CN106200705B - 一种无线传感器网络的养殖池塘ph值控制系统 - Google Patents
一种无线传感器网络的养殖池塘ph值控制系统 Download PDFInfo
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Abstract
本发明公开了一种无线传感器网络的养殖池塘值控制系统，该系统由水产养殖池塘环境参数采集与控制平台和基于复合控制器的养殖池塘值串级控制系统组成。本发明根据养殖池塘环境值参数的工况面积大、值变化的非线性与大滞后和池塘值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值控制系统，该系统对提高水产养殖池塘值控制的稳定性与精度和提高水产养殖的经济效益有巨大的推广和应用价值。
Description
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值控制系统。
背景技术
PH 值是反映水产养殖水体水质状况的一个综合指标, 是影响鱼类活动的一个重要的综合因素。渔业生产中水环境条件之一的值的调控就显得非常重要，值的过度降低或升高均会直接危害鱼类, 对鱼类都有直接的损害, 甚至引起鱼类的死亡, 即使有时不致死但由于其值超过鱼类的忍耐程度, 导致生理功能紊乱, 而影响其生长或引起其他疾病的发生。鱼类值低于5.5条件下,削弱其血液载氧能力, 造成鱼自身患生理性缺氧症,活动能力减弱, 新陈代谢强度降低,对饵料的消化率低下, 生长缓慢 值在5 - 6.5之间,饲养的鱼种就容易感染嗜酸卵甲藻而患“打粉病”; 值高于9.5条件下会直接影响到鱼类血液的值, 发生碱中毒, 影响血液缓冲系统平衡, 且对鳃、皮肤及粘液有腐蚀作用, 致使鱼体分泌大量粘液,影响呼吸。若水体值高于10.4 ,会引起鱼类死亡, 死亡率可达20 %- 89 %, 高于10.6 时,则全部死亡。在短时间内值变化过大会使鱼兴奋、快游、喘息、跳跃, 甚至造成灾难性的伤害,维持稳定的值比适当的值更重要。值同样影响亲鱼繁殖和鱼苗孵化,若值过低, 可使鱼卵卵膜软化, 卵球扁塌, 失去弹性,在孵化时极易提前破膜而死亡；若值在6.4 以下或9.4 以上, 则不能孵出鱼苗。由此可知, 为了减轻值对鱼类生长的直接影响, 在养殖生产中应注意调节控制水体值, 保持适合鱼类生长的微碱性水质,水产养殖生物能够安全生活的值范围是6.5-9.0，而最适宜的范围为弱碱性，即值在7.0-8.5。值超出一定范围高限为9.5-10.0，低限为4-5，会直接造成养殖水生物的死亡。值虽在安全范围内，但当超出最适范围时也会影响鱼类的生命活动，从而影响到水产养殖的产量和效益。如鱼在值低于5.5条件下，水体中鱼类对传染性鱼病特别敏感，即使水中并不缺氧，也会因呼吸困难造成消化率低、生长缓慢。还通过影响其他的环境因子而间接影响到鱼类的生长。例如在低值下，亚铁离子和硫化氢的浓度都会增高，而这些成分的毒性又和低值有协力作用，值越低毒性越大。但值过高又会加大氨的毒性，会抑制植物的光合作用的分解作用。因此，在养殖生产过程中要经常测量水体的值，以便随时了解水质状况，采取相应的调节措施改善水体环境，保证养殖鱼类正常生长。胡月明等研究水产养殖水质值无线监测系统设计，朱明瑞等研究工厂化水产养殖水体的值在线自动控制系统，黄建等基于无线传感器网络的水产养殖水质监测系统开发与试验，但是这些系统没有根据水产养殖池塘值的工况面积大、值变化的非线性与大滞后和池塘值的分布不均衡等特点，从根本上解决水产养殖池塘环境值参数不稳定、控制精度低和系统响应速度慢以及池塘环境值分布均衡等问题。
发明内容
本发明的目的是提供一种无线传感器网络的水产养殖池塘值控制系统，本发明根据水产养殖池塘环境值参数的工况面积大、值变化的非线性与大滞后和池塘值分布不均衡等特点，设计了一种无线传感器网络的水产养殖池塘值控制系统。
本发明通过以下技术方案实现：
由水产养殖池塘环境值参数采集与控制平台和基于复合控制器的养殖池塘PH值串级控制系统组成。
1）水产养殖池塘环境值参数采集与控制平台：包括水产养殖池塘环境参数的检测节点、控制节点和现场监控端组成，它们通过子组织方式构建成无线传感器网络测控网络实现它们之间的信息交互，检测节点负责检测水产养殖池塘环境的值、溶解氧和温度的实际值并通过无线传感器网络上传给现场监控端，控制节点负责调节水产养殖池塘值，现场监控端负责监控水产养殖池塘参数监控过程，实现对水产养殖池塘环境值、溶解氧和温度参数的检测和对值的控制。（见图1）
2）根据水产养殖池塘环境值参数的工况面积大、变化的非线性与大滞后和池塘值的分布不均衡等特点，在现场监控端和控制节点中设计基于复合控制器的养殖池塘值串级控制系统来提高水产养殖池塘环境值参数稳定性、控制精度和系统响应速度以及池塘环境值的分布均衡度。（见图2）
基于复合控制器的养殖池塘值串级控制系统：每个水产养殖池塘由多个基于复合控制器的养殖池塘值串级控制系统组成，实现对水产养殖池塘多个子区域值的分别控制，提高整个池塘控制的稳定性、精度和均衡度。基于复合控制器的养殖池塘值串级控制系统组成由作为主调节器的复合控制器和作为副调节器的构成，形成对池塘值的串级控制，在现场监控端设计复合控制器，在控制节点设计控制器，它的输入为被控制池塘值的理想值和每个子区域值的神经网络辨识值，其中：复合控制器由被控制PH值参数的调节器、前馈模糊控制器、参数调整模糊控制器、补偿模糊控制器、神经网络和校正控制单元组成；调节器和前馈模糊控制器相并联负责调节养殖池塘PH值，参数调整模糊控制器负责调整调节器和和前馈模糊控制器的、和参数，提高调节器和前馈模糊控制器的调节性能，神经网络对池塘每个子区域的值参数进行辨识并作为复合控制器的反馈值实现池塘值的串级预测控制，补偿模糊控制器的输入为整个池塘值的均值和每个子区域神经网络的辨识值，它作为池塘每个子区域值的补偿调节器来使整个池塘PH值分布均衡，校正控制作为控制系统的内模控制来提高池塘值控制系统的鲁棒性、控制精度和提高池塘值的响应速度，该控制系统使提高水产养殖池塘环境值参数稳定性、控制精度和系统响应速度以及池塘环境值的分布均衡度等问题。
水产养殖池塘环境值的复合控制器与池塘每个子区域值的网络辨识模型实现对值的预测控制，参数调整模糊控制器负责调整调节器和和前馈模糊控制器的、和参数，提高调节器和前馈模糊控制器的调节性能，解决被控制池塘值的非线性、大滞后和响应速度慢的问题，通过对被控制池塘值的理想给定值与池塘值的辨识值的误差和误差变化来及时调整调节器和前馈模糊控制器的输出来实现池塘值的预测控制；校正控制作为预测控制的补充进一步提高被池塘值参数的精度、响应速度和控制系统鲁棒性，提高该控制系统的适应性。
本发明在串级控制的基础上，采用基于复合控制器的养殖池塘值串级控制系统来对池塘环境值参数进行控制，该控制方法确保水产养殖池塘环境值稳定在理想给定值附近，该控制系统能够充分发挥、模糊控制、内模控制、串级控制和预测控制的优点，该控制方法无论是抗干扰能力还是在鲁棒性方面与传统的串级 控制及常规的模糊控制相比较都有了很大的提高。基于复合控制器的养殖池塘值串级控制系统，提高了水产养殖池塘环境值参数的控制品质，提高了系统响应速度、稳定了水产养殖池塘环境值参数和提高了池塘值的分布均衡性，抑制了多种干扰对水产养殖池塘环境值参数的影响。
本发明专利与现有技术相比，具有以下明显优点：
1、本发明专利根据水产养殖池塘环境值参数工况面积大、变化的非线性与大滞后和池塘值的分布不均衡的特点，把一个水产养殖池塘分成多个子区域，设计基于复合控制器的养殖池塘值串级控制系统对它们进行分别控制，提高被控制池塘值参数稳定性、响应速度和控制精度，在复合控制器中设计了补偿模糊控制器提高养殖池塘各个区域值分布的均衡性。
2、本发明采用基于复合控制器的养殖池塘值串级控制系统，水产养殖池塘执行机构的调节器是根据水产养殖池塘环境值参数的复合控制器输出来调整水产养殖池塘环境执行机构状态的随动系统，副调节器回路已经尽可能把被控过程中对影响水产养殖池塘环境值参数变化的剧烈、频繁和幅度大的主要扰动包括在副调节器回路中，副调节器回路对包含在其中影响电磁阀开度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被控制养殖池塘环境值参数的影响很小，所以产养殖池塘环境值参数的变化稳定，系统能够快速响应水产养殖池塘环境对值参数的要求。
3、本发明通过产养殖池塘环境值参数的神经网络辨识器模型对产养殖池塘环境值参数进行预估，通过该预估值与水产养殖池塘环境值参数理想给定值的误差和误差变化不断修正池塘环境值复合控制器的输出给执行机构的副调节器使池塘环境值的实际值随时向预定的设定值靠近，该控制系统不允许被控制量池塘环境值参数存在偏差而准确保持被调量符合水产养殖要求，池塘环境值参数发生扰动时，就能快速把池塘环境值参数调节到所需要的数值上。该控制系统对误差实施的是预测闭环控制，具有良好的鲁棒性。
4、本发明池塘环境值参数的复合控制中的调节器和前馈模糊控制器相并联提高被控制参数控制精度和鲁棒性，参数调整模糊控制器根据被控制参数的误差和误差变化情况随时调节调节器和前馈模糊控制器的参数，提高它们的控制品质。该组合控制对池塘环境PH值的滞后性与非线性对象的控制有很强的鲁棒性，控制系统对给定值的跟踪特性好。
5、补偿模糊控制器根据池塘各个区域值参数分布不均衡，对各个子区域值参数进行补偿调节，提高池塘值参数的稳定性，提高养殖池塘值分布的均衡性，减少对池塘养殖动植物的生长影响，提高池塘的养殖效益。
6、本发明池塘环境PH值参数的复合控制中通过内模控制增加校正控制环节与预测控制的共同作用，来补充预测串级控制系统的误差，池塘环境值参数的稳定性有了很大的提高，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，池塘环境PH值参数的控制精度高、抗干扰能力强和参数的稳定性能好，具有较好的应用和推广价值。
7、本发明将PID控制、神经网络、预测控制、模糊控制、串级控制和内模控制相结合，设计基于复合控制器的养殖池塘值串级控制系统。该控制系统克服了单纯控制对池塘环境值的大惯性大延迟对象调节品质差和抗干扰性弱的缺点，池塘环境值参数的RBF神经网络辨识器模型有效地补偿了传统预测控制基于线性模型的局限性。将该控制系统用于水产养殖池塘环境值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水产养殖池塘环境值参数采集与控制平台；
1-检测节点，2-控制节点，3-网关节点，4-现场监控端
图2基于复合控制器的养殖池塘值串级控制系统；
图3 神经网络辨识结构图；
图4检测节点硬件结构图；
图5控制节点硬件结构图；
图6网关节点硬件结构图；
图7现场监控端软件功能；
图8 养殖池塘环境值控制系统平面布置结构图。
具体实施方式:
（1）检测节点设计
检测节点包括数据处理器MSP430、无线传输单元nRF2401、传感采集单元以及电源供应单元。温度传感器采用数字温度传感器DS18B20，值传感器采用型号为H-101，溶解氧传感器采用DO-957型极谱式溶解氧传感器，信号调理电路中均使用了低功耗芯片设计放大电路。整个编程过程采用模块化设计，主要包括设备初始化、数据采集与处理和无线通信等模块。检测节点周期性地采集数据，采集时间间隔设为30 min，检测节点将本地采集数据通过无线传感器网络发送网关节点，检测节点硬件结构如图4所示。
（2）控制节点设计
控制节点输出通路设计D/A转换电路实现对电磁阀设备开度的控制来调节池塘值，控制节点采用NRF2401模块的无线通信接口，软件主要功能是对电磁阀设备控制和外部设备无线通信，设计了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，处理器MSP430系列单片机支持C语言程序设计，适用于MSP430系列的C语言与标准C语言，兼容程度高，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。控制节点硬件结构见图5所示。
（3）网关节点设计
检测节点与控制节点与现场监控端4的信息交互需要通过网关节点来实现，网关节点是它们之间信息交互的中转站，起着承上启下的作用。网关节点定时查询检测节点与控制节点的信息，并将数据打包传送到现场监控端；或者是相反的过程；现场监控端发出的指令通过网关节点传送到检测节点与控制节点，网关节点硬件结构见图6所示。
（4）现场监控端
现场监控端定时从串口读取从检测节点采集的水产养殖池塘环境参数，它对检测节点的参数能够进行实时显示、曲线显示、数据存储和历史查询。在现场监控端设计复合控制器包括调节器+前馈模糊控制器+参数自调整模糊控制器+补偿模糊控制器+神经网络辨识器，实现对池塘环境值的监控。现场监控端软件功能见图7所示。
①、参数自调整模糊控制器设计
在水产养殖环境PH值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，常规调节器+固定量化因子的前馈模糊控制器已经不能满足养殖动物对值稳定精度的要求，参数自调整模糊控制能够根据池塘值给定值与实际值误差和误差的变化对调节器的和和前馈模糊控制器的进行调节，通过控制器准确地调整电磁阀的开度来使池塘值迅速跟踪系统的目标值，提高池塘值控制系统的响应速度，有效地抑制值控制系统的干扰变化。在前馈模糊控制器的比例因子的大小加上一个伸缩因子，克服常规模糊控制自适应能力有限的缺点，提高池塘值控制系统快速响应性能和稳态精度。自调整模糊控制器的输入为值误差和误差变化率，参数自调整模糊控制器根据池塘值误差和误差变化来调节调节器的和和前馈模糊控制器的，实现对池塘值自适应控制的目的。参数自调整模糊控制器根据前馈模糊控制器的比例因子对池塘环境值控制系统性能的影响，可得到如下调整规则：当误差和误差变化较大时，需附加较大的电磁阀开度使池塘值含量迅速做出响应，应加大比例因子，从而可以获得较大的电磁阀开度，使响应速度加快。当误差和误差变化较小时，池塘值含量已经接近稳定状态，需要电磁阀的开度较小，为了提高控制精度，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，设计了一个参数自调整模糊控制器、调节器和前馈模糊控制器的原理框图如图2所示。
② 神经网络设计
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，神经网络具有收敛速度快、逼近能力强、训练周期短和网络结构易于调整的优点。本发明采用神经网络对池塘值进行在线辨识。在网络结构中，的输入向量X为：
且，和分别为的实际值和电磁阀控制系统的输入值。池塘值的神经网络辨识结构如图3所示。
(5) 水产养殖池塘环境值参数控制系统的设计举例
根据水产养殖池塘的相对位置和区域面积，系统布置了检测节点、控制节点、网关节点和现场监控端，该系统对调节池塘值的溶剂进行控制，实现对水产养殖池塘值的调节，养殖池塘环境值控制系统平面布置结构见图8所示。
本发明方案所公开的技术手段不仅限于上述实施方式所公开的技术手段，还包括由以上技术特征任意组合所组成的技术方案。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也视为本发明的保护范围。
Claims (1)
1.一种无线传感器网络的养殖池塘PH值控制系统，其特征在于：所述系统由水产养殖池塘环境PH值参数采集与控制平台和基于复合控制器的养殖池塘值串级控制系统组成，其中：
1）水产养殖池塘环境PH值参数采集与控制平台：包括水产养殖池塘环境参数的检测节点、控制节点、网关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实现它们之间的信息交互，检测节点负责检测水产养殖池塘环境的PH值、溶解氧和温度的实际值并通过无线传感器网络上传给现场监控端，控制节点负责调节水产养殖池塘PH值，现场监控端负责监控水产养殖池塘参数检测与调控过程；
2）基于复合控制器的养殖池塘PH值串级控制系统：该系统由作为主调节器的复合控制器和作为副调节器的PID构成，复合控制器由被控制PH值参数的调节器、前馈模糊控制器、参数调整模糊控制器、补偿模糊控制器、RBF神经网络和校正控制组成，PI调节器和前馈模糊控制器并联负责调节养殖池塘PH值，参数调整模糊控制器负责调整PI调节器与前馈模糊控制器的KP、Ki和KU参数来提高PI调节器和前馈模糊控制器的调节性能，补偿模糊控制器作为池塘PH值的补偿调节器来使池塘PH值分布均衡，RBF神经网络对被控制养殖池塘区域的PH值进行辨识实现池塘PH值的预测控制，校正控制作为被控制系统的内模控制来提高被控制养殖池塘PH值精度和控制系统鲁棒性，该控制系统使养殖池塘PH值的实际值迅速跟踪养殖池塘环境PH值参数的理想给定值；根据水产养殖池塘环境PH值参数的工况面积大、PH变化的非线性与大滞后和池塘PH值的分布不均衡特点，每个水产养殖池塘由多个基于复合控制器的养殖池塘PH值串级控制系统组成，实现对水产养殖池塘多个子区域PH值的分别控制，提高整个池塘PH控制的稳定性、精度和均衡度；补偿模糊控制器的输入为整个池塘PH值的均值和每个子区域RBF神经网络的辨识值，它作为池塘每个子区域PH值的补偿调节器来使整个池塘PH值分布均衡。
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Denomination of invention: A wireless sensor network-based PH value control system for aquaculture ponds Effective date of registration: 20220913 Granted publication date: 20180126 Pledgee: Weihai City Commercial Bank Limited by Share Ltd. high tech branch Pledgor: WEIHAI GEMHO DIGITAL MINE TECHNOLOGY CO.,LTD. Registration number: Y2022980015049 |
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