基于熟人模型的大型養(yǎng)殖池塘多增氧機(jī)智能控制系統(tǒng)

簡玉梅　張韓飛

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 淮安 223300)

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基于熟人模型的大型養(yǎng)殖池塘多增氧機(jī)智能控制系統(tǒng)

簡玉梅1張韓飛2

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 淮安 223300)

摘要為解決目前大型養(yǎng)殖池塘多臺增氧機(jī)不能及時(shí)控制問題，系統(tǒng)采用GPRS和WSN混合通信，并通過設(shè)計(jì)多臺增氧機(jī)智能控制的方式對系統(tǒng)進(jìn)行監(jiān)控。簇頭節(jié)點(diǎn)收集數(shù)據(jù)后發(fā)送給網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)，當(dāng)溶解氧測量值與上次發(fā)送值誤差在0.02 mg/L范圍內(nèi)時(shí)，不向簇頭發(fā)送數(shù)據(jù)。網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)分析水質(zhì)數(shù)據(jù)，若發(fā)現(xiàn)數(shù)據(jù)異常，通過數(shù)據(jù)包中節(jié)點(diǎn)編號快速定位。根據(jù)增氧機(jī)和異常點(diǎn)間的熟人模型，確定增氧機(jī)。網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)根據(jù)各簇頭的自信度、剩余能量和與被選中增氧機(jī)間的熟人關(guān)系，為增氧機(jī)控制命令從網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)發(fā)送到增氧機(jī)找一條最優(yōu)傳輸路徑。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，系統(tǒng)減少了傳輸能耗和增氧機(jī)的開機(jī)時(shí)間，實(shí)現(xiàn)了對多臺增氧機(jī)智能控制，滿足了大規(guī)模水產(chǎn)養(yǎng)殖的需要。

關(guān)鍵詞無線傳感器網(wǎng)絡(luò)GPRS熟人模型多臺增氧機(jī)智能控制

0引言

在水產(chǎn)養(yǎng)殖中需實(shí)時(shí)監(jiān)測水中的溶解氧、pH值、鹽度、溫度等各個水質(zhì)參數(shù)，其中溶解氧是影響水產(chǎn)品產(chǎn)量的最重要因素，越來越多的學(xué)者投入到了溶解氧的智能控制中。在研究初期學(xué)者們多采用有線的方式[1，2]，但由于有線系統(tǒng)大量使用各種線路，現(xiàn)場混亂，數(shù)據(jù)采集復(fù)雜，系統(tǒng)擴(kuò)展性差，而逐漸將嵌入式技術(shù)、物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)和無線傳輸技術(shù)引入到水產(chǎn)養(yǎng)殖中[3-6]。如近幾年提出的運(yùn)用無線傳感器網(wǎng)絡(luò)(WSN)和GPRS混合通信[7-9]實(shí)現(xiàn)對水產(chǎn)養(yǎng)殖環(huán)境的實(shí)時(shí)監(jiān)測和控制。但目前研究基本上都是針對一個池塘一臺增氧機(jī)[10-12]，沒有考慮一個大型養(yǎng)殖池塘多臺增氧機(jī)的混合控制，對于集約化大規(guī)模水產(chǎn)養(yǎng)殖系統(tǒng)而言，需要綜合考慮一個池塘中多臺增氧機(jī)的智能控制。

針對上面問題，本文提出在一個大型養(yǎng)殖池塘，使用WSN和GPRS混合通信，在單臺增氧機(jī)閉環(huán)控制的基礎(chǔ)上通過增氧機(jī)和簇頭節(jié)點(diǎn)之間建立熟人模型，實(shí)現(xiàn)大型池塘多臺增氧機(jī)的智能控制。系統(tǒng)由實(shí)時(shí)監(jiān)控、無線傳感器網(wǎng)絡(luò)兩部分組成，通過對無線傳感器節(jié)點(diǎn)采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，控制某臺或者所有增氧機(jī)，在規(guī)定的時(shí)間間隔內(nèi)，將水質(zhì)參數(shù)傳輸?shù)竭h(yuǎn)程控制中心方便后期查詢。

1系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

為了達(dá)到對水產(chǎn)養(yǎng)殖現(xiàn)場的監(jiān)控和水質(zhì)參數(shù)的管理目的，設(shè)計(jì)的系統(tǒng)必須具備數(shù)據(jù)自動采集、遠(yuǎn)程傳輸、存儲管理，分析處理等功能。多增氧機(jī)智能控制系統(tǒng)主要由無線傳感器網(wǎng)絡(luò)單元和實(shí)時(shí)控制單元組成，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)是由ZigBee網(wǎng)絡(luò)和GPRS組成。實(shí)時(shí)控制單元分為現(xiàn)場控制中心和遠(yuǎn)程控制中心兩部分，現(xiàn)場控制中心主要負(fù)責(zé)收集數(shù)據(jù)、處理數(shù)據(jù)，將控制命令驅(qū)動發(fā)送給控制節(jié)點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)閉環(huán)控制，遠(yuǎn)程控制中心主要存儲大量的水質(zhì)養(yǎng)殖參數(shù)，供養(yǎng)殖戶進(jìn)行整體控制。系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1　系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)單元采用簇狀拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)[13](cluster tree)，網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點(diǎn)包括傳感器節(jié)點(diǎn)、簇頭節(jié)點(diǎn)和網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)。傳感器節(jié)點(diǎn)負(fù)責(zé)采集水質(zhì)參數(shù)(DO、pH、氨氮、OPR等)，且只能和簇頭進(jìn)行通信，節(jié)點(diǎn)之間不進(jìn)行數(shù)據(jù)交互。簇頭間可以相互通信轉(zhuǎn)發(fā)信息，各簇頭之間通過單跳或者是多跳的方式將數(shù)據(jù)發(fā)送給網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)。網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)是一個嵌入式處理中心，同時(shí)具有ZigBee和GPRS通信功能，負(fù)責(zé)將數(shù)據(jù)發(fā)到遠(yuǎn)程控制中心；并在分析處理數(shù)據(jù)后，根據(jù)異常數(shù)據(jù)所在節(jié)點(diǎn)和增氧機(jī)之間的熟人關(guān)系，決定將控制命令發(fā)送給某臺具體增氧機(jī)的控制PLC(S7-200)，由PLC控制增氧機(jī)。

遠(yuǎn)程控制中心由MySQL Server 5.1 數(shù)據(jù)庫服務(wù)器平臺和數(shù)據(jù)接收程序組成，負(fù)責(zé)接收和存儲數(shù)據(jù)，并實(shí)時(shí)綜合分析養(yǎng)殖水域情況。中心使用socket通信完成數(shù)據(jù)接收，創(chuàng)建一個套接字將其綁定到固定的IP和端口上，當(dāng)有連接請求發(fā)送來時(shí)建立接收數(shù)據(jù)線程，可以接收GPRS發(fā)送來的數(shù)據(jù)。

2傳感器節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)

2.1傳感器節(jié)點(diǎn)硬件設(shè)計(jì)

WSN由多個傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)構(gòu)成，每個傳感器節(jié)點(diǎn)由電源模塊、傳感器模塊、模/數(shù)轉(zhuǎn)換模塊和核心處理模塊組成，節(jié)點(diǎn)可以進(jìn)行數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理、無線通信的功能。傳感器模塊使用美國INSITU公司的Aqua TROLL 400，核心處理模塊使用TI公司的CC2530，該模塊包含ZigBee協(xié)議棧，可以用于完成數(shù)據(jù)的收發(fā)。

2.2傳感器節(jié)點(diǎn)軟件設(shè)計(jì)

傳感器節(jié)點(diǎn)主要被放在養(yǎng)殖池塘里，選擇干電池供電，簇頭節(jié)點(diǎn)使用睡眠—工作模式[14]。當(dāng)其不進(jìn)行數(shù)據(jù)發(fā)送時(shí)進(jìn)入睡眠模式，可設(shè)定睡眠計(jì)數(shù)器的值，當(dāng)睡眠計(jì)數(shù)器溢出時(shí)喚醒節(jié)點(diǎn)，對數(shù)據(jù)進(jìn)行采集和發(fā)送，完畢后再次進(jìn)入睡眠模式。

網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)又叫基站節(jié)點(diǎn)使用ARM9處理器，采用Siemens公司GSM/GPRS雙頻模塊完成無線遠(yuǎn)程通信。使用嵌入式數(shù)據(jù)庫SQLite對數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲。

傳感器節(jié)點(diǎn)向簇頭發(fā)送的數(shù)據(jù)含有目的地址和源地址，其中目的地址是最終網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)，源地址則為發(fā)送出數(shù)據(jù)的傳感器節(jié)點(diǎn)。在系統(tǒng)設(shè)置初期，將各個節(jié)點(diǎn)按照簇和節(jié)點(diǎn)進(jìn)行編號，源地址實(shí)際上就是由簇號和節(jié)點(diǎn)編號組成。當(dāng)網(wǎng)關(guān)接收到數(shù)據(jù)后，通過GPRS模塊將數(shù)據(jù)發(fā)送出去，移動基站則將獲得的數(shù)據(jù)通過Internet，最終傳送該遠(yuǎn)端控制中心。

2.2.1單傳感器終端節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)

傳感器將第一次采集的數(shù)據(jù)發(fā)送給簇頭節(jié)點(diǎn)，后面采集的數(shù)據(jù)都需要和上次發(fā)送值比較，誤差在0.02 mg/L范圍內(nèi)時(shí)，不向簇頭發(fā)送數(shù)據(jù)，節(jié)約電池電量[6]。

2.2.2網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)

網(wǎng)關(guān)通過GPRS發(fā)送數(shù)據(jù)分兩步：撥號上網(wǎng)和基于Socket的網(wǎng)絡(luò)通信。撥號上網(wǎng)實(shí)現(xiàn)PPP連接(point to point Protocol over Ethernet)，連接上后通過套接字(socket)實(shí)現(xiàn)和服務(wù)器的通信。GPRS的通信模式屬于客戶端向服務(wù)器發(fā)送服務(wù)請求，服務(wù)器根據(jù)請求提供相應(yīng)服務(wù)。

3基于熟人模型的多臺增氧機(jī)智能控制

在一個大型養(yǎng)殖池塘中，放置多臺增氧機(jī)，由于魚蝦的活動和池塘周圍環(huán)境的不同導(dǎo)致整個池塘不同位置的水質(zhì)參數(shù)不同。因此養(yǎng)殖戶需要隨時(shí)了解水質(zhì)參數(shù)的變化判斷增氧機(jī)的狀態(tài)。而且在養(yǎng)殖一段時(shí)間后，需結(jié)合當(dāng)前養(yǎng)殖周期，投餌狀況，調(diào)用離線數(shù)據(jù)對整個池塘進(jìn)行綜合控制。

3.1多臺增氧機(jī)熟人模型設(shè)置

在一個150 m×200 m的大型養(yǎng)殖池塘中，設(shè)置多個采集節(jié)點(diǎn)及增氧機(jī)，選取其中20個采集節(jié)點(diǎn)，3個葉輪式增氧機(jī)[15]為例，如圖2所示。初始時(shí)為每個增氧機(jī)和節(jié)點(diǎn)命名。采集節(jié)點(diǎn)采用“簇頭節(jié)點(diǎn)+采集節(jié)點(diǎn)”下標(biāo)方式命名，簇頭1(簡稱C1)所在簇的四個節(jié)點(diǎn)從左上角順時(shí)針依次命名為N11、N12、N13、N14。其他以此類推。

圖2　系統(tǒng)節(jié)點(diǎn)和增氧機(jī)分布圖

系統(tǒng)的簇頭節(jié)點(diǎn)數(shù)多于增氧機(jī)數(shù)，且每個增氧機(jī)不是由固定的簇頭觸發(fā)的。每當(dāng)需要觸發(fā)增氧機(jī)時(shí)，增氧機(jī)和簇頭之間建立熟人關(guān)系，對熟人關(guān)系有多種分類方式，如是否合作過、狀態(tài)間的密切情況等[15-17]。本文根據(jù)增氧機(jī)和簇頭間的距離進(jìn)行熟人關(guān)系的劃分。

為了更好表述熟人關(guān)系模型，考慮圖2中簇頭C1、C2、C3和C4，以及增氧機(jī)1#(簡稱A1)和增氧劑2#(A2)之間的分類關(guān)系。假設(shè)四個簇頭節(jié)點(diǎn)匯總20個采集節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)并將其發(fā)送到網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)，網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)分析數(shù)據(jù)后發(fā)現(xiàn)N13處溶解氧偏低，則需要增氧。

控制增氧機(jī)有兩個步驟：確定開哪臺增氧機(jī)；由哪個簇頭轉(zhuǎn)發(fā)命令。

3.1.1判斷開啟某臺(或多臺)增氧機(jī)

對采集節(jié)點(diǎn)N13來說，可通過如下四元函數(shù)表示它和A1、A2、A3之間的關(guān)系：

其中：

2)N表示采集節(jié)點(diǎn)；

3)A表示增氧機(jī)；

4)Acq表示節(jié)點(diǎn)和增氧機(jī)間的熟人關(guān)系,Acq∈AN；熟人關(guān)系的確定需要考慮距離H，其中AN={陌生人、一般熟人、熟人}；

5)H表示傳感器節(jié)點(diǎn)和增氧機(jī)間的距離，其中距離和熟人集合的關(guān)系為：

HN={x∈陌生人|x>80m,

x∈一般熟人|40m

x∈熟人|x<40m}

傳感器節(jié)點(diǎn)與增氧及間的熟人關(guān)系主要是由葉輪增氧機(jī)的增氧范圍決定的。由該模型可以知道，對于N13來說，A1是熟人，A2和A3是一般熟人。最終決定對A1增氧機(jī)進(jìn)行操作。當(dāng)遇到如圖3所示的幾種情況時(shí)，按照附加判斷條件進(jìn)行增氧機(jī)開啟判斷。

圖3　增氧機(jī)和節(jié)點(diǎn)熟人關(guān)系示意圖

圖3中，小圓覆蓋區(qū)域表示熟人關(guān)系，大圓區(qū)域表示一般熟人，不在圓中的節(jié)點(diǎn)對于增氧機(jī)來說是陌生人。

1) 一個采集節(jié)點(diǎn)存在多個熟人

當(dāng)某采集節(jié)點(diǎn)處在兩個及以上增氧機(jī)的熟人關(guān)系網(wǎng)中時(shí)，如圖3中的A2和A3都是N41的熟人，此時(shí)選擇離網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)位置最近的A3進(jìn)行操作。

2) 某采集節(jié)點(diǎn)周邊沒有熟人，但存在一般熟人

當(dāng)節(jié)點(diǎn)周邊沒有熟人時(shí)，如圖3中N22，在A1和A2來說都是一般熟人，最終選擇離自己距離最近的A2為目標(biāo)增氧機(jī)。

3) 一個采集節(jié)點(diǎn)周邊全是陌生人

當(dāng)節(jié)點(diǎn)離所有增氧機(jī)都很遠(yuǎn)時(shí)(圖3中N32)，三臺增氧機(jī)都在其熟人模型外。這種情況下首先確定由離它最近的增氧機(jī)進(jìn)行控制，同時(shí)需要在通信的過程中給遠(yuǎn)端控制中心發(fā)送命令，進(jìn)行人為的增氧機(jī)位置微調(diào)，避免此情況。

對于多個采集節(jié)點(diǎn)處水質(zhì)出現(xiàn)異常，判斷開啟多臺增氧機(jī)的方法同上。

3.1.2判斷參與轉(zhuǎn)發(fā)控制命令的簇頭節(jié)點(diǎn)

由3.1.1節(jié)確定打開1#增氧機(jī)后，需判斷由哪個或者哪些簇頭進(jìn)行控制命令的轉(zhuǎn)發(fā)。

由于簇頭節(jié)點(diǎn)負(fù)責(zé)匯總轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)需要能耗，在轉(zhuǎn)發(fā)增氧機(jī)控制命令時(shí)需要選擇一條能耗小，同時(shí)相對及時(shí)的路線。對于1#增氧機(jī)A1來說，可以通過一個四元函數(shù)來確定增氧機(jī)和簇頭之間的關(guān)系：

ω(Acq)+E(e)×ω(e)

其中：

2) E(c)、ω(c)表示簇頭節(jié)點(diǎn)自身能否勝任轉(zhuǎn)發(fā)任務(wù)的自信度及相應(yīng)的權(quán)重值。一般設(shè)置熟人節(jié)點(diǎn)的自信度為1，一般熟人的自信度為0.8，陌生人的自信度為0.5。自信度在使用過程中按照式(1)及時(shí)更新：

(1)

3) E(Acq)、ω(Acq)表示簇頭節(jié)點(diǎn)對于增氧機(jī)的熟人模型的評價(jià)值及權(quán)重值。E(熟人)=5，E(一般熟人)=3，E(陌生人)=1。

4) E(e)、ω(e)表示簇頭剩余能量的評價(jià)值和對應(yīng)權(quán)重。當(dāng)一個節(jié)點(diǎn)是一個全新節(jié)點(diǎn)時(shí)剩余能量最多，為5。隨著使用剩余能量越來越少。節(jié)點(diǎn)死亡時(shí)能量為0。

對A1來說，由3.1.1節(jié)知C1和C2是熟人，C3和C4是一般熟人。假設(shè)某時(shí)刻C1、C2、 C3、C4對于A1的剩余能量分別為3、3、2、3。

參考農(nóng)業(yè)專家意見，在選取簇頭節(jié)點(diǎn)時(shí)，主要是選取那些有能量完成任務(wù)且距離增氧機(jī)節(jié)點(diǎn)很近的簇頭。節(jié)點(diǎn)在有能量且距離范圍近的狀態(tài)下，它之前是否成功完成任務(wù)的自信度不作為主要考慮因素。為此給予熟人關(guān)系和剩余能量的權(quán)重分別為0.4，自信度權(quán)重為0.2。如表1所示。

表1　C1,C2, C3,C4對A1的值和對應(yīng)權(quán)重

對于A1來說，C1的評價(jià)值為：

ω(Acq)+E(e)×ω(e)

=1×0.2+5×0.4+3×0.4

=3.4

對于A1來說，C2的評價(jià)值為:

ω(Acq)+E(e)×ω(e)

=0.8×0.2+5×0.4+3×0.4

=3.36

對于A1來說，C3的評價(jià)值為:

ω(Acq)+E(e)×ω(e)

=1×0.2+3×0.4+2×0.4

=2.2

對于A1來說，C4的評價(jià)值為：

ω(Acq)+E(e)×ω(e)

=0.7×0.2+3×0.4+3×0.4

=2.54

由于四個簇頭對于A1的評價(jià)值關(guān)系為：

綜上，在N13節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)異常時(shí)，最終選擇離N13最近的A1進(jìn)行增氧，綜合各個簇頭節(jié)點(diǎn)的距離、剩余能量、自信度之后選擇簇頭C1給A1轉(zhuǎn)發(fā)控制命令。

通過考慮簇頭節(jié)點(diǎn)和增氧機(jī)之間的熟人關(guān)系以及自信度，能夠使得每次的發(fā)送命令有很大的把握傳輸成功，減少了傳輸失敗重新選擇路線帶來的能耗。同時(shí)由于設(shè)置了當(dāng)前后兩次增氧機(jī)測量差值在0.02 mg/L的范圍內(nèi)時(shí)只發(fā)送一個標(biāo)識符到網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)，進(jìn)而也減少了傳輸能耗，使得節(jié)點(diǎn)中能耗小。同時(shí)剩余能量的加入使得那些快要死亡的簇頭節(jié)點(diǎn)不再參與數(shù)據(jù)傳輸，使得整個網(wǎng)絡(luò)的壽命延長，換個角度說也是保證了數(shù)據(jù)傳輸?shù)募皶r(shí)性。

由于本例子中C1節(jié)點(diǎn)離網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)很近，可以直接接收網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)發(fā)送來的命令。當(dāng)選擇的節(jié)點(diǎn)離網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)很遠(yuǎn)時(shí)，需要考慮各個節(jié)點(diǎn)到網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)之間的多跳路由，由于篇幅有限，此問題不在此詳述。

3.2增氧通信機(jī)制設(shè)計(jì)

網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)接收到遠(yuǎn)程控制中心發(fā)送來的查詢請求后，轉(zhuǎn)發(fā)給簇頭，簇頭觸發(fā)采集節(jié)點(diǎn)從休眠狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)楣ぷ鳡顟B(tài)。當(dāng)采集節(jié)點(diǎn)將采集數(shù)據(jù)發(fā)送給簇頭節(jié)點(diǎn)后，簇頭節(jié)點(diǎn)接收匯總傳感器節(jié)點(diǎn)采集的數(shù)據(jù)，并回復(fù)確認(rèn)應(yīng)答，讓采集節(jié)點(diǎn)從工作狀態(tài)轉(zhuǎn)為休眠。

4結(jié)果與分析

實(shí)驗(yàn)分兩部分內(nèi)容：

1) 驗(yàn)證使用了多增氧機(jī)熟人模型后，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的能耗是否減少，即系統(tǒng)的節(jié)能性。

2) 驗(yàn)證進(jìn)行多臺增氧機(jī)閉環(huán)智能控制后，提升了增氧機(jī)控制的實(shí)時(shí)性，減少了增氧機(jī)的開機(jī)時(shí)間。

4.1能耗實(shí)驗(yàn)

網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)每隔半小時(shí)觸發(fā)簇頭節(jié)點(diǎn)收集一次數(shù)據(jù)，選擇N21節(jié)點(diǎn)的采集數(shù)據(jù)為例，其中2014年8月20號池塘中N21處采集的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)如表2所示。

表2　2014年8月20日水質(zhì)采集參數(shù)

由采集到的數(shù)據(jù)顯示，采集到的各個水質(zhì)參數(shù)在采集時(shí)間間隔內(nèi)變化比較小，網(wǎng)絡(luò)中出現(xiàn)的第一個失效節(jié)點(diǎn)的時(shí)間比傳統(tǒng)將所有采集數(shù)據(jù)都發(fā)送到網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)延長了50%。主要原因在于系統(tǒng)設(shè)計(jì)當(dāng)兩次采集的溶解氧相差在0.02 mg/L之內(nèi)時(shí)，認(rèn)為水質(zhì)參數(shù)沒有變化，只需要傳輸一個標(biāo)識符告訴網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)，傳輸標(biāo)識符比傳統(tǒng)傳輸所有數(shù)據(jù)為網(wǎng)絡(luò)節(jié)約了傳輸能耗。

4.2實(shí)時(shí)性和開機(jī)時(shí)間試驗(yàn)

本文選擇2014年8月20日、21日兩天的溶解氧數(shù)據(jù)進(jìn)行各臺增氧機(jī)開關(guān)次數(shù)分析。其中8月20日為雨天，8月21日為陰天，常規(guī)增氧時(shí)，陣雨天時(shí)選擇01:00-03:00，08：00-10:00， 15:00-18:00，21:00-22:00開機(jī)8個小時(shí)，多云天氣選擇開機(jī)7個小時(shí)。本文使用WSN和GPRS混合通信，且引入了多臺增氧機(jī)和簇頭，采集節(jié)點(diǎn)之間的熟人模型后，增氧機(jī)的開關(guān)機(jī)次數(shù)和時(shí)長如表3所示。

表3　多臺增氧機(jī)24 h內(nèi)(8月20日)的開機(jī)次數(shù)及開機(jī)時(shí)間

由于增加了增氧機(jī)和采集節(jié)點(diǎn)之間的熟人關(guān)系模型，在多臺增氧機(jī)智能控制的時(shí)候，不需要每臺增氧機(jī)都在設(shè)定的時(shí)間里打開，只需要打開出現(xiàn)預(yù)測到水質(zhì)將要異常或者已經(jīng)異常的水質(zhì)附近的增氧機(jī)。由上述數(shù)據(jù)可知，三臺增氧機(jī)在一天內(nèi)的打開時(shí)間比原來的定時(shí)開機(jī)減少了4.5個小時(shí)，達(dá)到水產(chǎn)養(yǎng)殖環(huán)境水質(zhì)參數(shù)智能控制的目的。

系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性主要取決于傳輸路徑的選擇、已經(jīng)傳輸?shù)某晒π浴１疚氖褂么仡^節(jié)點(diǎn)的自信度、剩余能量以及簇頭節(jié)點(diǎn)和增氧機(jī)之間的熟人關(guān)系，為每次的控制命令傳輸找出一條相對

距離最短、參與的簇頭節(jié)點(diǎn)能量最多、自信度最大的路線。該路線能保證傳輸?shù)目刂泼罴皶r(shí)傳輸?shù)皆鲅鯔C(jī)控制器上，減少數(shù)據(jù)二次傳輸帶來的能耗。

5結(jié)語

本文研究大型水產(chǎn)養(yǎng)殖池塘的溶解氧實(shí)時(shí)控制。在WSN和GPRS混合通信的情況下，針對每個WSN中簇頭節(jié)點(diǎn)和采集節(jié)點(diǎn)與增氧機(jī)之間的關(guān)系，建立采集節(jié)點(diǎn)和增氧機(jī)的熟人模型，簇頭節(jié)點(diǎn)和增氧機(jī)之間的最小能耗線路熟人模型。通過持續(xù)測量養(yǎng)殖池塘中的溶解氧、溫度、鹽度、pH、ORP、氨氮等相關(guān)參數(shù)實(shí)現(xiàn)對南美白對蝦生長環(huán)境的實(shí)時(shí)監(jiān)測。本系統(tǒng)能精準(zhǔn)地開啟某臺或者多臺增氧機(jī)，而且能選出一條最優(yōu)路徑實(shí)現(xiàn)增氧機(jī)控制命令的發(fā)送。實(shí)現(xiàn)了水產(chǎn)養(yǎng)殖過程中增氧機(jī)的實(shí)時(shí)控制。

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收稿日期：2015-03-03。淮安市應(yīng)用研究與科技攻關(guān)計(jì)劃(工業(yè))項(xiàng)目(HAGZ2014009)。簡玉梅，助教，主研領(lǐng)域：無線傳感器網(wǎng)絡(luò)，智能控制。張韓飛，助理研究員。

中圖分類號TP3993

文獻(xiàn)標(biāo)識碼A

DOI:10.3969/j.issn.1000-386x.2016.07.028

INTELLIGENT CONTROL SYSTEM FOR SETS OF AERATORS IN LARGE-SCALE FARMING POND BASED ON ACQUAINTANCES MODEL

Jian Yumei1Zhang Hanfei2

1(SchoolofElectricalandElectronicEngineering，ShanghaiUniversityofEngineeringScience，Shanghai201620，China)2(HuaiyinNormalUniversity,Huaian223300,Jiangsu,China)

AbstractIn order to solve the problem that a set of aerators in large-scale farming pond cannot be timely controlled, we propose such a system, it uses the hybrid communication of GPRS and WSN and is controlled by designing the intelligent control manner for sets of aerators. The cluster head nodes of the system send the collected data to gateway nodes, when the changes in dissolved oxygen concentration is less than 0.02 mg/L compared with the value sent in last time, no data will be sent to its cluster head. The gateway node is in charge of analysing water quality data, when the abnormal data is found, rapid positioning will be done through the node number in data package. The aerator will be determined according to the acquaintance model between the aerator and the anomaly node. According to the confidence, remaining energy of each cluster head and the acquaintance relationship between it and the chosen aerator, the gateway node will find an optimal transmission path for sending the control command for the aerator from gateway node to the aerator. It is verified by the experimental result that the system reduces energy consumption and boot time of the aerator, achieves intelligent control on sets of aerators, and meets the needs of large-scale aquaculture.

KeywordsWireless sensor networkGPRSAcquaintances modelSets of aeratorsIntelligent control