CN113391666B - 水产养殖环境和水质多参量控制系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供水产养殖环境和水质多参量控制系统，包括：监测子系统和中控子系统；环境监测子系统用于采集水产养殖区域的环境监测数据，并将采集到的环境监测数据传输到中控子系统；水质监测子系统用于采集水产养殖区域的水质监测数据，并将采集到的水质监测数据传输到中控子系统；中控子系统用于对采集的环境监测数据和水质监测数据进行处理，将环境监测数据和水质监测数据与设定的标准范围进行比对，当环境监测数据和水质监测数据超出标准范围时，根据超出标准的监测数据类型向相应的调控设备发出控制指令，由调控设备执行接收到的控制指令对水产养殖区域的水质或环境进行调控。本发明能够实现水产养殖区域的多参量、智能化调控。

Description

水产养殖环境和水质多参量控制系统

技术领域

本发明涉及水产养殖技术领域，特别是水产养殖环境和水质多参量控制系统。

背景技术

环境(如气压、空气中含氧等)、水质(溶氧、PH值、氨氮含量等)对水产品的成活、品质有着密切的联系；目前，针对水产养殖场所的大多没有把环境和水质数据进行综合评估，同时环境、水质监测以及控制大多由水产养殖的工作人员人工完成，但是该方式需要投入大量的人力资源，而且人工的监测方式也存在可靠性不足的情况。

发明内容

针对上述问题，本发明旨在提供水产养殖环境和水质多参量控制系统。

本发明的目的采用以下技术方案来实现：

本发明示出水产养殖环境和水质多参量控制系统，包括：监测子系统和中控子系统，其中监测子系统与中控子系统通信连接；

其中监测子系统包括环境监测子系统和水质监测子系统；

环境监测子系统用于采集水产养殖区域的环境监测数据，并将采集到的环境监测数据传输到中控子系统；

水质监测子系统用于采集水产养殖区域的水质监测数据，并将采集到的水质监测数据传输到中控子系统；

中控子系统用于对采集的环境监测数据和水质监测数据进行处理，将环境监测数据和水质监测数据与设定的标准范围进行比对，当环境监测数据和水质监测数据超出标准范围时，根据超出标准的监测数据类型向相应的调控设备发出控制指令，由调控设备执行接收到的控制指令对水产养殖区域的水质或环境进行调控。

一种实施方式中，中控子系统还通过无线网络与管理终端连接；

中控子系统还用于将采集的环境监测数据和水质监测数据传输到管理终端，由管理终端对环境监测数据和水质监测数据进行可视化展示或分类存储管理。

一种实施方式中，中控子系统通过物联网与调控设备连接，通过物联网传输方式将控制指令传输到相应的调控设备。

一种实施方式中，监测子系统包括汇聚节点和多个用于采集水产养殖区域的环境监测数据或水质监测数据的传感器节点，其中汇聚节点用于收集传感器节点采集的环境监测数据或水质监测数据，并统一传输至中控子系统。

一种实施方式中，环境监测子系统包括空气温度传感器、水温传感器、光照传感器和气象传感器等；

水质监测子系统包括PH值传感器和溶解氧传感器等；

其中每个传感器节点设置有一个环境监测子系统或水质监测子系统包括的传感器。

一种实施方式中，调控设备包括灰水喷洒机、碳酸喷洒机、增氧泵、养殖棚控制装置等。

一种实施方式中，传感器节点通过一跳或多跳的数据传输方式将采集的环境监测数据或水质监测数据传输到汇聚节点，具体包括：

当汇聚节点处于传感器节点设定的一跳通信范围内时，传感器节点直接将采集到的环境监测数据或水质监测数据直接传输到汇聚节点；

当汇聚节点处于传感器节点设定的一跳通信范围外时，传感器节点从其一跳通信范围内的邻域传感器节点中，选择一个通信优势更佳的传感器节点作为下一跳节点，并将自身采集的环境监测数据或水质监测数据传输到下一跳节点，由下一跳节点进一步将环境监测数据或水质监测数据进行转发，直到将该环境监测数据或水质监测数据传输至汇聚节点；

其中，选择一个通信优势更佳的传感器节点作为下一跳节点，具体包括：

向一跳通信范围内的邻域传感器节点发送通信优势值获取请求，并接收由邻域传感器节点反馈的通信优势值；

根据邻域传感器节点的通信优势值，从通信优势值最大的N个邻域传感器节点中随机选择一个作为下一跳节点。

本发明的有益效果为：通过在水产养殖区域设置环境监测子系统和水质监测子系统来分别对水产养殖区域的环境状况和水质状况进行监测，采集相应的监测数据；由中控子系统统一对采集的监控数据进行处理，当出现环境和水质监测数据超出设定的标准范围时，由中控子系统自动控制相应的调控设备来对水产养殖区域的水质或环境进行调控，实现水产养殖区域的多参量、智能化调控。

附图说明

利用附图对本发明作进一步说明，但附图中的实施例不构成对本发明的任何限制，对于本领域的普通技术人员，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据以下附图获得其它的附图。

图1为本发明水产养殖环境和水质多参量控制系统示例性实施例的框架结构图。

附图标记：

环境监测子系统10，水质监测子系统20，中控子系统30，调控设备40，管理终端50。

具体实施方式

结合以下应用场景对本发明作进一步描述。

参见图1实施例所示的水产养殖环境和水质多参量控制系统，包括：监测子系统和中控子系统30，其中监测子系统与中控子系统30通信连接；

其中监测子系统包括环境监测子系统10和水质监测子系统20；

环境监测子系统10用于采集水产养殖区域的环境监测数据，并将采集到的环境监测数据传输到中控子系统30；

水质监测子系统20用于采集水产养殖区域的水质监测数据，并将采集到的水质监测数据传输到中控子系统30；

中控子系统30用于对采集的环境监测数据和水质监测数据进行处理，将环境监测数据和水质监测数据与设定的标准范围进行比对，当环境监测数据和水质监测数据超出标准范围时，根据超出标准的监测数据类型向相应的调控设备40发出控制指令，由调控设备40执行接收到的控制指令对水产养殖区域的水质或环境进行调控。

上述实施方式，通过在水产养殖区域设置环境监测子系统10和水质监测子系统20来分别对水产养殖区域的环境状况和水质状况进行监测，采集相应的监测数据；由中控子系统30统一对采集的监控数据进行处理，当出现环境和水质监测数据超出设定的标准范围时，由中控子系统30自动控制相应的调控设备40来对水产养殖区域的水质或环境进行调控，实现水产养殖区域的多参量、智能化调控。

一种实施方式中，中控子系统30还通过无线网络与管理终端50连接；

中控子系统30还用于将采集的环境监测数据和水质监测数据传输到管理终端50，由管理终端50对环境监测数据和水质监测数据进行可视化展示或分类存储管理。

其中，管理终端50可以包括手机、服务器或电脑等智能设备。

一种实施方式中，中控子系统30通过物联网与调控设备40连接，通过物联网传输方式将控制指令传输到相应的调控设备40。

其中，中控子系统30包括智能终端，其中控子系统30还能够通过总线传输，无线4G网络或WIFI传输的方式将控制指令传输到相应的调控设备40。

一种实施方式中，监测子系统包括汇聚节点和多个用于采集水产养殖区域的环境监测数据或水质监测数据的传感器节点，其中汇聚节点用于收集传感器节点采集的环境监测数据或水质监测数据，并统一传输至中控子系统30。

一种场景中，养殖场被划分为多个水产养殖区域，针对多个水产养殖区域的环境和水质的控制，需要针对各水产养殖区域设置大量的用于监测环境数据和水质数据的传感器来准确，其中，基于设置在养殖场的全部用于监测的各传感器均可以被设置为一个传感器节点，其中每个传感器节点上设置传感器用于采集水质检测数据或环境监测数据，同时监测子系统还设置有汇聚节点，由汇聚节点对各传感器节点采集的数据进行汇总，统一传输至中控子系统30；将监测子系统设置为基于汇聚节点和传感器节点的网络结构，能够有效地降低整个监测子系统在传输采集数据的整体能耗，有效提高了监测子系统的性能。

一种实施方式中，环境监测子系统10包括空气温度传感器、水温传感器、光照传感器和气象传感器等；其中空气温度传感器用于采集水产养殖区域的空气温度数据，水温传感器用于采集水产养殖区域的水温数据，光照传感器用于采集水产养殖区域的水面光照强度数据，气象传感器用于采集水产养殖区域的气象数据，气象数据包括降雨量和/或风速等。

水质监测子系统20包括PH值传感器和溶解氧传感器等；其中PH值传感器用于采集水产养殖区域的水质的酸碱PH值，溶解氧传感器用于采集水产养殖区域的水质的氧气溶解量数据；

其中每个传感器节点设置有一个环境监测子系统10或水质监测子系统20包括的传感器。

一种实施方式中，调控设备40包括灰水喷洒机、碳酸喷洒机、增氧泵、养殖棚控制装置等。

一种场景中，当设置在一个水产养殖区域的PH值传感器将该区域的水质的PH值数据传输到中控子系统30后，由中控子系统30对该PH值数据进行处理，当监测到该PH值数据低于设定的阈值条件(如PH值小于5.5)时，中控子系统30根据该PH值传感器数据检测的水产养殖区域，向设置在该区域的灰水喷洒机发出相应的控制指令使其运作，由灰水喷洒机将该区域的酸性的水质中和至标准范围(例如PH值为6.8-7.2)；当检测到该PH值数据高于设定的阈值条件(如PH值高于8.5)，中控子系统30根据该PH值传感器数据检测的水产养殖区域，向设置在该区域的碳酸喷洒机发出相应的控制指令使其运作，由碳酸喷洒机将该区域的碱性的水质中和至标准范围(例如PH值为6.8-7.2)；当中控子系统30根据PH值传感器采集的PH数据监测到该区域PH值恢复到标准范围后，控制向相应的调控设备40(灰水喷洒机或碳酸喷洒机)发出停止指令，以使得调控设备40停止运作。

另一种场景中，光照传感器检测到当前的光照强度大于设定的标准范围时，由中控子系统30控制养殖棚关闭，以降低水产养殖区域的直接照射强度。当设置在养殖棚外的光照传感器检测到光照强度回复到正常标准时，则中控子系统30控制养殖棚重新打开。

一种实施方式中，传感器节点通过一跳或多跳的数据传输方式将采集的环境监测数据或水质监测数据传输到汇聚节点，具体包括：

当汇聚节点处于传感器节点设定的一跳通信范围内时，传感器节点直接将采集到的环境监测数据或水质监测数据直接传输到汇聚节点；

当汇聚节点处于传感器节点设定的一跳通信范围外时，传感器节点从其一跳通信范围内的邻域传感器节点中，选择一个通信优势更佳的传感器节点作为下一跳节点，并将自身采集的环境监测数据或水质监测数据传输到下一跳节点，由下一跳节点进一步将环境监测数据或水质监测数据进行转发，直到将该环境监测数据或水质监测数据传输至汇聚节点；

其中，选择一个通信优势更佳的传感器节点作为下一跳节点，具体包括：

向一跳通信范围内的邻域传感器节点发送通信优势值获取请求，并接收由邻域传感器节点反馈的通信优势值；

根据邻域传感器节点的通信优势值，从通信优势值最大的N个邻域传感器节点中随机选择一个作为下一跳节点。

一种实施方式中，传感器节点通过一跳或多跳的数据传输方式将采集的环境监测数据或水质检测数据传输到汇聚节点，具体包括：

当汇聚节点处于传感器节点设定的一跳通信范围内时，传感器节点直接将采集到的环境监测数据或水质检测数据直接传输到汇聚节点；

当汇聚节点处于传感器节点设定的一跳通信范围外时，传感器节点从其一跳通信范围内的邻域传感器节点中，选择一个通信优势更佳的传感器节点作为下一跳节点，并将自身采集的环境监测数据或水质检测数据传输到下一跳节点，由下一跳节点进一步将环境监测数据或水质检测数据进行转发，直到将该环境监测数据或水质检测数据传输至汇聚节点；

其中，选择一个通信优势更佳的传感器节点作为下一跳节点，具体包括：

1)向一跳通信范围内的邻域传感器节点发送通信优势值获取请求，并接收由邻域传感器节点反馈的通信优势值；

2)根据邻域传感器节点的通信优势值，从通信优势值最大的N个邻域传感器节点中随机选择一个作为下一跳节点。

一种场景中，N∈[1,5]。

一种实施方式中，邻域传感器在接收到优势值获取请求时，计算自身的通信优势值，并将通信优势值反馈给该发送通信优势值获取请求的传感器节点；

其中通信优势值计算函数为：

式中，Y_A表示邻域节点A的通信优势值，R_A表示邻域节点A的一跳通信半径，L_Δ表示邻域节点A与汇聚节点的距离，L_jΔ表示发起通信优势值获取请求的传感器节点与汇聚节点之间的距离，N_t表示在当前时刻t邻域节点A被作为其他传感器节点的下一跳节点的数量，N′表示邻域节点设定的最佳接入节点数量，N_A表示邻域节点A一跳通信范围内的邻域传感器节点的数量；N_i表示邻域传感器节点A的第i个邻域传感器节点的一跳通信范围内的邻域传感器节点数量；

表示第一优势判断函数，当R_A-L_Δ≤0时，

当R_A-L_Δ＞0时，

表示第二优势判断函数，当L_Δ-L_jΔ＜0时，

当L_Δ-L_jΔ≥0时，

表示第三优势判断函数，当N_t-N′＞0时，

当N_t-N′≤0时，

表示第四优势判断函数，当

时，

当

时，

ω₁表示第一优势权重，其中ω₁∈[3,4]，ω₂表示第二优势权重，其中ω₂∈[2,3]，ω₃表示第三优势权重，其中ω₃∈[2,3]，ω₄表示第四优势权重，其中ω₄∈[1,2]。

上述实施方式中，还提出了一种传感器节点将采集的环境监测数据或水质检测数据传输至汇聚节点的具体技术方案，当传感器节点靠近汇聚节点时，则直接将采集的数据传输到汇聚节点，当传感器远离汇聚节点时，则通过多跳传输的方式将数据经过其他传感器节点进行中转发送，最终将数据传输到汇聚节点，该方式能够有效地平衡监测子系统中各传感器节点的能耗消耗，同时也有利于提高数据传输的效率。

同时，针对多跳传输方式，还提出了一种传感器节点自适应获取自身的下一跳节点的技术方案，通过判断自身邻域节点通信优势值，从中选取更适合的邻域节点作为下一跳节点，并通过该下一跳节点完成数据的传输。其中提出了一种通信优势值计算函数，能够从邻域节点的位置和中转数据处理量的多维度对该邻域节点的性能进行评价，以使得传感器节点能够根据通信优势值选出最合适的邻域节点作为下一跳节点，提高了下一跳节点选取的可靠性。

同时，上述下一跳节点的选取技术方案，还能够避免传统在选取下一跳节点的时候，容易出现的“一家独大”(即当一个传感器节点的性能比其他传感器节点的性能都要好时，则其邻域的其它传感器节点都会选择这个节点作为下一跳节点，导致了这个节点的能耗和数据传输压力过高的不平衡状况)或“无意义多跳”(即不已降低整体传输能耗为目的的多跳路径设置)的情况，进一步提高了数据传输的效率和性能。

需要说明的是，在本发明各个实施例中的各功能单元/模块可以集成在一个处理单元/模块中，也可以是各个单元/模块单独物理存在，也可以是两个或两个以上单元/模块集成在一个单元/模块中。上述集成的单元/模块既可以采用硬件的形式实现，也可以采用软件功能单元/模块的形式实现。

通过以上的实施方式的描述，所属领域的技术人员可以清楚地了解应当理解，可以以硬件、软件、固件、中间件、代码或其任何恰当组合来实现这里描述的实施例。对于硬件实现，处理器可以在一个或多个下列单元中实现：专用集成电路(ASIC)、数字信号处理器(DSP)、数字信号处理设备(DSPD)、可编程逻辑器件(PLD)、现场可编程门阵列(FPGA)、处理器、控制器、微控制器、微处理器、设计用于实现这里所描述功能的其他电子单元或其组合。对于软件实现，实施例的部分或全部流程可以通过计算机程序来指令相关的硬件来完成。实现时，可以将上述程序存储在计算机可读介质中或作为计算机可读介质上的一个或多个指令或代码进行传输。计算机可读介质包括计算机存储介质和通信介质，其中通信介质包括便于从一个地方向另一个地方传送计算机程序的任何介质。存储介质可以是计算机能够存取的任何可用介质。计算机可读介质可以包括但不限于RAM、ROM、EEPROM、CD-ROM或其他光盘存储、磁盘存储介质或者其他磁存储设备、或者能够用于携带或存储具有指令或数据结构形式的期望的程序代码并能够由计算机存取的任何其他介质。

最后应当说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对本发明保护范围的限制，尽管参照较佳实施例对本发明作了详细地说明，本领域的普通技术人员应当分析，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的实质和范围。

Claims (4)

1.水产养殖环境和水质多参量控制系统，其特征在于，包括：监测子系统和中控子系统，其中监测子系统与中控子系统通信连接；

其中监测子系统包括环境监测子系统和水质监测子系统；

环境监测子系统用于采集水产养殖区域的环境监测数据，并将采集到的环境监测数据传输到中控子系统；

水质监测子系统用于采集水产养殖区域的水质监测数据，并将采集到的水质监测数据传输到中控子系统；

中控子系统用于对采集的环境监测数据和水质监测数据进行处理，将环境监测数据和水质监测数据与设定的标准范围进行比对，当环境监测数据和水质监测数据超出标准范围时，根据超出标准的监测数据类型向相应的调控设备发出控制指令，由调控设备执行接收到的控制指令对水产养殖区域的水质或环境进行调控；

其中，监测子系统包括汇聚节点和多个传感器节点，其中传感器节点用于采集水产养殖区域的环境监测数据或水质监测数据，汇聚节点用于收集传感器节点采集的环境监测数据或水质监测数据，并统一传输至中控子系统；

传感器节点通过一跳或多跳的数据传输方式将采集的环境监测数据或水质监测数据传输到汇聚节点，具体包括：

当汇聚节点处于传感器节点设定的一跳通信范围内时，传感器节点直接将采集到的环境监测数据或水质监测数据直接传输到汇聚节点；

当汇聚节点处于传感器节点设定的一跳通信范围外时，传感器节点从其一跳通信范围内的邻域传感器节点中，选择一个通信优势更佳的传感器节点作为下一跳节点，并将自身采集的环境监测数据或水质监测数据传输到下一跳节点，由下一跳节点进一步将环境监测数据或水质监测数据进行转发，直到将该环境监测数据或水质监测数据传输至汇聚节点；

其中，选择一个通信优势更佳的传感器节点作为下一跳节点，具体包括：

向一跳通信范围内的邻域传感器节点发送通信优势值获取请求，并接收由邻域传感器节点反馈的通信优势值；

根据邻域传感器节点的通信优势值，从通信优势值最大的N个邻域传感器节点中随机选择一个作为下一跳节点；

邻域传感器在接收到优势值获取请求时，计算自身的通信优势值，并将通信优势值反馈给该发送通信优势值获取请求的传感器节点；

其中通信优势值计算函数为：

式中，Y_A表示邻域节点A的通信优势值，R_A表示邻域节点A的一跳通信半径，L_Δ表示邻域节点A与汇聚节点的距离，L_jΔ表示发起通信优势值获取请求的传感器节点与汇聚节点之间的距离，N_t表示在当前时刻t邻域节点A被作为其他传感器节点的下一跳节点的数量，N′表示邻域节点设定的最佳接入节点数量，N_A表示邻域节点A一跳通信范围内的邻域传感器节点的数量；N_i表示邻域传感器节点A的第i个邻域传感器节点的一跳通信范围内的邻域传感器节点数量；

表示第一优势判断函数，当R_A-L_Δ≤0时，

当R_A-L_Δ＞0时，

表示第二优势判断函数，当L_Δ-L_iΔ＜0时，

当L_Δ-L_jΔ≥0时，

表示第三优势判断函数，当N_t-N′＞0时，

当N_t-N′≤0时，

表示第四优势判断函数，当

时，

当

时，

ω₁表示第一优势权重，其中ω₁∈[3，4]，ω₂表示第二优势权重，其中ω₂∈[2，3]，ω₃表示第三优势权重，其中ω₃∈[2，3]，ω₄表示第四优势权重，其中ω₄∈[1，2]。

2.根据权利要求1所述的水产养殖环境和水质多参量控制系统，其特征在于，中控子系统还通过无线网络与管理终端连接；

中控子系统还用于将采集的环境监测数据和水质监测数据传输到管理终端，由管理终端对环境监测数据和水质监测数据进行可视化展示或分类存储管理。

3.根据权利要求1所述的水产养殖环境和水质多参量控制系统，其特征在于，中控子系统通过物联网与调控设备连接，通过物联网传输方式将控制指令传输到相应的调控设备。

4.根据权利要求1所述的水产养殖环境和水质多参量控制系统，其特征在于，环境监测子系统包括空气温度传感器、水温传感器、光照传感器和气象传感器；

水质监测子系统包括PH值传感器和溶解氧传感器；

其中每个传感器节点设置有一个环境监测子系统或水质监测子系统的传感器。

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