發(fā)布時(shí)間：2020-04-20 06:28

【摘要】：在過去的三十年里,我國(guó)河蟹養(yǎng)殖業(yè)取得了長(zhǎng)足的發(fā)展和顯著的進(jìn)步。然而,長(zhǎng)期粗放式的養(yǎng)殖方式以及養(yǎng)殖技術(shù)的落后,使得我國(guó)河蟹養(yǎng)殖經(jīng)濟(jì)效益不明顯,國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)力較弱。以無線傳感器網(wǎng)絡(luò)為核心的物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)正迅猛發(fā)展,在國(guó)民經(jīng)濟(jì)的各個(gè)行業(yè)中得到了廣泛應(yīng)用,取得了顯著的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效用。本課題結(jié)合智能傳感器技術(shù)和嵌入式計(jì)算技術(shù),將無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)應(yīng)用于河蟹養(yǎng)殖領(lǐng)域,在實(shí)地考察養(yǎng)殖現(xiàn)場(chǎng)了解養(yǎng)殖人員需求的基礎(chǔ)上,針對(duì)河蟹養(yǎng)殖行業(yè)三種典型的養(yǎng)殖模式分別設(shè)計(jì)了不同的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)架構(gòu)。就三種調(diào)控模式中涉及的感控層關(guān)鍵技術(shù)、自組網(wǎng)傳輸技術(shù)和檢測(cè)參數(shù)優(yōu)化技術(shù)進(jìn)行了研究和設(shè)計(jì)。本課題的工作主要包括以下幾個(gè)方面:在分析河蟹養(yǎng)殖行業(yè)現(xiàn)狀基礎(chǔ)上,設(shè)計(jì)了三種適用不同養(yǎng)殖規(guī)模的WSN系統(tǒng)架構(gòu),通過詳細(xì)介紹底層關(guān)鍵設(shè)備的主要性能、運(yùn)行流程等來說明三種調(diào)控模式系統(tǒng)如何搭建;為保證感知層參數(shù)采集準(zhǔn)確性,從測(cè)量原理的角度出發(fā),設(shè)計(jì)了一整套參數(shù)標(biāo)定和溫度補(bǔ)償方法;在系統(tǒng)的控制層設(shè)計(jì)中考慮網(wǎng)絡(luò)能耗和響應(yīng)溶解氧超限及時(shí)性的平衡,設(shè)計(jì)了變周期監(jiān)測(cè)策略。在分析溶解氧過飽和機(jī)理基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)了溶解氧過飽和處理方法。針對(duì)多增氧泵控制需要和溶解氧水平分布差異問題,將多增氧泵控制和多點(diǎn)測(cè)量相結(jié)合,設(shè)計(jì)了包括池塘劃分、節(jié)點(diǎn)部署在內(nèi)的解決方案。采集和控制離不開可靠的自組網(wǎng)傳輸技術(shù)支持。MAC層采用支持低功耗偵聽和CCA退避機(jī)制的基于競(jìng)爭(zhēng)的B-MAC協(xié)議優(yōu)化信道分配改善傳輸沖突,自組網(wǎng)路由協(xié)議選擇了多跳路由協(xié)議CTP協(xié)議,并針對(duì)河蟹養(yǎng)殖物聯(lián)網(wǎng)傳輸?shù)囊笤O(shè)計(jì)了其對(duì)雙向傳輸?shù)闹С?該協(xié)議優(yōu)化了傳輸路徑,提高了傳輸?shù)目煽啃?兼顧了傳輸開銷。針對(duì)河蟹養(yǎng)殖環(huán)境需要監(jiān)測(cè)參數(shù)多、部分參數(shù)檢測(cè)成本較高和實(shí)時(shí)性差的問題,在分析研究基礎(chǔ)上確定總氮總磷作為檢測(cè)參數(shù)優(yōu)化目標(biāo)。將測(cè)得的樣本集分成訓(xùn)練集和驗(yàn)證集,使用了集成學(xué)習(xí)中典型的隨機(jī)森林和GBDT算法對(duì)訓(xùn)練集數(shù)據(jù)進(jìn)行訓(xùn)練建模,在驗(yàn)證集驗(yàn)證模型輸出總氮總磷結(jié)果準(zhǔn)確性和泛化能力,兩個(gè)算法在簡(jiǎn)化了輸入特征量的同時(shí)都取得了良好的預(yù)測(cè)效果,相較而言GBDT算法從實(shí)驗(yàn)結(jié)果上表現(xiàn)出相對(duì)更好的性能。最后在常州金壇區(qū)漁業(yè)科技示范基地和三家養(yǎng)殖戶進(jìn)行了示范性的安裝測(cè)試,在現(xiàn)場(chǎng)對(duì)路由的自組織性、組網(wǎng)傳輸?shù)膩G包和控制效果以及節(jié)能性進(jìn)行了檢驗(yàn)。驗(yàn)證了系統(tǒng)架構(gòu)的可行性,關(guān)鍵技術(shù)的有效性。本課題設(shè)計(jì)的河蟹高效養(yǎng)殖物聯(lián)網(wǎng)調(diào)控模式優(yōu)化集成關(guān)鍵技術(shù),有效兼顧了水質(zhì)參數(shù)數(shù)據(jù)采集、處理、控制、自組網(wǎng)傳輸和檢測(cè)參數(shù)優(yōu)化等問題,可以廣泛應(yīng)用于河蟹養(yǎng)殖現(xiàn)場(chǎng),具有廣闊的應(yīng)用前景和良好的社會(huì)、經(jīng)濟(jì)效益。
【圖文】：

節(jié)點(diǎn)對(duì)溶解氧、PH、ORP和溫度指標(biāo)進(jìn)行檢測(cè)。本模式還可以根據(jù)養(yǎng)殖戶需要對(duì)現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控終端增加2G/3G/4G傳輸模塊，為養(yǎng)殖戶實(shí)現(xiàn)移動(dòng)端數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)和增氧泵控制。第一種模式系統(tǒng)架構(gòu)圖如圖2-1所示。第二種模式是也就是針對(duì)小型養(yǎng)殖企業(yè)，通常管理4個(gè)以上池塘，其養(yǎng)殖池塘地理位置相近，適合利用經(jīng)濟(jì)可靠的433MHz實(shí)現(xiàn)自組網(wǎng)，通過無線網(wǎng)關(guān)實(shí)現(xiàn)與遠(yuǎn)距離的智能基站終端一體機(jī)通信。這種調(diào)控模式下一般會(huì)有很多大規(guī)格池塘，設(shè)計(jì)的節(jié)點(diǎn)布置和溶解氧控制策略和小規(guī)格池塘?xí)胁町�。每個(gè)池塘可部署1～2臺(tái)采集和控制合二為一的水質(zhì)傳感控制器或1～2套采集和控制分開的水質(zhì)采集器、1～8通道智能無線控制器。除此之外系統(tǒng)還根據(jù)需要部署了無線網(wǎng)關(guān)、無線中繼器、本地監(jiān)控終端（包括智能基站終端一體機(jī)和監(jiān)控終端）等。采集參數(shù)包括養(yǎng)殖池塘中溶解氧、水溫、PH值、ORP等參數(shù)數(shù)據(jù)，并根據(jù)采集的數(shù)據(jù)及用戶的要求對(duì)增氧泵等設(shè)備進(jìn)行控制。本模式系統(tǒng)利用433MHz無線收發(fā)頻段的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)多跳路由方式無線自組網(wǎng)、或者利用無線網(wǎng)關(guān)、中繼器、路由傳輸?shù)奖?

控制終端向用戶實(shí)時(shí)提供監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)以及向執(zhí)行設(shè)備發(fā)送控制指令。該系統(tǒng)可根據(jù)河蟹微小型養(yǎng)殖企業(yè)擁有的池塘數(shù)增減采集和控制合二為一的水質(zhì)傳感控制器的個(gè)數(shù)或者采集和控制分開的水質(zhì)采集器、1～8通道智能無線控制器套數(shù)。第二種模式系統(tǒng)架構(gòu)圖如圖2-2所示。圖 2-1 第一種調(diào)控模式系統(tǒng)架構(gòu)圖 2-2 第二種調(diào)控模式系統(tǒng)架構(gòu)第三種模式，即大型養(yǎng)殖企業(yè)或合作社，管理的池塘通常為4個(gè)以上池塘為一個(gè)區(qū)域，，并擁有兩個(gè)以上分布相對(duì)較遠(yuǎn)的區(qū)域。采用由采集和控制合二為一的水質(zhì)傳感控制器（或采集和控制分開的水質(zhì)采集器、1～8通道智能無線控制器）、無線網(wǎng)關(guān)、無線中繼器、本地監(jiān)控終端（包括智能基站終端一體機(jī)）、現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控中心等組成。每個(gè)區(qū)域中的每個(gè)池塘可以采用1～2個(gè)采集和控制合二為一的水質(zhì)傳感控制器或1～2套采集和控制分開的水質(zhì)采集器、1～8通道智能無線控制器來對(duì)池塘環(huán)境進(jìn)行信息采集，采集參數(shù)包括養(yǎng)殖池塘中溶解氧、水溫、PH值、ORP等參數(shù)數(shù)據(jù)，并根據(jù)采集的數(shù)據(jù)及用戶的要求對(duì)增氧泵等設(shè)備進(jìn)行控制。本模式系統(tǒng)的每個(gè)區(qū)域利用433MHz無線收發(fā)頻段的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)多跳路由
【學(xué)位授予單位】：東南大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號(hào)】：S966.16;S951.2

【參考文獻(xiàn)】

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本文編號(hào)：2634269