王俊珺，侯麗娜，徐學(xué)紅

(1.河南牧業(yè)經(jīng)濟(jì)學(xué)院，河南 鄭州 450004；2.白城醫(yī)學(xué)高等?？茖W(xué)校，吉林 白城 137000)

水產(chǎn)養(yǎng)殖自動化系統(tǒng)將使養(yǎng)殖環(huán)境得到大幅改善，減少災(zāi)難性損失、降低生產(chǎn)成本、提高產(chǎn)品質(zhì)量[1]。在水產(chǎn)養(yǎng)殖系統(tǒng)中的重要參數(shù)包括溫度、濕度、含氧量、氨氮、硝酸鹽、鹽度和堿度，因?yàn)槠渲苯佑绊憚游锝】?、飼料利用率、生長速度和繁殖能力。水溫影響魚的攝食模式和生長。當(dāng)溫度長期接近其最大容忍度或突然波動時(shí)，魚類通常會承受較大壓力并爆發(fā)疾病。溫水比冷水的溶解氧少。耗氧量與魚的大小、攝食率、活動水平和池塘溫度直接相關(guān)。含氧量和鹽度跟溫度都有關(guān)系，低溶解氧濃度被認(rèn)為是造成水產(chǎn)養(yǎng)殖動物壓力大、食欲差、生長緩慢、疾病易感性和死亡率的主要原因[2]。人們普遍認(rèn)為，池塘養(yǎng)殖系統(tǒng)中最低的每日溶解氧濃度是最重要的。不僅溶解氧對于魚類呼吸是重要的，對于浮游植物的生存也是重要的，浮游植物是將有毒氨分解成無害形式的有機(jī)體。

魚可接受的pH范圍通常在6.5至9.0之間。當(dāng)水pH>9時(shí)，水中的銨被轉(zhuǎn)化成有毒的氨，可以殺死魚。另一方面，酸性水(pH<5)從巖石和沉積物中浸出金屬。這些金屬對魚的代謝率和通過鰓吸收水的能力有不利的影響，并且可能是致命的[3]。這些都有可能在短時(shí)間內(nèi)造成災(zāi)難性的損失，因此系統(tǒng)必須可靠且實(shí)時(shí)受到監(jiān)控。因此，精確的測量和控制對于密集水產(chǎn)養(yǎng)殖系統(tǒng)是十分重要的[4]。

目前國內(nèi)對水質(zhì)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測的系統(tǒng)應(yīng)用還很少。根據(jù)傳統(tǒng)的水質(zhì)監(jiān)測方式分析水中的化學(xué)物質(zhì)，同時(shí)測量和控制過程主要受到個(gè)人經(jīng)驗(yàn)的影響[5]。如何以安全，穩(wěn)健，可管理，低成本的方式實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集，無需長距離電纜連接，仍然是魚類養(yǎng)殖信息監(jiān)測發(fā)展的瓶頸?，F(xiàn)代水產(chǎn)養(yǎng)殖環(huán)境檢測與控制技術(shù)實(shí)現(xiàn)了高質(zhì)量、高產(chǎn)量、改善基本環(huán)境條件、通過生物工程和計(jì)算機(jī)技術(shù)綜合應(yīng)用進(jìn)行適當(dāng)調(diào)整，此為促進(jìn)魚類生產(chǎn)的關(guān)鍵手段之一。指標(biāo)變化、增加產(chǎn)量、保證收入穩(wěn)定[6]。因此，應(yīng)大力發(fā)展集約化養(yǎng)魚業(yè)水產(chǎn)養(yǎng)殖環(huán)境監(jiān)測和控制系統(tǒng)。

1 無線傳感器的應(yīng)用

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)能夠?yàn)轸~塘環(huán)境監(jiān)測提供便捷的服務(wù)。這些設(shè)備的成本相對較低[7]。無線傳感器最早應(yīng)用在西班牙農(nóng)場中進(jìn)行土壤環(huán)境的監(jiān)測[8]。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計(jì)包括現(xiàn)場部署的四種傳感器網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)節(jié)點(diǎn)。分別是土壤、環(huán)境、水質(zhì)和網(wǎng)絡(luò)，統(tǒng)一由中央處理器解決。系統(tǒng)測試包括試驗(yàn)測試和現(xiàn)場測試。試驗(yàn)測試主要測試硬件的相關(guān)性能指標(biāo)等，而現(xiàn)場測試主要是可靠性測試[9]。

現(xiàn)有系統(tǒng)的應(yīng)用仍然受到其相當(dāng)復(fù)雜的操作要求和高維護(hù)成本的限制。此外，這些研究都沒有分析室外環(huán)境中的傳感器節(jié)點(diǎn)的運(yùn)行特性。而且，這些系統(tǒng)沒有與致動器集成在節(jié)點(diǎn)中，用于遠(yuǎn)程校正諸如溶解氧和水閥的環(huán)境參數(shù)。圖形用戶界面(GUI)是由LabVIEW軟件平臺設(shè)計(jì)的，用戶可以觀察和修改養(yǎng)殖環(huán)境的相關(guān)值。但是，當(dāng)想要在各種各樣的地點(diǎn)安裝網(wǎng)絡(luò)時(shí)，仍然會遇到許多挑戰(zhàn)。

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

本試驗(yàn)中使用的無線傳感器監(jiān)測溫度、pH、溶解氧和水位。 傳感器以特定的時(shí)間間隔測量這些參數(shù)，并將數(shù)據(jù)無線傳輸?shù)浇邮照綶10]。采樣時(shí)間間隔大約每3 min設(shè)置一次，以獲得較長的有效傳輸通信范圍，并選擇2.405 GHz作為本應(yīng)用的通信頻率。如圖1所示，整個(gè)系統(tǒng)有一個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)，通信設(shè)備和基站。

因此，每個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)被設(shè)計(jì)為通過ZigBee通信技術(shù)與基站進(jìn)行通信?；局鳈C(jī)充當(dāng)數(shù)據(jù)分析、處理和演示的中央監(jiān)控平臺。傳感器節(jié)點(diǎn)作為數(shù)據(jù)采集的遠(yuǎn)程監(jiān)測平臺。

2.1 傳感器節(jié)點(diǎn)

傳感器節(jié)點(diǎn)由數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換和傳輸以及水質(zhì)控制組件組成。數(shù)據(jù)采集部件通過使用各種傳感器采集。目前用玻璃電極法測量pH，用溫度計(jì)傳感技術(shù)測量溫度，用膜電極技術(shù)測量溶解氧量。溶解氧傳感器收集魚塘溶解氧氣信息并轉(zhuǎn)換成電信號，為后續(xù)處理回路提供必要的條件。該系統(tǒng)采用剛性固體結(jié)構(gòu)的溶解氧傳感器，通過溫度變化和自動壓力平衡自動補(bǔ)償傳感器膜的滲透性，防止膜片變形，為準(zhǔn)確采集信息提供了技術(shù)保障。

2.2 網(wǎng) 關(guān)

網(wǎng)關(guān)接收命令包，對來自傳感器節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理和分析，然后發(fā)送到主機(jī)。網(wǎng)關(guān)通過串行RS-232電纜與基站連接。如果用戶還沒有收到來自傳感器節(jié)點(diǎn)設(shè)置的時(shí)間范圍內(nèi)的響應(yīng)數(shù)據(jù)，傳感器節(jié)點(diǎn)將被視為失敗。當(dāng)傳輸完成時(shí)，基站定時(shí)搜集傳感器的數(shù)據(jù)，根據(jù)收到的物聯(lián)網(wǎng)節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)，在基站顯示設(shè)備上顯示結(jié)果。

2.3 軟件設(shè)計(jì)

傳感器控制軟件設(shè)計(jì)主要采用單片機(jī)編譯器完成，具體軟件設(shè)計(jì)如圖2所示。

2.4 數(shù)據(jù)聚合

數(shù)據(jù)匯總將來自多個(gè)傳感器的數(shù)據(jù)組合，在傳感器節(jié)點(diǎn)的固件和網(wǎng)關(guān)的監(jiān)控程序中執(zhí)行。網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)聚合可以減少數(shù)據(jù)包大小，數(shù)據(jù)傳輸?shù)臄?shù)量以及從WSN收集數(shù)據(jù)所涉及的節(jié)點(diǎn)數(shù)量。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)消耗能量最主要的因素是通信，即發(fā)送和接收消息[11]。因此，減少無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中不必要的流量產(chǎn)生，以增加傳感器的使用壽命。

圖1 總體系統(tǒng)框圖Fig.1 Diagram of overall system

圖2 PC界面Fig.2 PC interface

為此，本文的傳感器網(wǎng)絡(luò)基于分散式融合架構(gòu)，根據(jù)本地觀測和傳感器獲得的信息，在每個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)上對本地?cái)?shù)據(jù)進(jìn)行融合。這種方案具有可擴(kuò)展性的優(yōu)點(diǎn)，可以容忍感知節(jié)點(diǎn)的增加或丟失或網(wǎng)絡(luò)中出現(xiàn)波動變化。

2.4.1 系統(tǒng)模型 n個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)(1...n)

基站(n+1)

固定的數(shù)據(jù)包大小：kb

傳感器初始能量i：εi

接收能量

RXi=εelec×k

(1)

傳輸能量

(2)

式中：εelec表示電子能量，εamp表示能量放大器。

2.4.2 算法流程 階段1：傳感器在節(jié)點(diǎn)中分組成簇。每個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)由最小編號組成。傳感器節(jié)點(diǎn)的能量是其中所有傳感器能量的總和。傳感器之間的距離按照節(jié)點(diǎn)間的最大距離計(jì)算。應(yīng)用MLDA算法。軟件指令級并行(ILP)被用來找到一個(gè)接近最佳的可接受流量網(wǎng)絡(luò)。目標(biāo)：在能量約束下最大化網(wǎng)絡(luò)的壽命(T)。從允許的流量網(wǎng)絡(luò)生成時(shí)間表。階段2：初始化{聚集計(jì)劃} = 0。生命時(shí)間，T = 0。從階段1中選擇一個(gè)調(diào)度程序。用BS初始化聚合樹A。訪問每個(gè)群集，并添加節(jié)點(diǎn)，使每個(gè)邊緣的剩余能量最大化。將A添加到聚合調(diào)度程序。T增加1。重復(fù)步驟3～7，直到節(jié)點(diǎn)消失。

2.5 測試環(huán)境

該系統(tǒng)已于2016年在鄭州市某魚塘進(jìn)行了相應(yīng)測試，集約化水產(chǎn)養(yǎng)殖基地為六個(gè)月(2016年6月4日至2016年11月25日)，本次數(shù)據(jù)來源于整個(gè)檢測時(shí)間，池塘面積0.13 hm2，分4池，池深3 m。圖3、圖4及圖5顯示了實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集，分析和演示的項(xiàng)目設(shè)置和硬件測試，圖3和圖4分別為魚塘環(huán)境傳感器的硬件安裝和軟件用戶界面圖，圖5則顯示了由傳感器節(jié)點(diǎn)自動控制的溶氧充氣泵。

監(jiān)控中心的GUI允許監(jiān)控從傳感器節(jié)點(diǎn)獲得的數(shù)據(jù)，并根據(jù)每個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)的無線電的質(zhì)量，數(shù)據(jù)聚合和電池狀態(tài)來觀察網(wǎng)絡(luò)的行為。接收的信號強(qiáng)度以dBm表示。

圖3 傳感器安裝Fig.3 Sensor installation

圖4 用戶界面設(shè)備Fig.4 User interface

圖5 魚塘工作的溶解氧曝氣泵Fig.5 Dissolved oxygen aerator pump working at a fish pond

在測試中使用了兩個(gè)節(jié)點(diǎn)，每個(gè)節(jié)點(diǎn)安裝在不同的魚塘中?？紤]到成本、穩(wěn)定性、準(zhǔn)確性及耐用性等指標(biāo)的項(xiàng)目要求，本系統(tǒng)采用溫度傳感器和溶解氧傳感器。本研究選擇兩個(gè)節(jié)點(diǎn)傳感器(節(jié)點(diǎn)1和節(jié)點(diǎn)2)所采集的數(shù)據(jù)，用于對比驗(yàn)證數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的采集精度，反映出魚塘的真實(shí)環(huán)境。

溫度傳感器：LM75A智能溫度計(jì)，高速I2C總線接口，有A2-A0地址線，一條總線上最多可同時(shí)使用8個(gè)LM75A；低功耗設(shè)計(jì)，工作電流典型值為250 μA，掉電模式為3.5 μA；測量的溫度最大范圍為-55～125 ℃；寬工作電壓范圍：2.8～5.5V；提供了良好的溫度精度(0.125 ℃)；可編程溫度閾值和滯后設(shè)定點(diǎn)。

溶解氧傳感器：D-6800智能溶解氧檢測儀，測量范圍：0～20.00 mg / L，量程自動切換，溫度補(bǔ)償：0～60 ℃，分辨率0.01 mg / L，精度0.5%。水位傳感器：UXI-LY壓力式液位變送器，量程：1～70m，精度0.3%FS，溫度范圍-10～70 ℃。

3 結(jié) 果

在六個(gè)月的時(shí)間內(nèi)監(jiān)測的傳感器讀數(shù)(3 min/次)，電池性能和通信性能(信號強(qiáng)度)的試驗(yàn)結(jié)果見圖6。圖6顯示了在整個(gè)試驗(yàn)期間24 h的溫度波動超過5 ℃的監(jiān)測數(shù)據(jù)。比較了從節(jié)點(diǎn)1自動采樣的兩組數(shù)據(jù)和放置在不同魚塘的兩組數(shù)據(jù)。由于魚塘當(dāng)?shù)氐纳锪織l件，曲線相關(guān)性很好但不匹配。在白天，來自太陽的能量會使水溫升高，而晚上的熱量會在較冷的氣氛中流失。

圖7顯示了分別來自節(jié)點(diǎn)1和節(jié)點(diǎn)2的溶解氧的監(jiān)測數(shù)據(jù)。節(jié)點(diǎn)1和節(jié)點(diǎn)2的溶解氧最大值分別為10.7 Mg / L和9.93 Mg / L。而節(jié)點(diǎn)1和節(jié)點(diǎn)2的溶解氧數(shù)據(jù)最小值分別為4.50 Mg/L和4.91 Mg/L。即使在夜間，溶解氧含量也不低于4.5 mg/L。這可以解釋為在這個(gè)水平魚塘是由曝氣器維持，從而達(dá)到預(yù)防魚類死亡的目標(biāo)。這些數(shù)值表明了控制器維持所需設(shè)定點(diǎn)的能力。當(dāng)光合作用發(fā)生時(shí)，溶解氧通常是隨著白天光照時(shí)間的增加而增加，當(dāng)夜間呼吸時(shí)溶解氧持續(xù)減少。從節(jié)點(diǎn)1和節(jié)點(diǎn)2觀察到的溶解氧曲線由于水生動物的差異和池塘中浮游植物的可用性而不同。

圖6 溫度監(jiān)測數(shù)據(jù)Fig.6 The monitored data of temperature collected

圖7 溶解氧監(jiān)測數(shù)據(jù)Fig.7 The monitored data of dissolved oxygen collected

制器維持所需設(shè)定點(diǎn)的能力。當(dāng)光合作用發(fā)生時(shí)，溶解氧通常是隨著白天光照時(shí)間的增加而增加，當(dāng)夜間呼吸時(shí)溶解氧持續(xù)減少。從節(jié)點(diǎn)1和節(jié)點(diǎn)2觀察到的溶解氧曲線由于水生動物的差異和池塘中浮游植物的可用性而不同。

從圖8可以看出，pH相對穩(wěn)定，標(biāo)準(zhǔn)偏差分別為0.21和0.42。可以觀察到，由于處于范圍內(nèi)，所以不需要控制pH，因?yàn)檐浖@得的值在預(yù)設(shè)范圍內(nèi)。由于細(xì)菌產(chǎn)生酸、魚類、藻類和浮游植物產(chǎn)生二氧化碳，因此pH逐漸降低。當(dāng)二氧化碳與水反應(yīng)后形成碳酸，進(jìn)一步降低pH，在pH較低環(huán)境下不會去除有毒的氮廢物。通過添加堿性緩沖液維持魚塘中最佳的pH范圍。本研究使用氫氧化鈉與氧化鈣。這些曲線呈現(xiàn)出一致而合理地變化。采集數(shù)據(jù)能夠準(zhǔn)確的反映魚塘溫度、溶解氧、pH和水位變化趨勢。這些數(shù)字顯示了魚塘監(jiān)測系統(tǒng)的準(zhǔn)確性和可行性。

圖8 pH監(jiān)測數(shù)據(jù)Fig.8 The monitored data of pH collected

4 小 結(jié)

本研究提供了基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)和單片機(jī)技術(shù)的水產(chǎn)養(yǎng)殖水質(zhì)監(jiān)測與控制系統(tǒng)，設(shè)計(jì)作為實(shí)際操作的基礎(chǔ)。實(shí)現(xiàn)了密集養(yǎng)殖水環(huán)境參數(shù)的監(jiān)測，通過短信告知監(jiān)測變量的異常值，適合生長條件下的長期穩(wěn)定性，從而提高單位面積產(chǎn)量。系統(tǒng)可以連續(xù)、實(shí)時(shí)地監(jiān)測溫度、溶解氧、pH和水位的數(shù)據(jù)。兩個(gè)節(jié)點(diǎn)已經(jīng)實(shí)施了六個(gè)月，以評估系統(tǒng)的可行性。分析研究了傳感器數(shù)據(jù)、電池性能和網(wǎng)絡(luò)性能指標(biāo)。系統(tǒng)可根據(jù)參數(shù)設(shè)定自動啟動，避免了因水溫高、陰天、池塘翻倒等導(dǎo)致的溶解氧耗盡等常見漁業(yè)問題，最大程度的避免了魚死亡。泵的工作時(shí)間將大大減少，從而大幅降低能源消耗和降低人工成本。未來的工作應(yīng)該是通過互聯(lián)網(wǎng)和數(shù)據(jù)傳輸來增強(qiáng)系統(tǒng)對傳感器節(jié)點(diǎn)的遠(yuǎn)程訪問，以便進(jìn)一步分析。需要研究和評估更多的網(wǎng)絡(luò)性能指標(biāo)，以使系統(tǒng)更加健壯和良好的可擴(kuò)展性。