本發(fā)明涉及智能控制設(shè)備技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的水產(chǎn)養(yǎng)殖池塘溶解氧智能控制系統(tǒng)。

背景技術(shù)：

水產(chǎn)池塘中溶解氧的多少直接影響魚類的健康生長，當(dāng)水中溶解氧由4.5毫克/升下降到3.5毫克/升時(shí)，魚類對(duì)餌料的消化利用率下降50%，餌料系數(shù)上升50%以上；當(dāng)溶解氧下降到3毫克/升以下時(shí)，就會(huì)對(duì)魚類的攝食、消化以及健康帶來較大的影響；溶解氧持續(xù)下降到1毫克/升以下，大部分魚類就會(huì)出現(xiàn)浮頭現(xiàn)象，持續(xù)下降會(huì)造成缺氧窒息死亡。經(jīng)水產(chǎn)科技工作者長期的養(yǎng)殖實(shí)踐，一般養(yǎng)殖育苗池塘水體的溶解氧應(yīng)保持在5mg/L-8mg/L，最低也要保持3mg/L，低于此值就會(huì)發(fā)生魚蝦浮頭、泛塘，甚至死亡。在養(yǎng)殖中，水質(zhì)輕度缺氧雖不致魚蝦死亡，但嚴(yán)重影響其生長速度，使餌料系數(shù)提高，生產(chǎn)成本增加，養(yǎng)殖效益下降。草魚在溶氧量為2.72 mg/L的情況下比在5.56mg/L的情況下，其生長速度低9.88倍，飼料系數(shù)提高4倍，其它魚蝦也大致一樣。保持池塘中足夠的溶氧量，可抑制生成有毒物質(zhì)的化學(xué)反應(yīng)，轉(zhuǎn)化或降低有毒物質(zhì)如氨、亞硝酸鹽和硫化氫的含量。例如：水中有機(jī)物糞便、殘餌、尸體等產(chǎn)生的氨和硫化氫，在充足的溶氧條件下，在微生物的氧化分解作用下，氨會(huì)轉(zhuǎn)為亞硝酸鹽，再轉(zhuǎn)化成硝酸鹽；硫化氫則被轉(zhuǎn)化成硫酸鹽，均產(chǎn)生無毒的最終產(chǎn)品，并被浮游植物光合作用所吸收。因此，水中保持足夠的溶氧對(duì)水產(chǎn)養(yǎng)殖非常重要。假如缺氧的話，這些有毒物質(zhì)極易迅速達(dá)到危害的程度。據(jù)測(cè)定，當(dāng)水中溶氧從1.54 mg/L提高到2.2 mg/L時(shí)，NH3的含量由0.4mg/L降到0.2 mg/L，亞硝酸鹽可由0.4 mg/L降到0.01mg/L。魚類只有在水中溶氧量達(dá)到一定的數(shù)值后,才能維持其生命活動(dòng),且在一定的范圍內(nèi),其生長速度及對(duì)飼料的利用率都將隨著水中溶氧量的升高而增加,低氧對(duì)魚類的生活及生長十分不利。當(dāng)水中的溶氧量低于1mg/L水時(shí), 魚就會(huì)浮頭；當(dāng)水中溶氧量低于0.5mg/L時(shí),魚就會(huì)窒息死亡。研究表明，當(dāng)水中的溶解氧含量降低到3mg/L以下時(shí)，對(duì)蝦的攝食量明顯減少；當(dāng)溶解氧含量降到2mg/L以下時(shí)，對(duì)蝦幾乎不攝食，由此可能導(dǎo)致不蛻皮甚至死亡；而當(dāng)溶解氧提到高到6 mg/L時(shí)死亡停止并大批蛻皮，開始正常生長。在22℃時(shí)，鯉魚的攝食率、餌料利用率和魚體增重率在含氧量4.1 毫克/升以下時(shí)急劇下降，在4.1 毫克/升以上時(shí)，則隨氧氣含量的升高而增大。很多地方受水源條件限制，不是水量有限就是水源水質(zhì)溶氧量不高，增氧效果不明顯。所以利用增氧機(jī)增氧就顯得尤為重要，使水體各水層溶氧接近飽和溶氧量，攪動(dòng)水層加速有機(jī)質(zhì)在富氧條件下的無毒分解，消除有毒氣體；提高水體中的溶解氧，盡量使魚類生活在較高的溶氧環(huán)境中，健康快速生長。

現(xiàn)在的池塘養(yǎng)殖大多仍然依靠人工觀察魚蝦是否浮頭來開關(guān)增氧機(jī)，或者看別人的池塘開增氧機(jī)，自己也就開，存在一定的盲目性和滯后性，不但養(yǎng)殖者的精神壓力大，而且浮頭和泛塘現(xiàn)象難以避免。如果開始浮頭說明水體的溶解氧已經(jīng)過低，必須搶救，增氧機(jī)成了救命機(jī)。低溶氧對(duì)魚蝦的生命和水質(zhì)都是嚴(yán)重的威脅。傳統(tǒng)的水質(zhì)監(jiān)測(cè)采用儀表結(jié)合人工經(jīng)驗(yàn)操作的方法，存在耗時(shí)費(fèi)力、監(jiān)測(cè)范圍小、監(jiān)測(cè)周期長，不能實(shí)時(shí)反映水環(huán)境的動(dòng)態(tài)變化等弊端。王驥等設(shè)計(jì)了基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)海洋環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了海洋生態(tài)環(huán)境監(jiān)測(cè)、各類海洋氣象與災(zāi)害的數(shù)值預(yù)報(bào)預(yù)測(cè)等功能，杜治國等提出了基于Zigbee無線傳感器網(wǎng)絡(luò)與互聯(lián)網(wǎng)結(jié)合的遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)水質(zhì)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)架構(gòu)，實(shí)現(xiàn)了水質(zhì)監(jiān)測(cè)參數(shù)的獲取及傳輸。為解決目前水產(chǎn)養(yǎng)殖水質(zhì)自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)存在布線困難、靈活性差和成本高等問題，構(gòu)建了基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的水產(chǎn)養(yǎng)殖水質(zhì)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。這些系統(tǒng)的研制有力促進(jìn)水產(chǎn)養(yǎng)殖業(yè)的健康快速發(fā)展，但是這些控制系統(tǒng)都沒有結(jié)合進(jìn)水產(chǎn)養(yǎng)殖池塘溶解氧參數(shù)的工況面積大、溶解氧變化的非線性與大慣性和池塘溶解氧參數(shù)的分布不均衡等特點(diǎn)，從根本上解決水產(chǎn)養(yǎng)殖池塘環(huán)境溶解氧參數(shù)不穩(wěn)定、控制精度低和系統(tǒng)響應(yīng)速度慢等問題。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的是提供一種水產(chǎn)養(yǎng)殖池塘環(huán)境溶解氧智能控制系統(tǒng)，本發(fā)明根據(jù)水產(chǎn)養(yǎng)殖池塘環(huán)境溶解氧參數(shù)的工況面積大、溶解氧變化的非線性與大慣性和池塘溶解氧參數(shù)的分布不均衡等特點(diǎn)，設(shè)計(jì)了一種無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的養(yǎng)殖池塘溶解氧控制系統(tǒng)。

本發(fā)明通過以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)：

該系統(tǒng)由水產(chǎn)養(yǎng)殖池塘環(huán)境溶解氧采集與控制平臺(tái)、基于復(fù)合控制器的池塘溶解氧串級(jí)控制系統(tǒng)以及基于經(jīng)濟(jì)最優(yōu)推理的設(shè)定水產(chǎn)養(yǎng)殖池塘環(huán)境溶解氧的專家系統(tǒng)三部分組成。

1）水產(chǎn)養(yǎng)殖池塘環(huán)境溶解氧采集與控制平臺(tái)：包括水產(chǎn)養(yǎng)殖池塘環(huán)境溶解氧參數(shù)的檢測(cè)節(jié)點(diǎn)、控制節(jié)點(diǎn)、協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)和現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控端組成，它們通過自組織方式構(gòu)建成無線傳感器測(cè)控網(wǎng)絡(luò)，檢測(cè)節(jié)點(diǎn)負(fù)責(zé)檢測(cè)水產(chǎn)養(yǎng)殖池塘環(huán)境溶解氧、溫度和PH值參數(shù)實(shí)際值，控制節(jié)點(diǎn)負(fù)責(zé)對(duì)溶解氧進(jìn)行控制，現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控端實(shí)現(xiàn)對(duì)水產(chǎn)養(yǎng)殖池塘環(huán)境參數(shù)檢測(cè)與控制過程進(jìn)行監(jiān)控。（見圖1）

2）根據(jù)水產(chǎn)養(yǎng)殖池塘環(huán)境溶解氧的工況面積大、溶解氧變化的非線性與大慣性和池塘溶解氧分布的不均衡等特點(diǎn)，在現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控端和控制節(jié)點(diǎn)中設(shè)計(jì)基于復(fù)合控制器的池塘溶解氧串級(jí)控制系統(tǒng)，由參數(shù)自調(diào)整模糊控制器+PI構(gòu)成復(fù)合控制器作為池塘溶解氧的主調(diào)節(jié)器與PID作為增氧機(jī)的副調(diào)節(jié)器構(gòu)成串級(jí)控制系統(tǒng)，來提高水產(chǎn)養(yǎng)殖池塘環(huán)境溶解氧控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性、精度和響應(yīng)速度。（見圖2下半部分）

設(shè)計(jì)參數(shù)自調(diào)整模糊控制器+PI構(gòu)成的復(fù)合控制器實(shí)現(xiàn)對(duì)規(guī)?；a(chǎn)養(yǎng)殖池塘溶解氧參數(shù)進(jìn)行精確控制；該控制系統(tǒng)把一個(gè)水產(chǎn)養(yǎng)殖池塘分成多個(gè)被控制子區(qū)域，每個(gè)區(qū)域設(shè)計(jì)一個(gè)參數(shù)自調(diào)整模糊控制器與PI構(gòu)成的復(fù)合控制器、PID副調(diào)節(jié)器和一個(gè)池塘環(huán)境溶解氧參數(shù)的RBF神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)辨識(shí)器構(gòu)成的基于復(fù)合控制器的池塘溶解氧串級(jí)控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)它們各個(gè)子區(qū)域的分別控制來提高池塘溶解氧控制的穩(wěn)定性和控制精度；為了解決池塘溶解氧變化的非線性與大滯后和池塘溶解氧參數(shù)的分布不均衡，由控制器權(quán)值調(diào)度單元根據(jù)池塘溶解氧的設(shè)定控制量與每個(gè)區(qū)域池塘溶解氧參數(shù)的RBF神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)辨識(shí)器的誤差大小占整個(gè)池塘所有系統(tǒng)誤差比作為每個(gè)區(qū)域復(fù)合控制器的輸出權(quán)重，通過每個(gè)區(qū)域的復(fù)合控制器輸出量乘以對(duì)應(yīng)權(quán)重的和作為池塘所有PID副調(diào)節(jié)器的給定控制量，來解決整個(gè)池塘溶解氧參數(shù)的分布不均衡問題和提高池塘溶解氧參數(shù)的響應(yīng)速度。該控制系統(tǒng)從根本上解決水產(chǎn)養(yǎng)殖池塘溶解氧參數(shù)的工況面積大、溶解氧變化的非線性與大滯后和池塘溶解氧的分布不均衡問題，提高池塘溶解氧調(diào)節(jié)的穩(wěn)定性、控制精度、響應(yīng)速度和分布均衡性。為了提高水產(chǎn)養(yǎng)殖池塘環(huán)境控制系統(tǒng)的魯棒性性,采用參數(shù)自調(diào)整模糊控制器+PI構(gòu)成的復(fù)合控制器對(duì)水產(chǎn)養(yǎng)殖池塘的溶解氧進(jìn)行復(fù)合控制，該控制器結(jié)合自調(diào)整參數(shù)模糊控制器魯棒性強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)和PI控制器控制精度高的優(yōu)點(diǎn)，可以解決被控制水產(chǎn)養(yǎng)殖池塘溶解氧的非線性與大滯后問題，提高池塘溶解氧參數(shù)控制系統(tǒng)的控制精度和穩(wěn)定性；控制器權(quán)值調(diào)度單元實(shí)現(xiàn)池塘溶解氧的預(yù)測(cè)控制和平衡控制，解決池塘溶解氧響應(yīng)速度和池塘溶解氧參數(shù)的分別不均衡問題。

3）基于經(jīng)濟(jì)最優(yōu)推理的設(shè)定水產(chǎn)養(yǎng)殖池塘環(huán)境溶解氧的專家系統(tǒng)：該專家系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)對(duì)被控制水產(chǎn)養(yǎng)殖池塘環(huán)境溶解氧的給定控制量進(jìn)行科學(xué)設(shè)定，由基于水產(chǎn)養(yǎng)殖池塘環(huán)境溶解氧參數(shù)的控制成本、動(dòng)植物的生長模型、生長階段和經(jīng)濟(jì)效益模型構(gòu)成設(shè)定水產(chǎn)養(yǎng)殖池塘環(huán)境溶解氧的專家系統(tǒng)，系統(tǒng)根據(jù)水產(chǎn)養(yǎng)殖池塘環(huán)境溶解氧參數(shù)調(diào)控成本、動(dòng)植物的生長模型、生長階段和經(jīng)濟(jì)效益科學(xué)確定處于不同生長階段動(dòng)植物生長需要的水產(chǎn)養(yǎng)殖池塘環(huán)境溶解氧參數(shù)的給定控制量。（見圖2上半部分）

本發(fā)明專利與現(xiàn)有技術(shù)相比，具有以下明顯優(yōu)點(diǎn)：

1、本發(fā)明采用基于參數(shù)自調(diào)整模糊控制器+PI構(gòu)成的復(fù)合控制器的水產(chǎn)養(yǎng)殖池塘溶解氧串級(jí)控制系統(tǒng)，增氧機(jī)的PID副調(diào)節(jié)器是根據(jù)水產(chǎn)養(yǎng)殖池塘溶解氧參數(shù)的主調(diào)節(jié)器輸出來調(diào)節(jié)水產(chǎn)養(yǎng)殖池塘溶解氧參數(shù)的隨動(dòng)系統(tǒng)，副調(diào)節(jié)器回路對(duì)包含在其中影響池塘溶解氧變化的氣候條件、養(yǎng)殖密度和增氧機(jī)轉(zhuǎn)速的二次擾動(dòng)具有很強(qiáng)的抑制能力和自適應(yīng)能力，二次擾動(dòng)通過主、副調(diào)節(jié)器回路的調(diào)節(jié)對(duì)主被控量水產(chǎn)養(yǎng)殖池塘溶解氧參數(shù)參數(shù)的影響很小，所以水產(chǎn)養(yǎng)殖池塘溶解氧參數(shù)的輸出值變化幅度小和穩(wěn)定,系統(tǒng)能夠快速度響應(yīng)被控制系統(tǒng)對(duì)水產(chǎn)養(yǎng)殖池塘溶解氧參數(shù)的要求。

2、本發(fā)明通過把整個(gè)水產(chǎn)養(yǎng)殖池塘分成多個(gè)區(qū)域，每個(gè)區(qū)域分別設(shè)計(jì)基于參數(shù)自調(diào)整模糊控制器+PI構(gòu)成的復(fù)合控制器的水產(chǎn)養(yǎng)殖池塘溶解氧串級(jí)控制系統(tǒng)，同時(shí)通過控制器權(quán)值調(diào)度單元和每個(gè)區(qū)域池塘溶解氧參數(shù)的RBF神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)辨識(shí)器來調(diào)整整個(gè)池塘所有復(fù)合控制器的輸出控制量，實(shí)現(xiàn)對(duì)整個(gè)池塘溶解氧的整體調(diào)節(jié)來解決整個(gè)養(yǎng)殖池塘溶解氧參數(shù)的大滯后與非線性和養(yǎng)殖池塘溶解氧參數(shù)的分布不均衡問題。該系統(tǒng)在確保每個(gè)子區(qū)域池塘溶解氧參數(shù)的穩(wěn)定性和控制精度，同時(shí)解決整個(gè)池塘溶解氧參數(shù)的大滯后與非線性和池塘溶解氧參數(shù)的分布不均衡問題。該控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)各個(gè)子區(qū)域分別調(diào)節(jié)與整體調(diào)整的有機(jī)結(jié)合，提高池塘溶解氧的穩(wěn)定性、控制精度、響應(yīng)速度和分布平衡度，能夠抑制諸多擾動(dòng)因素影響，具有良好的魯棒性。

3、本發(fā)明水產(chǎn)養(yǎng)殖池塘溶解氧參數(shù)在由參數(shù)自調(diào)整模糊控制器+PI構(gòu)成的復(fù)合控制器、RBF神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)辨識(shí)器、控制器權(quán)值調(diào)度單元、PID副調(diào)節(jié)器構(gòu)成的反饋實(shí)時(shí)與預(yù)測(cè)串級(jí)控制和各個(gè)子區(qū)域分別調(diào)節(jié)與整個(gè)池塘溶解氧參數(shù)整體調(diào)整的共同作用下，水產(chǎn)養(yǎng)殖池塘溶解氧參數(shù)的穩(wěn)定性和均衡度有了很大的提高，該控制系統(tǒng)對(duì)水產(chǎn)養(yǎng)殖池塘溶解氧參數(shù)的滯后性與非線性的控制有很強(qiáng)的魯棒性，控制系統(tǒng)對(duì)給定控制量的跟蹤特性好。與原有的常規(guī)控制相比該控制系統(tǒng)的控制品質(zhì)、響應(yīng)速度和穩(wěn)定性能都明顯提高，提高了水產(chǎn)養(yǎng)殖池塘溶解氧參數(shù)的控制精度、抗干擾能力、穩(wěn)定性能和池塘溶解氧參數(shù)的平衡度，具有較好的應(yīng)用和推廣價(jià)值。

4、本發(fā)明根據(jù)池塘溶解氧參數(shù)變化的非線性與大滯后特點(diǎn)，設(shè)計(jì)了參數(shù)自調(diào)整模糊控制器+PI構(gòu)成的復(fù)合控制器作為池塘溶解氧的主調(diào)節(jié)器，復(fù)合控制器根據(jù)水產(chǎn)養(yǎng)殖池塘溶解氧參數(shù)的誤差和誤差變化靈活調(diào)整模糊控制器的參數(shù)，提高控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性、控制精度和魯棒性，根據(jù)池塘溶解氧參數(shù)的變化特點(diǎn)實(shí)現(xiàn)主動(dòng)調(diào)節(jié)，提高水產(chǎn)養(yǎng)殖池塘溶解氧調(diào)節(jié)的響應(yīng)速度和池塘溶解氧控制系統(tǒng)的魯棒性。

5、本發(fā)明采用專家系統(tǒng)對(duì)水產(chǎn)養(yǎng)殖過程的水產(chǎn)養(yǎng)殖池塘環(huán)境溶解氧參數(shù)的理想控制量進(jìn)行科學(xué)設(shè)置，提高了設(shè)置養(yǎng)殖過程中養(yǎng)殖動(dòng)植物在不同生長階段對(duì)水產(chǎn)養(yǎng)殖池塘環(huán)境溶解氧參數(shù)需求量的科學(xué)性，提高了養(yǎng)殖的效益和效率，實(shí)現(xiàn)了科學(xué)養(yǎng)殖和高效養(yǎng)殖。

6、本發(fā)明將復(fù)合控制、PID控制、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、預(yù)測(cè)控制、模糊控制、串級(jí)控制和專家系統(tǒng)相結(jié)合，設(shè)計(jì)基于復(fù)合控制器的水產(chǎn)養(yǎng)殖池塘溶解氧串級(jí)控制系統(tǒng)。該控制系統(tǒng)克服了單純PID控制對(duì)大慣性大延遲對(duì)象調(diào)節(jié)品質(zhì)差、抗干擾性弱的缺點(diǎn)。將該控制系統(tǒng)用于水產(chǎn)養(yǎng)殖池塘溶解氧參數(shù)參數(shù)的控制具有較強(qiáng)的動(dòng)態(tài)跟蹤性能和抗干擾能力及良好的動(dòng)靜態(tài)性能指標(biāo)。

附圖說明：

圖1 水產(chǎn)養(yǎng)殖池塘環(huán)境溶解氧采集與控制平臺(tái)

1- 檢測(cè)節(jié)點(diǎn)，2-控制節(jié)點(diǎn)，3-協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)，4-現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控端

圖2 基于復(fù)合控制器的池塘溶解氧串級(jí)控制系統(tǒng)

圖3 參數(shù)自調(diào)整模糊控制器+PI構(gòu)成的復(fù)合控制器

圖4 RBF神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)辨識(shí)器

圖5 檢測(cè)節(jié)點(diǎn)硬件結(jié)構(gòu)圖

圖6 控制節(jié)點(diǎn)硬件結(jié)構(gòu)圖

圖7 協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)硬件結(jié)構(gòu)圖

圖8 現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控端軟件功能圖

圖9 養(yǎng)殖池塘環(huán)境溶解氧控制系統(tǒng)平面布置圖

具體實(shí)施方式:

①、系統(tǒng)總體功能的設(shè)計(jì)

針對(duì)水產(chǎn)養(yǎng)殖池塘環(huán)境溶解氧參數(shù)的特點(diǎn)，本系統(tǒng)構(gòu)建基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的水產(chǎn)養(yǎng)殖池塘環(huán)境溶解氧參數(shù)信息采集與控制平臺(tái)，在現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控端4實(shí)現(xiàn)對(duì)養(yǎng)殖池塘環(huán)境參數(shù)的采集、管理和智能控制，為了實(shí)現(xiàn)養(yǎng)殖池塘與現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控端的信息交互，設(shè)計(jì)了協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)3，該協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)3實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控端4和檢測(cè)節(jié)點(diǎn)1與控制節(jié)點(diǎn)2的信息交互。在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中，帶有無線接口的檢測(cè)節(jié)點(diǎn)1與控制節(jié)點(diǎn)2安裝在被監(jiān)控水產(chǎn)養(yǎng)殖池塘區(qū)域內(nèi)，以自組織的形式構(gòu)成無線傳感器網(wǎng)絡(luò)，將監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)以無線的方式上傳到協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)3，最終通過協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)3將整個(gè)區(qū)域內(nèi)的數(shù)據(jù)傳送到現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控端4進(jìn)行集中處理。

②、檢測(cè)節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)

在基于WSN的監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)，采用大量微型的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)作為水產(chǎn)養(yǎng)殖池塘環(huán)境因子參數(shù)感知端，節(jié)點(diǎn)通過相互協(xié)作的方式完成水產(chǎn)養(yǎng)殖池塘環(huán)境信息的參數(shù)的采集，檢測(cè)節(jié)點(diǎn)輸入通路采集的信息參數(shù)主要包括：溶解氧、溫度、PH值等傳感器與對(duì)應(yīng)的調(diào)理電路以及Ａ/D轉(zhuǎn)換電路；設(shè)計(jì)了采用NRF2401模塊的無線通信接口，它們的軟件主要實(shí)現(xiàn)：無線通信和參數(shù)信息的采集。微型處理器采用MSP430系列單片機(jī)，處理器MSP430系列單片機(jī)支持C語言程序設(shè)計(jì)，大大提高了軟件設(shè)計(jì)開發(fā)的工作效率，增強(qiáng)了程序代碼的可靠性、可讀性和可移植性，檢測(cè)節(jié)點(diǎn)硬件結(jié)構(gòu)見圖5。

③、控制節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)

控制節(jié)點(diǎn)輸出通路設(shè)計(jì)D/A轉(zhuǎn)換電路實(shí)現(xiàn)對(duì)增氧機(jī)設(shè)備的控制，控制節(jié)點(diǎn)采用NRF2401模塊的無線通信接口，軟件主要功能是對(duì)增氧機(jī)設(shè)備控制和外部設(shè)備無線通信，設(shè)計(jì)了PID控制器作為串級(jí)控制系統(tǒng)的副調(diào)節(jié)器，微型處理器采用MSP430系列單片機(jī)。硬件結(jié)構(gòu)見圖6。

④、協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)

檢測(cè)節(jié)點(diǎn)1與控制節(jié)點(diǎn)2與現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控端4的信息交互需要通過協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)3來實(shí)現(xiàn)，協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)3是它們之間信息交互的中轉(zhuǎn)站，起著承上啟下的作用。協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)3定時(shí)查詢檢測(cè)節(jié)點(diǎn)1與控制節(jié)點(diǎn)2的信息，并將數(shù)據(jù)打包傳送到現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控端4；或者是相反的過程；現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控端4發(fā)出的指令通過協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)3傳送到檢測(cè)節(jié)點(diǎn)1與控制節(jié)點(diǎn)2，協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)3的硬件結(jié)構(gòu)參見圖7。

⑤、現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控端4軟件設(shè)計(jì)

現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控端4是一臺(tái)工業(yè)控制計(jì)算機(jī)，主要實(shí)現(xiàn)對(duì)水產(chǎn)養(yǎng)殖池塘環(huán)境參數(shù)進(jìn)行采集與監(jiān)控?，F(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控端4主要功能通信參數(shù)設(shè)置、設(shè)置檢測(cè)現(xiàn)場(chǎng)參數(shù)時(shí)間、參數(shù)采集、數(shù)據(jù)分析、數(shù)據(jù)保存、復(fù)合控制器、RBF神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)辨識(shí)器、控制器權(quán)值調(diào)度單元、專家系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)和系統(tǒng)維護(hù)?，F(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控端軟件功能見圖8。

A、專家系統(tǒng)設(shè)計(jì)

它主要根據(jù)經(jīng)濟(jì)成本最優(yōu)的原則來設(shè)定池塘溶解氧參數(shù)的理想控制值，主要根據(jù)：環(huán)境溶解氧參數(shù)控制的成本模型、動(dòng)植物生長模型、動(dòng)植物的市場(chǎng)價(jià)格、飼料的市場(chǎng)價(jià)格與動(dòng)植物的生長階段等參數(shù)，得到當(dāng)前時(shí)段動(dòng)植物生長的經(jīng)濟(jì)最優(yōu)環(huán)境溶解氧參數(shù)，通過專家系統(tǒng)的推理來實(shí)現(xiàn)，由現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控端4通過串行口和協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)3送到控制節(jié)點(diǎn)。該管理軟件選擇了Microsoft Visual++ 6.0作為開發(fā)工具，調(diào)用系統(tǒng)的Mscomm通信控件來設(shè)計(jì)通訊程序。專家系統(tǒng)的推理過程見圖2的上半部分。

B、參數(shù)自調(diào)整模糊控制器+PI構(gòu)成的復(fù)合控制器

在水產(chǎn)養(yǎng)殖環(huán)境溶解氧多點(diǎn)跟蹤的控制過程中，由于受季節(jié)、氣候和池塘養(yǎng)殖環(huán)境的影響，常規(guī)固定量化因子的溶解氧模糊控制器已經(jīng)不能滿足養(yǎng)殖動(dòng)物對(duì)溶解氧穩(wěn)定精度的要求，而參數(shù)自調(diào)整的溶解氧模糊控制方法能夠根據(jù)池塘溶解氧變化的差異對(duì)溶解氧模糊控制器參數(shù)及時(shí)做出調(diào)整，準(zhǔn)確地調(diào)節(jié)增氧機(jī)轉(zhuǎn)速的輸出控制量來使池塘溶解氧迅速跟蹤系統(tǒng)的目標(biāo)值，提高池塘溶解氧控制系統(tǒng)的響應(yīng)速度，有效地抑制溶解氧控制系統(tǒng)的變化。在模糊控制單元的量化因子和比例因子分別加上一個(gè)伸縮因子，通過伸縮因子來調(diào)整模糊控制單元的量化因子和比例因子的大小，克服常規(guī)模糊控制自適應(yīng)能力有限的缺點(diǎn)，提高池塘溶解氧控制系統(tǒng)快速響應(yīng)性能和穩(wěn)態(tài)精度。參數(shù)自調(diào)整模糊控制器與PI并聯(lián)構(gòu)成的復(fù)合控制器由模糊參數(shù)自調(diào)整器、模糊控制器單元和 PI控制器組成，模糊控制器和PI調(diào)節(jié)器并聯(lián)。溶解氧誤差誤差和誤差變化率變化率作為它們的輸入量；模糊參數(shù)自調(diào)整根據(jù)池塘溶解氧誤差和誤差變化來調(diào)節(jié)β因子，實(shí)現(xiàn)對(duì)模糊控制器的量化因子和比例因子的及時(shí)調(diào)整，實(shí)現(xiàn)模糊控制器對(duì)池塘溶解氧自適應(yīng)控制的目的。模糊參數(shù)自調(diào)整器仍采用模糊控制，根據(jù)量化因子和比例因子對(duì)控制性能的影響，可得到如下調(diào)整規(guī)則：當(dāng)誤差和誤差變化率較大時(shí)，需附加較大的增氧機(jī)轉(zhuǎn)速變化使池塘溶解氧含量迅速做出響應(yīng)，應(yīng)降低量化因子來減小對(duì)輸入量的分辨率，同時(shí)加大比例因子，從而可以獲得較大的增氧機(jī)轉(zhuǎn)速變化，使響應(yīng)速度加快；當(dāng)誤差和誤差變化率較小時(shí)，池塘溶解氧含量已經(jīng)接近穩(wěn)定狀態(tài)，需要增氧機(jī)的轉(zhuǎn)速變化較小，為了提高控制精度，要增大量化因子，提高對(duì)輸入變化的分辨率，同時(shí)減小輸出比例因子，防止超調(diào)或振蕩，提高池塘溶解氧控制的穩(wěn)態(tài)精度。根據(jù)以上參數(shù)調(diào)整的原則，設(shè)計(jì)了一個(gè)模糊參數(shù)調(diào)整器。參數(shù)自調(diào)整模糊控制器+PI構(gòu)成的復(fù)合控制器的原理圖如圖3所示。

C、控制器權(quán)值調(diào)度單元

在系統(tǒng)運(yùn)行過程中, 設(shè)現(xiàn)采樣時(shí)刻為k，池塘n個(gè)子系統(tǒng)池塘溶解氧的RBF神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)辨識(shí)模型的預(yù)測(cè)輸出值為，(i=1,2,…n)，實(shí)際輸出為，即定義預(yù)測(cè)值與檢測(cè)實(shí)際值的匹配誤差為：

（1）

其中，ρ（0<ρ≤1）的作用是防止分母為零。根據(jù)池池塘池塘溶解氧變化特點(diǎn)定義池塘一個(gè)階段誤差為，即值為:

（2）

其中，式中l(wèi)為誤差長度，α（0<α≤1）為誤差遺忘因子，以降低歷史信息的重要性。根據(jù)每個(gè)子系統(tǒng)的階段誤差占整個(gè)池塘各個(gè)子系統(tǒng)階段誤差和的比值作為該子系統(tǒng)復(fù)合控制器的輸出權(quán)重的確定規(guī)則，即第i個(gè)子系統(tǒng)的控制權(quán)重為：

（3）

D、RBF神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)辨識(shí)器

RBF神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)是具有單隱層的3層前饋網(wǎng)絡(luò)，RBF神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)由輸入到隱層的映射是非線性的, 而隱含層空間到輸出空間的映射是線性的, 從而大大加快了學(xué)習(xí)速度并避免局部極小問題, 該網(wǎng)絡(luò)具有全局最優(yōu)和最佳逼近性能, 訓(xùn)練方法快速易行, 不存在局部最小值問題, 因此,RBF神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)為非線性系統(tǒng)的建模和控制提供了有力的工具。因此,RBF 網(wǎng)絡(luò)是一種局部逼近網(wǎng)絡(luò),已證明它能以任意精度逼近任意連續(xù)函數(shù)，RBF神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)具有收斂速度快、逼近能力強(qiáng)、訓(xùn)練周期短、網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)易于調(diào)整的優(yōu)點(diǎn)。采用RBF 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對(duì)池塘溶解氧進(jìn)行在線辨識(shí), 它的輸入為池塘增氧機(jī)的調(diào)節(jié)控制量和池塘溶解氧前一階段的實(shí)際值，輸出為池塘溶解氧的當(dāng)前預(yù)測(cè)值，RBF神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)辨識(shí)器結(jié)構(gòu)如圖4所示。

⑥、監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)舉例

根據(jù)水產(chǎn)養(yǎng)殖池塘的面積，把整個(gè)池塘分成4個(gè)子區(qū)域，系統(tǒng)布置了檢測(cè)節(jié)點(diǎn)1和控制節(jié)點(diǎn)2、協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)3和現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控端4實(shí)現(xiàn)對(duì)水產(chǎn)養(yǎng)殖池塘溶解氧進(jìn)行監(jiān)控，整個(gè)養(yǎng)殖池塘環(huán)境溶解氧控制系統(tǒng)平面布置圖見圖9。

本發(fā)明未提及技術(shù)采用常規(guī)技術(shù)。