一種無線傳感器網絡的養殖池塘溶解氧控制系統的製作方法
2023-05-01 04:11:51 1
本發明涉及智能控制設備技術領域，具體涉及一種基於無線傳感器網絡的水產養殖池塘溶解氧智能控制系統。
背景技術：
水產池塘中溶解氧的多少直接影響魚類的健康生長，當水中溶解氧由4.5毫克/升下降到3.5毫克/升時，魚類對餌料的消化利用率下降50%，餌料係數上升50%以上；當溶解氧下降到3毫克/升以下時，就會對魚類的攝食、消化以及健康帶來較大的影響；溶解氧持續下降到1毫克/升以下，大部分魚類就會出現浮頭現象，持續下降會造成缺氧窒息死亡。經水產科技工作者長期的養殖實踐，一般養殖育苗池塘水體的溶解氧應保持在5mg/L-8mg/L，最低也要保持3mg/L，低於此值就會發生魚蝦浮頭、泛塘，甚至死亡。在養殖中，水質輕度缺氧雖不致魚蝦死亡，但嚴重影響其生長速度，使餌料係數提高，生產成本增加，養殖效益下降。草魚在溶氧量為2.72 mg/L的情況下比在5.56mg/L的情況下，其生長速度低9.88倍，飼料係數提高4倍，其它魚蝦也大致一樣。保持池塘中足夠的溶氧量，可抑制生成有毒物質的化學反應，轉化或降低有毒物質如氨、亞硝酸鹽和硫化氫的含量。例如：水中有機物糞便、殘餌、屍體等產生的氨和硫化氫，在充足的溶氧條件下，在微生物的氧化分解作用下，氨會轉為亞硝酸鹽，再轉化成硝酸鹽；硫化氫則被轉化成硫酸鹽，均產生無毒的最終產品，並被浮遊植物光合作用所吸收。因此，水中保持足夠的溶氧對水產養殖非常重要。假如缺氧的話，這些有毒物質極易迅速達到危害的程度。據測定，當水中溶氧從1.54 mg/L提高到2.2 mg/L時，NH3的含量由0.4mg/L降到0.2 mg/L，亞硝酸鹽可由0.4 mg/L降到0.01mg/L。魚類只有在水中溶氧量達到一定的數值後,才能維持其生命活動,且在一定的範圍內,其生長速度及對飼料的利用率都將隨著水中溶氧量的升高而增加,低氧對魚類的生活及生長十分不利。當水中的溶氧量低於1mg/L水時, 魚就會浮頭；當水中溶氧量低於0.5mg/L時,魚就會窒息死亡。研究表明，當水中的溶解氧含量降低到3mg/L以下時，對蝦的攝食量明顯減少；當溶解氧含量降到2mg/L以下時，對蝦幾乎不攝食，由此可能導致不蛻皮甚至死亡；而當溶解氧提到高到6 mg/L時死亡停止並大批蛻皮，開始正常生長。在22℃時，鯉魚的攝食率、餌料利用率和魚體增重率在含氧量4.1 毫克/升以下時急劇下降，在4.1 毫克/升以上時，則隨氧氣含量的升高而增大。很多地方受水源條件限制，不是水量有限就是水源水質溶氧量不高，增氧效果不明顯。所以利用增氧機增氧就顯得尤為重要，使水體各水層溶氧接近飽和溶氧量，攪動水層加速有機質在富氧條件下的無毒分解，消除有毒氣體；提高水體中的溶解氧，儘量使魚類生活在較高的溶氧環境中，健康快速生長。
現在的池塘養殖大多仍然依靠人工觀察魚蝦是否浮頭來開關增氧機，或者看別人的池塘開增氧機，自己也就開，存在一定的盲目性和滯後性，不但養殖者的精神壓力大，而且浮頭和泛塘現象難以避免。如果開始浮頭說明水體的溶解氧已經過低，必須搶救，增氧機成了救命機。低溶氧對魚蝦的生命和水質都是嚴重的威脅。傳統的水質監測採用儀表結合人工經驗操作的方法，存在耗時費力、監測範圍小、監測周期長，不能實時反映水環境的動態變化等弊端。王驥等設計了基於無線傳感器網絡海洋環境監測系統，實現了海洋生態環境監測、各類海洋氣象與災害的數值預報預測等功能，杜治國等提出了基於Zigbee無線傳感器網絡與網際網路結合的遠程實時水質監測系統架構，實現了水質監測參數的獲取及傳輸。為解決目前水產養殖水質自動監測系統存在布線困難、靈活性差和成本高等問題，構建了基於無線傳感器網絡的水產養殖水質監測系統。這些系統的研製有力促進水產養殖業的健康快速發展，但是這些控制系統都沒有結合進水產養殖池塘溶解氧參數的工況面積大、溶解氧變化的非線性與大慣性和池塘溶解氧參數的分布不均衡等特點，從根本上解決水產養殖池塘環境溶解氧參數不穩定、控制精度低和系統響應速度慢等問題。
技術實現要素：
本發明的目的是提供一種水產養殖池塘環境溶解氧智能控制系統，本發明根據水產養殖池塘環境溶解氧參數的工況面積大、溶解氧變化的非線性與大慣性和池塘溶解氧參數的分布不均衡等特點，設計了一種無線傳感器網絡的養殖池塘溶解氧控制系統。
本發明通過以下技術方案實現：
該系統由水產養殖池塘環境溶解氧採集與控制平臺、基於複合控制器的池塘溶解氧串級控制系統以及基於經濟最優推理的設定水產養殖池塘環境溶解氧的專家系統三部分組成。
1）水產養殖池塘環境溶解氧採集與控制平臺：包括水產養殖池塘環境溶解氧參數的檢測節點、控制節點、協調器節點和現場監控端組成，它們通過自組織方式構建成無線傳感器測控網絡，檢測節點負責檢測水產養殖池塘環境溶解氧、溫度和PH值參數實際值，控制節點負責對溶解氧進行控制，現場監控端實現對水產養殖池塘環境參數檢測與控制過程進行監控。（見圖1）
2）根據水產養殖池塘環境溶解氧的工況面積大、溶解氧變化的非線性與大慣性和池塘溶解氧分布的不均衡等特點，在現場監控端和控制節點中設計基於複合控制器的池塘溶解氧串級控制系統，由參數自調整模糊控制器+PI構成複合控制器作為池塘溶解氧的主調節器與PID作為增氧機的副調節器構成串級控制系統，來提高水產養殖池塘環境溶解氧控制系統的穩定性、精度和響應速度。（見圖2下半部分）
設計參數自調整模糊控制器+PI構成的複合控制器實現對規模化水產養殖池塘溶解氧參數進行精確控制；該控制系統把一個水產養殖池塘分成多個被控制子區域，每個區域設計一個參數自調整模糊控制器與PI構成的複合控制器、PID副調節器和一個池塘環境溶解氧參數的RBF神經網絡辨識器構成的基於複合控制器的池塘溶解氧串級控制系統，實現它們各個子區域的分別控制來提高池塘溶解氧控制的穩定性和控制精度；為了解決池塘溶解氧變化的非線性與大滯後和池塘溶解氧參數的分布不均衡，由控制器權值調度單元根據池塘溶解氧的設定控制量與每個區域池塘溶解氧參數的RBF神經網絡辨識器的誤差大小佔整個池塘所有系統誤差比作為每個區域複合控制器的輸出權重，通過每個區域的複合控制器輸出量乘以對應權重的和作為池塘所有PID副調節器的給定控制量，來解決整個池塘溶解氧參數的分布不均衡問題和提高池塘溶解氧參數的響應速度。該控制系統從根本上解決水產養殖池塘溶解氧參數的工況面積大、溶解氧變化的非線性與大滯後和池塘溶解氧的分布不均衡問題，提高池塘溶解氧調節的穩定性、控制精度、響應速度和分布均衡性。為了提高水產養殖池塘環境控制系統的魯棒性性,採用參數自調整模糊控制器+PI構成的複合控制器對水產養殖池塘的溶解氧進行複合控制，該控制器結合自調整參數模糊控制器魯棒性強的優點和PI控制器控制精度高的優點，可以解決被控制水產養殖池塘溶解氧的非線性與大滯後問題，提高池塘溶解氧參數控制系統的控制精度和穩定性；控制器權值調度單元實現池塘溶解氧的預測控制和平衡控制，解決池塘溶解氧響應速度和池塘溶解氧參數的分別不均衡問題。
3）基於經濟最優推理的設定水產養殖池塘環境溶解氧的專家系統：該專家系統實現對被控制水產養殖池塘環境溶解氧的給定控制量進行科學設定，由基於水產養殖池塘環境溶解氧參數的控制成本、動植物的生長模型、生長階段和經濟效益模型構成設定水產養殖池塘環境溶解氧的專家系統，系統根據水產養殖池塘環境溶解氧參數調控成本、動植物的生長模型、生長階段和經濟效益科學確定處於不同生長階段動植物生長需要的水產養殖池塘環境溶解氧參數的給定控制量。（見圖2上半部分）
本發明專利與現有技術相比，具有以下明顯優點：
1、本發明採用基於參數自調整模糊控制器+PI構成的複合控制器的水產養殖池塘溶解氧串級控制系統，增氧機的PID副調節器是根據水產養殖池塘溶解氧參數的主調節器輸出來調節水產養殖池塘溶解氧參數的隨動系統，副調節器迴路對包含在其中影響池塘溶解氧變化的氣候條件、養殖密度和增氧機轉速的二次擾動具有很強的抑制能力和自適應能力，二次擾動通過主、副調節器迴路的調節對主被控量水產養殖池塘溶解氧參數參數的影響很小，所以水產養殖池塘溶解氧參數的輸出值變化幅度小和穩定,系統能夠快速度響應被控制系統對水產養殖池塘溶解氧參數的要求。
2、本發明通過把整個水產養殖池塘分成多個區域，每個區域分別設計基於參數自調整模糊控制器+PI構成的複合控制器的水產養殖池塘溶解氧串級控制系統，同時通過控制器權值調度單元和每個區域池塘溶解氧參數的RBF神經網絡辨識器來調整整個池塘所有複合控制器的輸出控制量，實現對整個池塘溶解氧的整體調節來解決整個養殖池塘溶解氧參數的大滯後與非線性和養殖池塘溶解氧參數的分布不均衡問題。該系統在確保每個子區域池塘溶解氧參數的穩定性和控制精度，同時解決整個池塘溶解氧參數的大滯後與非線性和池塘溶解氧參數的分布不均衡問題。該控制系統實現各個子區域分別調節與整體調整的有機結合，提高池塘溶解氧的穩定性、控制精度、響應速度和分布平衡度，能夠抑制諸多擾動因素影響，具有良好的魯棒性。
3、本發明水產養殖池塘溶解氧參數在由參數自調整模糊控制器+PI構成的複合控制器、RBF神經網絡辨識器、控制器權值調度單元、PID副調節器構成的反饋實時與預測串級控制和各個子區域分別調節與整個池塘溶解氧參數整體調整的共同作用下，水產養殖池塘溶解氧參數的穩定性和均衡度有了很大的提高，該控制系統對水產養殖池塘溶解氧參數的滯後性與非線性的控制有很強的魯棒性，控制系統對給定控制量的跟蹤特性好。與原有的常規控制相比該控制系統的控制品質、響應速度和穩定性能都明顯提高，提高了水產養殖池塘溶解氧參數的控制精度、抗幹擾能力、穩定性能和池塘溶解氧參數的平衡度，具有較好的應用和推廣價值。
4、本發明根據池塘溶解氧參數變化的非線性與大滯後特點，設計了參數自調整模糊控制器+PI構成的複合控制器作為池塘溶解氧的主調節器，複合控制器根據水產養殖池塘溶解氧參數的誤差和誤差變化靈活調整模糊控制器的參數，提高控制系統的穩定性、控制精度和魯棒性，根據池塘溶解氧參數的變化特點實現主動調節，提高水產養殖池塘溶解氧調節的響應速度和池塘溶解氧控制系統的魯棒性。
5、本發明採用專家系統對水產養殖過程的水產養殖池塘環境溶解氧參數的理想控制量進行科學設置，提高了設置養殖過程中養殖動植物在不同生長階段對水產養殖池塘環境溶解氧參數需求量的科學性，提高了養殖的效益和效率，實現了科學養殖和高效養殖。
6、本發明將複合控制、PID控制、神經網絡、預測控制、模糊控制、串級控制和專家系統相結合，設計基於複合控制器的水產養殖池塘溶解氧串級控制系統。該控制系統克服了單純PID控制對大慣性大延遲對象調節品質差、抗幹擾性弱的缺點。將該控制系統用於水產養殖池塘溶解氧參數參數的控制具有較強的動態跟蹤性能和抗幹擾能力及良好的動靜態性能指標。
附圖說明：
圖1 水產養殖池塘環境溶解氧採集與控制平臺
1- 檢測節點，2-控制節點，3-協調器節點，4-現場監控端
圖2 基於複合控制器的池塘溶解氧串級控制系統
圖3 參數自調整模糊控制器+PI構成的複合控制器
圖4 RBF神經網絡辨識器
圖5 檢測節點硬體結構圖
圖6 控制節點硬體結構圖
圖7 協調器節點硬體結構圖
圖8 現場監控端軟體功能圖
圖9 養殖池塘環境溶解氧控制系統平面布置圖
具體實施方式:
①、系統總體功能的設計
針對水產養殖池塘環境溶解氧參數的特點，本系統構建基於無線傳感器網絡的水產養殖池塘環境溶解氧參數信息採集與控制平臺，在現場監控端4實現對養殖池塘環境參數的採集、管理和智能控制，為了實現養殖池塘與現場監控端的信息交互，設計了協調器節點3，該協調器節點3實現現場監控端4和檢測節點1與控制節點2的信息交互。在無線傳感器網絡中，帶有無線接口的檢測節點1與控制節點2安裝在被監控水產養殖池塘區域內，以自組織的形式構成無線傳感器網絡，將監測數據以無線的方式上傳到協調器節點3，最終通過協調器節點3將整個區域內的數據傳送到現場監控端4進行集中處理。
②、檢測節點設計
在基於WSN的監控網絡，採用大量微型的無線傳感器網絡節點作為水產養殖池塘環境因子參數感知端，節點通過相互協作的方式完成水產養殖池塘環境信息的參數的採集，檢測節點輸入通路採集的信息參數主要包括：溶解氧、溫度、PH值等傳感器與對應的調理電路以及Ａ/D轉換電路；設計了採用NRF2401模塊的無線通信接口，它們的軟體主要實現：無線通信和參數信息的採集。微型處理器採用MSP430系列單片機，處理器MSP430系列單片機支持C語言程序設計，大大提高了軟體設計開發的工作效率，增強了程序代碼的可靠性、可讀性和可移植性，檢測節點硬體結構見圖5。
③、控制節點設計
控制節點輸出通路設計D/A轉換電路實現對增氧機設備的控制，控制節點採用NRF2401模塊的無線通信接口，軟體主要功能是對增氧機設備控制和外部設備無線通信，設計了PID控制器作為串級控制系統的副調節器，微型處理器採用MSP430系列單片機。硬體結構見圖6。
④、協調器節點設計
檢測節點1與控制節點2與現場監控端4的信息交互需要通過協調器節點3來實現，協調器節點3是它們之間信息交互的中轉站，起著承上啟下的作用。協調器節點3定時查詢檢測節點1與控制節點2的信息，並將數據打包傳送到現場監控端4；或者是相反的過程；現場監控端4發出的指令通過協調器節點3傳送到檢測節點1與控制節點2，協調器節點3的硬體結構參見圖7。
⑤、現場監控端4軟體設計
現場監控端4是一臺工業控制計算機，主要實現對水產養殖池塘環境參數進行採集與監控。現場監控端4主要功能通信參數設置、設置檢測現場參數時間、參數採集、數據分析、數據保存、複合控制器、RBF神經網絡辨識器、控制器權值調度單元、專家系統的實現和系統維護。現場監控端軟體功能見圖8。
A、專家系統設計
它主要根據經濟成本最優的原則來設定池塘溶解氧參數的理想控制值，主要根據：環境溶解氧參數控制的成本模型、動植物生長模型、動植物的市場價格、飼料的市場價格與動植物的生長階段等參數，得到當前時段動植物生長的經濟最優環境溶解氧參數，通過專家系統的推理來實現，由現場監控端4通過串行口和協調器節點3送到控制節點。該管理軟體選擇了Microsoft Visual++ 6.0作為開發工具，調用系統的Mscomm通信控制項來設計通訊程序。專家系統的推理過程見圖2的上半部分。
B、參數自調整模糊控制器+PI構成的複合控制器
在水產養殖環境溶解氧多點跟蹤的控制過程中，由於受季節、氣候和池塘養殖環境的影響，常規固定量化因子的溶解氧模糊控制器已經不能滿足養殖動物對溶解氧穩定精度的要求，而參數自調整的溶解氧模糊控制方法能夠根據池塘溶解氧變化的差異對溶解氧模糊控制器參數及時做出調整，準確地調節增氧機轉速的輸出控制量來使池塘溶解氧迅速跟蹤系統的目標值，提高池塘溶解氧控制系統的響應速度，有效地抑制溶解氧控制系統的變化。在模糊控制單元的量化因子和比例因子分別加上一個伸縮因子，通過伸縮因子來調整模糊控制單元的量化因子和比例因子的大小，克服常規模糊控制自適應能力有限的缺點，提高池塘溶解氧控制系統快速響應性能和穩態精度。參數自調整模糊控制器與PI並聯構成的複合控制器由模糊參數自調整器、模糊控制器單元和 PI控制器組成，模糊控制器和PI調節器並聯。溶解氧誤差誤差和誤差變化率變化率作為它們的輸入量；模糊參數自調整根據池塘溶解氧誤差和誤差變化來調節β因子，實現對模糊控制器的量化因子和比例因子的及時調整，實現模糊控制器對池塘溶解氧自適應控制的目的。模糊參數自調整器仍採用模糊控制，根據量化因子和比例因子對控制性能的影響，可得到如下調整規則：當誤差和誤差變化率較大時，需附加較大的增氧機轉速變化使池塘溶解氧含量迅速做出響應，應降低量化因子來減小對輸入量的解析度，同時加大比例因子，從而可以獲得較大的增氧機轉速變化，使響應速度加快；當誤差和誤差變化率較小時，池塘溶解氧含量已經接近穩定狀態，需要增氧機的轉速變化較小，為了提高控制精度，要增大量化因子，提高對輸入變化的解析度，同時減小輸出比例因子，防止超調或振蕩，提高池塘溶解氧控制的穩態精度。根據以上參數調整的原則，設計了一個模糊參數調整器。參數自調整模糊控制器+PI構成的複合控制器的原理圖如圖3所示。
C、控制器權值調度單元
在系統運行過程中, 設現採樣時刻為k，池塘n個子系統池塘溶解氧的RBF神經網絡辨識模型的預測輸出值為，(i=1,2,…n)，實際輸出為，即定義預測值與檢測實際值的匹配誤差為：
（1）
其中，ρ（0<ρ≤1）的作用是防止分母為零。根據池池塘池塘溶解氧變化特點定義池塘一個階段誤差為，即值為:
（2）
其中，式中l為誤差長度，α（0<α≤1）為誤差遺忘因子，以降低歷史信息的重要性。根據每個子系統的階段誤差佔整個池塘各個子系統階段誤差和的比值作為該子系統複合控制器的輸出權重的確定規則，即第i個子系統的控制權重為：
（3）
D、RBF神經網絡辨識器
RBF神經網絡是具有單隱層的3層前饋網絡，RBF神經網絡由輸入到隱層的映射是非線性的, 而隱含層空間到輸出空間的映射是線性的, 從而大大加快了學習速度並避免局部極小問題, 該網絡具有全局最優和最佳逼近性能, 訓練方法快速易行, 不存在局部最小值問題, 因此,RBF神經網絡為非線性系統的建模和控制提供了有力的工具。因此,RBF 網絡是一種局部逼近網絡,已證明它能以任意精度逼近任意連續函數，RBF神經網絡具有收斂速度快、逼近能力強、訓練周期短、網絡結構易於調整的優點。採用RBF 神經網絡對池塘溶解氧進行在線辨識, 它的輸入為池塘增氧機的調節控制量和池塘溶解氧前一階段的實際值，輸出為池塘溶解氧的當前預測值，RBF神經網絡辨識器結構如圖4所示。
⑥、監控系統的設計舉例
根據水產養殖池塘的面積，把整個池塘分成4個子區域，系統布置了檢測節點1和控制節點2、協調器節點3和現場監控端4實現對水產養殖池塘溶解氧進行監控，整個養殖池塘環境溶解氧控制系統平面布置圖見圖9。
本發明未提及技術採用常規技術。