一種無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的養(yǎng)殖池塘溶解氧控制系統(tǒng)技術(shù)方案

本發(fā)明專利技術(shù)針對水產(chǎn)養(yǎng)殖池塘環(huán)境溶解氧參數(shù)的工況面積大、變化的非線性與大慣性和池塘環(huán)境溶解氧分布的不均衡性等特點(diǎn)，公開了一種無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的養(yǎng)殖池塘溶解氧控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)由水產(chǎn)養(yǎng)殖池塘環(huán)境溶解氧采集與控制平臺、基于復(fù)合控制器的池塘溶解氧串級控制系統(tǒng)以及基于經(jīng)濟(jì)最優(yōu)推理的設(shè)定水產(chǎn)養(yǎng)殖池塘環(huán)境溶解氧的專家系統(tǒng)三部分組成。該系統(tǒng)能夠提高水產(chǎn)養(yǎng)殖池塘溶解氧控制穩(wěn)定性和控制精度，對提高水產(chǎn)養(yǎng)殖池塘經(jīng)濟(jì)效益有重要推廣和應(yīng)用價值。

【技術(shù)實(shí)現(xiàn)步驟摘要】

本專利技術(shù)涉及智能控制設(shè)備
，具體涉及一種基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的水產(chǎn)養(yǎng)殖池塘溶解氧智能控制系統(tǒng)。
技術(shù)介紹
水產(chǎn)池塘中溶解氧的多少直接影響魚類的健康生長，當(dāng)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%，餌料系數(shù)上升50%以上；當(dāng)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(xù)下降到1毫克/升以下，大部分魚類就會出現(xiàn)浮頭現(xiàn)象，持續(xù)下降會造成缺氧窒息死亡。經(jīng)水產(chǎn)科技工作者長期的養(yǎng)殖實(shí)踐，一般養(yǎng)殖育苗池塘水體的溶解氧應(yīng)保持在5mg/L-8mg/L，最低也要保持3mg/L，低于此值就會發(fā)生魚蝦浮頭、泛塘，甚至死亡。在養(yǎng)殖中，水質(zhì)輕度缺氧雖不致魚蝦死亡，但嚴(yán)重影響其生長速度，使餌料系數(shù)提高，生產(chǎn)成本增加，養(yǎng)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，飼料系數(shù)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(zhì)的化學(xué)反應(yīng)，轉(zhuǎn)化或降低有毒物質(zhì)如氨、亞硝酸鹽和硫化氫的含量。例如：水中有機(jī)物糞便、殘餌、尸體等產(chǎn)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(zhuǎn)為亞硝酸鹽，再轉(zhuǎn)化成硝酸鹽；硫化氫則被轉(zhuǎn)化成硫酸鹽，均產(chǎn)生無毒的最終產(chǎn)品，并被浮游植物光合作用所吸收。因此，水中保持足夠的溶氧對水產(chǎn)養(yǎng)殖非常重要。假如缺氧的話，這些有毒物質(zhì)極易迅速達(dá)到危害的程度。據(jù)測定，當(dāng)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(dá)到一定的數(shù)值后,才能維持其生命活動,且在一定的范圍內(nèi),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(dāng)水中的溶氧量低于1mg/L水時, 魚就會浮頭；當(dāng)水中溶氧量低于0.5mg/L時,魚就會窒息死亡。研究表明，當(dāng)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(dāng)溶解氧含量降到2mg/L以下時，對蝦幾乎不攝食，由此可能導(dǎo)致不蛻皮甚至死亡；而當(dāng)溶解氧提到高到6 mg/L時死亡停止并大批蛻皮，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(zhì)溶氧量不高，增氧效果不明顯。所以利用增氧機(jī)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(jī)質(zhì)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，盡量使魚類生活在較高的溶氧環(huán)境中，健康快速生長。現(xiàn)在的池塘養(yǎng)殖大多仍然依靠人工觀察魚蝦是否浮頭來開關(guān)增氧機(jī)，或者看別人的池塘開增氧機(jī)，自己也就開，存在一定的盲目性和滯后性，不但養(yǎng)殖者的精神壓力大，而且浮頭和泛塘現(xiàn)象難以避免。如果開始浮頭說明水體的溶解氧已經(jīng)過低，必須搶救，增氧機(jī)成了救命機(jī)。低溶氧對魚蝦的生命和水質(zhì)都是嚴(yán)重的威脅。傳統(tǒng)的水質(zhì)監(jiān)測采用儀表結(jié)合人工經(jīng)驗(yàn)操作的方法，存在耗時費(fèi)力、監(jiān)測范圍小、監(jiān)測周期長，不能實(shí)時反映水環(huán)境的動態(tài)變化等弊端。王驥等設(shè)計(jì)了基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)海洋環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了海洋生態(tài)環(huán)境監(jiān)測、各類海洋氣象與災(zāi)害的數(shù)值預(yù)報預(yù)測等功能，杜治國等提出了基于Zigbee無線傳感器網(wǎng)絡(luò)與互聯(lián)網(wǎng)結(jié)合的遠(yuǎn)程實(shí)時水質(zhì)監(jiān)測系統(tǒng)架構(gòu)，實(shí)現(xiàn)了水質(zhì)監(jiān)測參數(shù)的獲取及傳輸。為解決目前水產(chǎn)養(yǎng)殖水質(zhì)自動監(jiān)測系統(tǒng)存在布線困難、靈活性差和成本高等問題，構(gòu)建了基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的水產(chǎn)養(yǎng)殖水質(zhì)監(jiān)測系統(tǒng)。這些系統(tǒng)的研制有力促進(jìn)水產(chǎn)養(yǎng)殖業(yè)的健康快速發(fā)展，但是這些控制系統(tǒng)都沒有結(jié)合進(jìn)水產(chǎn)養(yǎng)殖池塘溶解氧參數(shù)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(shù)的分布不均衡等特點(diǎn)，從根本上解決水產(chǎn)養(yǎng)殖池塘環(huán)境溶解氧參數(shù)不穩(wěn)定、控制精度低和系統(tǒng)響應(yīng)速度慢等問題。
技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路
本專利技術(shù)的目的是提供一種水產(chǎn)養(yǎng)殖池塘環(huán)境溶解氧智能控制系統(tǒng)，本專利技術(shù)根據(jù)水產(chǎn)養(yǎng)殖池塘環(huán)境溶解氧參數(shù)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(shù)的分布不均衡等特點(diǎn)，設(shè)計(jì)了一種無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的養(yǎng)殖池塘溶解氧控制系統(tǒng)。本專利技術(shù)通過以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)：該系統(tǒng)由水產(chǎn)養(yǎng)殖池塘環(huán)境溶解氧采集與控制平臺、基于復(fù)合控制器的池塘溶解氧串級控制系統(tǒng)以及基于經(jīng)濟(jì)最優(yōu)推理的設(shè)定水產(chǎn)養(yǎng)殖池塘環(huán)境溶解氧的專家系統(tǒng)三部分組成。1）水產(chǎn)養(yǎng)殖池塘環(huán)境溶解氧采集與控制平臺：包括水產(chǎn)養(yǎng)殖池塘環(huán)境溶解氧參數(shù)的檢測節(jié)點(diǎn)、控制節(jié)點(diǎn)、協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)和現(xiàn)場監(jiān)控端組成，它們通過自組織方式構(gòu)建成無線傳感器測控網(wǎng)絡(luò)，檢測節(jié)點(diǎn)負(fù)責(zé)檢測水產(chǎn)養(yǎng)殖池塘環(huán)境溶解氧、溫度和PH值參數(shù)實(shí)際值，控制節(jié)點(diǎn)負(fù)責(zé)對溶解氧進(jìn)行控制，現(xiàn)場監(jiān)控端實(shí)現(xiàn)對水產(chǎn)養(yǎng)殖池塘環(huán)境參數(shù)檢測與控制過程進(jìn)行監(jiān)控。（見圖1）2）根據(jù)水產(chǎn)養(yǎng)殖池塘環(huán)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(diǎn)，在現(xiàn)場監(jiān)控端和控制節(jié)點(diǎn)中設(shè)計(jì)基于復(fù)合控制器的池塘溶解氧串級控制系統(tǒng)，由參數(shù)自調(diào)整模糊控制器+PI構(gòu)成復(fù)合控制器作為池塘溶解氧的主調(diào)節(jié)器與PID作為增氧機(jī)的副調(diào)節(jié)器構(gòu)成串級控制系統(tǒng)，來提高水產(chǎn)養(yǎng)殖池塘環(huán)境溶解氧控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性、精度和響應(yīng)速度。（見圖2下半部分）設(shè)計(jì)參數(shù)自調(diào)整模糊控制器+PI構(gòu)成的復(fù)合控制器實(shí)現(xiàn)對規(guī)模化水產(chǎn)養(yǎng)殖池塘溶解氧參數(shù)進(jìn)行精確控制；該控制系統(tǒng)把一個水產(chǎn)養(yǎng)殖池塘分成多個被控制子區(qū)域，每個區(qū)域設(shè)計(jì)一個參數(shù)自調(diào)整模糊控制器與PI構(gòu)成的復(fù)合控制器、PID副調(diào)節(jié)器和一個池塘環(huán)境溶解氧參數(shù)的RBF神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)辨識器構(gòu)成的基于復(fù)合控制器的池塘溶解氧串級控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)它們各個子區(qū)域的分別控制來提高池塘溶解氧控制的穩(wěn)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后和池塘溶解氧參數(shù)的分布不均衡，由控制器權(quán)值調(diào)度單元根據(jù)池塘溶解氧的設(shè)定控制量與每個區(qū)域池塘溶解氧參數(shù)的RBF神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)辨識器的誤差大小占整個池塘所有系統(tǒng)誤差比作為每個區(qū)域復(fù)合控制器的輸出權(quán)重，通過每個區(qū)域的復(fù)合控制器輸出量乘以對應(yīng)權(quán)重的和作為池塘所有PID副調(diào)節(jié)器的給定控制量，來解決整個池塘溶解氧參數(shù)的分布不均衡問題和提高池塘溶解氧參數(shù)的響應(yīng)速度。該控制系統(tǒng)從根本上解決水產(chǎn)養(yǎng)殖池塘溶解氧參數(shù)的工況面積大、溶解氧變化的非線性與大滯后和池塘溶解氧的分布不均衡問題，提高池塘溶解氧調(diào)節(jié)的穩(wěn)定性、控制精度、響應(yīng)速度和分布均衡性。為了提高水產(chǎn)養(yǎng)殖池塘環(huán)境控制系統(tǒng)的魯棒性性,采用參數(shù)自調(diào)整模糊控制器+PI構(gòu)成的復(fù)合控制器對水產(chǎn)養(yǎng)殖池塘的溶解氧進(jìn)行復(fù)合控制，該控制器結(jié)合自調(diào)整參數(shù)模糊控制器魯棒性強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)和PI控制器控制精度高的優(yōu)點(diǎn)，可以解決被控制水產(chǎn)養(yǎng)殖池塘溶解氧的非線性與大滯后問題，提高池塘溶解氧參數(shù)控制系統(tǒng)的控制精度和穩(wěn)定性；控制器權(quán)值調(diào)度單元實(shí)現(xiàn)池塘溶解氧的預(yù)測控制和平衡控制，解決池塘溶解氧響應(yīng)速度和池塘溶解氧參數(shù)的分別不均衡問題。3）基于經(jīng)濟(jì)最優(yōu)推理的設(shè)定水產(chǎn)養(yǎng)殖池塘環(huán)境溶解氧的專家系統(tǒng)：該專家系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)對被控制水產(chǎn)養(yǎng)殖池塘環(huán)境溶解氧的給定控制量進(jìn)行科學(xué)設(shè)定，由基于水產(chǎn)養(yǎng)殖池塘環(huán)境溶解氧參數(shù)的控制成本、動植物的生長模型、生長階段和經(jīng)濟(jì)效益模型構(gòu)本文檔來自技高網(wǎng)...

【技術(shù)保護(hù)點(diǎn)】
一種無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的養(yǎng)殖池塘溶解氧控制系統(tǒng)，其特征在于：所述系統(tǒng)由水產(chǎn)養(yǎng)殖池塘環(huán)境溶解氧采集與控制平臺、基于復(fù)合控制器的池塘溶解氧串級控制系統(tǒng)以及基于經(jīng)濟(jì)最優(yōu)推理的設(shè)定水產(chǎn)養(yǎng)殖池塘環(huán)境溶解氧的專家系統(tǒng)三部分組成，其中：1）水產(chǎn)養(yǎng)殖池塘環(huán)境溶解氧采集與控制平臺：包括水產(chǎn)養(yǎng)殖池塘環(huán)境溶解氧參數(shù)的檢測節(jié)點(diǎn)、控制節(jié)點(diǎn)、協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)和現(xiàn)場監(jiān)控端組成，它們通過自組織方式構(gòu)建成無線傳感器測控網(wǎng)絡(luò)，檢測節(jié)點(diǎn)負(fù)責(zé)檢測水產(chǎn)養(yǎng)殖池塘環(huán)境溶解氧、溫度和PH值的實(shí)際值，控制節(jié)點(diǎn)負(fù)責(zé)對溶解氧進(jìn)行調(diào)節(jié)，現(xiàn)場監(jiān)控端實(shí)現(xiàn)對水產(chǎn)養(yǎng)殖池塘環(huán)境參數(shù)檢測與控制過程進(jìn)行監(jiān)控；2）基于復(fù)合控制器的池塘溶解氧串級控制系統(tǒng)：該系統(tǒng)由參數(shù)自調(diào)整模糊控制器+PI構(gòu)成的復(fù)合控制器作為主調(diào)節(jié)器、被控制池塘溶解氧的RBF神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)辨識器、被控制池塘溶解氧的PID副調(diào)節(jié)器和控制器權(quán)值調(diào)度單元組成；被控制池塘溶解氧參數(shù)的主調(diào)節(jié)器和PID副調(diào)節(jié)器構(gòu)成水產(chǎn)養(yǎng)殖池塘環(huán)境溶解氧串級控制系統(tǒng)，水產(chǎn)養(yǎng)殖池塘環(huán)境溶解氧為主控變量，增氧機(jī)的轉(zhuǎn)速為副控變量；水產(chǎn)養(yǎng)殖池塘環(huán)境溶解氧參數(shù)的給定控制量與池塘溶解氧參數(shù)實(shí)際值的誤差和誤差變化來調(diào)整復(fù)合控制器的輸出控制量；控制器權(quán)值調(diào)度單元通過水產(chǎn)養(yǎng)殖池塘環(huán)境溶解氧參數(shù)給定控制量與溶解氧參數(shù)的RBF神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)辨識器輸出的誤差來調(diào)節(jié)復(fù)合控制器的輸出權(quán)重，復(fù)合控制器的輸出控制量乘以各自權(quán)重的和給被控制池塘溶解氧參數(shù)的PID副調(diào)節(jié)器，實(shí)現(xiàn)被控制池塘溶解氧的預(yù)測控制和提高整個池塘溶解氧的分布均衡度；該控制系統(tǒng)使被控制水產(chǎn)養(yǎng)殖池塘環(huán)境溶解氧參數(shù)的實(shí)際值迅速跟蹤水產(chǎn)養(yǎng)殖池塘環(huán)境溶解氧參數(shù)的給定控制量；3）基于經(jīng)濟(jì)最優(yōu)推理的設(shè)定水產(chǎn)養(yǎng)殖池塘環(huán)境溶解氧的專家系統(tǒng)：該專家系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)對被控制水產(chǎn)養(yǎng)殖池塘環(huán)境溶解氧的給定控制量進(jìn)行科學(xué)設(shè)定，由基于水產(chǎn)養(yǎng)殖池塘環(huán)境溶解氧參數(shù)的控制成本、動植物的生長模型、生長階段和經(jīng)濟(jì)效益模型構(gòu)成設(shè)定水產(chǎn)養(yǎng)殖池塘環(huán)境溶解氧的專家系統(tǒng)，系統(tǒng)根據(jù)水產(chǎn)養(yǎng)殖池塘環(huán)境溶解氧參數(shù)調(diào)控成本、動植物的生長模型、生長階段和經(jīng)濟(jì)效益科學(xué)確定處于不同生長階段動植物生長需要的水產(chǎn)養(yǎng)殖池塘環(huán)境溶解氧參數(shù)的給定控制量。...

【技術(shù)特征摘要】
1.一種無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的養(yǎng)殖池塘溶解氧控制系統(tǒng)，其特征在于：所述系統(tǒng)由水產(chǎn)養(yǎng)殖池塘環(huán)境溶解氧采集與控制平臺、基于復(fù)合控制器的池塘溶解氧串級控制系統(tǒng)以及基于經(jīng)濟(jì)最優(yōu)推理的設(shè)定水產(chǎn)養(yǎng)殖池塘環(huán)境溶解氧的專家系統(tǒng)三部分組成，其中：1）水產(chǎn)養(yǎng)殖池塘環(huán)境溶解氧采集與控制平臺：包括水產(chǎn)養(yǎng)殖池塘環(huán)境溶解氧參數(shù)的檢測節(jié)點(diǎn)、控制節(jié)點(diǎn)、協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)和現(xiàn)場監(jiān)控端組成，它們通過自組織方式構(gòu)建成無線傳感器測控網(wǎng)絡(luò)，檢測節(jié)點(diǎn)負(fù)責(zé)檢測水產(chǎn)養(yǎng)殖池塘環(huán)境溶解氧、溫度和PH值的實(shí)際值，控制節(jié)點(diǎn)負(fù)責(zé)對溶解氧進(jìn)行調(diào)節(jié)，現(xiàn)場監(jiān)控端實(shí)現(xiàn)對水產(chǎn)養(yǎng)殖池塘環(huán)境參數(shù)檢測與控制過程進(jìn)行監(jiān)控；2）基于復(fù)合控制器的池塘溶解氧串級控制系統(tǒng)：該系統(tǒng)由參數(shù)自調(diào)整模糊控制器+PI構(gòu)成的復(fù)合控制器作為主調(diào)節(jié)器、被控制池塘溶解氧的RBF神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)辨識器、被控制池塘溶解氧的PID副調(diào)節(jié)器和控制器權(quán)值調(diào)度單元組成；被控制池塘溶解氧參數(shù)的主調(diào)節(jié)器和PID副調(diào)節(jié)器構(gòu)成水產(chǎn)養(yǎng)殖池塘環(huán)境溶解氧串級控制系統(tǒng)，水產(chǎn)養(yǎng)殖池塘環(huán)境溶解氧為主控變量，增氧機(jī)的轉(zhuǎn)速為副控變量；水...

【專利技術(shù)屬性】
技術(shù)研發(fā)人員：不公告發(fā)明人，
申請(專利權(quán))人：淮陰工學(xué)院，
類型：發(fā)明
國別省市：江蘇;32