基于LoRa无线通信的电子脉冲拦鱼器设计.pdf

第 51 卷第 2 期渔 业 现 代 化Vol.51 No.22024 年 4 月FISHERY MODERNIZATIONApr.2024DOI:10.3969/j.issn.1007-9580.2024.02.006收稿日期:2023-10-30基金项目:陕西省自然科学基础研究计划项目(2019JQ-882)作者简介:陈伟恒(1999),男,硕士研究生,研究方向:机电设备智能监测与控制。E-mail:2779939224 通信作者:王明武(1980),男,副教授,硕士,研究方向:先进工业自动化技术集成与应用。E-mail:wangmingwu 基于 LoRa 无线通信的电子脉冲拦鱼器设计陈伟恒1,王明武1,2,赛开阳1,杨 帆1,2,梁应选1,2(1 陕西理工大学机械工程学院,陕西 汉中 723001;2 陕西省工业自动化重点实验室,陕西 汉中 723001)摘要:针对传统拦鱼器拦截面积有限、智能化水平低等问题,研制了一种基于 LoRa 无线通信的电子脉冲拦鱼器。该拦鱼器使用 Modbus RTU 协议实现一主多从间高速、长距离无线通信,用户可根据不同水产养殖面积灵活选用机组个数、脉冲频率和脉冲宽度等参数,以适应不同水体中不同鱼类产生回避反应的能力。主机发送时序指令控制从机轮流产生两路反相带死区控制的 PWM 方波,控制 IGBT 进行快速换向,不仅效率高、安全可靠、耗能低,而且噪声小,符合当前绿色环保理念;同时利用 LoRa 无线通信的优势,在 PLC 上配备电导率、溶氧、pH 和温度等传感器,可实时监测各从机点的水质信息,对用户水产养殖起到很好的辅助作用。此外,基于 C#环境开发出基于物联网的智慧养殖平台,可实时监控拦鱼器的工作状态和各测点水质信息并进行故障预警。该电子脉冲拦鱼器,脉冲频率为 312 Hz,脉宽为 0.61.2 ms,比可控硅节电达 60%,且植入了“物联网+渔业”的新观念,实现了手机或计算机远程控制。研究表明,该电子脉冲拦鱼器具有自动化、智能化、网络化等特点,能够适用于各类水产养殖的拦鱼作业。关键词:电子脉冲拦鱼器;可编程逻辑控制器;LoRa 无线通讯;Modbus RTU 协议;智慧渔业中图分类号:TP273.5 文献标志码:A 文章编号:1007-9580-(2024)02-0045-008 夏秋两季暴雨频发,每当水位上升水库溢洪,就会有大量成鱼和幼鱼顺水下逃,致使当地养殖户损失惨重1-3。竹箔、网箱和金属栅栏等虽可起到一定的阻绝作用,但同时也会滞留水中杂物,堵塞河道,危及水库安全4-5。尚力阳等6设计了一种输水干渠全自动循环拦鱼网,采用 PLC 控制 2 h 开启一次,将上游网面附着的漂浮物带至下游侧,旋转 1 周后自动停止。该设备未考虑开启时是否会对周围鱼类造成损害,且后期还需对拦鱼网进行定期清洁维护。张小华等7设计了一种电赶拦鱼系统,通过布置电栅在水下产生无形电场来进行拦鱼,该装置拦鱼效果显著,但应用面积和适用场景等方面受到极大限制。陈凯骅等8是人工产生高于大部分鱼类听力阈值的高分贝声波来进行拦鱼,该方法首先成本较高不易推广,其次,长时间的声波会对鱼类自身造成不可挽回的伤害。电子脉冲拦鱼器是由脉冲电发生器、电极及导线组成,利用电脉冲在泄洪口形成一个与泄洪道等宽的电栅栏,进而在水中形成一道无形的电磁场9。鱼类靠近后因承受不了刺颈感产生逃避反应,改变方向避开电场,从而达到拦鱼目的10-11。同时电栅拦鱼不会产生杂物堵塞河道的问题,泄洪时可保证水道畅通,在水库防逃领域有很好的发展前景。虽然电子脉冲拦鱼器已在市场广泛应用,但仍存在以下几个问题。1)电子脉冲拦鱼器拦鱼效果取决于母线电压、放电脉宽和放电频率。传统电子脉冲拦鱼器工作参数较为单一,脉冲参数不可调节,存在能耗高、效率低等缺点。2)电子脉冲拦鱼器工作在偏僻户外场所,需要专人进行巡视,自动化程度低。如果拦鱼装置发生故障,巡视人员需要花费较长时间排查故障,故障时间越长,则顺水下逃的鱼越多,造成的损失也就越大。3)市场上的电子脉冲拦鱼器大多使用可控硅对水下电极进行放电,不仅控制速渔 业 现 代 化2024 年度慢,电极易积垢遭腐蚀,而且噪声污染大。4)少部分的电子脉冲拦鱼器使用一主多从的方式,但主机与从机之间采用串行通信的方式,一旦一个从机故障,整个拦鱼系统之间的通信都将面临瘫痪,故障率较高。本研究设计了一种基于 LoRa 无线通信的新型电子脉冲拦鱼器。养鱼先养水,水质的好坏对水生生物的影响至关重要12-13,为使养殖户在水产养殖方面获得更大收益,本研究在拦鱼器从机部分添加了电导率、溶氧、pH、温度等传感器,便于用户实时监测养殖环境信息。1 拦鱼器总体结构电子脉冲拦鱼器主要由主机、从机、智慧养殖平台、故障电话报警装置、驱动板、电极和水质传感器组成,控制系统结构如图 1 所示。1-$1-$-P3B4*.$图 1 控制系统结构示意图Fig.1 Schematic diagram of control system structure 控制系统采用 LoRa 通信技术在 Modbus RTU协议下搭建一种主从模式、星型拓扑的无线通信网络进行信息交换14-17;网络中有且只有一个主站节点,其余节点全部作为从站;主站负责调度、管理网络,并且轮询各个从站;从站只有接收到主站的请求后才可进行回应。用户通过智慧养殖平台向主机输入从站个数n,放电频率 f,脉冲宽度,通过主机产生时序指令发送给各个从机。从机接收到时序指令后,定时产生两路带死区控制的反相 PWM 方波,进而驱动绝缘栅双极型晶体管(Insulated Gate Bipolar Transistor,IGBT)分时轮流导通,从而使母线高压通过电极在水下形成一面与电极排列方向一致的无形刺激电流场,迫使鱼类产生回避反应进而达到防逃目的。脉冲电相较于直流电和交流电而言,产生的电场不连续,鱼类麻痹后恢复时间较短,对鱼类产生的伤害小,不仅更加安全、有效,而且能耗低18-19。PWM 脉冲参数可调,用户可根据不同水质的电导率、水速、拦截面积和鱼类选择合适的从机个数(1 127)、放电脉宽(3 12 Hz)和放电频率(0.61.2 ms),克服了传统电子脉冲拦鱼器脉冲参数不可调节的弊端。水质采集主要是通过 RS485 总线将从机的PORT1 端口与水质传感器的 AB 端口进行连接,在从机内写入采集水质数据的相应程序,即可读取到相应的水质数据。通过 LoRa 端口将从机采集数据发送至主机,智慧养殖平台监控主机运行参数即可实时监测水质信息,具体试验如图 2 所示。采集水质数据时从机可视为主机,水质传感器则是它的从机,采集过程中放大电路对传感器的微弱输出信号进行了放大,因此 PLC 所得实际64第 2 期陈伟恒等:基于 LoRa 无线通信的电子脉冲拦鱼器设计值需再反乘以相应的放大倍数倒数,进而得到采集信号的原始数据。若水质超出正常范围,可给予用户相应的信息报警,帮助用户及时做出反应,避免不必要的经济损失20-21。18.-P3B图 2 水质采集试验Fig.2 Experiment of water quality collection智慧养殖平台的主要功能是拦鱼系统参数设置,监控主机运行状况;其次,监测各拦鱼点水质信息。同时,智慧养殖平台通过虚拟网络计算机(Virtual Network Computer,VNC)技术将监控画面实时分享给手机或计算机,实现电子脉冲拦鱼器的远程控制。2 硬件电路设计2.1 主机电路主机机箱电路具体如图 3 所示,主要由主机PLC、变压器、电容储能单元、开关电源,以及低压电器元件等组成。主机 PLC 分别通过 LoRa 无线通信接口、RS485 接口和 RS232 接口与从机 PLC、智慧养殖平台和 SIM800C 连接。整流变压器输入 220V AC,通过两路电容储能单元整流成 420V或 600V 直流电压档位,完成交流电到直流电的转换,输出直流母线高压,确保在不同的拦鱼工况下都能达到良好的拦鱼效果。132P1Plug AC MaleF1-15AS1DZ47/2P 10AT1231K1-120AD1-21000V20AD1-11000V270FC1450V270FC2450V0V270FC3450V270FC4450VF1-22AOUT1150V125VI=5AF2-15AT2231K1-220AD2-21000V20AD2-11000V270FC5450V270FC6450V0V270FC7450V270FC8450VF2-22AOUT2150V125VI=5AK1Relay-DPDTPLC-IO-1GND图 3 主机电路Fig.3 Host circuit 继电器切换到 K1-2 时,储能单元 OUT2 开始工作,储能单元 OUT1 存储电压放电至安全电压并散热,然后断开 OUT1;反之,继电器切换到K1-1 时亦然,储能单元 OUT1 开始工作,储能单元 OUT2 断开,实现双电源冗余待机,可进行全天候连续拦鱼,提高工作时长和效率。同时,变压器也输出 24V DC,给从机 PLC供电。低压电器元件包括接触器、继电器、指示灯、蜂鸣器和数显表等构成。继电器用于切换不同的直流电压档位;指示灯和蜂鸣器用于指示设备工作状态;数显表用于显示母线电压和输出电流。2.2 从机电路从机机箱电路具体如图 4 所示。主要由从机PLC、IGBT 驱动板、防浪涌吸收电路板、信号采集板、直流电源、低压电器元件等构成。74渔 业 现 代 化2024 年图 4 从机电路Fig.4 Slave machine circuit 从机 PLC 接收到主机时序指令后,生成两路带死区保护的反相 PWM 方波控制 IGBT 驱动板轮流导通,从而将直流电源施加给水中电极进行放电保护驱离水生动物。IGBT1 和 IGBT3 为一组,IGBT2 和 IGBT4 为一组,脉冲电流从 W 和 V端输出,栅极电阻为100 k。BG1 和 BG3 端口电平有效时,IGBT1 和 IGBT3 导通,水中电极加入正向电压放电;BG2 和 BG4 端口电平有效时,IGBT2和 IGBT4 导通,水中电极加入负向电压放电,从而将母线高压形成的脉冲电流瞬间在防逃水域放电,形成刺激电场,从而达到拦鱼目的。信号采集板用于实时采集从机放电频率、通信和驱动等工况参数,再通过 LoRa 无线通信反馈给主机 PLC进行监控。3 软件程序设计3.1 Modbus RTU 通信协议Modbus RTU 协议是一种基于主从架构的开放式工业串行通信协议22-23。在拦鱼主从机选取上,本研究选择步科的 KW-203-12DT-R2 型号PLC 作为控制核心24,K 系列 PLC 中的所有串行通信口都默认作为 Modbus RTU 从机,无需编程即可使用。若要将某一 PLC 指定为主机,只需在硬件配置中勾选并设置通信参数即可。使用MBUSR(读指令)和 MBUSW(写指令)在主机中进行相应程序编写即可完成主从机数据通信。程序编写所用 Modbus RTU 协议功能码如表1 所示。表 1 Modbus RTU 协议功能码Tab.1 Modbus RTU protocol function code功能码作用0 x01读线圈(开关量输出)0 x03读保持型寄存器(模拟量输出)0 x05写单线圈(开关量输出)0 x06写单保持型寄存器(模拟量输出)0 x10写多保持型寄存器(模拟量输出)步科 PLC 与智慧养殖平台也是基于此协议进行通信,由智慧养殖平台发出读写指令,主机在接收到正确指令后响应平台请求,发送相应报文返还给平台完成数据交换25。智慧养殖平台监控主机读取线圈或保持型寄存器的报文主要由站号、功能码、起始地址、读取个数、CRC 校验码 5部分组成;强制线圈或保持型寄存器的报文主要由目标站号、功能码、起始地址、写入个数、强制字84第 2 期陈伟恒等:基于 LoRa 无线通信的电子脉冲拦鱼器设计节数、CRC 校验码 6 部分组成,若 PLC 接收到正确指令,则返回报文的功能码与发送报文的功能码一致26。3.2 拦鱼与水质信息采集主从机控制器具有 1 个 LoRa 无线通信接口,工作频段在 2 4002 500 MHz,最大发射功率 100 mW,通信口支持编程协议、Modbus RTU 协议等。主从机组成 LoRa 通信网络前,需对 LoRa 通信接口进行参数配置。在同一 LoRa 通信组网内,只有所有节点的频率、空中传输速率、编码率、CRC校验等技术参数保持一致才可进行通信。LoRa 组网配置完成后,将主机控制从机产生分时轮流导通 IGBT 的程序分别下载到相应的主从机中,程序流程图如图 5 所示。n,f,TFRVFODFn-P3Bn/:图 5 脉冲时序产生流程图Fig.5 Pulse timing generation flowchart 主机读取用户选择的从站个数 n,放电频率f,脉冲宽度,计算分时轮流导通 IGBT 的时间间隔 t,单个从机则为 t/2。单个从机定时时间到通道值加 1,从机输出位置位,下个定时时间到,通道值再加 1,超过从机个数,通道值清零;多个从机,定时时间到通道值加 1,复位末从机输出位,置位 1 从机输出位,通道值大于从机个数,通道值清零,重新由 1 从机开始。主机通过 LoRa 技术将输出位状态无线传输给相应从机,从机初次置位,脉冲输出通道 1 为高电平,持续一个脉宽时间后被中断,输出复位,从机再次置位,脉冲输出通道2 得电,重复通道 1 过程,交替进行,产生一个可人为控制的大跨度 PWM 方波。3.3 智慧养殖平台上位机界面部分是依靠 C#语言在 VS 平台中设计了一套符合实际要求的可视化界面(智慧养殖平台),该平台与 PLC 通信的主要原理是依靠C#中内置的串口通信类 Serialport 实现对串口数据流的读写,两者之间端口号、波特率、数据位、停止位和校验位完全一致才可进行通信27-29。根据 Modbus RTU 协议进行报文封装,智慧养殖平台使用串口发送报文和读取下位机返回的报文,实现对下位机相应寄存器地址数据的读取和写入,C#中对串口通信类 Serialport 进行操作的方法如表 2 所示。94渔 业 现 代 化2024 年表 2 Serialport 串口操作方法Tab.2 Serialport serial port operation method方法名称作用Close关闭串口Open打开串口Read读取输入缓冲区数据Write将数据写入输入缓冲区 在智慧养殖平台中,拦鱼系统主界面为主窗口,其中数据位、停止位和校验位已在程序中内置,用户只需选择串口号和波特率即可成功通信,进而在智慧养殖平台上实现对 PLC 的读取、写入等操作,拦鱼界面主窗口如图 6 所示。在智慧养殖平台中,除拦鱼系统外,兼有水质监测界面,如图 7 所示。图 6 拦鱼系统主界面Fig.6 Fish interception system main interface图 7 水质信息实时监测界面Fig.7 Real-time water quality information monitoring interface用户可实时监测各从机点水质数据。使用PLC 无线监测水质数据,不仅节省了人力、物力,还具有高灵敏度、高精度、采集速度快、数据准确、风险报警、可长期监控的特点30,避免了环境因素对人工测量的影响,具有很高的实际应用推广价值。4 实践应用通过智慧养殖平台向主机设置从站个数 n、放电频率 f、脉冲宽度,从机接收到主机指令后,产生如图 8 所示的 PWM 方波,进而控制 IGBT 分时轮流导通以产生电磁场进行拦鱼。05第 2 期陈伟恒等:基于 LoRa 无线通信的电子脉冲拦鱼器设计nf图 8 时序控制Fig.8 Time control设置放电频率为 6 Hz,脉宽为 0.6 ms,用示波器检测从机取放电次序,得到结果如图 9 所示,周期 T=158.6 ms,f=6.304 Hz,达到预期设计要求。PVGLY9 GLY图 9 IGBT 负载波形Fig.9 IGBT load waveform经实际测试,电子脉冲拦鱼器比传统渔网拦鱼效率提高 70%,且鱼类自身未表现出明显的不适状况,具体试验如图 10 所示。图 10 拦鱼器主机和试验现场Fig.10 Fish interceptor mainframe and test site该电子脉冲拦鱼器使用 LoRa 无线通信技术实现了主从机之间高速、长距离的信息交换,解决了传统有线通信带来的布线冗余,应用环境受限等多种弊端。智慧养殖平台将拦鱼和水质监测集成在一个平台上,不仅实现了对拦鱼信息数字化、网络化、自动化的特点,还具备水质信息实时监测、自动故障电话报警等功能。5 结论该电子脉冲拦鱼器首次将拦鱼与养殖环境监测结合在一起,在物联网基础上对智慧养殖平台监控界面进行远程分享,用户足不出户也可了解到监控界面的实时信息,真正意义上实现了无人值守,为大型水库养鱼提供了先进有效的防逃技术手段,体现出了“物联网+渔业”在养殖业的应用。参考文献1 王乐平.大水面拦鱼防逃技术措施J.河南水产,2021(3):8-10.2 王兴全.水库溢洪拦鱼设施的设置J.四川水利,2005(6):53-54.3 徐贵江,王淑春,许向明.西泉眼水库悬挂式拦鱼电栅设计与运行J.水利科技与经济,1998(4):199-200.4 邱其达,钟志光.电栅拦鱼装置在水库中的应用J.广东水利水电,2001(2):23-24.5 朱德瑜.某水电站拦鱼电栅设计J.企业科技与发展,2012(12):91-93,96.6 尚力阳,于鹏辉,陈赫朋,等.输水干渠全自动循环拦鱼网的设计与应用J.人民黄河,2021,43(增刊 1):128-129,132.7 张小华,包宇海,王军,等.马岭水利枢纽工程电赶拦鱼系统设计与施工技术J.云南水力发电,2023,39(2):40-43.8 陈凯骅,陈海洋,李惠东,等.码头声波驱鱼技术的研究与应用J.电力科技与环保,2020,36(3):60-62.9 王明武,杨帆,梁应选,等.基于 CAN 总线的智能电子脉冲拦鱼装置设计J.现代电子技术,2020,43(18):75-79,84.10PAOLO D,MELINA H.Escape responses of fish:a review of the diversity in motor control,kinematics and behaviour J.The Journal of experimental 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water qualities.The host sends timing commands to control the slave to generate two inverted PWM square waves with deadband control,which,in turn,controls the IGBT for rapid commutation.This method is highly efficient,safe,and reliable,and it has low energy consumption and noise,which aligns with the current concept of green environmental protection.Additionally,the fish interceptor is equipped with conductivity,dissolved oxygen,pH,and temperature sensors on PLC.This allows for real-time monitoring of the water quality information of each slave point and the users aquaculture area.This information plays a crucial role in supporting the users aquaculture.An intelligent aquaculture platform based on the Internet of Things(IoT)has been developed using a C#environment.This platform can monitor the working status of the fish interceptor and the water quality information of each measurement point in real time.It can also carry out early warning of failures.The electronic pulse fish interceptor,with a pulse frequency of 3-12 Hz and pulse width of 0.6-1.2 ms,saves 60%electricity compared to SCR.It has implanted the new concept of Internet of Things+Fisheries,which enables remote control by cell phone or computer.The practice has shown that the electronic pulse fish interceptor has the characteristics of automation,intelligence,and network.It can be applied to all kinds of aquaculture fish interceptor operations.Key words:electronic pulse fish barrier;programmable logic controller;LoRa wireless communication;Modbus RTU protocol;smart fisheries25