專利名稱：水質(zhì)檢測(cè)無線傳輸采集節(jié)點(diǎn)裝置及信息融合方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種用于采用無線傳感網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行集約化水產(chǎn)養(yǎng)殖的無線傳輸采集節(jié) 點(diǎn)裝置及信息融合方法，安裝在集約化水產(chǎn)養(yǎng)殖的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中。
背景技術(shù)：
目前采用無線傳感器網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行環(huán)境監(jiān)控的系統(tǒng)一般采用全數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆绞?，將?集節(jié)點(diǎn)采集到的傳感數(shù)據(jù)全部進(jìn)行發(fā)送，一方面需要傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量極大，采集節(jié)點(diǎn)能量消 耗大，另一方面?zhèn)鬏敂?shù)據(jù)中包含測(cè)量的不確定性，不能真實(shí)的反映出待測(cè)環(huán)境情況的真實(shí) 性。本發(fā)明實(shí)現(xiàn)集約化水產(chǎn)養(yǎng)殖過程中養(yǎng)殖環(huán)境參數(shù)PH值、溫度值、光照度值的傳感器數(shù) 據(jù)實(shí)時(shí)采集，并將數(shù)據(jù)進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)級(jí)融合處理，實(shí)現(xiàn)與無線匯聚節(jié)點(diǎn)的連接，將融合后的異常 環(huán)境狀態(tài)及環(huán)境參數(shù)數(shù)據(jù)采用無線傳輸方式傳輸給匯聚節(jié)點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)與監(jiān)控中心的聯(lián)系，接 收監(jiān)控中心后臺(tái)處理得到的融合算法的相關(guān)參數(shù)，對(duì)現(xiàn)場(chǎng)級(jí)融合方法進(jìn)行調(diào)整。本發(fā)明傳 輸數(shù)據(jù)前經(jīng)過信息融合數(shù)據(jù)預(yù)處理這個(gè)步驟不僅可以提高數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性與真實(shí)性，還可大 大降低數(shù)據(jù)的傳輸量，節(jié)省因傳輸不必要數(shù)據(jù)的能量消耗。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種用于采用無線多傳感器方法進(jìn)行集約化水產(chǎn)養(yǎng)殖的 無線傳輸采集節(jié)點(diǎn)裝置及信息融合方法，解決了采用多傳感器進(jìn)行數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)采集和現(xiàn)場(chǎng)級(jí) 融合，并對(duì)匯聚節(jié)點(diǎn)進(jìn)行準(zhǔn)確、真實(shí)、有效數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)發(fā)送的難題。為了實(shí)現(xiàn)以上目的，本項(xiàng)發(fā)明提供了一種采用多傳感器進(jìn)行水質(zhì)檢測(cè)的無線傳輸 采集節(jié)點(diǎn)裝置和現(xiàn)場(chǎng)級(jí)數(shù)據(jù)融合方法，其特征在于通過數(shù)據(jù)采集模塊采集集約化水產(chǎn)養(yǎng)殖 區(qū)養(yǎng)殖場(chǎng)的PH值、溫度值、光照度值數(shù)據(jù)，采用RBF算法和模糊計(jì)算技術(shù)的信息融合算法對(duì) 數(shù)據(jù)進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)級(jí)融合處理后，通過匯聚節(jié)點(diǎn)向監(jiān)控中心進(jìn)行異常環(huán)境狀態(tài)及環(huán)境參數(shù)數(shù)據(jù) 的實(shí)時(shí)傳輸，并實(shí)時(shí)接收監(jiān)控中心后臺(tái)處理得到的融合算法的相關(guān)參數(shù)，對(duì)現(xiàn)場(chǎng)級(jí)融合方 法進(jìn)行調(diào)整。本發(fā)明的有益效果為本發(fā)明應(yīng)用在采用無線測(cè)控方法進(jìn)行集約化水產(chǎn)養(yǎng)殖的無 線采集網(wǎng)絡(luò)中，為無線測(cè)控網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)采集、融合及發(fā)送設(shè)備。實(shí)現(xiàn)集約化水產(chǎn)養(yǎng)殖過程中 養(yǎng)殖環(huán)境水質(zhì)參數(shù)PH值、溫度值、光照度值的傳感器數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)采集，并將數(shù)據(jù)進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)級(jí) 融合處理，實(shí)現(xiàn)與無線匯聚節(jié)點(diǎn)的連接，將融合后的異常環(huán)境狀態(tài)及環(huán)境參數(shù)數(shù)據(jù)采用無 線傳輸方式傳輸給匯聚節(jié)點(diǎn)，通過匯聚節(jié)點(diǎn)實(shí)現(xiàn)與監(jiān)控中心的聯(lián)系，接收監(jiān)控中心后臺(tái)處 理得到的融合算法的相關(guān)參數(shù)，對(duì)現(xiàn)場(chǎng)級(jí)融合方法進(jìn)行調(diào)整。本發(fā)明傳輸數(shù)據(jù)前經(jīng)過信息 融合及數(shù)據(jù)預(yù)處理可大大降低數(shù)據(jù)的傳輸量，節(jié)省采集節(jié)點(diǎn)的能量消耗，延長(zhǎng)網(wǎng)絡(luò)生命，還 可以有效提高數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性與真實(shí)性，本發(fā)明為用于采用無線測(cè)控方法進(jìn)行集約化水產(chǎn)養(yǎng) 殖過程中的養(yǎng)殖環(huán)境數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)采集、處理和自動(dòng)發(fā)送提供了有效、可靠的傳輸設(shè)備和處理 方法，提高了水產(chǎn)養(yǎng)殖的自動(dòng)化程度和養(yǎng)殖產(chǎn)量。


圖1為本發(fā)明的組成模塊示意圖。圖2為本發(fā)明的硬件設(shè)計(jì)示意圖。圖3為本發(fā)明的功能示意圖。圖4為本發(fā)明的信息融合方法示意圖。圖5為本發(fā)明的軟件流程圖。
具體實(shí)施例方式以下結(jié)合附圖及實(shí)例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步描述。水質(zhì)檢測(cè)無線傳輸采集節(jié)點(diǎn)裝置，用于集約化水產(chǎn)養(yǎng)殖無線傳輸網(wǎng)絡(luò)中的水質(zhì)環(huán) 境參數(shù)采集、數(shù)據(jù)處理及傳輸，其組成模塊示意圖如圖1所示，包括微處理器模塊、ZigBee 無線通訊模塊、傳感器數(shù)據(jù)采集模塊、電源管理模塊。微處理器接受傳感器數(shù)據(jù)采集模塊采 集到的養(yǎng)殖場(chǎng)水質(zhì)參數(shù)PH值、光照值、溫度值數(shù)據(jù)，經(jīng)融合算法處理后，將異常水質(zhì)環(huán)境狀 態(tài)及環(huán)境參數(shù)數(shù)據(jù)經(jīng)Zigbee無線通訊模塊傳送到匯聚節(jié)點(diǎn)，并通過匯聚節(jié)點(diǎn)接收監(jiān)控中 心后臺(tái)處理得到的融合算法的相關(guān)參數(shù)，對(duì)現(xiàn)場(chǎng)級(jí)融合方法進(jìn)行調(diào)整。一、水質(zhì)檢測(cè)無線傳輸采集節(jié)點(diǎn)裝置操作過程采集節(jié)點(diǎn)裝置上電后，先進(jìn)行端口、內(nèi)存始化，經(jīng)由XBEE模塊申請(qǐng)加入ZIGBEE網(wǎng) 絡(luò)，得到網(wǎng)絡(luò)響應(yīng)后，由網(wǎng)絡(luò)掃描各個(gè)節(jié)點(diǎn)，將規(guī)定時(shí)間內(nèi)未使用的網(wǎng)絡(luò)地址分配給該節(jié) 點(diǎn)。節(jié)點(diǎn)檢測(cè)傳感器響應(yīng)是否正常，若不正常，將報(bào)警信息存儲(chǔ)以備與匯聚節(jié)點(diǎn)交換信息， 同時(shí)將報(bào)警標(biāo)志置1。將溫度、光照、PH值三種傳感器采樣三次取均值做為一次發(fā)送數(shù)據(jù)的 最終采樣值，按照異常點(diǎn)檢查規(guī)則庫判斷所采樣數(shù)據(jù)是否為異常數(shù)據(jù)，若為正常數(shù)據(jù)，則刪 除冗余數(shù)據(jù)以減少網(wǎng)絡(luò)負(fù)載，若數(shù)據(jù)異常，則對(duì)采樣值進(jìn)行數(shù)值轉(zhuǎn)換，使其變?yōu)?br> 之 間的整型數(shù)據(jù)。接收監(jiān)控中心經(jīng)由匯聚節(jié)點(diǎn)傳送來的W，C，0訓(xùn)練參數(shù)，按照RBF算法公式 計(jì)算出y值yi=Y Wljaj(X) i=\,2,-,r ,通過模糊計(jì)算將水質(zhì)分為四個(gè)等級(jí)，觀察報(bào)警標(biāo)
志是否有效，若有效，則將報(bào)警信息加入發(fā)送數(shù)據(jù)流中，同時(shí)偵聽網(wǎng)絡(luò)是否空閑，向匯聚節(jié) 點(diǎn)請(qǐng)求發(fā)送數(shù)據(jù)，得到允許后，將數(shù)據(jù)包發(fā)送給匯聚節(jié)點(diǎn)，即完成一次數(shù)據(jù)采集過程。二、數(shù)據(jù)融合預(yù)處理方法及規(guī)則1、數(shù)據(jù)清理。進(jìn)行異常數(shù)據(jù)識(shí)別、消除噪聲，并糾正數(shù)據(jù)中的不一致，刪除冗余數(shù) 據(jù)，完成對(duì)數(shù)據(jù)集中與其他數(shù)據(jù)顯著不同的樣本數(shù)據(jù)的檢測(cè)。對(duì)異常數(shù)據(jù)及噪聲數(shù)據(jù)采用 清除方法，不再參與數(shù)據(jù)融合處理。異常點(diǎn)檢查規(guī)則庫如下A. IF|溫度值-上次采集的溫度值I >5攝氏度，THEN判斷為異常數(shù)據(jù)；B. IF|光照值-上次采集的光照值I > 300，THEN判斷為異常數(shù)據(jù)；C. IF IPH值-上次采集的PH值| > 0. 4，THEN判斷為異常數(shù)據(jù);D. IF溫度值< 5攝氏度OR溫度值> 35攝氏度，THEN判斷為異常數(shù)據(jù)；E. IF光照值< 5000R光照值> 9000，THEN判斷為異常數(shù)據(jù)；F. IF PH 值< 5. 30R PH 值> 8. 7，THEN 判斷為異常數(shù)據(jù)；
2、數(shù)據(jù)變換。將來自多個(gè)數(shù)據(jù)源的數(shù)據(jù)合并構(gòu)成一個(gè)完整的數(shù)據(jù)集；完成數(shù)據(jù)的 規(guī)格化，按比例映射到某個(gè)特定的區(qū)間，以減小數(shù)據(jù)融合時(shí)計(jì)算復(fù)雜度。為便于計(jì)算及減少 計(jì)算量，PH值、光照值、溫度值都通過數(shù)據(jù)變換映射到區(qū)間W，100]；采用int型數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)
笪弁。三、數(shù)據(jù)融合算法通過數(shù)據(jù)融合預(yù)處理后的數(shù)據(jù)，雖然去除了異常數(shù)據(jù)，但由于監(jiān)控中心關(guān)注的是 異常水質(zhì)環(huán)境狀況，當(dāng)水質(zhì)環(huán)境狀況處在非正常情況時(shí)，才采取調(diào)控措施，若在采集節(jié)點(diǎn)先 進(jìn)行信息融合，進(jìn)行異常水質(zhì)環(huán)境發(fā)現(xiàn)，并且只發(fā)送水質(zhì)環(huán)境異常數(shù)據(jù)，便可以消除冗余信 息，減少數(shù)據(jù)傳輸量，從而有效地節(jié)省能量，延長(zhǎng)網(wǎng)絡(luò)生命，還可提高整個(gè)監(jiān)控系統(tǒng)反應(yīng)的 快速性和正確性。本發(fā)明采用的信息融合算法為基于RBF的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法和模糊計(jì)算技 術(shù)。由于RBF算法學(xué)習(xí)訓(xùn)練過程計(jì)算復(fù)雜，因此算法的學(xué)習(xí)訓(xùn)練過程在監(jiān)控中心進(jìn)行，然后 將學(xué)習(xí)訓(xùn)練得到的RBF算法中的參數(shù)徑向基函數(shù)中心Cj、徑向基函數(shù)感受野σ」、隱層到輸 出層的線性映射關(guān)系Wi傳輸給采集節(jié)點(diǎn)，采集節(jié)點(diǎn)按照以下RBF算法公式計(jì)算出結(jié)果
my,= Σ wUaAx) ·=1，2，·..，Γ
；=1對(duì)于本節(jié)點(diǎn)，j = 1，2，3，r = 1，因此公式可簡(jiǎn)化為y = Wlexp (-1 I 光照值-C11 12/ σ 2I) +w2exp (-1 | PH 值-C21 17 σ 22) +w3exp (-1 | 溫度
值-c3II2/。23)監(jiān)控中心定期或不定期對(duì)RBF算法中的參數(shù)wi，w2，w3 ;C1，C2，C3 ； σ ρ O1, σ i進(jìn)行 訓(xùn)練校正，發(fā)送給采集節(jié)點(diǎn)，采集節(jié)點(diǎn)可得到更準(zhǔn)確的計(jì)算結(jié)果。然后利用模糊計(jì)算技術(shù)，采用三角形隸屬函數(shù)，對(duì)RBF計(jì)算得到的y值進(jìn)行模糊計(jì) 算，劃分為如下表所示不同的水質(zhì)異常狀態(tài)。
y水質(zhì)狀態(tài)數(shù)值表示水質(zhì)狀態(tài)模糊語言描述(0,1]0水質(zhì)正常(1,2]1水質(zhì)稍差(2,3]2水質(zhì)較差(3,4]3水質(zhì)很差(4， + oo )4水質(zhì)極差采集節(jié)點(diǎn)將數(shù)據(jù)融合后的異常水質(zhì)狀態(tài)數(shù)值表示及參數(shù)數(shù)據(jù)通過匯聚節(jié)點(diǎn)發(fā)送 給監(jiān)控中心，進(jìn)行集約化水產(chǎn)養(yǎng)殖場(chǎng)監(jiān)控范圍內(nèi)的水質(zhì)環(huán)境進(jìn)行數(shù)據(jù)處理和監(jiān)控管理。本發(fā)明采用的主要技術(shù)如下1、嵌入式技術(shù)對(duì)于進(jìn)行集約化水產(chǎn)養(yǎng)殖無線傳感網(wǎng)絡(luò)采集節(jié)點(diǎn)裝置的設(shè)計(jì)，是基于嵌入式技術(shù)
5進(jìn)行的，嵌入式技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)是可處理大量采集信號(hào)，能控制多種傳感器進(jìn)行數(shù)據(jù)的采集。主 控制器采用TI公司的MSP430，它具有RS232轉(zhuǎn)換電路，可與通訊模塊進(jìn)行方便的串口數(shù)據(jù) 通訊，具有IIC接口，可用于與存儲(chǔ)設(shè)備間的數(shù)據(jù)存取，具有看門狗功能，可進(jìn)行自動(dòng)重啟。2、ZIGBEE 技術(shù)Zigbee是一種新興的近距離、低復(fù)雜度、低功耗、低數(shù)據(jù)速率、低成本的無線網(wǎng)絡(luò) 技術(shù)，它是一種介于無線標(biāo)記技術(shù)和藍(lán)牙之間的技術(shù)方案，主要用于近距離無線連接。它的 協(xié)議依據(jù)802. 15. 4標(biāo)準(zhǔn)，在數(shù)千個(gè)微小的傳感器之間實(shí)現(xiàn)了相互協(xié)調(diào)和通信。它具有以下 優(yōu)勢(shì)數(shù)據(jù)傳輸速率低、協(xié)議簡(jiǎn)單、傳輸范圍小、時(shí)延短、低功耗、低價(jià)格。3、數(shù)據(jù)融合技術(shù)數(shù)據(jù)融合技術(shù)是指利用計(jì)算機(jī)對(duì)按時(shí)序獲得的若干觀測(cè)信息，在一定準(zhǔn)則下加以 自動(dòng)分析、綜合，以完成所需的決策和評(píng)估任務(wù)而進(jìn)行的信息處理技術(shù)。數(shù)據(jù)融合技術(shù)，包 括對(duì)各種信息源給出的有用信息的采集、過濾、綜合、相關(guān)合成及傳輸，以便輔助人們進(jìn)行 態(tài)勢(shì)/環(huán)境判定、規(guī)劃、探測(cè)、驗(yàn)證、診斷。在本發(fā)明中，數(shù)據(jù)融合技術(shù)主要用于對(duì)采集節(jié)點(diǎn) 采集道的數(shù)據(jù)進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)級(jí)過濾、綜合、相關(guān)合成等融合，以消除噪聲、消除冗余信息，實(shí)現(xiàn)對(duì) 來自不同傳感器的數(shù)據(jù)進(jìn)行綜合判斷，在不損失有效數(shù)據(jù)的情況下，無損壓縮原始數(shù)據(jù)。
權(quán)利要求
用于集約化水產(chǎn)養(yǎng)殖無線傳輸網(wǎng)絡(luò)中的水質(zhì)環(huán)境參數(shù)采集節(jié)點(diǎn)裝置。裝置硬件包括微處理器、ZigBee無線通訊模塊、傳感器數(shù)據(jù)采集模塊、數(shù)據(jù)融合模塊及各器件間的電信號(hào)連接。微處理器接受傳感器數(shù)據(jù)采集模塊采集到的養(yǎng)殖場(chǎng)水質(zhì)參數(shù)PH值、光照值、溫度值數(shù)據(jù)，經(jīng)融合算法處理后，將異常水質(zhì)環(huán)境狀態(tài)及環(huán)境參數(shù)數(shù)據(jù)經(jīng)Zigbee無線通訊模塊傳送到匯聚節(jié)點(diǎn)，并通過匯聚節(jié)點(diǎn)接收監(jiān)控中心后臺(tái)處理得到的融合算法的相關(guān)參數(shù)，對(duì)現(xiàn)場(chǎng)級(jí)融合方法進(jìn)行調(diào)整。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的軟件，其特征在于所述微控制器采用TI公司的超低功耗16 位RISC混合信號(hào)處理器MSP430，用于處理控制各種傳感器設(shè)備和ZigBee數(shù)據(jù)的收發(fā)；所 述的傳感器數(shù)據(jù)采集模塊上的溫度和PH值傳感器使用上海瀾爾公司的ICS-200溫度傳感 器和型號(hào)為IPS-100的PH值傳感器，而光照采集采用一個(gè)低壓電源、光敏電阻和穩(wěn)壓二極 管組成的分壓電路構(gòu)成；所述的ZigBee模塊采用MaxStream公司的XBEE Serial2模塊，地 址的分配方式及回收機(jī)制、路由機(jī)制是建立在該模塊的無線通訊應(yīng)用層之上完成的；所述 的外圍連接電路是由電位器、電容、電阻、二極管和三極管所組成的保護(hù)電路和各芯片的連 接線路；所述的電源管理模塊負(fù)責(zé)供給整個(gè)電路的電能源和檢測(cè)電路系統(tǒng)中電源剩余電量 并反饋給微處理器。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的數(shù)據(jù)融合算法及其預(yù)處理方法，其特征在于采用基于RBF算 法和模糊計(jì)算技術(shù)的信息融合的算法。對(duì)采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行清理、變換等預(yù)處理后，采用 RBF算法計(jì)算后得到數(shù)值結(jié)果，再進(jìn)行模糊計(jì)算歸類后得到異常環(huán)境狀態(tài)表達(dá)值。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種采用無線測(cè)控方法進(jìn)行集約化水產(chǎn)養(yǎng)殖的溫室無線傳感網(wǎng)絡(luò)控制節(jié)點(diǎn)裝置，安裝在集約化水產(chǎn)養(yǎng)殖的無線測(cè)控網(wǎng)絡(luò)中。部署在集約化水產(chǎn)養(yǎng)殖區(qū)養(yǎng)殖場(chǎng)中，通過采集節(jié)點(diǎn)進(jìn)行水質(zhì)環(huán)境傳感器參數(shù)采集，并對(duì)傳感器組采集到的數(shù)據(jù)結(jié)合規(guī)則庫和信息融合算法進(jìn)行預(yù)處理，采用徑向基函數(shù)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法(RBF算法)和模糊計(jì)算技術(shù)作為信息融合的算法模型，對(duì)采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)級(jí)數(shù)據(jù)融合，然后使用ZigBee無線模塊將融合后的異常水質(zhì)環(huán)境狀態(tài)及環(huán)境參數(shù)數(shù)據(jù)發(fā)送給匯聚節(jié)點(diǎn)，匯聚節(jié)點(diǎn)再上傳給監(jiān)控中心，監(jiān)控中心可對(duì)測(cè)控范圍內(nèi)的多個(gè)養(yǎng)殖場(chǎng)中養(yǎng)殖的生物生長(zhǎng)狀況、環(huán)境狀況和控制設(shè)備運(yùn)行狀況等進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，采集節(jié)點(diǎn)還可接收匯聚節(jié)點(diǎn)和監(jiān)控中心的反饋信息，對(duì)信息融合的算法進(jìn)行參數(shù)調(diào)整。本發(fā)明為無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的信息采集設(shè)備，高效、可靠、操作方便，用于解決采用無線傳感器進(jìn)行集約化水產(chǎn)養(yǎng)殖過程中的養(yǎng)殖環(huán)境進(jìn)行數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)采集和現(xiàn)場(chǎng)級(jí)數(shù)據(jù)融合難題。
文檔編號(hào)G01J1/44GK101957600SQ20091005485
公開日2011年1月26日 申請(qǐng)日期2009年7月16日 優(yōu)先權(quán)日2009年7月16日
發(fā)明者馮國(guó)富, 卜濤, 周汝雁, 陳明, 高強(qiáng) 申請(qǐng)人:上海海洋大學(xué)