基于無線傳感網(wǎng)絡(luò)的節(jié)能型水產(chǎn)養(yǎng)殖自動監(jiān)控系統(tǒng).pdf

1、近年來我國水產(chǎn)養(yǎng)殖業(yè)發(fā)展迅速，據(jù)農(nóng)業(yè)部統(tǒng)計截至2015年，我國水產(chǎn)品總量占全球總量的61.7％，在國內(nèi)大宗農(nóng)產(chǎn)品出口份額中連續(xù)15年位居首位，超過30%。與2014年相比增長3.69%。水產(chǎn)品對外貿(mào)易順差113.51億美元，連續(xù)兩年突破百億大關(guān)。傳統(tǒng)的水產(chǎn)養(yǎng)殖方式無論從資源利用率、養(yǎng)殖規(guī)模、單位產(chǎn)量和養(yǎng)殖效率等方面都難以滿足社會日益增長的產(chǎn)量和品質(zhì)需求，工業(yè)化和高密度化養(yǎng)殖已成為當(dāng)前水產(chǎn)養(yǎng)殖的一種趨勢。在水產(chǎn)養(yǎng)殖過程中，水體溶解氧含量是

2、制約規(guī)?；l(fā)展的重要因子和事故引發(fā)的主要原因。當(dāng)前我國水產(chǎn)養(yǎng)殖過程中一般采用人工控制的機械式增氧，稍有疏忽極易引起魚蝦的大面積死亡，抗風(fēng)險能力差，而且浪費了人力資源。建立高效的水體溶解氧含量在線測量和自動增氧的測控一體化系統(tǒng)顯得非常重要。
　　規(guī)?；a(chǎn)養(yǎng)殖存在養(yǎng)殖面積大、地理位置偏僻的特點，水質(zhì)參數(shù)的有線測量需要架設(shè)通信電纜，成本高昂難以推廣。在無線測控網(wǎng)絡(luò)中，鋰電池供電的測量節(jié)點能耗不均勻，個別節(jié)點由于能耗大過早失效，降低了無

3、線測控網(wǎng)絡(luò)的有效生命周期。本文對采用平面路由協(xié)議和低能量自適應(yīng)分群分層路由協(xié)議（LEACH）的測控網(wǎng)絡(luò)進行對比試驗，發(fā)現(xiàn)采用LEACH層次型路由協(xié)議網(wǎng)絡(luò)的有效生命周期延長19%以上。在應(yīng)用LEACH協(xié)議的水質(zhì)參數(shù)測量網(wǎng)絡(luò)中，存在兩個缺陷：一方面無線測控網(wǎng)絡(luò)中每個簇的簇首功耗遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于普通節(jié)點，LEACH協(xié)議通過等概率隨機選擇簇首改善了節(jié)點能耗的均衡性，但水產(chǎn)養(yǎng)殖參數(shù)監(jiān)控中每個簇首功耗不同，為此在LEACH優(yōu)化協(xié)議中依據(jù)節(jié)點剩余能量的多少選

4、擇簇首，使節(jié)點的剩余能量更趨均衡；另一方面水產(chǎn)養(yǎng)殖池中距離基站較遠(yuǎn)的節(jié)點容易提前失效，主要是因為監(jiān)控面積大，簇首與基站采用單跳通信，遠(yuǎn)距離節(jié)點被選為簇首后向基站發(fā)送數(shù)據(jù)通信距離遠(yuǎn)，路徑損耗采用多路徑衰落信道模型，衰減指數(shù)為4。為此在優(yōu)化的LEACH協(xié)議中，對遠(yuǎn)距離簇首與基站通信采用雙跳通信，使路徑損耗選擇自由空間信道模型，衰減指數(shù)為2。通過試驗驗證無線傳感網(wǎng)絡(luò)有效生命周期延長8%，各節(jié)點失效時間更加接近，便于批量更換電池，節(jié)約了人力成本

5、。
　　在水質(zhì)參數(shù)的測量過程中，水體溶解氧參數(shù)變化緩慢，系統(tǒng)要求在低濃度下能迅速提高，但對控制精度要求不高，在每一幀內(nèi)節(jié)點測量到溶解氧濃度變化小于0.1mg/L時，不再向簇首發(fā)送數(shù)據(jù)，同時簇首調(diào)整各節(jié)點在該幀內(nèi)數(shù)據(jù)發(fā)送時隙，使簇首和節(jié)點延長休眠時間，降低了功耗。
　　通過無線傳感網(wǎng)絡(luò)測量到水體溶解氧濃度后，由于耕水機在白天充分利用太陽能、風(fēng)能等以極低的功耗大幅改善水質(zhì)和提高水體溶解氧含量，但不能起到應(yīng)急增氧的作用；而葉輪增氧

6、機、微孔曝氣增氧機可以應(yīng)急增氧，為了充分發(fā)揮各自的優(yōu)點，討論了二者混合增氧的模式。白天通過定時控制耕水機工作為主；晚上或陰雨天以葉輪增氧機等變頻增氧為主。文中研究了采用可變PID參數(shù)、模糊變頻增氧控制。
　　本論文研究創(chuàng)新點主要有:
　?。?）在無線傳感網(wǎng)路采用的LEACH協(xié)議中通過節(jié)點供電電池剩余能量的多少選擇簇首，使節(jié)點能量消耗更加均衡；
　?。?）依據(jù)水產(chǎn)養(yǎng)殖中參數(shù)變化緩慢的特點設(shè)定數(shù)據(jù)發(fā)送的軟、硬閥值，在達(dá)到系

7、統(tǒng)精度要求條件下減少了數(shù)據(jù)發(fā)送；
　?。?）調(diào)整每一幀內(nèi)的時隙，增加了節(jié)點休眠時間；
　?。?）依據(jù)水產(chǎn)養(yǎng)殖的具體特點，提出了采用耕水機和葉輪增氧機PID、模糊變頻等混合式增氧方式，耕水機實現(xiàn)了利用太陽能、風(fēng)能等綠色增氧，葉輪增氧機變頻控制實現(xiàn)了精確、節(jié)約增氧目的。
　　通過實驗表明，采用優(yōu)化LEACH協(xié)議延長了網(wǎng)絡(luò)有效生命周期；采用混合式變頻增氧控制節(jié)約了電力資源。溶解氧參數(shù)的測量與自動控制相結(jié)合不僅節(jié)約了人力資源，