基於無線傳感器網絡的淡水魚養殖環境監控系統的製作方法

2023-04-26 15:16:26

專利名稱：基於無線傳感器網絡的淡水魚養殖環境監控系統的製作方法
技術領域：
本發明涉及淡水魚養殖環境監控技術，特別涉及ー種基於無線傳感器網絡的淡水魚養殖環境監控系統。
背景技術：
國內外水產養殖業就智能無線傳感網絡以及增氧機方案進行了研究，並針對魚塘水質及溶解氧檢測等開發了基於無線傳感網絡的智能預警系統，有效提高魚塘水質，同時也在一定程度上提高了魚塘產量。此類基於無線傳感器網絡的淡水魚養殖環境監控系統作為ー種魚塘水質監控系統，根據池塘水質的實時變化及天氣溫度等信息，調用相關算法，保證魚塘水質，並有效提聞廣量。目前國內外相關技術的開發現狀如下隨著國民經濟發展，エ業自動化和科學技術進歩，經過近20年來的科學研究和技術推廣，我國設施漁業整體水平顯著提高，形成エ廠化養魚、流水養魚(包括溫流水養魚和冷流水養魚)、池塘循環微流水養魚和湖泊、水庫三網(圍網、攔網、網箱)養魚等多種方式，以適應我國不同水域生態環境條件的開發和利用。傳統的養殖方式與新技術結合，使魚的產量和經濟效益得到了極大地提高，一般高產水平能提高到8000公斤以上。我國設施漁業的養殖方式是多種多祥的，其共同特點，一是集約化程度很高，ニ是投餵高質配合餌料，三是精細的餵養，四是嚴格的管理。它的核心是強化養殖，手段是機械化和自動化。我國的漁業自動化起步較晚，研究利用微機系統自動控制增氧機已經取得進步，但仍存在尚待解決的問題，比如傳感器靈敏度、使用壽命等。對於生物因子的自動檢測和調控以及對水體生態環境等相關基礎理論研究幾乎沒有進展。這也是我國與國外先進技術的顯著差距。要實現對水產養殖環境的實時監測，各種信息的獲取與傳輸是最重要的關鍵技術之一。在水產養殖環境的實時監測領域，美國、日本等發達國家，都先後在水產養殖業應用了相關的實時監測系統。自20世紀60年代開始，隨著傳感網絡技術以及計算機技術的發展，國內外的水產養殖環境的實時監測系統有以下三類模式第一類美國高密度水產養殖系統的程序控制技術通用控制系統是基於微機的控制系統，用於控制海水魚孵化系統的環境條件。該系統可連續監控光周期、溫度、水位、壓縮空氣壓力，以便通知當地有報警條件的工作人員，並可用電話撥號盤遠程控制。該系統由微機、輸人/輸出數據記錄儀和遙控組件構成，其最有效的系統是監測溶解氧水溫、PH值、空氣溫度、相對溼度、太陽能輻射、風速、風向，並控制泵閥、增氧機。該系統已經用於控制飼料投餵系統。該系 統擴展性以及通用性雖然很好，其主要是基於有線的通信儀表儀器連接並完成控制，在大面積的魚塘養殖系統的傳感器網絡中，顯然不適用。第二類基於無線射頻技術的傳感器監控系統基於無線通信技術的養殖水質監測系統，使用傳統射頻收發晶片，如nRF9E5等，實現了對養殖水質中溶解氧含量、PH值、氨氮(NH3-N)含量以及硫化氫含量等水質指標的動態監測。該方案非常成熟，同時具有非常好的單片機接ロ。但是，該點對點無線通信方法適用於通信節點比較少和數據通信量較小的場合。當通信節點數較多時，通過軟體很難實現大量的通信節點管理，而且這種通信方式沒有可以遵循的標準協議，不利於通信的兼容性。第三類基於無線網絡傳感器監控系統天津科技大學曾經開發了基於GSM技術的魚塘溶解氧檢測與無線傳輸系統，該系統應用了無線傳感網絡，使用了 GPRS技術進行無線通信，將測控信息採集到上位機處理，完成魚塘溫度、含氧量的採集和報警工作。其傳感器網絡採用Zigbee網絡節點。ZigBee是ー種便宜，功耗低的近距離無線組網通信技術，核心技術是多信道無線通信裝置和微控制器集成在半導體晶片上，目的是為了大幅降低無線終端的成本和功耗，以達到「無所不在」的目的。該網絡又稱為傳感器網絡或Zigbee網絡。
以上水產品養殖預警系統均是採集池塘信息，並沒有提供針對具體行業的緊急情況做出初歩或者有效的調整，沒能很好的提供針對水產養殖規模化、自動化、專業化的解決方案。

發明內容
本發明所要解決的技術問題，就是提供ー種基於無線傳感器網絡的淡水魚養殖環境監控系統，適應大面積エ業化淡水魚養殖環境監控的需要。本發明解決所述技術問題，採用的技術方案是，基於無線傳感器網絡的淡水魚養埴環境監控系統，包括通過Zigbee網絡與i個節點連接的簇頭節點，k個簇頭節點通過zigbee網絡與匯聚節點連接，m個匯聚節點通過通信網絡與監控中心連接,所述i、k、m均為自然數；所述節點、簇頭節點以及匯聚節點配置有水溫傳感器、溶解氧傳感器、增氧機、節點處理模塊和無線傳輸模塊；所述水溫傳感器和溶解氧傳感器與節點處理模塊連接；所述節點處理模塊與無線傳輸模塊連接，通過所述無線傳輸模塊傳輸數據；所述節點處理模塊與增氧機連接，控制所述增氧機開啟或關閉；所述匯聚節點還包括大氣壓傳感器、PH值傳感器和通信模塊，所述大氣壓傳感器、PH值傳感器與節點處理模塊連接，所述通信模塊與無線傳輸模塊連接。具體的，所述通信網絡為GPRS網絡、CDMA網絡、WCDMA網絡、TD-SCDMA網絡、TD-LTE網絡、Internet網絡或衛星通信網絡。進ー步的，所述節點處理模塊包括信號調理模塊、AD轉換模塊、處理器和驅動模塊，信號調理模塊用於對採集的數據進行放大和整形，所述AD轉換模塊與信號調理模塊連接，對數據進行模數轉換，所述處理器與AD轉換模塊連接，對其輸出的數位訊號進行處理，根據處理結果輸出控制信號，所述驅動模塊與處理器連接，根據其輸出的控制信號驅動增氧機，所述處理器與無線傳輸模塊連接。優選的，所述處理器採用中位值平均濾波法進行溶解氧傳感器和水溫傳感器採集數據的處理。具體的，所述i彡5，k彡9。推薦的，所述簇頭節點具有獨立的供電系統。具體的，所述供電系統為太陽能發電裝置。
本發明的有益效果是，使用Zigbee網絡完成節點、簇頭節點和會聚節點之間的通信連接，耗電省，節點布置方便、靈活、快速，成本低，匯聚節點通過通信網絡與監控中心進行通信連接，可以實現大範圍的無線監控網絡布局，非常適合大規模淡水養殖業的自動控制。可以靈活配置增氧機，自動控制魚塘溶解氧含量，實時改善魚塘養殖環境。


圖I是淡水魚養殖區域中某一魚塘節點分布示意圖；圖2是節點結構示意圖；圖3是匯聚節點結構示意圖。
具體實施例方式下面結合附圖，詳細描述本發明的技術方案。本發明的基於無線傳感器網絡的淡水魚養殖環境監控系統，包括通過Zigbee網絡與i個節點連接的簇頭節點，k個簇頭節點通過zigbee網絡與匯聚節點連接,m個匯聚節點通過通信網絡與監控中心連接，所述i、k、m均為自然數；所述節點、簇頭節點以及匯聚節點配置有水溫傳感器、溶解氧傳感器、增氧機、節點處理模塊和無線傳輸模塊；所述水溫傳感器和溶解氧傳感器與節點處理模塊連接；所述節點處理模塊與無線傳輸模塊連接，通過所述無線傳輸模塊傳輸數據；所述節點處理模塊與增氧機連接，控制所述增氧機開啟或關閉；所述匯聚節點還包括大氣壓傳感器、PH值傳感器和通信模塊，所述大氣壓傳感器、PH值傳感器與節點處理模塊連接，所述通信模塊與無線傳輸模塊連接。在採用本發明的淡水魚養殖企業中，每個魚塘都有若干節點構成的傳感器網絡(Zigbee網絡)，每個節點配置有水溫傳感器、溶解氧傳感器，他們通過Zigbee網絡進行連接，傳輸數據。多個節點構成ー個簇，每個簇中設定ー個簇頭節點，用於接收本簇中所有節點的數據。簇頭節點將接收的數據與其自身採集的數據一起進行匯總處理和融合壓縮。多個簇頭節點通過Zigbee網絡與匯聚節點連接，經過內部路由將數據傳輸到匯聚節點。匯聚節點配置有大氣壓傳感器、PH值傳感器，用於對魚塘內的酸鹼度、大氣壓力等養殖環境參數的監測，其監測數據與所有節點共享。若干匯聚節點通過通信網絡與監控中心連接，管理員和用戶通過監控中心遠程監測魚塘內整個環境。同時各個節點根據對上述四項數據(水溫、溶解氧、大氣壓力和水的酸鹼度)的綜合分析，將做出判定是否魚塘發生缺氧或水質異常情況，決定是否發出預警或告警信息通知管理員和用戶，以及自動控制增氧機運行。實施例無線傳感器網絡節點布局如圖I所示，本例魚塘中共配置了 63個網絡節點，每7個節點為ー簇，其中設定ー個節點為簇頭節點，簇中的這些節點均與簇頭節點相鄰，他們與簇頭節點之間的通信基於Zigbee協議，簇中每個節點將採集的數據傳送給簇頭節點，由簇頭節點經過數據融合後再將壓縮得到的數據發送給匯聚節點。簇的形成和簇頭節點的選擇由網絡中採用的路由協議實現，本例魚塘共設9個簇頭節點。簇頭節點在Zigbee網絡中，通過適當的跳數連接到匯聚節點，各個匯聚節點(圖I中僅示出了 I個)其實就是網關，直接通過Internet或通信衛星與監控中心連接，或通過GPRS網絡、CDMA網絡、WCDMA網絡、TD-SCDMA網絡、TD-LTE網絡與監控中心連接，實現多個魚塘的管理。各簇頭節點通過「多跳」路由方式把融合後的數據傳送到匯聚節點，匯聚節點再利用通信網絡與監控中心通信。由於魚塘不是人無法接近的環境，因此還可以根據魚塘的布局，人工安排無傳感器的節點，用於進行組網通信。為了能實現比較精確地測量，可以將大塊水域分成多個區域，每個區域有一個節點配置增氧機用於增氧，其他節點可以不用都配置增氧機，而只配置水溫傳感器和/或溶解氧傳感器等，以便進一歩降低系統配置成本。在安排節點時人為的實現ー個區域為ー個簇。考慮簇頭節點的能量消耗比較大，可採用人エ幹預固定各簇頭節點，各簇頭均配置獨立的供電系統，如太陽能發電裝置等，以保證簇頭節點的能量。人工幹預使得簇的形成和簇頭節點的選擇不再具有隨機性，大大減少了系統的運算量，節約了能源，而且保證了系統結構的穩定，在系統運行過程中，不再需要根據能量的變化進行重構，方便了管理。圖2示出了本例節點的結構示意圖，該節點配有水溫傳感器、溶解氧傳感器、增氧機、節點處理模塊和無線傳輸模塊。其中節點處理模塊包括信號調理模塊，AD轉換模塊、處理器和驅動模塊。信號調理模塊用於對採集的水溫數據、溶解氧數據模擬信號進行放大和整形，然後送入AD轉換模塊，對數據進行模數轉換。本例處理器採用中位值平均濾波法對AD轉換模塊輸出的溶解氧傳感器和水溫傳感器數據進行處理，根據處理結果輸出控制信號。驅動模塊與處理器連接，根據處理器輸出的控制信號驅動增氧機，控制其開啟或關閉，調節魚塘溶解氧含量。本例節點還包括強制啟動模塊，可以在必要時強制啟動增氧機，補充魚塘溶解氧含量。無線傳輸模塊以nRF905為核心構成，可以將處理器輸出的數據進行網絡傳輸。監控中心主要完成各個魚塘相關參數建模預警工作，其功能重點是根據各匯聚節點反饋過來的數據建立各個魚塘的模型，根據模型對各個魚塘的相關信息進行分析處理，提出預警信息，同時可以自動或人為的對各個魚塘的相關設備(增氧機)進行控制。其主要功能如下數據收集及存儲對各個匯聚節點反饋的數據進行綜合和存儲。數據分析對各個匯聚節點傳來的數據進行分析、建摸。同時根據所建立的各個節點、簇頭節點的數據模型，對其監控範圍的水質情況進行監測，根據建立的模型對魚塘養殖物的生存狀況進行預測，為突發情況提供預警。無線傳感器網絡(包括節點、簇頭節點和匯聚節點)主要完成所在魚塘的相關數據採集和相關設備的控制。主要功能如下溶解氧判定使用溶解氧傳感器測量水中溶解氧的含量，並與相應的閥值進行對比，判定是否缺氧，如果異常則告警。水溫判定根據水溫傳感器測量水溫，並與相應的閥值進行比較，判定水溫是否異常，如果異常則告警。大氣壓強測量利用大氣壓傳感器測量大氣壓強，對魚塘水質情況預警與監測提供數據支持。PH值測量利用PH值傳感器測量水體PH值，為魚塘水質情況預警與監測提供數據支持。相關設備(如增氧機)的自動控制根據告警信號或者遠程控制信號的有無來控制設備是否運行。、
通信將每次所測得的信息進行編碼後通過無線網絡進行傳輸並接收監控中心發來的控制信號，對節點附屬的相關設備進行控制。本例匯聚節點結構如圖3所示，與節點結構圖2比較可以看出，其信號調理模塊連 接的傳感器更多，不但包括了溶解氧傳感器和水溫傳感器，還包括大氣壓傳感器、PH值傳感器和通信模塊。大氣壓傳感器、PH值傳感器均與節點處理模塊中的處理器連接，通信模塊與無線傳輸模塊連接，主要用於通過通信網絡傳輸數據和接收監控中心的指令。
權利要求
1.基於無線傳感器網絡的淡水魚養殖環境監控系統，包括通過Zigbee網絡與i個節點連接的簇頭節點，k個簇頭節點通過zigbee網絡與匯聚節點連接,m個匯聚節點通過通信網絡與監控中心連接，所述i、k、m均為自然數；所述節點、簇頭節點以及匯聚節點配置有水溫傳感器、溶解氧傳感器、增氧機、節點處理模塊和無線傳輸模塊；所述水溫傳感器和溶解氧傳感器與節點處理模塊連接；所述節點處理模塊與無線傳輸模塊連接，通過所述無線傳輸模塊傳輸數據；所述節點處理模塊與增氧機連接，控制所述增氧機開啟或關閉；所述匯聚節點還包括大氣壓傳感器、P H值傳感器和通信模塊，所述大氣壓傳感器、PH值傳感器與節
2.根據權利要求I所述的基於無線傳感器網絡的淡水魚養殖環境監控系統，其特徵在於，所述通信網絡為GPRS網絡、CDMA網絡、WCDMA網絡、TD-SCDMA網絡、TD-LTE網絡、Internet網絡或衛星通信網絡。
3.根據權利要求I所述的基於無線傳感器網絡的淡水魚養殖環境監控系統，其特徵在於，所述節點處理模塊包括信號調理模塊、AD轉換模塊、處理器和驅動模塊，信號調理模塊用於對採集的數據進行放大和整形，所述AD轉換模塊與信號調理模塊連接，對數據進行模數轉換，所述處理器與AD轉換模塊連接，對其輸出的數位訊號進行處理，根據處理結果輸出控制信號，所述驅動模塊與處理器連接，根據其輸出的控制信號驅動增氧機，所述處理器與無線傳輸模塊連接。
4.根據權利要求I所述的基於無線傳感器網絡的淡水魚養殖環境監控系統，其特徵在於，所述處理器採用中位值平均濾波法進行溶解氧傳感器和水溫傳感器採集數據的處理。
5.根據權利要求I所述的基於無線傳感器網絡的淡水魚養殖環境監控系統，其特徵在於，所述i彡5，k彡9。
6.根據權利要求I 5任意一項所述的基於無線傳感器網絡的淡水魚養殖環境監控系統，其特徵在於，所述簇頭節點具有獨立的供電系統。
7.根據權利要求6所述的基於無線傳感器網絡的淡水魚養殖環境監控系統，其特徵在於，所述供電系統為太陽能發電裝置。
全文摘要
本發明涉及淡水魚養殖環境監控技術。本發明公開了一種基於無線傳感器網絡的淡水魚養殖環境監控系統。本發明包與i個節點連接的簇頭節點，k個簇頭節點與匯聚節點連接，m個匯聚節點與監控中心連接，其中i、k、m均為自然數。本發明的節點、簇頭節點以及匯聚節點配置有水溫傳感器、溶解氧傳感器、增氧機、節點處理模塊和無線傳輸模塊。本發明的匯聚節點還包括大氣壓傳感器、PH值傳感器和通信模塊，大氣壓傳感器、PH值傳感器與節點處理模塊連接，通信模塊與無線傳輸模塊連接，用於向監控中心傳輸數據和接收指令。本發明可以實現大範圍的無線監控網絡布局，非常適合大規模淡水養殖業的自動控制。
文檔編號A01K61/00GK102645927SQ20121014816
公開日2012年8月22日 申請日期2012年5月14日 優先權日2012年5月14日
發明者任玉琢, 徐利梅, 李學生, 胡小川 申請人:四川天星照明工程設計有限公司