CN101814228B

CN101814228B - 一种水产品养殖水质无线监测系统及方法

Info

Publication number: CN101814228B
Application number: CN2010101335521A
Authority: CN
Inventors: 李道亮; 李飞飞; 马道坤; 丁启胜; 赵霖林
Original assignee: China Agricultural University
Current assignee: China Agricultural University
Priority date: 2010-03-25
Filing date: 2010-03-25
Publication date: 2012-12-12
Anticipated expiration: 2030-03-25
Also published as: CN101814228A

Abstract

本发明涉及一种养殖水质无线采集装置，该装置包括传感器组、微处理器和无线通信模块。基于所述的无线采集装置，本发明还公开了一种养殖水质无线监测系统，该系统还包括数据存储模块、供电模块和浮漂。本发明的装置及系统采用太阳能供电；系统有在线和休眠两种状态，软硬件采用低功耗省电模式设计，可以采集、存储养殖水环境的pH值、电导率(EC)、水位、溶氧度(DO)、水温多个水质参数；可通过GPRS向数据监测中心发送采集的数据；还可对水中DO值进行预测，并通过手机短信的方式向集约化水产养殖管理者发送水质DO预警信息。

Description

一种水产品养殖水质无线监测系统及方法

技术领域

本发明涉及一种水质监测系统，具体涉及水产品养殖水质的无线监测系统及方法。

背景技术

养殖水体是水产品的栖息场所，水质的好坏直接决定着水产品的生长状况。在良好的水质环境中，水产品生长迅速，疾病较少，品质较高。恶劣的水质将导致水产品生长发育缓慢，造成发育畸形，引起疾病蔓延甚至大面积死亡，给养殖者造成较大的经济损失。同时恶劣水环境下生产的水产品的品质较低。

水温、pH值、电导率(EC)、水位和溶氧度(DO)是水产品养殖过程中最重要的水质参数。不同的品种对上述水质参数的要求有所不同。以刺参为例，刺参是一种寒温带品种，生存的水温为-1.5～30℃，水温低于3℃时刺参摄食量减少，处于半休眠状态；水温在10～15℃时摄食量最大；17～19℃时摄食量又大大下降；超过20℃时进入夏眠。因此，刺参的适温范围在3～20℃之间，水温低于2℃或大于23℃时则停止生长。

pH值和EC值分别反映了水质的酸碱度和盐度，不适宜的酸碱度和盐度水质将影响水产品的各种生理活动，使得水产品生长缓慢，严重时可对其产生毒性影响，甚至导致死亡。例如，海参对pH的适应范围在7.8～8.4之间；刺参属狭盐生物，对盐度的较适范围为26‰～34‰，盐度低于20‰时便有大量的个体死亡、溃烂。

养殖池塘水位的高低影响着水体的温度分布、溶氧度分布，因此，养殖池的水位同样是非常重要的参数之一。

溶氧度(DO)是水产品赖以生存的生命线。水产品生活在水中，要进行新陈代谢，其前提就是水中溶解的氧应充足。池水溶氧度高可以促进水产品的食欲，提高饲料的利用率，加快生长发育，反之其摄食率就会受到不同程度的抑制。低浓度的DO不仅使水产品呼吸困难，同时使水中微生物的无氧呼吸作用增强，产生如CH₄、H₂S等有害物质，导致水产品疾病或死亡。

在集约化水产养殖过程中，水产品的养殖密度很大。尤其是部分水产品的生活区域主要是集中在养殖池的池底，与空气中的氧气交换较困难，当养殖池中的水产品密度达到一定数值后，特别是在天气闷热、气压低的条件下，往往由于水中溶氧的缺乏而造成大批水产品因缺氧而死亡。因此，水产品养殖过程中溶氧度的检测是水质监测中最重要的一环。

传统的水质监测设备只是对DO的浓度进行即时的检测，不能对DO进行预测，往往在DO浓度已经低于水产品生存所需氧的最低限时才开始实行增氧等补救措施，这将导致水产品由于长时间处于不利环境下生长受到影响，或者由于补救不及时造成经济损失。对DO进行准确的预测，提前发出警报，可为抢救措施争取时间。因此，对于DO进行预测并及时预警显得尤为重要，需求也十分迫切。

人工进行的养殖水质监测往往费时费力，且不同的操作人员由于主观差异还会造成测量结果不一致。因此需要一种能够对水产品养殖水体的水温、pH值、EC值、水位、DO进行自动检测并实时监控的装置与系统。

发明内容

本发明涉及一种养殖水质无线采集装置，该装置包括：

传感器组，其由pH传感器、DO传感器、温度传感器、EC传感器和水位传感器组成，用于采集相应的水质数据；

微处理器(MCU)，用于处理所述传感器采集的数据；

无线通信模块，用于将微处理器处理后的数据发送到数据监测中心；优选地，所述无线模块中包含GPRS模块。

传感器组是本发明装置的一个重要组成部分，能在线采集水质的重要参数，包括pH、DO、水温、EC和水位。温度传感器附在DO传感器探头上，因此总共有4个水质传感器探头。传感器通过信号线向MCU发送水质数据，同时也依靠信号线悬挂在水中。

本发明采用防水四芯电缆作为传感器信号线，信号线一端连接传感器，另一端通过防水接头连接到微处理器。信号线主要有3个功能：1)为传感器输送电能，2)向MCU传送传感器检测的数据，3)作为传感器的悬挂线将传感器悬挂在水中。信号线的长度可以调整，因此在不同的应用要求下，可以根据需要测得不同深度的水质信息。

本发明还涉及一种基于上述养殖水质无线采集装置的养殖水质无线监测系统，该系统还包括数据存储模块；所述数据存储模块用于存储微处理器处理后的数据。

优选地，所述系统还包括供电模块，所述供电模块主要由太阳能电池板、充电控制模块和蓄电池组成；其中所述充电控制模块用于将太阳能电池板吸收的太阳能转化为电能，并储存在蓄电池中；所述蓄电池为所述系统提供电能。

优选地，所述系统还包括浮漂，所述浮漂由泡沫材料构成，呈圆盘形。

本发明的系统具有在线和休眠两种工作状态，这样可以降低能耗；系统在不进行水质测量或数据处理的时间段，可设置为休眠状态；在需要测量水质的时刻，系统自动变为在线状态，完成水质数据的采集和数据处理、发送等功能。在线/休眠的时间间隔预先集成在微处理器中，在线监测的时间可以是等间隔的，每隔几个小时，还可以根据DO的浓度，在DO含量比较低的时间段如凌晨进行密集监测。

本发明的无线监测系统中，所述充电控制模块的输入端与太阳能电池板相连接，输出端与蓄电池相连接；所述蓄电池与微处理器的电源输入端相连；所述微处理器的电源输出端通过信号线分别与充电控制模块、传感器、无线通信模块及数据存储模块相连；所述充电控制模块、蓄电池、微处理器、无线通信模块和数据存储模块安装于密封的电路盒内，其中所述微处理器、无线通信模块和数据存储模块集成在主电路板上，电路盒内放置的上述各电路模块是本发明系统的核心组成部分之一；所述电路盒固定在浮漂上，太阳能电池板固定在电路盒的顶部；所述传感器组通过信号线悬于浮漂下方。

优选地，所述主电路板中安装有天线，用于发送数据；

优选地，本发明的系统采用低功耗芯片：MSP 430MCU微处理器，采用2.7V单电源供电运放，以降低能耗，实现装置和系统的长期稳定工作。

微处理器、数据存储模块和无线通信模块具有对传感器检测的数据进行处理、存储、发送的功能，还可进行DO的预测，并在出现警情时，发出预警信息。

MCU微处理器的功能主要有：

(1)控制各模块的供电；

(2)控制传感器工作；

(3)控制无线模块数据发送，控制预警信息的发送；

(4)进行数据处理，集成了养殖水质DO的预警方法，设定检测DO的时间间隔，从数据存储模块调用检测的水质历史数据对DO进行预测，给出预警信息。

无线模块的功能是进行数据发送。无线模块将传感器检测到的数据以无线的方式发送到数据监测中心的水质信息系统中，无线模块中还包含一个GPRS模块，可将MCU计算的DO预警信息以手机短信的形式发送到管理者的手机上，使管理者能及时了解到DO警情。

数据存储模块能够对传感器检测的数据进行本地存储，为DO的预警提供原始历史数据。

浮漂作为载体携载所述系统浮于水面上，为其提供浮力；为了防水、防腐蚀，将充电控制模块、蓄电池、微处理器、数据存储模块和无线通信模块安装在一个密封的电路盒内，所述电路盒优选由泡沫材料构成，呈圆柱形，电路盒固定在浮漂上，传感器通过信号线悬挂于浮漂正下方的水中。

本发明还涉及一种养殖水质无线监测方法，该方法包括如下步骤：

1)用pH传感器、DO传感器、温度传感器、EC传感器和水位传感器分别采集水质的pH、DO、温度、EC和水位数据，通过信号线将所述数据发送到微处理器；

2)用微处理器处理传感器采集的pH、DO、温度、EC和水位数据；

3)根据DO传感器采集的DO数据，利用微处理器对DO进行预警，获得预警信息；

4)将步骤2)微处理器处理后的数据和步骤3)获得的预警信息存储到数据存储模块；

5)通过GPRS模块将存储的数据发送到数据监测中心；

6)通过GPRS模块发送预警信息。

其中，步骤3)所述预警包括如下步骤：

S11、根据养殖品种对DO的要求严格设定DO状态区间、预警警度和预警规则，并与自回归数学模型一起预先集成在微处理器中；其中，所述DO状态区间可分为良好、一般、差、恶劣四个等级；所述预警警度分为无警、轻警、中警、重警四级；所述预警规则是根据不同DO状态区间及其持续的时间来确定预警警度；

S12、从数据存储模块调取由DO传感器采集的DO数据，作为DO历史数据；

S13、根据存储的DO历史数据，采用自回归(AR)法对水质的DO进行计算，得到DO的预测值；

S14、将DO的预测值与DO状态区间的阈值进行比较，利用预警规则，确定预警警度，判断是否需要报警，如有必要，则通过GPRS模块以手机短信的形式向管理者发出DO预警信息。

其中，步骤S13中所述的自回归法包括如下步骤：

S21、将DO的历史检测时间构成时间序列模型，以时间序列{DO_t}(t＝1，2，…，N)代表DO时间序列，则DO时间序列的模型为：

其中，DO_t为待预测的下一个采集时刻点t的DO值；

φ₁，φ₂，…φ_n，σ_a ²为n+1个待估计的参数，且

σ_{a}^{2} = \frac{1}{N - n} {&Sum;}_{t = n + 1}^{N} {(x_{t} - {&Sum;}_{i = 1}^{n} φ_{i} x_{t - i})}^{2};

应用AIC准则对DO时间序列模型的1-10阶数进行分析，比较不同阶数模型的AIC准则函数，确定所述模型的阶数；

S22、采用最小二乘法对所述参数φ₁，φ₂，…φ_n，σ_a ²进行估计，建立AR模型；

令：

Y＝[DO_n+1DO_n+2…DO_N]^T

φ＝[φ₁φ₂…φ_n]^T

X = [\begin{matrix} {DO}_{n} & {DO}_{n - 1} & . . . & {DO}_{1} \\ D O_{n + 1} & {DO}_{n} & . . . & {DO}_{2} \\ . & . & . \\ . & . & . \\ . & . & . \\ {DO}_{N - 1} & {DO}_{N - 2} & . . . & {DO}_{N - n} \end{matrix}]

则：

φ＝(X^TX)^-1X^TY.

S23、将DO的历史数据输入步骤S22中所建立的AR模型，计算DO的预测值。

在步骤S21中，一般情况下，阶数越大，AIC的值越小。一个有效的模型，需要具备一个较小模型阶数n，且其对应的AIC值也较小。因此需综合考虑n的大小和AIC(n)的大小。若AIC(n)-AIC(n+1)＞AIC(n-2)-AIC(n)(3≤n≤10)，则确定n为模型阶数，若符合条件的n的个数不止一个，则取最小的那一个；若不存在符合此条件的n，则取n值为10。

本发明无线监测系统和方法的有益效果在于：

(1)在实际应用中，将本发明的系统以一定的密度布置在水面上，可同时对养殖池塘或湖泊的各个位置的5个水质参数pH、EC、水位、DO、水温进行采集和监测，以实现水产品养殖过程中水质的在线监测、数据发送和DO预警功能；

(2)通过GPRS将监测数据传送到数据监测中心，实现对历史数据的长期可靠存储，并方便数据的查看和处理；

(3)本发明的无线监测系统和方法适用于水产品的集约化水产养殖，系统的微处理器中集成了养殖水质DO的预警算法，根据检测的水质数据，结合水产品对DO浓度的要求，对DO进行预测、发出预警警报；DO的预警信息可以通过GPRS以手机短信的形式及时发送到管理者的手机上，为管理者调整DO浓度争取了时间，使管理者能及时采取补氧等措施，保证水产品处于较佳的DO浓度环境下，可以大幅度减少或消除因DO浓度降低引起的水产品养殖损失；

(4)本发明的系统采用太阳能电池供电，系统有在线和休眠两种状态，采用低功耗省电模式设计，可以节约能源；

(5)整个监测过程自动执行，无需人工控制。

附图说明

图1为本发明无线监测系统的示意图；

图2为电路盒结构的示意图；

图3为核心电路模块的结构图；

图4为无线监测系统对溶氧度的预警流程图。

图中：

1为太阳能电池板 2为电路盒

3为浮漂 4为pH传感器探头

5为DO传感器探头 6为温度传感器

7为EC传感器探头 8为水位传感器探头

9为传感器信号线 10为充电控制模块

11为蓄电池 12为导线

13为主电路板固定槽 14为主电路板

15为天线 16为传感器接口

17为电路盒固定孔

具体实施方式

以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。

实施例1本发明的水产品养殖水质的无线采集装置

本发明的无线采集装置包括如下部分：

传感器组，其由pH传感器、DO传感器、温度传感器、EC传感器和水位传感器组成，用于采集相应的水质数据；其中，温度传感器附在DO传感器探头上，因此总共有4个水质传感器探头。传感器通过信号线向微处理器发送水质数据；

微处理器，用于处理所述传感器采集的数据；

无线通信模块，用于将微处理器处理后的数据发送到数据监测中心，该无线通信模块中包含GPRS模块；

实施例2本发明的水产品养殖水质的无线监测系统

本发明的无线监测系统包括如下部分：

实施例1所述的无线采集装置，其中的微处理器中集成了根据养殖品种对DO的要求严格设定的DO状态区间、预警警度和预警规则，以及DO状态区间的阈值和自回归数学模型；

数据存储模块；所述数据存储模块用于存储微处理器处理后的数据；

供电模块，其由太阳能电池板、充电控制模块和蓄电池组成；其中所述充电控制模块用于将太阳能电池板吸收的太阳能转化为电能，并储存在蓄电池中；所述蓄电池为所述系统提供电能；

浮漂，其由泡沫材料构成，呈圆盘形，为整个系统提供浮力。

所述系统存在在线和休眠两种工作状态，采用低功耗芯片：MSP430MCU，并采用2.7V单电源供电运放。

本发明的无线监测系统中，充电控制模块的输入端与太阳能电池板相连接，输出端与蓄电池相连接；蓄电池与微处理器的电源输入端相连；微处理器的电源输出端通过信号线分别与充电控制模块、传感器、无线通信模块及数据存储模块相连；充电控制模块、蓄电池、微处理器、无线通信模块和数据存储模块安装于密封的电路盒内，其中所述微处理器、无线通信模块和数据存储模块集成在主电路板上，主电路板中安装有天线，用于发送数据，电路盒内放置的上述各电路模块是本发明系统的核心组成部分之一；电路盒由泡沫材料构成，呈圆柱形，为了防水防腐蚀，电路盒接口处必须用生胶带或密封硅胶充分密封；电路盒的底部有四个传感器接口，传感器信号线通过这些接口与电路盒内电路通信，采用RS485通信接口；电路盒的底部还有固定孔，可利用绳索穿过固定孔将电路盒绑定在浮漂上；太阳能电池板固定在电路盒的顶部，用于吸收太阳能；本发明采用防水四芯电缆作为传感器信号线，信号线一端连接传感器，另一端通过防水接头连接到电路盒内的微处理器，信号线的长度可以根据待测水位深度进行调整。

整个系统在岸上进行组装，组装完成后直接放置到水面监测点位置上即可工作。若是首次使用，应先将太阳能电池充满电。为保证浮漂承载的整个系统不随水流漂移，使用时可在浮漂下系一个重锤，使浮漂固定在监测点位置。本发明系统的整体结构如图1所示，电路盒的内部结构如图2所示。

本发明核心电路模块的结构如图3所示。电路盒(虚框显示)内包括充电控制模块、蓄电池、GPRS模块、MCU微处理器和数据存储模块。其中充电控制模块与太阳能电池板、MCU、蓄电池连接，MCU对充电控制模块进行控制，蓄电池对由太阳能转化的电能进行存储同时为整个系统提供电能。

MCU与充电控制模块和蓄电池连接获得电能，然后为数据存储模块、传感器和GPRS模块供电。MCU和传感器通过信号线连接，信号线将传感器数据发送到MCU进行进一步处理。MCU处理后的水质数据存储到数据存储模块。水质数据通过GPRS模块发送到数据监测中心。MCU还能根据传感器检测的水质信息对DO进行预测、预警，预警信息也将通过GPRS模块以手机短信的形式及时发送到管理者的手机上。

本发明的系统包括在线和休眠两种工作状态，这样可以降低能耗；系统在不进行水质测量或数据处理的时间段，可设置为休眠状态，到需要测量水质的时刻，系统自动变为在线状态，完成水质数据的采集和数据处理、发送等功能。在线/休眠的时间间隔预先集成在微处理器中，在线检测的时间可以是等间隔的，每隔几个小时，还可以根据DO的浓度，在DO含量比较低的时间段如凌晨进行密集检测和预测。

实施例3本发明的水产品养殖水质的无线监测方法

本发明的无线监测系统对溶氧度的预警流程如图4所示，其工作步骤如下：

5)通过GPRS模块将存储的数据发送到数据监测中心；

6)通过GPRS模块发送预警信息。

其中，步骤3)中预警的方法包括如下步骤：

S11、根据养殖品种对DO的要求设定DO状态区间、预警警度和预警规则，并与自回归数学模型一起预先集成在微处理器中；其中，所述DO状态区间可分为良好、一般、差、恶劣四个等级；所述预警警度分为无警、轻警、中警、重警四级；所述预警规则是根据不同DO状态区间及其持续的时间来确定预警警度；

S13、根据存储的DO历史数据，采用自回归法对水质的DO进行计算，得到DO的预测值；

S14、将DO的预测值与DO状态区间的阈值进行比较，利用预警规则，确定预警警度，通过GPRS模块以手机短信的形式向管理者发出DO预警信息。

其中，步骤S13中自回归法包括如下步骤：

S21、将DO的历史检测时间构成时间序列模型，应用AIC准则对DO时间序列模型的1-10阶数进行分析，比较不同阶数模型的AIC准则函数，确定所述模型的阶数；

S22、采用最小二乘法对参数进行估计，建立自回归模型；

S23、将DO的历史数据输入步骤S22中所建立的自回归模型，计算DO的预测值。

下面以海参为例，具体说明DO状态区间、预警警度和预警规则的设定方法，分别见表1、表2和表3：

表1DO状态区间的划分

DO状态区间	DO浓度范围	描述
			良好	5mg/L以上	最适宜海参生存的DO条件
一般	5mg/L～3.6mg/L	在此DO条件下海参能够生存，但生理活动较弱，生长较慢
			差	3.6mg/L～3mg/L	在此DO条件下海参开始出现缺氧反应，身体萎缩、僵直
恶劣	3mg/L以下	此DO条件容易造成海参死亡

表2预警警度级别

预警警度级别	描述
		无警	海参处于最适宜的DO环境，无警情
轻警	海参能够生存，但是DO值达到适宜下限并持续一定时间，需要引起关注
		中警	海参能够生存，但是DO值已经接近或达到海参生存的下限并持续一定时间，可能会引起海参的死亡
重警	DO值超过海参的生存极限，需要立即采取措施，否则会造成海参的死亡

表3预警规则

DO状态区间	持续时间	预警警度级别
			良好		无警
一般	1小时	轻警
			一般	2小时	中警
一般	2小时以上	重警
			差	1小时	中警
差	1小时以上	重警
			恶劣	1小时以上	重警

在DO预警方法中，预警分为预测结果处理和警情的确认两个阶段。

预测结果处理：将DO预测值与DO状态区间的阈值进行比较，确定预测值所在的DO状态区间。应用既定的预警规则，确定警情级别。

警情的警度划分为无警、轻警、中警、重警四级。当出现中警和重警时向管理者发出警报，出现轻警时调整传感器测量的时间间隔和预测时间间隔，即对水质进行时间上更密集的检测和预测。

本发明的养殖水质无线监测方法通过程序设定一个采样间隔时间，每个间隔时间内传感器采样一次。MCU只在传感器采样工作的短时间内给传感器供电，其他时间断电，这样可以节省能量。传感器采样数据通过传感器信号线传送到MCU进行处理，处理后的数据通过发送GPRS模块传送到数据监测中心。同时，数据也会被送到本发明无线监测系统的数据存储模块进行本地存储。MCU还可调用存储模块中的历史数据对DO进行预测、预警，预警信息将会通过GPRS模块以短信的形式发送到设定的手机上，提醒管理者。

Claims

1.一种养殖水质无线监测系统，其特征在于，包括养殖水质无线采集装置、数据存储模块、供电模块和浮漂；

所述养殖水质无线采集装置包括传感器组、微处理器和无线通信模块；所述传感器组由pH传感器、DO传感器、温度传感器、EC传感器和水位传感器组成，用于采集相应的水质数据；所述微处理器用于处理所述传感器采集的数据和根据DO传感器采集的DO数据进行DO的预测，并在出现警情时，发出预警信息；所述无线通信模块用于将微处理器处理后的数据发送到数据监测中心；

所述数据存储模块用于存储微处理器处理后的数据；

所述供电模块主要由太阳能电池板、充电控制模块和蓄电池组成；其中所述充电控制模块用于将太阳能电池板吸收的太阳能转化为电能，并储存在蓄电池中；所述蓄电池为所述系统提供电能；

所述充电控制模块、蓄电池、微处理器、无线通信模块和数据存储模块安装在密封的电路盒内，其中所述微处理器、无线通信模块和数据存储模块集成在主电路板上；所述电路盒固定在浮漂上，太阳能电池板固定在电路盒的顶部；所述传感器组通过信号线悬于浮漂下方。

2.根据权利要求1所述的养殖水质无线监测系统，其特征在于，所述无线通信模块中包含GPRS模块。

3.根据权利要求1所述的养殖水质无线监测系统，其特征在于，所述浮漂由泡沫材料构成，呈圆盘形。

4.根据权利要求3所述的养殖水质无线监测系统，其特征在于，所述无线监测系统具有在线和休眠两种工作状态。

5.根据权利要求4所述的养殖水质无线监测系统，其特征在于，所述充电控制模块的输入端与太阳能电池板相连接，输出端与蓄电池相连接；所述蓄电池与微处理器的电源输入端相连；所述微处理器的电源输出端通过信号线分别与充电控制模块、传感器、无线通信模块及数据存储模块相连。

6.一种养殖水质无线监测方法，其特征在于，该方法包括如下步骤：

1)用pH传感器、DO传感器、温度传感器、EC传感器和水位传感器分别采集水质的pH、DO、温度、EC和水位数据，通过信号线将所述数据发送到微处理器；其中，所述pH传感器、DO传感器、温度传感器、EC传感器和水位传感器通过信号线悬于浮漂下方；

5)通过GPRS模块将存储的数据发送到数据监测中心；

6)通过GPRS模块发送预警信息；

其中，步骤3)所述预警包括如下步骤：

S11、根据养殖品种对DO的要求设定DO状态区间、预警警度和预警规则，并与自回归数学模型一起预先集成在微处理器中；其中，所述预警警度分为无警、轻警、中警、重警四级，所述预警规则是根据不同DO状态区间及其持续的时间来确定预警警度；

7.根据权利要求6所述的养殖水质无线监测方法，其特征在于，步骤S13所述自回归法包括如下步骤：

S22、采用最小二乘法对参数进行估计，建立自回归模型；

S23、将DO的历史数据输入步骤S22中建立的所述自回归模型，计算DO的预测值。