CN108008636A - 基于无线传感器网络的渔业养殖监测系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供了基于无线传感器网络的渔业养殖监测系统，包括养殖监控终端以及皆与养殖监控终端连接水质监测模块、增氧控制模块、给排水控制模块和温度控制模块；所述养殖监控终端用于实时显示当前的养殖场水质环境参数信息，在养殖场环境异常时，发送控制命令给水质监测模块、增氧控制模块、给排水控制模块、温度控制模块；水质监测模块、增氧控制模块、给排水控制模块以及温度控制模块根据所述的控制命令执行相应的操作。本发明使渔业养殖户可以实时掌握养殖水质环境信息，实现水产养殖的科学养殖与管理。

Description

基于无线传感器网络的渔业养殖监测系统

技术领域

本发明涉及渔业养殖领域，具体涉及基于无线传感器网络的渔业养殖监测系统。

背景技术

相关技术中，养殖模式在生产实践中存在种种弊端，对渔业养殖环境无法实时监测，所生产的水产品难以满足市场需求。具体表现在如下几方面：一、养殖水域环境条件不断恶化在大中城市的郊区也由于种种原因，养殖水域污染日趋严重，如全国著名的池塘养鱼高产区——无锡河厥口的池塘养鱼业，因为梁溪河严重污染等原因正逐步萎缩；二、养殖水域的二次污染十分严重，例如在海水养殖方面，人类过度开发养殖业已经大大超过了海水的自净能力，对虾病的泛滥就是最典型的事例；三、水产资源遭到严重的破坏，不少水域生态失衡，水域的过度开发，导致原有的水草资源破坏，原有的优良品种种质退化，直接危害到水产养殖业的生存与发展。

发明内容

针对上述问题，本发明旨在提供基于无线传感器网络的渔业养殖监测系统。

本发明的目的采用以下技术方案来实现：

基于无线传感器网络的渔业养殖监测系统，包括水质监测模块、增氧控制模块、给排水控制模块、温度控制模块以及养殖监控终端；所述水质监测模块与养殖监控终端连接，用于实时采集养殖场水质环境参数，输出给养殖监控终端；所述增氧控制模块与养殖监控终端连接，用于根据养殖监控终端提供的控制指令，控制增氧设备动作；所述给排水控制模块与养殖监控终端连接，用于根据养殖监控终端提供的控制指令，自动换水；所述温度控制模块与养殖监控终端连接，用于根据养殖监控终端提供的控制指令，自动调节养殖场的水温；所述养殖监控终端用于实时显示当前的养殖场水质环境参数信息，在养殖场环境异常时，发送控制命令给水质监测模块、增氧控制模块、给排水控制模块、温度控制模块。

优选地，所述增氧控制模块包括增氧控制器、空气压缩机与增氧机，增氧控制器根据养殖监控终端提供的控制指令，控制空气压缩机与增氧机动作。

优选地，所述水质监测模块包括多个传感器节点和一个无线控制终端，传感器节点用于实时采集养殖场水质环境参数，无线控制终端用于汇聚传感器节点采集的采集养殖场水质环境参数。

优选地，所述养殖监控终端包括无线接入点和监控计算机，无线控制终端汇聚的养殖场水质环境参数通过无线接入点汇总到监控计算机，监控计算机对采集养殖场水质环境参数进行分析处理，做出控制决策，通过无线接入点发送控制指令。

本发明的有益效果为：使渔业养殖户可以通过计算机等养殖监控终端实时掌握养殖水质环境信息，并可以实时调整控制设备，实现水产养殖的科学养殖与管理，最终实现节能降耗、绿色环保。

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本发明一个实施例的结构示意框图；

图2是本发明一个实施例的养殖监控终端的结构示意框图。

附图标记：

水质监测模块1、增氧控制模块2、给排水控制模块3、温度控制模块4、养殖监控终端5、无线接入点10、监控计算机20。

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，本实施例的基于无线传感器网络的渔业养殖监测系统，包括水质监测模块1、增氧控制模块2、给排水控制模块3、温度控制模块4、养殖监控终端5；所述水质监测模块1与养殖监控终端5连接，用于实时采集养殖场水质环境参数，输出给养殖监控终端5；所述增氧控制模块2与养殖监控终端5连接，用于根据养殖监控终端5提供的控制指令，控制增氧设备动作；所述给排水控制模块3与养殖监控终端5连接，用于根据养殖监控终端5提供的控制指令，自动换水；所述温度控制模块4与养殖监控终端5连接，用于根据养殖监控终5端提供的控制指令，自动调节养殖场的水温；所述养殖监控终端5用于实时显示当前的养殖场水质环境参数信息，在养殖场环境异常时，发送控制命令给水质监测模块1、增氧控制模块2、给排水控制模块3、温度控制模块4。

可选地，所述增氧控制模块2包括增氧控制器、空气压缩机与增氧机，增氧控制器根据养殖监控终端5提供的控制指令，控制空气压缩机与增氧机动作。

传统养殖模式里，鱼池换水全部有人工完成，费时费力。给排水控制模块3可根据水质需要进行自动换水，监测人员也可以根据养殖监控终端5实时显示的当前的养殖场水质环境参数信息判断养殖池是否需要换水，并通过远程控制系统进行换水。

可选地，温度过高和过低都会影响水生生物的生长状况，为了保证养殖场水温恒定，可在进水口建立水温缓冲池，通过与系统对接的温度控制模块4调节水温，之后在将缓冲池内恒温水送入养殖池内。当养殖池温度过高时，系统自动打开进出水口，更换池水，达到降温目的。

可选地，所述水质监测模块1包括多个传感器节点和一个无线控制终端，传感器节点用于实时采集养殖场水质环境参数，无线控制终端用于汇聚传感器节点采集的采集养殖场水质环境参数。传感器节点包括传感器，其中传感器为溶解氧传感器、酸碱度传感器、水位传感器、盐度传感器或浊度传感器。本实施例利用无线传感器网络技术来实现对水质的监测以及进行养殖场水质环境参数采集，无线布线，省时省力。

可选地，如图2所示，所述养殖监控终端5包括无线接入点10和监控计算机20，无线控制终端汇聚的养殖场水质环境参数通过无线接入点10汇总到监控计算机20，监控计算机20对采集养殖场水质环境参数进行分析处理，做出控制决策，通过无线接入点10发送控制指令。

本发明上述实施例使渔业养殖户可以通过计算机等养殖监控终端5实时掌握养殖水质环境信息，并可以实时调整控制设备，实现水产养殖的科学养殖与管理，最终实现节能降耗、绿色环保。

在一个实施例中，所述的无线控制终端设置于设定的渔业养殖监测区域外，传感器节点部署于设定的渔业养殖监测区域内，其中该设定的渔业养殖监测区域为H×H的二维正方形区域。

在一个实施例中，在进行传感器节点的布设时，各传感器节点基于网格的形式进行部署，具体包括：

(1)估计需要在该设定的渔业养殖监测区域内部署的传感器节点数量K，将该设定的渔业养殖监测区域划分Φ个大小相等的正方形虚拟网格：

式中，M为传感器节点失效的概率；

(2)设K_i表示第i个正方形虚拟网格应部署的最优传感器节点数量，按照下列公式对K_i进行计算，并按照计算的最优传感器节点数量在各正方形虚拟网格中均匀部署传感器节点：

式中，L_i-sink表示第i个正方形虚拟网格中心点到无线控制终端的距离，表示各正方形虚拟网格的中心点到无线控制终端的距离之和，其中L_j-sink表示第j个正方形虚拟网格中心点到无线控制终端的距离，j＝1,2…,Φ，int{·}为取整函数。

现有技术中利用传感器节点构建渔业养殖监测系统的无线传感器网络时，传感器节点的部署很少采用科学的部署策略或算法，带有一定的随意性，然而传感器节点向无线控制终端传输数据时，通常要通过中间节点路由，离无线控制终端越近的传感器节点，需转发的数据也越多，因而会消耗更多的能量，因此无线控制终端附近的传感器节点能量将很快耗尽而“死亡”，无线控制终端也就无法收集养殖场水质环境参数，严重影响了网络的生命周期；本实施例相对于现有技术，提供了较为科学的传感器节点部署策略，该策略简单，易于实施。

其中，本实施例根据正方形虚拟网格的中心点到无线控制终端的距离确定每个正方形虚拟网格应部署的最优传感器节点数量，能够使得距离无线控制终端越近的正方形虚拟网格中部署更多的传感器节点，有利于平衡每个传感器节点的能量消耗，避免离无线控制终端越近的传感器节点越早“死亡”的现象，大大优化网络中传感器节点的能量消耗，使得网络中各正方形虚拟网格的传感器节点尽可能同时消耗完自身的能量，从而有效地延长整个网络的生命期，并提高渔业养殖监测系统的可靠性，达到减少维护的目的。

在一个实施例中，按照下列公式估计需要在该设定的渔业养殖监测区域内部署的传感器节点数量K：

式中，U表示预设的传感器节点覆盖率，P_max为传感器节点可调的最大感知半径，P_min为传感器节点可调的最小感知半径，d为预设的调节系数，H的取值范围为[0.6,0.8]，int[·]为取整函数。

其中，为保证一定的网络覆盖度，传感器节点覆盖率U的取值应控制在80％以上。作为优选，传感器节点覆盖率U的取值为96％。

本实施例基于传感器节点覆盖率和传感器节点的可调的感知半径两个因素进行考虑，设定了需要在该设定的渔业养殖监测区域内部署的传感器节点数量的计算公式，从而为传感器节点的布设提供了科学的依据。监测人员依据该计算公式估计的数量在设定的渔业养殖监测区域内实施传感器节点的部署，能够保证一定的网络覆盖度，有利于实现对渔业养殖监测区域的全面监测。

在一个实施例中，网络初始化时，传感器节点通过分簇路由协议动态地产生簇头节点和普通成员节点，最终形成自组织网络，其中簇头节点负责收集簇内普通成员节点获得的养殖场水质环境参数，且收集的养殖场水质环境参数的最终目的地为无线控制终端。本实施例通过分簇的形式进行养殖场水质环境参数的收集和传输，有利于降低养殖场水质环境参数传输的能耗。

在一个实施例中，传感器节点通过分簇路由协议动态地产生簇头节点和普通成员节点，具体包括：

(1)设定每个正方形虚拟网格即为一个簇，传感器节点根据自己的地理位置信息，判断自己所属的簇，同一正方形虚拟网格中的传感器节点可以相互获取信息，形成邻居节点列表，无线控制终端向每个传感器节点广播分簇消息，其中分簇消息包括等待时间阈值，每个正方形虚拟网格中的传感器节点在收到无线控制终端发送的分簇消息后，设Z_a表示传感器节点a的状态值，传感器节点a按照下列公式计算Z_a，并向通信范围内的其他传感器节点即邻居节点广播自己的状态值：

式中，W_a为传感器节点a的当前剩余能量，W_a0传感器节点a的初始能量，为传感器节点a到其所属正方形虚拟网格的中心点o_a的距离，B表示正方形虚拟网格的边长，L_a-j表示传感器节点a到其第j个邻居节点的距离，n_a表示传感器节点a的邻居节点个数；

(2)传感器节点在等待时间阈值内接收其他传感器节点发送的状态值，若接收到一个状态值大于自身的状态值时，该传感器节点即放弃簇头节点的竞选，充当普通成员节点；若在等待时间阈值内接收到的状态值皆小于自身的状态值时，该传感器节点成为簇头节点，并向邻居节点广播通知。

本实施例基于上述的分簇模型，进一步提出了传感器节点的分簇路由策略，该策略将正方形虚拟网格作为一个簇单位，并通过状态值的比较进行簇头节点的竞选，有利于实现均匀分簇，且使得与各邻居节点相近的、更靠近所属正方形虚拟网格中心的、剩余能量多的传感器节点具有更大的几率成为簇头节点，该分簇路由协议能够减少网络总能量消耗，平衡传感器节点能量消耗，从而在整体上能够节省渔业养殖监测系统的通信成本，提高渔业养殖监测系统工作的可靠度，为更好对渔业养殖场进行水环境的监测管理奠定基础。

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理解，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 (6)

1.基于无线传感器网络的渔业养殖监测系统，其特征是，包括水质监测模块、增氧控制模块、给排水控制模块、温度控制模块以及养殖监控终端；所述水质监测模块与养殖监控终端连接，用于实时采集养殖场水质环境参数，输出给养殖监控终端；所述增氧控制模块与养殖监控终端连接，用于根据养殖监控终端提供的控制指令，控制增氧设备动作；所述给排水控制模块与养殖监控终端连接，用于根据养殖监控终端提供的控制指令，自动换水；所述温度控制模块与养殖监控终端连接，用于根据养殖监控终端提供的控制指令，自动调节养殖场的水温；所述养殖监控终端用于实时显示当前的养殖场水质环境参数信息，在养殖场环境异常时，发送控制命令给水质监测模块、增氧控制模块、给排水控制模块、温度控制模块。

2.根据权利要求1所述的基于无线传感器网络的渔业养殖监测系统，其特征是，所述增氧控制模块包括增氧控制器、空气压缩机与增氧机，增氧控制器根据养殖监控终端提供的控制指令，控制空气压缩机与增氧机动作。

3.根据权利要求1所述的基于无线传感器网络的渔业养殖监测系统，其特征是，所述水质监测模块包括多个传感器节点和一个无线控制终端，传感器节点用于实时采集养殖场水质环境参数，无线控制终端用于汇聚传感器节点采集的采集养殖场水质环境参数。

4.根据权利要求3所述的基于无线传感器网络的渔业养殖监测系统，其特征是，所述养殖监控终端包括无线接入点和监控计算机，无线控制终端汇聚的养殖场水质环境参数通过无线接入点汇总到监控计算机，监控计算机对采集养殖场水质环境参数进行分析处理，做出控制决策，通过无线接入点发送控制指令。

5.根据权利要求3所述的基于无线传感器网络的渔业养殖监测系统，其特征是，所述的无线控制终端设置于设定的渔业养殖监测区域外，传感器节点部署于设定的渔业养殖监测区域内，其中该设定的渔业养殖监测区域为H×H的二维正方形区域。

6.根据权利要求5所述的基于无线传感器网络的渔业养殖监测系统，其特征是，按照下列公式估计需要在该设定的渔业养殖监测区域内部署的传感器节点数量K：

<mrow> <mi>K</mi> <mo>=</mo> <mi>int</mi> <mo>&amp;lsqb;</mo> <mfrac> <mrow> <mi>H</mi> <mo>&amp;times;</mo> <mi>H</mi> <mo>&amp;times;</mo> <mi>U</mi> </mrow> <mrow> <mi>&amp;pi;</mi> <msup> <mrow> <mo>(</mo> <mfrac> <mn>1</mn> <mn>4</mn> </mfrac> <mi>d</mi> <mo>&amp;times;</mo> <msqrt> <mrow> <msup> <msub> <mi>P</mi> <mi>max</mi> </msub> <mn>2</mn> </msup> <mo>+</mo> <msup> <msub> <mi>P</mi> <mi>min</mi> </msub> <mn>2</mn> </msup> </mrow> </msqrt> <mo>)</mo> </mrow> <mn>2</mn> </msup> </mrow> </mfrac> <mo>&amp;rsqb;</mo> </mrow>

式中，U表示预设的传感器节点覆盖率，P_max为传感器节点可调的最大感知半径，P_min为传感器节点可调的最小感知半径，d为预设的调节系数，H的取值范围为[0.6,0.8]，int[·]为取整函数。