和研究工作，主要养殖种类是麦龙螯虾、红螯虾和雅比螯虾。

此外还有其他种类虾属。

养殖有三种形式：

一是湖泊、水库粗放养殖，不用管理和投喂，平均单产为每公顷水面1000公斤；二是池塘精养，平均单产每公顷约3千公斤至4千公斤；三是采取封闭系统工厂化强化养殖，单产则更高。

欧洲对淡水螯虾的开发则更早，20世纪初的捕捞产量就相当高。

20世纪60年代后，瑞典、芬兰、法国、奥地利、英国、波兰、德国和一些前苏联国家从国外引进一些抗病能力强的优良种类，如20世纪70年代引进宽大太平螯虾、土耳其螯虾、克氏原螯虾。

80年代初，英国、西班牙、法国等欧洲国家先后从澳大利亚引进马龙螯虾。

90年代又从澳大利亚引进红螯螯虾，积极发展小龙虾养殖，恢复螯虾资源。

瑞典从1969年连续18年向湖泊、河流和围堰中投放大量太平螯虾的虾苗和种虾。

由于需求量大，欧洲每年仍要进口大量的淡水螯虾，2002年仅瑞典就进口了5000吨以上[1]。

1.2.2龙虾养殖国内情况

中国淡水螯虾的养殖种类主要是我们现在普遍食用的克氏螯虾，我们习惯称之为“小龙虾”1991年我国小龙虾的年产量在4.06万吨以上，接近美国，成为世界淡水螯虾的生产大国。

2004年中国淡水螯虾的总产量在20万吨以上，仅江苏省的产量就达到9.06万吨，成为世界上淡水螯虾产量最大的国家。

江苏盱眙最早从1991年开始出口淡水螯虾加工产品，至2004年全国出口淡水螯虾加工产品达一万吨以上，我国不仅成为世界淡水螯虾的产量大国，也是世界淡水螯虾的出国大国。

二十世纪九十年代末，江苏盱眙的许建忠先生针对淡水螯虾的性味开发出了专门用来烧制克氏原螯虾（淡水小龙虾）的龙虾调料——十三香。

国内龙虾养殖研究也取得了比较大的进步，通过研究淡水螯虾的生殖生理过程，达到增产增收的目的。

湖北省水产科学所研究控制光照、控制水温、控制水位、改善水质、加强投喂的综合措施，人工诱导红螯虾和克氏小龙虾同步产卵，规模化繁殖获得很好的效果。

淡水螯虾人工批量繁殖工作仍将是今后一段时间世界淡水螯虾产业的工作热点。

一些水产科研人员研究了淡水螯虾与一些掠食性鱼类的生存关系，淡水螯虾对多种沉水植物的利用及相互影响等。

1.3项目技术关键与本模块工作任务

1.3.1项目技术关键

该项目是集软件开发、数据采集与设备控制、视频监控、智能传感应用于一体的综合项目，其中涉及到多学科知识领域。

同时，项目需要结合养殖现场的具体情况进行调试与应用。

在项目开发过程中重点要解决以下关键技术问题。

第一，传感器数据采集信号与控制指令的网络传输问题；

第二，上位机数据采集与控制系统开发问题；

第三，Web远程访问技术；

第四，视频监控与系统集成问题。

1.3.2本模块工作任务

本模块主要完成上位机数据采集与控制软件系统的设计，面向CAN总线硬件接口编程，主要完成功能如下。

第一，完成数据采集与控制平台软件的设计；

第二，负责初始化CAN系统模块，并根据软件设计要求实时采集CAN前端模块连接的智能传感器数据，主要包括环境温度、湿度、大气压力、光照强度、风向、水中含氧量、PH值等数据信息；

第三，根据采集数据状态，手动或自动启动设备控制程序，实现对养殖现场电气设备的具体操控（给水水泵、排水水泵、增氧机等）；

第四，数据保存与历史记录查询。

第二章系统总体设计

2.1系统总体功能概述

基于CAN总线的龙虾养殖远程监控系统主要分为三大功能：

现场环境因子的数据采集；养殖现场的电器设备控制；养殖区域的视频监控，系统采用CAN总线实现对各种采集数据和控制数据的传输。

系统中心设立上位机与Web服务器，上位机中运行系统监控程序，负责数据采集与控制指令的发出。

Web服务器负责体统系统的远程访问与控制，同时兼顾视频监控系统的图像处理。

系统功能示意图如图2.1所示。

图2.1系统功能示意图

在项目设计和实施中，将系统分为前端数据采集和上位机数据处理、Web服务器三层框架结构。

前端主要对龙虾养殖环境因子进行数据采集，其中主要包括池塘的水温、水中溶解氧指标、PH值、空气温度、大气压力、空气湿度、光照度等环境数据。

同时，配合闭路监控系统实时图像采集，直观观察养殖现场的情况。

在上位机的控制端，根据采集到的环境因子结合专家系统进行分析，并通过系统自动控制养殖场的增氧机、注水水泵和排水水泵进行相应的调节。

在上位机和远端传感器间通过CAN总线进行信号传递。

第三层为Web远程表示层，可以通过互联网在远程实时监控养殖现场的生产情况，包括视频情况。

表2.1数据采集与控制项目

采集数据项目

水温

大气压力

PH值

光照度

溶解氧

空气湿度

环境温度

风向

控制数据项目

增氧机

注水水泵

排水水泵

图2.2系统总体架构图

2.2CAN总线网络拓扑设计

系统采用一整套CAN总线接收控制卡、前端数据A/D转换模块和数字量输出模块，分别实现对传感器的数据采集，远端继电器板单元动作控制，进而控制现场电气设备。

图2.3CAN总线拓扑结构

PCI控制卡总线宽度32位，同步工作频率可达到33MHz，最高传输速率为132MB／S，设计标准中考虑了负载，即使扩展卡超过了负载的最大值，系统也能正常工作。

并且提供数据和地址奇偶校验功能，保证了数据的完整性和准确性。

CAN接口通讯协议采用CAN2.0B（PeliCAN）兼容CAN2.0A，符合ISO/ISO11898规范。

通讯距离最长为10公里，很好的适应了大范围的池塘养殖的环境要求。

近距离的最高传输速率能够达到1Mbps。

本项目中根据具体硬件的特点，将CAN通讯协议帧分为两种[2]，一种是标准帧，另一种为扩展帧。

表1缓存区分配：

（标准帧）

buffer

0

1

2

3

4

5

6

7

8

9

内容

功能码1

功能码2

D0

D1

D2

D3

D4

D5

D6

D7

表2缓存区分配：

（扩展帧）

buffer

0

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

11

内容

功能码1

功能码2

功能码3

功能码4

D0

D1

D2

D3

D4

D5

D6

D7

2.3软件模块总体设计

在本项目中上位机系统由两部构成，分别是数据采集控制监控系统和互联网信息远程监控系统。

上位机的数据采集控制系统采用.NetFrameWork3.0平台框架，主要完成对CAN接口卡的初始化和数据采集与现场电机设备控制