1系统结构
养殖池水体溶解氧浓度通过Zigbee节点测量，无线传感网络采用低能量自适应分群分层协议，测量节点把测量参数发送给簇首，簇首把测量数据融合后，发送给基站，基站距离控制器比较近，采用RS-485串行通信把测量数据传送给CPU(S7-200PLC),CPU根据溶解氧含量的多少以及变化过程变频控制叶轮增氧机应急增氧或低速“耕水”[11-13]。
2无线传感网络
无线传感网络节点大部分依靠电池供电，更换电池特别是单个更换电池非常浪费人力资源。因此在无线传感网络中，从单个节点到整个网路，从最底层的硬件到高层的通信协议及数据管理，节约能源是关键要素。无线通信模块主要存在数据发送、数据接收、空闲和休眠4种状态。通信模块在发送状态下能量消耗最大，而在空闲和接收状态的能量消耗相近，略低于发送状态的能量消耗，在休眠状态功耗远低于其他三种状态。减少不必要的数据发送和接收，节点不通信时尽快进入休眠状态可以节约供电电池能耗。在水产养殖参数监控的无线测量网络中，在保证测量精度的前提下，主要采取两种节能措施。一是采用低能量自适应分群分层协议（LEACH），对传感节点汇聚到簇首节点的数据进行融合，由簇首再向基站转发，与平面路由协议中不断转发数据相比，数据融合大幅减少了数据的发送。二是根据水质参数变化的实际情况，增加簇首和普通结点的休眠时间[14-15]。2.1数据融合无线传感网络中数据融合的主要目的是节省能量、增强采集数据的准确性和提高采集效率。数据融合技术虽然增加了中间节点的计算量，但减少了数据传输过程中的冗余、减少了信道冲突，降低了功耗。图1所示的无线传感网络中，每个簇由6个节点组成，其中一个为簇首。当各节点把测量数据汇聚到簇首后，簇首采用加权平均法对数据进行融合，公式为iniiXx1（1）其中xi为第i个节点的测量值，βi为加权系数，在本系统中，各测量节点加权系数相同，值为1/6。当一个节点失效后，在剩下的5个节点中，βi值为1/5，依次类推。X为数据融合值，由簇首发送给基站。2.2休眠控制2.2.1LEACH协议中TDMA通信LEACH协议中采用TDMA(TimeDivisionMultipleAccess)时分多址通信。时分多址是把时间分割成周期性的帧(Frame)，每一个帧再分割成若干个时隙，在每个时隙节点向簇首发送数据。TDMA通信可以避免信道冲突以及冲突引起的数据丢包；保证了数据传送的可靠性和实时性；当节点不在工作期间时进入睡眠状态节约能量。本系统水产养殖无线传感网络中，传感节点位置和分簇固定。由于被选为簇首的节点能耗大，LEACH协议中通过节点剩余能量的多少选择簇首，达到节点剩余能量的均衡。在调度阶段，簇头将数据传输阶段分为n个帧，每个帧根据簇内节点数的多少分成相应的时隙。在每个时隙，簇首一直监听，随时准备接收普通节点上传的监测数据。2.2.2LEACH协议帧优化水产养殖中水体溶解氧参数变化缓慢，而且控制精度要求不高。系统中当监测到水体溶解氧浓度与上次发送值差值在0.1mg/L范围内时，为节省能量不向簇首发送，簇首默认本次监测值与上次相同。而簇首在该时隙内一直处于监听状态，能量消耗较大。如图2a所示，在帧1中的5个时隙中，仅第1，3个节点需要发送数据，但簇首一直处于监听状态。在优化的TDMA通信中，如图2b所示，在每帧的开始进行时隙调度，需要发送数据的节点向簇首发出申请，簇首收到申请后安排2个时隙供节点1，3发送数据，发送完则全簇节点休眠，等待下一帧开始时苏醒，这样大幅增加了簇首的休眠时间。节点和簇首的工作状态如图3所示，常规LEACH协议中，每一帧的时间段内簇首大部分时间处于监听状态，只有在数据接收完毕的时隙内休眠很短的时间，在下个时隙重新唤醒，继续监听。而在优化LEACH协议中，经过簇首调度，安排需要发送数据的节点按时隙发送，数据发送完毕后簇首和节点均进入较长时间的休眠状态。由图3可以看出，LEACH协议优化后，大幅增加了簇首休眠时间，节约了供电电池能量。
3增氧控制
3.1理论分析通过菲克（Fick）定律和刘易斯（Lewis）和怀特曼（Whitman）创立的双膜理论可以得到计算公式()fSLXCCDAdtdM(2)式中M—在单位时间t内通过界面扩散的物质数量；DL—扩散系数；A—界面面积；Cs—空气与液面交界处需要扩散的物质浓度值；C—物质浓度；Xf—液膜的厚度。应急增氧时由公式（2）可知，随着溶解氧含量值C的增加，增氧效率不断降低，当C接近Cs时，增氧机增氧效率接近0，因此在满足鱼类适宜生活溶解氧含量的前提下，系统溶解氧含量控制目标值不能太高[16]。而人工手动控制时，当水体溶解氧浓度含量较高时，仍然工频增氧，此时增氧效率极低；同样人工控制无法在溶解氧含量低于下限时及时开机，易引起鱼虾窒息死亡[17]。3.2实际应用叶轮增氧机主要由电动机、减速箱、叶轮、撑杆、浮筒等组成，浮于水面工作，不受水位变化的影响。工作时同时完成水跃增氧、水面更新增氧、负压进气增氧。水体中溶解氧来源一般有2个：一是水体中溶解氧未饱和时，大气中的氧气向水体渗入；另外一个来源是水体中藻类的光合作用释放出氧气。而且后者是主要来源，占80%以上。耕水机节能的主要原因是促进了水体中藻类的光合作用，向水体释放了大量氧气。因此在白天（增氧主要是夏季）7:00～18:00，只要监测到溶解氧含量不低于设定的下限5.0mg/L,PLC以固定频率（10Hz）通过变频器控制叶轮增氧机低速“耕水”，搅动水体上下循环。期间在阴雨天如溶解氧低于下限值，则变频模糊控制应急增氧。水产养殖中溶解氧应急控制要求在低浓度时迅速提高溶解氧含量，接近目标值时变频器要求输出稳定，但控制精度要求不高。PLC工作稳定，使用寿命长，但难以完成复杂控制算法，针对以上特点溶解氧采用模糊变频控制。水体溶解氧含量测量后传送给PLC，PLC通过三角形隶属函数归类成模糊集。每次采样后溶解氧误差Ek和误差变化率ΔEk首先按照图4所示隶属函数归类为{PB,PM,PS,ZO,NS,NM,NB}模糊集,用整数表示为{3,2,1,0,-1,-2,-3}。常用的隶属函数有三角形和高斯型，三角形更适合于在线调整的自适应模糊控制。模糊控制器的设计：模糊控制系统的核心是模糊控制器的设计。设计的核心是模糊语言规则和合成推理。在常规的二维模糊控制器中，输出变量值取决于输入量误差Ek和误差变化率ΔEk，它们的加权系数各为0.5。公式为()/2kkuEE（4）但在水产养殖的水体溶解氧实际控制中，当误差较大时控制系统的主要任务是迅速消除误差，这时对误差的加权应该大些；当误差较小时，控制系统主要任务是保持控制稳定，对误差变化率加权要大些。
4试验与分析
在江苏省镇江市横塘千亩水产养殖基地选择6个100m×200m的家鱼养殖池作为试验池。每个养殖池投放12000尾草鱼、鲢鱼、青鱼和辅养少量鲫鱼，养殖周期两年。每个养殖池采用一台3.0kW叶轮增氧机（YL-3.0型）增氧。采用无线测量与智能控制的养殖池变频器选用三菱FR-S540E-3.7K-CHT型，CPU选用西门子S7-224XP。养殖池1、2、3、4参数测量采用Zigbee无线通信网，每个养殖池均匀分布12个测量节点和一个固定在岸边的基站节点，测量节点按照地理位置的不同固定分为2个簇，每个簇包含6个节点。1、2号池采用常规LEACH协议，3、4号池采用休眠控制的帧优化的LEACH协议。养殖池5、6则采用人工粗略控制：冬天一般不开机；春、秋季温度较高视情况开机；夏天开机时间为：22:00～次日8:00，阴雨天则全天开机，均为工频工作。如图5所示，采用LEACH协议的1、2号池无线测控网络出现第1个失效节点的时间为第45天和第50天；出现第3个失效节点的时间为第65天和第70天。采用帧优化的LEACH协议的3、4号养殖池出现第1个失效节点的时间为第55天和第60天，比1、2号养殖池延长约20%；出现第3个失效节点的时间为第80天和第85天，假定无线网络出现3个失效节点时网络失效，则3、4号养殖池无线测量网络比1、2号养殖池有效生命周期延长约21%。
作者：蒋建医学期刊投稿明 史国栋 赵德安 李正明 史兵 赵以钢 单位：常州大学信息科学与工程学院 江苏大学电气信息工程学院
