河蟹高效养殖物联网调控模式优化集成关键技术

发布时间：2020-04-20 06:28

【摘要】：在过去的三十年里,我国河蟹养殖业取得了长足的发展和显著的进步。然而,长期粗放式的养殖方式以及养殖技术的落后,使得我国河蟹养殖经济效益不明显,国际竞争力较弱。以无线传感器网络为核心的物联网技术正迅猛发展,在国民经济的各个行业中得到了广泛应用,取得了显著的经济效益和社会效用。本课题结合智能传感器技术和嵌入式计算技术,将无线传感器网络技术应用于河蟹养殖领域,在实地考察养殖现场了解养殖人员需求的基础上,针对河蟹养殖行业三种典型的养殖模式分别设计了不同的无线传感器网络系统架构。就三种调控模式中涉及的感控层关键技术、自组网传输技术和检测参数优化技术进行了研究和设计。本课题的工作主要包括以下几个方面:在分析河蟹养殖行业现状基础上,设计了三种适用不同养殖规模的WSN系统架构,通过详细介绍底层关键设备的主要性能、运行流程等来说明三种调控模式系统如何搭建;为保证感知层参数采集准确性,从测量原理的角度出发,设计了一整套参数标定和温度补偿方法;在系统的控制层设计中考虑网络能耗和响应溶解氧超限及时性的平衡,设计了变周期监测策略。在分析溶解氧过饱和机理基础上设计了溶解氧过饱和处理方法。针对多增氧泵控制需要和溶解氧水平分布差异问题,将多增氧泵控制和多点测量相结合,设计了包括池塘划分、节点部署在内的解决方案。采集和控制离不开可靠的自组网传输技术支持。MAC层采用支持低功耗侦听和CCA退避机制的基于竞争的B-MAC协议优化信道分配改善传输冲突,自组网路由协议选择了多跳路由协议CTP协议,并针对河蟹养殖物联网传输的要求设计了其对双向传输的支持,该协议优化了传输路径,提高了传输的可靠性,兼顾了传输开销。针对河蟹养殖环境需要监测参数多、部分参数检测成本较高和实时性差的问题,在分析研究基础上确定总氮总磷作为检测参数优化目标。将测得的样本集分成训练集和验证集,使用了集成学习中典型的随机森林和GBDT算法对训练集数据进行训练建模,在验证集验证模型输出总氮总磷结果准确性和泛化能力,两个算法在简化了输入特征量的同时都取得了良好的预测效果,相较而言GBDT算法从实验结果上表现出相对更好的性能。最后在常州金坛区渔业科技示范基地和三家养殖户进行了示范性的安装测试,在现场对路由的自组织性、组网传输的丢包和控制效果以及节能性进行了检验。验证了系统架构的可行性,关键技术的有效性。本课题设计的河蟹高效养殖物联网调控模式优化集成关键技术,有效兼顾了水质参数数据采集、处理、控制、自组网传输和检测参数优化等问题,可以广泛应用于河蟹养殖现场,具有广阔的应用前景和良好的社会、经济效益。
【图文】：

调控模式,系统架构,第一

节点对溶解氧、PH、ORP和温度指标进行检测。本模式还可以根据养殖户需要对现场监控终端增加2G/3G/4G传输模块，为养殖户实现移动端数据监测和增氧泵控制。第一种模式系统架构图如图2-1所示。第二种模式是也就是针对小型养殖企业，通常管理4个以上池塘，其养殖池塘地理位置相近，适合利用经济可靠的433MHz实现自组网，通过无线网关实现与远距离的智能基站终端一体机通信。这种调控模式下一般会有很多大规格池塘，设计的节点布置和溶解氧控制策略和小规格池塘会有差异。每个池塘可部署1～2台采集和控制合二为一的水质传感控制器或1～2套采集和控制分开的水质采集器、1～8通道智能无线控制器。除此之外系统还根据需要部署了无线网关、无线中继器、本地监控终端（包括智能基站终端一体机和监控终端）等。采集参数包括养殖池塘中溶解氧、水温、PH值、ORP等参数数据，并根据采集的数据及用户的要求对增氧泵等设备进行控制。本模式系统利用433MHz无线收发频段的无线传感器网络多跳路由方式无线自组网、或者利用无线网关、中继器、路由传输到本

调控模式,系统架构

控制终端向用户实时提供监测数据以及向执行设备发送控制指令。该系统可根据河蟹微小型养殖企业拥有的池塘数增减采集和控制合二为一的水质传感控制器的个数或者采集和控制分开的水质采集器、1～8通道智能无线控制器套数。第二种模式系统架构图如图2-2所示。图 2-1 第一种调控模式系统架构图 2-2 第二种调控模式系统架构第三种模式，即大型养殖企业或合作社，管理的池塘通常为4个以上池塘为一个区域，，并拥有两个以上分布相对较远的区域。采用由采集和控制合二为一的水质传感控制器（或采集和控制分开的水质采集器、1～8通道智能无线控制器）、无线网关、无线中继器、本地监控终端（包括智能基站终端一体机）、现场监控中心等组成。每个区域中的每个池塘可以采用1～2个采集和控制合二为一的水质传感控制器或1～2套采集和控制分开的水质采集器、1～8通道智能无线控制器来对池塘环境进行信息采集，采集参数包括养殖池塘中溶解氧、水温、PH值、ORP等参数数据，并根据采集的数据及用户的要求对增氧泵等设备进行控制。本模式系统的每个区域利用433MHz无线收发频段的无线传感器网络多跳路由
【学位授予单位】：东南大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：S966.16;S951.2

【参考文献】