CN106168813A - 一种无线传感器网络的养殖池塘溶解氧控制系统 - Google Patents

Abstract

本发明针对水产养殖池塘环境溶解氧参数的工况面积大、变化的非线性与大惯性和池塘环境溶解氧分布的不均衡性等特点，公开了一种无线传感器网络的养殖池塘溶解氧控制系统，该系统由水产养殖池塘环境溶解氧采集与控制平台、基于复合控制器的池塘溶解氧串级控制系统以及基于经济最优推理的设定水产养殖池塘环境溶解氧的专家系统三部分组成。该系统能够提高水产养殖池塘溶解氧控制稳定性和控制精度，对提高水产养殖池塘经济效益有重要推广和应用价值。

Description

一种无线传感器网络的养殖池塘溶解氧控制系统

技术领域

本发明涉及智能控制设备技术领域，具体涉及一种基于无线传感器网络的水产养殖池塘溶解氧智能控制系统。

背景技术

水产池塘中溶解氧的多少直接影响鱼类的健康生长，当水中溶解氧由4.5毫克/升下降到3.5毫克/升时，鱼类对饵料的消化利用率下降50%，饵料系数上升50%以上；当溶解氧下降到3毫克/升以下时，就会对鱼类的摄食、消化以及健康带来较大的影响；溶解氧持续下降到1毫克/升以下，大部分鱼类就会出现浮头现象，持续下降会造成缺氧窒息死亡。经水产科技工作者长期的养殖实践，一般养殖育苗池塘水体的溶解氧应保持在5mg/L-8mg/L，最低也要保持3mg/L，低于此值就会发生鱼虾浮头、泛塘，甚至死亡。在养殖中，水质轻度缺氧虽不致鱼虾死亡，但严重影响其生长速度，使饵料系数提高，生产成本增加，养殖效益下降。草鱼在溶氧量为2.72 mg/L的情况下比在5.56mg/L的情况下，其生长速度低9.88倍，饲料系数提高4倍，其它鱼虾也大致一样。保持池塘中足够的溶氧量，可抑制生成有毒物质的化学反应，转化或降低有毒物质如氨、亚硝酸盐和硫化氢的含量。例如：水中有机物粪便、残饵、尸体等产生的氨和硫化氢，在充足的溶氧条件下，在微生物的氧化分解作用下，氨会转为亚硝酸盐，再转化成硝酸盐；硫化氢则被转化成硫酸盐，均产生无毒的最终产品，并被浮游植物光合作用所吸收。因此，水中保持足够的溶氧对水产养殖非常重要。假如缺氧的话，这些有毒物质极易迅速达到危害的程度。据测定，当水中溶氧从1.54 mg/L提高到2.2 mg/L时，NH3的含量由0.4mg/L降到0.2 mg/L，亚硝酸盐可由0.4 mg/L降到0.01mg/L。鱼类只有在水中溶氧量达到一定的数值后,才能维持其生命活动,且在一定的范围内,其生长速度及对饲料的利用率都将随着水中溶氧量的升高而增加,低氧对鱼类的生活及生长十分不利。当水中的溶氧量低于1mg/L水时, 鱼就会浮头；当水中溶氧量低于0.5mg/L时,鱼就会窒息死亡。研究表明，当水中的溶解氧含量降低到3mg/L以下时，对虾的摄食量明显减少；当溶解氧含量降到2mg/L以下时，对虾几乎不摄食，由此可能导致不蜕皮甚至死亡；而当溶解氧提到高到6mg/L时死亡停止并大批蜕皮，开始正常生长。在22℃时，鲤鱼的摄食率、饵料利用率和鱼体增重率在含氧量4.1 毫克/升以下时急剧下降，在4.1 毫克/升以上时，则随氧气含量的升高而增大。很多地方受水源条件限制，不是水量有限就是水源水质溶氧量不高，增氧效果不明显。所以利用增氧机增氧就显得尤为重要，使水体各水层溶氧接近饱和溶氧量，搅动水层加速有机质在富氧条件下的无毒分解，消除有毒气体；提高水体中的溶解氧，尽量使鱼类生活在较高的溶氧环境中，健康快速生长。

现在的池塘养殖大多仍然依靠人工观察鱼虾是否浮头来开关增氧机，或者看别人的池塘开增氧机，自己也就开，存在一定的盲目性和滞后性，不但养殖者的精神压力大，而且浮头和泛塘现象难以避免。如果开始浮头说明水体的溶解氧已经过低，必须抢救，增氧机成了救命机。低溶氧对鱼虾的生命和水质都是严重的威胁。传统的水质监测采用仪表结合人工经验操作的方法，存在耗时费力、监测范围小、监测周期长，不能实时反映水环境的动态变化等弊端。王骥等设计了基于无线传感器网络海洋环境监测系统，实现了海洋生态环境监测、各类海洋气象与灾害的数值预报预测等功能，杜治国等提出了基于Zigbee无线传感器网络与互联网结合的远程实时水质监测系统架构，实现了水质监测参数的获取及传输。为解决目前水产养殖水质自动监测系统存在布线困难、灵活性差和成本高等问题，构建了基于无线传感器网络的水产养殖水质监测系统。这些系统的研制有力促进水产养殖业的健康快速发展，但是这些控制系统都没有结合进水产养殖池塘溶解氧参数的工况面积大、溶解氧变化的非线性与大惯性和池塘溶解氧参数的分布不均衡等特点，从根本上解决水产养殖池塘环境溶解氧参数不稳定、控制精度低和系统响应速度慢等问题。

发明内容

本发明的目的是提供一种水产养殖池塘环境溶解氧智能控制系统，本发明根据水产养殖池塘环境溶解氧参数的工况面积大、溶解氧变化的非线性与大惯性和池塘溶解氧参数的分布不均衡等特点，设计了一种无线传感器网络的养殖池塘溶解氧控制系统。

本发明通过以下技术方案实现：

该系统由水产养殖池塘环境溶解氧采集与控制平台、基于复合控制器的池塘溶解氧串级控制系统以及基于经济最优推理的设定水产养殖池塘环境溶解氧的专家系统三部分组成。

1）水产养殖池塘环境溶解氧采集与控制平台：包括水产养殖池塘环境溶解氧参数的检测节点、控制节点、协调器节点和现场监控端组成，它们通过自组织方式构建成无线传感器测控网络，检测节点负责检测水产养殖池塘环境溶解氧、温度和PH值参数实际值，控制节点负责对溶解氧进行控制，现场监控端实现对水产养殖池塘环境参数检测与控制过程进行监控。（见图1）

2）根据水产养殖池塘环境溶解氧的工况面积大、溶解氧变化的非线性与大惯性和池塘溶解氧分布的不均衡等特点，在现场监控端和控制节点中设计基于复合控制器的池塘溶解氧串级控制系统，由参数自调整模糊控制器+PI构成复合控制器作为池塘溶解氧的主调节器与PID作为增氧机的副调节器构成串级控制系统，来提高水产养殖池塘环境溶解氧控制系统的稳定性、精度和响应速度。（见图2下半部分）

设计参数自调整模糊控制器+PI构成的复合控制器实现对规模化水产养殖池塘溶解氧参数进行精确控制；该控制系统把一个水产养殖池塘分成多个被控制子区域，每个区域设计一个参数自调整模糊控制器与PI构成的复合控制器、PID副调节器和一个池塘环境溶解氧参数的RBF神经网络辨识器构成的基于复合控制器的池塘溶解氧串级控制系统，实现它们各个子区域的分别控制来提高池塘溶解氧控制的稳定性和控制精度；为了解决池塘溶解氧变化的非线性与大滞后和池塘溶解氧参数的分布不均衡，由控制器权值调度单元根据池塘溶解氧的设定控制量与每个区域池塘溶解氧参数的RBF神经网络辨识器的误差大小占整个池塘所有系统误差比作为每个区域复合控制器的输出权重，通过每个区域的复合控制器输出量乘以对应权重的和作为池塘所有PID副调节器的给定控制量，来解决整个池塘溶解氧参数的分布不均衡问题和提高池塘溶解氧参数的响应速度。该控制系统从根本上解决水产养殖池塘溶解氧参数的工况面积大、溶解氧变化的非线性与大滞后和池塘溶解氧的分布不均衡问题，提高池塘溶解氧调节的稳定性、控制精度、响应速度和分布均衡性。为了提高水产养殖池塘环境控制系统的鲁棒性性,采用参数自调整模糊控制器+PI构成的复合控制器对水产养殖池塘的溶解氧进行复合控制，该控制器结合自调整参数模糊控制器鲁棒性强的优点和PI控制器控制精度高的优点，可以解决被控制水产养殖池塘溶解氧的非线性与大滞后问题，提高池塘溶解氧参数控制系统的控制精度和稳定性；控制器权值调度单元实现池塘溶解氧的预测控制和平衡控制，解决池塘溶解氧响应速度和池塘溶解氧参数的分别不均衡问题。

3）基于经济最优推理的设定水产养殖池塘环境溶解氧的专家系统：该专家系统实现对被控制水产养殖池塘环境溶解氧的给定控制量进行科学设定，由基于水产养殖池塘环境溶解氧参数的控制成本、动植物的生长模型、生长阶段和经济效益模型构成设定水产养殖池塘环境溶解氧的专家系统，系统根据水产养殖池塘环境溶解氧参数调控成本、动植物的生长模型、生长阶段和经济效益科学确定处于不同生长阶段动植物生长需要的水产养殖池塘环境溶解氧参数的给定控制量。（见图2上半部分）

本发明专利与现有技术相比，具有以下明显优点：

1、本发明采用基于参数自调整模糊控制器+PI构成的复合控制器的水产养殖池塘溶解氧串级控制系统，增氧机的PID副调节器是根据水产养殖池塘溶解氧参数的主调节器输出来调节水产养殖池塘溶解氧参数的随动系统，副调节器回路对包含在其中影响池塘溶解氧变化的气候条件、养殖密度和增氧机转速的二次扰动具有很强的抑制能力和自适应能力，二次扰动通过主、副调节器回路的调节对主被控量水产养殖池塘溶解氧参数参数的影响很小，所以水产养殖池塘溶解氧参数的输出值变化幅度小和稳定,系统能够快速度响应被控制系统对水产养殖池塘溶解氧参数的要求。

2、本发明通过把整个水产养殖池塘分成多个区域，每个区域分别设计基于参数自调整模糊控制器+PI构成的复合控制器的水产养殖池塘溶解氧串级控制系统，同时通过控制器权值调度单元和每个区域池塘溶解氧参数的RBF神经网络辨识器来调整整个池塘所有复合控制器的输出控制量，实现对整个池塘溶解氧的整体调节来解决整个养殖池塘溶解氧参数的大滞后与非线性和养殖池塘溶解氧参数的分布不均衡问题。该系统在确保每个子区域池塘溶解氧参数的稳定性和控制精度，同时解决整个池塘溶解氧参数的大滞后与非线性和池塘溶解氧参数的分布不均衡问题。该控制系统实现各个子区域分别调节与整体调整的有机结合，提高池塘溶解氧的稳定性、控制精度、响应速度和分布平衡度，能够抑制诸多扰动因素影响，具有良好的鲁棒性。

3、本发明水产养殖池塘溶解氧参数在由参数自调整模糊控制器+PI构成的复合控制器、RBF神经网络辨识器、控制器权值调度单元、PID副调节器构成的反馈实时与预测串级控制和各个子区域分别调节与整个池塘溶解氧参数整体调整的共同作用下，水产养殖池塘溶解氧参数的稳定性和均衡度有了很大的提高，该控制系统对水产养殖池塘溶解氧参数的滞后性与非线性的控制有很强的鲁棒性，控制系统对给定控制量的跟踪特性好。与原有的常规控制相比该控制系统的控制品质、响应速度和稳定性能都明显提高，提高了水产养殖池塘溶解氧参数的控制精度、抗干扰能力、稳定性能和池塘溶解氧参数的平衡度，具有较好的应用和推广价值。

4、本发明根据池塘溶解氧参数变化的非线性与大滞后特点，设计了参数自调整模糊控制器+PI构成的复合控制器作为池塘溶解氧的主调节器，复合控制器根据水产养殖池塘溶解氧参数的误差和误差变化灵活调整模糊控制器的参数，提高控制系统的稳定性、控制精度和鲁棒性，根据池塘溶解氧参数的变化特点实现主动调节，提高水产养殖池塘溶解氧调节的响应速度和池塘溶解氧控制系统的鲁棒性。

5、本发明采用专家系统对水产养殖过程的水产养殖池塘环境溶解氧参数的理想控制量进行科学设置，提高了设置养殖过程中养殖动植物在不同生长阶段对水产养殖池塘环境溶解氧参数需求量的科学性，提高了养殖的效益和效率，实现了科学养殖和高效养殖。

6、本发明将复合控制、PID控制、神经网络、预测控制、模糊控制、串级控制和专家系统相结合，设计基于复合控制器的水产养殖池塘溶解氧串级控制系统。该控制系统克服了单纯PID控制对大惯性大延迟对象调节品质差、抗干扰性弱的缺点。将该控制系统用于水产养殖池塘溶解氧参数参数的控制具有较强的动态跟踪性能和抗干扰能力及良好的动静态性能指标。

附图说明：

图1 水产养殖池塘环境溶解氧采集与控制平台

1- 检测节点，2-控制节点，3-协调器节点，4-现场监控端

图2 基于复合控制器的池塘溶解氧串级控制系统

图3 参数自调整模糊控制器+PI构成的复合控制器

图4 RBF神经网络辨识器

图5 检测节点硬件结构图

图6 控制节点硬件结构图

图7 协调器节点硬件结构图

图8 现场监控端软件功能图

图9 养殖池塘环境溶解氧控制系统平面布置图

具体实施方式:

①、系统总体功能的设计

针对水产养殖池塘环境溶解氧参数的特点，本系统构建基于无线传感器网络的水产养殖池塘环境溶解氧参数信息采集与控制平台，在现场监控端4实现对养殖池塘环境参数的采集、管理和智能控制，为了实现养殖池塘与现场监控端的信息交互，设计了协调器节点3，该协调器节点3实现现场监控端4和检测节点1与控制节点2的信息交互。在无线传感器网络中，带有无线接口的检测节点1与控制节点2安装在被监控水产养殖池塘区域内，以自组织的形式构成无线传感器网络，将监测数据以无线的方式上传到协调器节点3，最终通过协调器节点3将整个区域内的数据传送到现场监控端4进行集中处理。

②、检测节点设计

在基于WSN的监控网络，采用大量微型的无线传感器网络节点作为水产养殖池塘环境因子参数感知端，节点通过相互协作的方式完成水产养殖池塘环境信息的参数的采集，检测节点输入通路采集的信息参数主要包括：溶解氧、温度、PH值等传感器与对应的调理电路以及Ａ/D转换电路；设计了采用NRF2401模块的无线通信接口，它们的软件主要实现：无线通信和参数信息的采集。微型处理器采用MSP430系列单片机，处理器MSP430系列单片机支持C语言程序设计，大大提高了软件设计开发的工作效率，增强了程序代码的可靠性、可读性和可移植性，检测节点硬件结构见图5。

③、控制节点设计

控制节点输出通路设计D/A转换电路实现对增氧机设备的控制，控制节点采用NRF2401模块的无线通信接口，软件主要功能是对增氧机设备控制和外部设备无线通信，设计了PID控制器作为串级控制系统的副调节器，微型处理器采用MSP430系列单片机。硬件结构见图6。

④、协调器节点设计

检测节点1与控制节点2与现场监控端4的信息交互需要通过协调器节点3来实现，协调器节点3是它们之间信息交互的中转站，起着承上启下的作用。协调器节点3定时查询检测节点1与控制节点2的信息，并将数据打包传送到现场监控端4；或者是相反的过程；现场监控端4发出的指令通过协调器节点3传送到检测节点1与控制节点2，协调器节点3的硬件结构参见图7。

⑤、现场监控端4软件设计

现场监控端4是一台工业控制计算机，主要实现对水产养殖池塘环境参数进行采集与监控。现场监控端4主要功能通信参数设置、设置检测现场参数时间、参数采集、数据分析、数据保存、复合控制器、RBF神经网络辨识器、控制器权值调度单元、专家系统的实现和系统维护。现场监控端软件功能见图8。

A、专家系统设计

它主要根据经济成本最优的原则来设定池塘溶解氧参数的理想控制值，主要根据：环境溶解氧参数控制的成本模型、动植物生长模型、动植物的市场价格、饲料的市场价格与动植物的生长阶段等参数，得到当前时段动植物生长的经济最优环境溶解氧参数，通过专家系统的推理来实现，由现场监控端4通过串行口和协调器节点3送到控制节点。该管理软件选择了Microsoft Visual++ 6.0作为开发工具，调用系统的Mscomm通信控件来设计通讯程序。专家系统的推理过程见图2的上半部分。

B、参数自调整模糊控制器+PI构成的复合控制器

在水产养殖环境溶解氧多点跟踪的控制过程中，由于受季节、气候和池塘养殖环境的影响，常规固定量化因子的溶解氧模糊控制器已经不能满足养殖动物对溶解氧稳定精度的要求，而参数自调整的溶解氧模糊控制方法能够根据池塘溶解氧变化的差异对溶解氧模糊控制器参数及时做出调整，准确地调节增氧机转速的输出控制量来使池塘溶解氧迅速跟踪系统的目标值，提高池塘溶解氧控制系统的响应速度，有效地抑制溶解氧控制系统的变化。在模糊控制单元的量化因子和比例因子分别加上一个伸缩因子，通过伸缩因子来调整模糊控制单元的量化因子和比例因子的大小，克服常规模糊控制自适应能力有限的缺点，提高池塘溶解氧控制系统快速响应性能和稳态精度。参数自调整模糊控制器与PI并联构成的复合控制器由模糊参数自调整器、模糊控制器单元和 PI控制器组成，模糊控制器和PI调节器并联。溶解氧误差误差和误差变化率变化率作为它们的输入量；模糊参数自调整根据池塘溶解氧误差和误差变化来调节β因子，实现对模糊控制器的量化因子和比例因子的及时调整，实现模糊控制器对池塘溶解氧自适应控制的目的。模糊参数自调整器仍采用模糊控制，根据量化因子和比例因子对控制性能的影响，可得到如下调整规则：当误差和误差变化率较大时，需附加较大的增氧机转速变化使池塘溶解氧含量迅速做出响应，应降低量化因子来减小对输入量的分辨率，同时加大比例因子，从而可以获得较大的增氧机转速变化，使响应速度加快；当误差和误差变化率较小时，池塘溶解氧含量已经接近稳定状态，需要增氧机的转速变化较小，为了提高控制精度，要增大量化因子，提高对输入变化的分辨率，同时减小输出比例因子，防止超调或振荡，提高池塘溶解氧控制的稳态精度。根据以上参数调整的原则，设计了一个模糊参数调整器。参数自调整模糊控制器+PI构成的复合控制器的原理图如图3所示。

C、控制器权值调度单元

在系统运行过程中, 设现采样时刻为k，池塘n个子系统池塘溶解氧的RBF神经网络辨识模型的预测输出值为，(i=1,2,…n)，实际输出为，即定义预测值与检测实际值的匹配误差为：

（1）

其中，ρ（0<ρ≤1）的作用是防止分母为零。根据池池塘池塘溶解氧变化特点定义池塘一个阶段误差为，即值为:

（2）

其中，式中l为误差长度，α（0<α≤1）为误差遗忘因子，以降低历史信息的重要性。根据每个子系统的阶段误差占整个池塘各个子系统阶段误差和的比值作为该子系统复合控制器的输出权重的确定规则，即第i个子系统的控制权重为：

（3）

D、RBF神经网络辨识器

RBF神经网络是具有单隐层的3层前馈网络，RBF神经网络由输入到隐层的映射是非线性的, 而隐含层空间到输出空间的映射是线性的, 从而大大加快了学习速度并避免局部极小问题, 该网络具有全局最优和最佳逼近性能, 训练方法快速易行, 不存在局部最小值问题, 因此,RBF神经网络为非线性系统的建模和控制提供了有力的工具。因此,RBF 网络是一种局部逼近网络,已证明它能以任意精度逼近任意连续函数，RBF神经网络具有收敛速度快、逼近能力强、训练周期短、网络结构易于调整的优点。采用RBF 神经网络对池塘溶解氧进行在线辨识, 它的输入为池塘增氧机的调节控制量和池塘溶解氧前一阶段的实际值，输出为池塘溶解氧的当前预测值，RBF神经网络辨识器结构如图4所示。

⑥、监控系统的设计举例

根据水产养殖池塘的面积，把整个池塘分成4个子区域，系统布置了检测节点1和控制节点2、协调器节点3和现场监控端4实现对水产养殖池塘溶解氧进行监控，整个养殖池塘环境溶解氧控制系统平面布置图见图9。

本发明未提及技术采用常规技术。

Claims (1)

1.一种无线传感器网络的养殖池塘溶解氧控制系统，其特征在于：所述系统由水产养殖池塘环境溶解氧采集与控制平台、基于复合控制器的池塘溶解氧串级控制系统以及基于经济最优推理的设定水产养殖池塘环境溶解氧的专家系统三部分组成，其中：

1）水产养殖池塘环境溶解氧采集与控制平台：包括水产养殖池塘环境溶解氧参数的检测节点、控制节点、协调器节点和现场监控端组成，它们通过自组织方式构建成无线传感器测控网络，检测节点负责检测水产养殖池塘环境溶解氧、温度和PH值的实际值，控制节点负责对溶解氧进行调节，现场监控端实现对水产养殖池塘环境参数检测与控制过程进行监控；

2）基于复合控制器的池塘溶解氧串级控制系统：该系统由参数自调整模糊控制器+PI构成的复合控制器作为主调节器、被控制池塘溶解氧的RBF神经网络辨识器、被控制池塘溶解氧的PID副调节器和控制器权值调度单元组成；被控制池塘溶解氧参数的主调节器和PID副调节器构成水产养殖池塘环境溶解氧串级控制系统，水产养殖池塘环境溶解氧为主控变量，增氧机的转速为副控变量；水产养殖池塘环境溶解氧参数的给定控制量与池塘溶解氧参数实际值的误差和误差变化来调整复合控制器的输出控制量；控制器权值调度单元通过水产养殖池塘环境溶解氧参数给定控制量与溶解氧参数的RBF神经网络辨识器输出的误差来调节复合控制器的输出权重，复合控制器的输出控制量乘以各自权重的和给被控制池塘溶解氧参数的PID副调节器，实现被控制池塘溶解氧的预测控制和提高整个池塘溶解氧的分布均衡度；该控制系统使被控制水产养殖池塘环境溶解氧参数的实际值迅速跟踪水产养殖池塘环境溶解氧参数的给定控制量；

3）基于经济最优推理的设定水产养殖池塘环境溶解氧的专家系统：该专家系统实现对被控制水产养殖池塘环境溶解氧的给定控制量进行科学设定，由基于水产养殖池塘环境溶解氧参数的控制成本、动植物的生长模型、生长阶段和经济效益模型构成设定水产养殖池塘环境溶解氧的专家系统，系统根据水产养殖池塘环境溶解氧参数调控成本、动植物的生长模型、生长阶段和经济效益科学确定处于不同生长阶段动植物生长需要的水产养殖池塘环境溶解氧参数的给定控制量。