GPRS 与WSNs 混合通信模式下的水产养殖系统设计与实现*

简玉梅，张韩飞，高 飞，阮麟杰，张登珠，赵旭东

(1.上海工程技术大学 电子电气工程学院，上海201620;2.淮阴师范学院，江苏 淮阴223300)

0 引 言

溶解氧(DO)是水产养殖中重要的因素，目前已出现水产养殖溶解氧监控系统，很多研究学者提出了在线监测系统［1～3］，在线监测系统多数都采用有限网络进行数据的传输，但由于有线网络维护成本高，学者们逐渐将无线传输技术应用到水产养殖过程中［4～8］。但这些研究仍存在监测和控制分离、监控不及时、系统能耗高、过缺氧等问题。

本文针对系统能耗与过缺氧问题，提出了基于通用分组无线业务(general packet radio service，GPRS)和无线传感器网络(wireless sensor networks，WSNs)混合通信的增氧模式。通过实验验证，该系统能够减少基站设施与组网成本，同时解决过氧和缺氧问题，以及系统通信能耗问题。

1 系统结构

对于养殖户而言，在养殖一段时间后需了解整个养殖环境水质参数是否正常，需要综合考虑多种环境参数后对溶解氧进行预测，进而控制增氧机开关。系统结构如图1，将每个水质参数采集节点都设置为Agent，在各个Agent 组成的Zig Bee 网络中，唯一具有GPRS 通信功能的决策Agent充当簇头。

图1 系统结构图Fig 1 Architecture of system

在每一个增氧机控制判断的时间间隔内，各溶解氧采集Agent 采集养殖池塘中的溶解氧、pH 值、水温、氨氮等参数，采集完参数后将参数传递给溶解氧预测Agent，溶解氧预测Agent 在接收到相关数据后根据溶解氧预测算法求解出当前的溶解氧预测值，决策Agent 进行决策判断，根据判断结果对增氧机进行相关控制。同时，终端控制中心调用离线数据、养殖周期、投饵状况，判断是否需要改变增氧机状态，将控制命令通过GPRS 发送给决策Agent，由决策Agent 综合两个控制命令选择优先级别更高的控制命令执行。

2 GPRS 和WSNs 混合通信系统设计

对于小型养殖池塘，一台增氧机即可满足条件，设定节点定时发送采集请求，单台增氧机控制的养殖环境系统流程图如图2 所示。

图2 系统流程图Fig 2 Flowchart of system

本文开发一种基于GPRS 和Zig Bee 混合通信的池塘溶解氧监控系统，该系统远距离通信采用GPRS，近距离通信使用Zig Bee，系统中由水质参数采集Agent(CJAgent)，溶解氧预测Agent(YCAgent)和决策Agent(JCAgent)，增氧机控制Agent(KZAgent)组成。其中，JCAgent 充当Zig Bee 网络中的路由节点。CJAgent 采集到数据后将数据传输给YCAgent，YCAgent 调用规则库中的规则数据和溶解氧预测算法，求解出当前情况下溶解氧值EIDO，判断比较溶解氧预测值EI

DO和实际采集到的溶解氧值，如果数据出现异常，YCAgent 将异常命令发送给JCAgent，JCAgent 通过Zig Bee通信模块，将控制命令发送给增氧机进而改变增氧机的状态，增氧机接收到相关控制命令并执行后，KZAgent 反馈一个信息包(控制命令，正常命令标示符1)给JCAgent，由JCAgent 在一段时间内打包将(所有数据，控制命令，命令形式)发送给终端控制中心。

如果在规定的时间内，增氧机没有接收到相关的控制命令，则默认控制命令丢失，此时增氧机控制Agent 给JCAgent 发送一条信息告知控制命令丢失，由JCAgent 触发远端控制中心，由控制中心调用离线水质参数，当前的养殖周期等信息做出增氧机的控制命令，将控制命令发送给JCAgent，JCAgent 将控制命令发送给增氧机，增氧机接收到控制命令立即执行，并反馈一个信息包(控制命令，异常命令标示符0)给JCAgent。在实验过程中规定:正常的控制命令标示符为1，控制命令丢失，由终端控制中心发送来的控制命令的标示符为0。

3 实验测试结果

3.1 实验场景

本文在上海廊下现代渔业基地，选择一个10 亩大小的养殖池塘，时间为夏季，如图3 所示。现场布置了传感器节点，初始化设备组建了水质监测网络，实时的监测水温，DO，pH，氨氮，氧化还原电位(ORP)等水质参数。安置了4 个水质采集节点，1 台叶轮式增氧机，4 个水质采集节点中的3#水质采集节点为JCAgent，使用增氧机自带的溶解氧采集探头采集溶解氧，通过外部传感器采集pH，氨氮，ORP 和温度。4 个水质采集节点组成一个Zig Bee 网络，3#节点作为簇头，给各个CJAgent 发送协作指令。

由于适合南美白对虾水产养殖的溶解氧浓度在4 mg/L以上，所以设置当溶解氧浓度低于4.2 mg/L 时启动增氧，控制目标是5.8 mg/L，当高于6 mg/L 时停止增氧。为南美白对虾生长设置的溶解氧预警如表1 所示。

表1 溶解氧预警设置表Tab 1 Dissolved oxygen prediction set table

3.2 实验实例

选择养殖池塘2014 年8 月10 日～8 月11 日的数据，在观测时间段内有阴天、雨天。采集到的部分水质参数如表2所示。

图3 实验场景架构图Fig 3 Architecture of experimental scene

表2 水质参数信息Tab 2 Parameter information of water quality

以一次瞬时测量结果如表3。

表3 水质参数瞬时测量结果Tab 3 Instant measurement results of water quality parameters

将溶解氧的预测值和知识库中预先存储的南美白对虾生长环境参数进行对比，由于南美白对虾的安全溶解氧阈值为4.2～5.8 mg/L，当前溶解氧值为正常范围，触发的增氧机控制命令为:不做任何操作，维持原状。溶解氧预测Agent 发送控制命令给增氧机，同时等待下一时刻溶解氧预测Agent 再次进行溶解氧预测。增氧机控制Agent 接收到命令后将控制命令打包成一个信息包(“不做任何操作，维持原状”，“1”)发送给3#节点，3#节点收到增氧机控制Agent 发送来的反馈信息，表示该次控制成功完成。3#节点每隔6h 将(水质数据，对应控制命令，命令标示符)打包发送给终端控制中心。

4 结果与分析

本文选择2014 年8 月10 日～11 日的溶解氧数据进行增氧机开关机次数分析，8 月10 日是阵雨天气，8 月11 日是多云天气，常规增氧时，阵雨天时选择01:00 ～03:00，08:00 ～10:00，15:00 ～18:00，21:00 ～22:00 开机8 h，多云天气选择开机7 h。本文使用了WSNs 和GPRS 的情况下，增氧机的开关机次数和时长如表4。

表4 48 h 内的开机次数和开机时间Tab 4 Boot times and boot time

当使用了多因素溶解氧模糊控制算法后，当溶解氧处于将近阈值时，提前改变增氧机的状态，减少频繁开关机，2 天的总开机时间11 h，减少了4 h 的开机时间，节约了能耗。

5 结 论

针对传统的养殖管理过程中通信能耗高，增氧不及时的问题，本文引入多Agent 技术，设计了溶解氧预测Agent，增氧机控制Agent，决策Agent，通过Agent 之间的相互协作，结合GPRS 和WSNs，形成混合通信模式，通过实验验证，该系统不但能够更加准确地预测溶解氧值，减少增氧机在智能控制时的通信能耗，并能够实时地控制增氧机开关。从而有效提高了增氧机控制效率，充分解决了过氧和缺氧问题，保证了系统的低功耗运行。

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