GPRS 與WSNs 混合通信模式下的水產(chǎn)養(yǎng)殖系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)*

簡玉梅，張韓飛，高 飛，阮麟杰，張登珠，趙旭東

(1.上海工程技術(shù)大學(xué) 電子電氣工程學(xué)院，上海201620;2.淮陰師范學(xué)院，江蘇 淮陰223300)

0 引 言

溶解氧(DO)是水產(chǎn)養(yǎng)殖中重要的因素，目前已出現(xiàn)水產(chǎn)養(yǎng)殖溶解氧監(jiān)控系統(tǒng)，很多研究學(xué)者提出了在線監(jiān)測系統(tǒng)［1～3］，在線監(jiān)測系統(tǒng)多數(shù)都采用有限網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行數(shù)據(jù)的傳輸，但由于有線網(wǎng)絡(luò)維護(hù)成本高，學(xué)者們逐漸將無線傳輸技術(shù)應(yīng)用到水產(chǎn)養(yǎng)殖過程中［4～8］。但這些研究仍存在監(jiān)測和控制分離、監(jiān)控不及時、系統(tǒng)能耗高、過缺氧等問題。

本文針對系統(tǒng)能耗與過缺氧問題，提出了基于通用分組無線業(yè)務(wù)(general packet radio service，GPRS)和無線傳感器網(wǎng)絡(luò)(wireless sensor networks，WSNs)混合通信的增氧模式。通過實驗驗證，該系統(tǒng)能夠減少基站設(shè)施與組網(wǎng)成本，同時解決過氧和缺氧問題，以及系統(tǒng)通信能耗問題。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

對于養(yǎng)殖戶而言，在養(yǎng)殖一段時間后需了解整個養(yǎng)殖環(huán)境水質(zhì)參數(shù)是否正常，需要綜合考慮多種環(huán)境參數(shù)后對溶解氧進(jìn)行預(yù)測，進(jìn)而控制增氧機(jī)開關(guān)。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1，將每個水質(zhì)參數(shù)采集節(jié)點都設(shè)置為Agent，在各個Agent 組成的Zig Bee 網(wǎng)絡(luò)中，唯一具有GPRS 通信功能的決策Agent充當(dāng)簇頭。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖Fig 1 Architecture of system

在每一個增氧機(jī)控制判斷的時間間隔內(nèi)，各溶解氧采集Agent 采集養(yǎng)殖池塘中的溶解氧、pH 值、水溫、氨氮等參數(shù)，采集完參數(shù)后將參數(shù)傳遞給溶解氧預(yù)測Agent，溶解氧預(yù)測Agent 在接收到相關(guān)數(shù)據(jù)后根據(jù)溶解氧預(yù)測算法求解出當(dāng)前的溶解氧預(yù)測值，決策Agent 進(jìn)行決策判斷，根據(jù)判斷結(jié)果對增氧機(jī)進(jìn)行相關(guān)控制。同時，終端控制中心調(diào)用離線數(shù)據(jù)、養(yǎng)殖周期、投餌狀況，判斷是否需要改變增氧機(jī)狀態(tài)，將控制命令通過GPRS 發(fā)送給決策Agent，由決策Agent 綜合兩個控制命令選擇優(yōu)先級別更高的控制命令執(zhí)行。

2 GPRS 和WSNs 混合通信系統(tǒng)設(shè)計

對于小型養(yǎng)殖池塘，一臺增氧機(jī)即可滿足條件，設(shè)定節(jié)點定時發(fā)送采集請求，單臺增氧機(jī)控制的養(yǎng)殖環(huán)境系統(tǒng)流程圖如圖2 所示。

圖2 系統(tǒng)流程圖Fig 2 Flowchart of system

本文開發(fā)一種基于GPRS 和Zig Bee 混合通信的池塘溶解氧監(jiān)控系統(tǒng)，該系統(tǒng)遠(yuǎn)距離通信采用GPRS，近距離通信使用Zig Bee，系統(tǒng)中由水質(zhì)參數(shù)采集Agent(CJAgent)，溶解氧預(yù)測Agent(YCAgent)和決策Agent(JCAgent)，增氧機(jī)控制Agent(KZAgent)組成。其中，JCAgent 充當(dāng)Zig Bee 網(wǎng)絡(luò)中的路由節(jié)點。CJAgent 采集到數(shù)據(jù)后將數(shù)據(jù)傳輸給YCAgent，YCAgent 調(diào)用規(guī)則庫中的規(guī)則數(shù)據(jù)和溶解氧預(yù)測算法，求解出當(dāng)前情況下溶解氧值EIDO，判斷比較溶解氧預(yù)測值EI

DO和實際采集到的溶解氧值，如果數(shù)據(jù)出現(xiàn)異常，YCAgent 將異常命令發(fā)送給JCAgent，JCAgent 通過Zig Bee通信模塊，將控制命令發(fā)送給增氧機(jī)進(jìn)而改變增氧機(jī)的狀態(tài)，增氧機(jī)接收到相關(guān)控制命令并執(zhí)行后，KZAgent 反饋一個信息包(控制命令，正常命令標(biāo)示符1)給JCAgent，由JCAgent 在一段時間內(nèi)打包將(所有數(shù)據(jù)，控制命令，命令形式)發(fā)送給終端控制中心。

如果在規(guī)定的時間內(nèi)，增氧機(jī)沒有接收到相關(guān)的控制命令，則默認(rèn)控制命令丟失，此時增氧機(jī)控制Agent 給JCAgent 發(fā)送一條信息告知控制命令丟失，由JCAgent 觸發(fā)遠(yuǎn)端控制中心，由控制中心調(diào)用離線水質(zhì)參數(shù)，當(dāng)前的養(yǎng)殖周期等信息做出增氧機(jī)的控制命令，將控制命令發(fā)送給JCAgent，JCAgent 將控制命令發(fā)送給增氧機(jī)，增氧機(jī)接收到控制命令立即執(zhí)行，并反饋一個信息包(控制命令，異常命令標(biāo)示符0)給JCAgent。在實驗過程中規(guī)定:正常的控制命令標(biāo)示符為1，控制命令丟失，由終端控制中心發(fā)送來的控制命令的標(biāo)示符為0。

3 實驗測試結(jié)果

3.1 實驗場景

本文在上海廊下現(xiàn)代漁業(yè)基地，選擇一個10 畝大小的養(yǎng)殖池塘，時間為夏季，如圖3 所示。現(xiàn)場布置了傳感器節(jié)點，初始化設(shè)備組建了水質(zhì)監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)，實時的監(jiān)測水溫，DO，pH，氨氮，氧化還原電位(ORP)等水質(zhì)參數(shù)。安置了4 個水質(zhì)采集節(jié)點，1 臺葉輪式增氧機(jī)，4 個水質(zhì)采集節(jié)點中的3#水質(zhì)采集節(jié)點為JCAgent，使用增氧機(jī)自帶的溶解氧采集探頭采集溶解氧，通過外部傳感器采集pH，氨氮，ORP 和溫度。4 個水質(zhì)采集節(jié)點組成一個Zig Bee 網(wǎng)絡(luò)，3#節(jié)點作為簇頭，給各個CJAgent 發(fā)送協(xié)作指令。

由于適合南美白對蝦水產(chǎn)養(yǎng)殖的溶解氧濃度在4 mg/L以上，所以設(shè)置當(dāng)溶解氧濃度低于4.2 mg/L 時啟動增氧，控制目標(biāo)是5.8 mg/L，當(dāng)高于6 mg/L 時停止增氧。為南美白對蝦生長設(shè)置的溶解氧預(yù)警如表1 所示。

表1 溶解氧預(yù)警設(shè)置表Tab 1 Dissolved oxygen prediction set table

3.2 實驗實例

選擇養(yǎng)殖池塘2014 年8 月10 日～8 月11 日的數(shù)據(jù)，在觀測時間段內(nèi)有陰天、雨天。采集到的部分水質(zhì)參數(shù)如表2所示。

圖3 實驗場景架構(gòu)圖Fig 3 Architecture of experimental scene

表2 水質(zhì)參數(shù)信息Tab 2 Parameter information of water quality

以一次瞬時測量結(jié)果如表3。

表3 水質(zhì)參數(shù)瞬時測量結(jié)果Tab 3 Instant measurement results of water quality parameters

將溶解氧的預(yù)測值和知識庫中預(yù)先存儲的南美白對蝦生長環(huán)境參數(shù)進(jìn)行對比，由于南美白對蝦的安全溶解氧閾值為4.2～5.8 mg/L，當(dāng)前溶解氧值為正常范圍，觸發(fā)的增氧機(jī)控制命令為:不做任何操作，維持原狀。溶解氧預(yù)測Agent 發(fā)送控制命令給增氧機(jī)，同時等待下一時刻溶解氧預(yù)測Agent 再次進(jìn)行溶解氧預(yù)測。增氧機(jī)控制Agent 接收到命令后將控制命令打包成一個信息包(“不做任何操作，維持原狀”，“1”)發(fā)送給3#節(jié)點，3#節(jié)點收到增氧機(jī)控制Agent 發(fā)送來的反饋信息，表示該次控制成功完成。3#節(jié)點每隔6h 將(水質(zhì)數(shù)據(jù)，對應(yīng)控制命令，命令標(biāo)示符)打包發(fā)送給終端控制中心。

4 結(jié)果與分析

本文選擇2014 年8 月10 日～11 日的溶解氧數(shù)據(jù)進(jìn)行增氧機(jī)開關(guān)機(jī)次數(shù)分析，8 月10 日是陣雨天氣，8 月11 日是多云天氣，常規(guī)增氧時，陣雨天時選擇01:00 ～03:00，08:00 ～10:00，15:00 ～18:00，21:00 ～22:00 開機(jī)8 h，多云天氣選擇開機(jī)7 h。本文使用了WSNs 和GPRS 的情況下，增氧機(jī)的開關(guān)機(jī)次數(shù)和時長如表4。

表4 48 h 內(nèi)的開機(jī)次數(shù)和開機(jī)時間Tab 4 Boot times and boot time

當(dāng)使用了多因素溶解氧模糊控制算法后，當(dāng)溶解氧處于將近閾值時，提前改變增氧機(jī)的狀態(tài)，減少頻繁開關(guān)機(jī)，2 天的總開機(jī)時間11 h，減少了4 h 的開機(jī)時間，節(jié)約了能耗。

5 結(jié) 論

針對傳統(tǒng)的養(yǎng)殖管理過程中通信能耗高，增氧不及時的問題，本文引入多Agent 技術(shù)，設(shè)計了溶解氧預(yù)測Agent，增氧機(jī)控制Agent，決策Agent，通過Agent 之間的相互協(xié)作，結(jié)合GPRS 和WSNs，形成混合通信模式，通過實驗驗證，該系統(tǒng)不但能夠更加準(zhǔn)確地預(yù)測溶解氧值，減少增氧機(jī)在智能控制時的通信能耗，并能夠?qū)崟r地控制增氧機(jī)開關(guān)。從而有效提高了增氧機(jī)控制效率，充分解決了過氧和缺氧問題，保證了系統(tǒng)的低功耗運行。

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