CN102645927A - 基于无线传感器网络的淡水鱼养殖环境监控系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及淡水鱼养殖环境监控技术。本发明公开了一种基于无线传感器网络的淡水鱼养殖环境监控系统。本发明包与i个节点连接的簇头节点，k个簇头节点与汇聚节点连接，m个汇聚节点与监控中心连接，其中i、k、m均为自然数。本发明的节点、簇头节点以及汇聚节点配置有水温传感器、溶解氧传感器、增氧机、节点处理模块和无线传输模块。本发明的汇聚节点还包括大气压传感器、PH值传感器和通信模块，大气压传感器、PH值传感器与节点处理模块连接，通信模块与无线传输模块连接，用于向监控中心传输数据和接收指令。本发明可以实现大范围的无线监控网络布局，非常适合大规模淡水养殖业的自动控制。

Description

基于无线传感器网络的淡水鱼养殖环境监控系统

技术领域

本发明涉及淡水鱼养殖环境监控技术，特别涉及一种基于无线传感器网络的淡水鱼养殖环境监控系统。

背景技术

国内外水产养殖业就智能无线传感网络以及增氧机方案进行了研究，并针对鱼塘水质及溶解氧检测等开发了基于无线传感网络的智能预警系统，有效提高鱼塘水质，同时也在一定程度上提高了鱼塘产量。此类基于无线传感器网络的淡水鱼养殖环境监控系统作为一种鱼塘水质监控系统，根据池塘水质的实时变化及天气温度等信息，调用相关算法，保证鱼塘水质，并有效提高产量。

目前国内外相关技术的开发现状如下：

随着国民经济发展,工业自动化和科学技术进步,经过近20年来的科学研究和技术推广，我国设施渔业整体水平显著提高,形成工厂化养鱼、流水养鱼(包括温流水养鱼和冷流水养鱼)、池塘循环微流水养鱼和湖泊、水库三网(围网、拦网、网箱)养鱼等多种方式,以适应我国不同水域生态环境条件的开发和利用。传统的养殖方式与新技术结合，使鱼的产量和经济效益得到了极大地提高，一般高产水平能提高到8000公斤以上。我国设施渔业的养殖方式是多种多样的，其共同特点，一是集约化程度很高，二是投喂高质配合饵料，三是精细的喂养，四是严格的管理。它的核心是强化养殖，手段是机械化和自动化。我国的渔业自动化起步较晚，研究利用微机系统自动控制增氧机已经取得进步，但仍存在尚待解决的问题，比如传感器灵敏度、使用寿命等。对于生物因子的自动检测和调控以及对水体生态环境等相关基础理论研究几乎没有进展。这也是我国与国外先进技术的显著差距。

要实现对水产养殖环境的实时监测，各种信息的获取与传输是最重要的关键技术之一。在水产养殖环境的实时监测领域，美国、日本等发达国家，都先后在水产养殖业应用了相关的实时监测系统。自20世纪60年代开始，随着传感网络技术以及计算机技术的发展，国内外的水产养殖环境的实时监测系统有以下三类模式：

第一类：美国高密度水产养殖系统的程序控制技术

通用控制系统是基于微机的控制系统，用于控制海水鱼孵化系统的环境条件。该系统可连续监控光周期、温度、水位、压缩空气压力，以便通知当地有报警条件的工作人员，并可用电话拨号盘远程控制。该系统由微机、输人／输出数据记录仪和遥控组件构成，其最有效的系统是监测溶解氧水温、pH值、空气温度、相对湿度、太阳能辐射、风速、风向，并控制泵阀、增氧机。该系统已经用于控制饲料投喂系统。该系统扩展性以及通用性虽然很好，其主要是基于有线的通信仪表仪器连接并完成控制，在大面积的鱼塘养殖系统的传感器网络中，显然不适用。

第二类：基于无线射频技术的传感器监控系统

基于无线通信技术的养殖水质监测系统，使用传统射频收发芯片，如nRF9E5等，实现了对养殖水质中溶解氧含量、pH值、氨氮(NH3-N)含量以及硫化氢含量等水质指标的动态监测。该方案非常成熟，同时具有非常好的单片机接口。但是，该点对点无线通信方法适用于通信节点比较少和数据通信量较小的场合。当通信节点数较多时，通过软件很难实现大量的通信节点管理，而且这种通信方式没有可以遵循的标准协议，不利于通信的兼容性。

第三类：基于无线网络传感器监控系统

天津科技大学曾经开发了基于GSM技术的鱼塘溶解氧检测与无线传输系统，该系统应用了无线传感网络，使用了GPRS技术进行无线通信，将测控信息采集到上位机处理，完成鱼塘温度、含氧量的采集和报警工作。其传感器网络采用Zigbee网络节点。ZigBee是一种便宜，功耗低的近距离无线组网通信技术，核心技术是多信道无线通信装置和微控制器集成在半导体芯片上，目的是为了大幅降低无线终端的成本和功耗，以达到“无所不在”的目的。该网络又称为传感器网络或Zigbee网络。

以上水产品养殖预警系统均是采集池塘信息，并没有提供针对具体行业的紧急情况做出初步或者有效的调整，没能很好的提供针对水产养殖规模化、自动化、专业化的解决方案。

发明内容

本发明所要解决的技术问题，就是提供一种基于无线传感器网络的淡水鱼养殖环境监控系统，适应大面积工业化淡水鱼养殖环境监控的需要。

本发明解决所述技术问题，采用的技术方案是，基于无线传感器网络的淡水鱼养殖环境监控系统，包括通过Zigbee网络与i个节点连接的簇头节点，k个簇头节点通过zigbee网络与汇聚节点连接，m个汇聚节点通过通信网络与监控中心连接，所述i、k、m均为自然数；所述节点、簇头节点以及汇聚节点配置有水温传感器、溶解氧传感器、增氧机、节点处理模块和无线传输模块；所述水温传感器和溶解氧传感器与节点处理模块连接；所述节点处理模块与无线传输模块连接，通过所述无线传输模块传输数据；所述节点处理模块与增氧机连接，控制所述增氧机开启或关闭；所述汇聚节点还包括大气压传感器、PH值传感器和通信模块，所述大气压传感器、PH值传感器与节点处理模块连接，所述通信模块与无线传输模块连接。

具体的，所述通信网络为GPRS网络、CDMA网络、WCDMA网络、TD-SCDMA网络、TD-LTE网络、Internet网络或卫星通信网络。

进一步的，所述节点处理模块包括信号调理模块、AD转换模块、处理器和驱动模块，信号调理模块用于对采集的数据进行放大和整形，所述AD转换模块与信号调理模块连接，对数据进行模数转换，所述处理器与AD转换模块连接，对其输出的数字信号进行处理，根据处理结果输出控制信号，所述驱动模块与处理器连接，根据其输出的控制信号驱动增氧机，所述处理器与无线传输模块连接。

优选的，所述处理器采用中位值平均滤波法进行溶解氧传感器和水温传感器采集数据的处理。

具体的，所述i≥5，k≥9。

推荐的，所述簇头节点具有独立的供电系统。

具体的，所述供电系统为太阳能发电装置。

本发明的有益效果是，使用Zigbee网络完成节点、簇头节点和会聚节点之间的通信连接，耗电省，节点布置方便、灵活、快速，成本低，汇聚节点通过通信网络与监控中心进行通信连接，可以实现大范围的无线监控网络布局，非常适合大规模淡水养殖业的自动控制。可以灵活配置增氧机，自动控制鱼塘溶解氧含量，实时改善鱼塘养殖环境。

附图说明

图1是淡水鱼养殖区域中某一鱼塘节点分布示意图；

图2是节点结构示意图；

图3是汇聚节点结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图，详细描述本发明的技术方案。

本发明的基于无线传感器网络的淡水鱼养殖环境监控系统，包括通过Zigbee网络与i个节点连接的簇头节点，k个簇头节点通过zigbee网络与汇聚节点连接，m个汇聚节点通过通信网络与监控中心连接，所述i、k、m均为自然数；所述节点、簇头节点以及汇聚节点配置有水温传感器、溶解氧传感器、增氧机、节点处理模块和无线传输模块；所述水温传感器和溶解氧传感器与节点处理模块连接；所述节点处理模块与无线传输模块连接，通过所述无线传输模块传输数据；所述节点处理模块与增氧机连接，控制所述增氧机开启或关闭；所述汇聚节点还包括大气压传感器、PH值传感器和通信模块，所述大气压传感器、PH值传感器与节点处理模块连接，所述通信模块与无线传输模块连接。

在采用本发明的淡水鱼养殖企业中，每个鱼塘都有若干节点构成的传感器网络（Zigbee网络），每个节点配置有水温传感器、溶解氧传感器，他们通过Zigbee网络进行连接，传输数据。多个节点构成一个簇，每个簇中设定一个簇头节点，用于接收本簇中所有节点的数据。簇头节点将接收的数据与其自身采集的数据一起进行汇总处理和融合压缩。多个簇头节点通过Zigbee网络与汇聚节点连接，经过内部路由将数据传输到汇聚节点。汇聚节点配置有大气压传感器、PH值传感器，用于对鱼塘内的酸碱度、大气压力等养殖环境参数的监测，其监测数据与所有节点共享。若干汇聚节点通过通信网络与监控中心连接，管理员和用户通过监控中心远程监测鱼塘内整个环境。同时各个节点根据对上述四项数据（水温、溶解氧、大气压力和水的酸碱度）的综合分析，将做出判定是否鱼塘发生缺氧或水质异常情况，决定是否发出预警或告警信息通知管理员和用户，以及自动控制增氧机运行。

实施例

无线传感器网络节点布局如图1所示，本例鱼塘中共配置了63个网络节点，每7个节点为一簇，其中设定一个节点为簇头节点，簇中的这些节点均与簇头节点相邻，他们与簇头节点之间的通信基于Zigbee协议，簇中每个节点将采集的数据传送给簇头节点，由簇头节点经过数据融合后再将压缩得到的数据发送给汇聚节点。簇的形成和簇头节点的选择由网络中采用的路由协议实现，本例鱼塘共设9个簇头节点。簇头节点在Zigbee网络中，通过适当的跳数连接到汇聚节点，各个汇聚节点（图1中仅示出了1个）其实就是网关，直接通过Internet或通信卫星与监控中心连接，或通过GPRS网络、CDMA网络、WCDMA网络、TD-SCDMA网络、TD-LTE网络与监控中心连接，实现多个鱼塘的管理。各簇头节点通过“多跳”路由方式把融合后的数据传送到汇聚节点，汇聚节点再利用通信网络与监控中心通信。

由于鱼塘不是人无法接近的环境，因此还可以根据鱼塘的布局，人工安排无传感器的节点，用于进行组网通信。为了能实现比较精确地测量，可以将大块水域分成多个区域，每个区域有一个节点配置增氧机用于增氧，其他节点可以不用都配置增氧机，而只配置水温传感器和/或溶解氧传感器等，以便进一步降低系统配置成本。在安排节点时人为的实现一个区域为一个簇。考虑簇头节点的能量消耗比较大，可采用人工干预固定各簇头节点，各簇头均配置独立的供电系统，如太阳能发电装置等，以保证簇头节点的能量。人工干预使得簇的形成和簇头节点的选择不再具有随机性，大大减少了系统的运算量，节约了能源，而且保证了系统结构的稳定，在系统运行过程中，不再需要根据能量的变化进行重构，方便了管理。

图2示出了本例节点的结构示意图，该节点配有水温传感器、溶解氧传感器、增氧机、节点处理模块和无线传输模块。其中节点处理模块包括信号调理模块，AD转换模块、处理器和驱动模块。信号调理模块用于对采集的水温数据、溶解氧数据模拟信号进行放大和整形，然后送入AD转换模块，对数据进行模数转换。本例处理器采用中位值平均滤波法对AD转换模块输出的溶解氧传感器和水温传感器数据进行处理，根据处理结果输出控制信号。驱动模块与处理器连接，根据处理器输出的控制信号驱动增氧机，控制其开启或关闭，调节鱼塘溶解氧含量。本例节点还包括强制启动模块，可以在必要时强制启动增氧机，补充鱼塘溶解氧含量。无线传输模块以nRF905为核心构成，可以将处理器输出的数据进行网络传输。

监控中心主要完成各个鱼塘相关参数建模预警工作，其功能重点是根据各汇聚节点反馈过来的数据建立各个鱼塘的模型，根据模型对各个鱼塘的相关信息进行分析处理，提出预警信息，同时可以自动或人为的对各个鱼塘的相关设备（增氧机）进行控制。其主要功能如下：

数据收集及存储：对各个汇聚节点反馈的数据进行综合和存储。

数据分析：对各个汇聚节点传来的数据进行分析、建模。同时根据所建立的各个节点、簇头节点的数据模型，对其监控范围的水质情况进行监测，根据建立的模型对鱼塘养殖物的生存状况进行预测，为突发情况提供预警。

无线传感器网络（包括节点、簇头节点和汇聚节点）主要完成所在鱼塘的相关数据采集和相关设备的控制。主要功能如下：

溶解氧判定：使用溶解氧传感器测量水中溶解氧的含量，并与相应的阀值进行对比，判定是否缺氧，如果异常则告警。

水温判定：根据水温传感器测量水温，并与相应的阀值进行比较，判定水温是否异常，如果异常则告警。

大气压强测量：利用大气压传感器测量大气压强，对鱼塘水质情况预警与监测提供数据支持。

PH值测量：利用PH值传感器测量水体PH值，为鱼塘水质情况预警与监测提供数据支持。

相关设备（如增氧机）的自动控制：根据告警信号或者远程控制信号的有无来控制设备是否运行。

通信：将每次所测得的信息进行编码后通过无线网络进行传输并接收监控中心发来的控制信号，对节点附属的相关设备进行控制。

本例汇聚节点结构如图3所示，与节点结构图2比较可以看出，其信号调理模块连接的传感器更多，不但包括了溶解氧传感器和水温传感器，还包括大气压传感器、PH值传感器和通信模块。大气压传感器、PH值传感器均与节点处理模块中的处理器连接，通信模块与无线传输模块连接，主要用于通过通信网络传输数据和接收监控中心的指令。

Claims (7)

1.基于无线传感器网络的淡水鱼养殖环境监控系统，包括通过Zigbee网络与i个节点连接的簇头节点，k个簇头节点通过zigbee网络与汇聚节点连接，m个汇聚节点通过通信网络与监控中心连接，所述i、k、m均为自然数；所述节点、簇头节点以及汇聚节点配置有水温传感器、溶解氧传感器、增氧机、节点处理模块和无线传输模块；所述水温传感器和溶解氧传感器与节点处理模块连接；所述节点处理模块与无线传输模块连接，通过所述无线传输模块传输数据；所述节点处理模块与增氧机连接，控制所述增氧机开启或关闭；所述汇聚节点还包括大气压传感器、PH值传感器和通信模块，所述大气压传感器、PH值传感器与节点处理模块连接，所述通信模块与无线传输模块连接。

2.根据权利要求1所述的基于无线传感器网络的淡水鱼养殖环境监控系统，其特征在于，所述通信网络为GPRS网络、CDMA网络、WCDMA网络、TD-SCDMA网络、TD-LTE网络、Internet网络或卫星通信网络。

3.根据权利要求1所述的基于无线传感器网络的淡水鱼养殖环境监控系统，其特征在于，所述节点处理模块包括信号调理模块、AD转换模块、处理器和驱动模块，信号调理模块用于对采集的数据进行放大和整形，所述AD转换模块与信号调理模块连接，对数据进行模数转换，所述处理器与AD转换模块连接，对其输出的数字信号进行处理，根据处理结果输出控制信号，所述驱动模块与处理器连接，根据其输出的控制信号驱动增氧机，所述处理器与无线传输模块连接。

4.根据权利要求1所述的基于无线传感器网络的淡水鱼养殖环境监控系统，其特征在于，所述处理器采用中位值平均滤波法进行溶解氧传感器和水温传感器采集数据的处理。

5.根据权利要求1所述的基于无线传感器网络的淡水鱼养殖环境监控系统，其特征在于，所述i≥5，k≥9。

6.根据权利要求1～5任意一项所述的基于无线传感器网络的淡水鱼养殖环境监控系统，其特征在于，所述簇头节点具有独立的供电系统。

7.根据权利要求6所述的基于无线传感器网络的淡水鱼养殖环境监控系统，其特征在于，所述供电系统为太阳能发电装置。

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