专利名称：：一种水产品养殖水质无线监测系统及方法
技术领域：
：本发明涉及一种养殖水质无线采集装置，该装置包括传感器组，其由PH传感器、DO传感器、温度传感器、EC传感器和水位传感器组成，用于采集相应的水质数据；微处理器(MCU)，用于处理所述传感器采集的数据；无线通信�？椋糜诮⒋砥鞔砗蟮氖莘⑺偷绞菁嗖庵行模挥叛〉兀鑫尴吣？橹邪珿PRS�？�。传感器组是本发明装置的一个重要组成部分，能在线采集水质的重要参数，包括pH、D0、水温、EC和水位。温度传感器附在DO传感器探头上，因此总共有4个水质传感器探头。传感器通过信号线向MCU发送水质数据，同时也依靠信号线悬挂在水中。本发明采用防水四芯电缆作为传感器信号线，信号线一端连接传感器，另一端通过防水接头连接到微处理器。信号线主要有3个功能1)为传感器输送电能，2)向MCU传送传感器检测的数据，3)作为传感器的悬挂线将传感器悬挂在水中。信号线的长度可以调整，因此在不同的应用要求下，可以根据需要测得不同深度的水质信息。本发明还涉及一种基于上述养殖水质无线采集装置的养殖水质无线监测系统，该系统还包括数据存储�？椋凰鍪荽娲⒛？橛糜诖娲⑽⒋砥鞔砗蟮氖�。优选地，所述系统还包括供电模块，所述供电�？橹饕商裟艿绯匕�、充电控制�？楹托畹绯刈槌桑黄渲兴龀涞缈刂颇？橛糜诮裟艿绯匕逦盏奶裟茏缒埽⒋⒋嬖谛畹绯刂校凰鲂畹绯匚鱿低程峁┑缒�。优选地，所述系统还包括浮漂，所述浮漂由泡沫材料构成，呈圆盘形。本发明的系统具有在线和休眠两种工作状态，这样可以降低能耗；系统在不进行水质测量或数据处理的时间段，可设置为休眠状态；在需要测量水质的时刻，系统自动变为在线状态，完成水质数据的采集和数据处理、发送等功能。在线/休眠的时间间隔预先集成在微处理器中，在线监测的时间可以是等间隔的，每隔几个小时，还可以根据DO的浓度，在DO含量比较低的时间段如凌晨进行密集监测。本发明的无线监测系统中，所述充电控制�？榈氖淙攵擞胩裟艿绯匕逑嗔樱涑龆擞胄畹绯叵嗔樱凰鲂畹绯赜胛⒋砥鞯牡缭词淙攵讼嗔凰鑫⒋砥鞯牡缭词涑龆送ü藕畔叻直鹩氤涞缈刂颇？�、传感器、无线通信�？榧笆荽娲⒛？橄嗔凰龀涞缈刂颇？椤⑿畹绯�、微处理器、无线通信模块和数据存储�？榘沧坝诿芊獾牡缏泛心冢渲兴鑫⒋砥�、无线通信�？楹褪荽娲⒛？榧稍谥鞯缏钒迳希缏泛心诜胖玫纳鲜龈鞯缏纺？槭潜痉⒚飨低车暮诵淖槌刹糠种唬凰龅缏泛泄潭ㄔ诟∑希裟艿绯匕骞潭ㄔ诘缏泛械亩ゲ浚凰龃衅髯橥ü藕畔咝诟∑路�。优选地，所述主电路板中安装有天线，用于发送数据；优选地，本发明的系统采用低功耗芯片MSP430MCU微处理器，采用2.7V单电源供电运放，以降低能耗，实现装置和系统的长期稳定工作。微处理器、数据存储�？楹臀尴咄ㄐ拍？榫哂卸源衅骷觳獾氖萁写怼⒋娲�、发送的功能，还可进行DO的预测，并在出现警情时，发出预警信息。MCU微处理器的功能主要有(1)控制各�？榈墓┑纾�(2)控制传感器工作；(3)控制无线�？槭莘⑺停刂圃ぞ畔⒌姆⑺停�(4)进行数据处理，集成了养殖水质DO的预警方法，设定检测DO的时间间隔，从数据存储�？榈饔眉觳獾乃世肥荻訢O进行预测，给出预警信息。无线�？榈墓δ苁墙惺莘⑺�。无线�？榻衅骷觳獾降氖菀晕尴叩姆绞椒⑺偷绞菁嗖庵行牡乃市畔⑾低持校尴吣？橹谢拱桓鯣PRS模块，可将MCU计算的DO预警信息以手机短信的形式发送到管理者的手机上，使管理者能及时了解到DO警情。数据存储�？槟芄欢源衅骷觳獾氖萁斜镜卮娲ⅲ狣O的预警提供原始历史数据。浮漂作为载体携载所述系统浮于水面上，为其提供浮力；为了防水、防腐蚀，将充电控制�？�、蓄电池、微处理器、数据存储�？楹臀尴咄ㄐ拍？榘沧霸谝桓雒芊獾牡缏泛心冢龅缏泛杏叛∮膳菽牧瞎钩桑试仓危缏泛泄潭ㄔ诟∑希衅魍ü藕畔咝矣诟∑路降乃�。本发明还涉及一种养殖水质无线监测方法，该方法包括如下步骤1)用pH传感器、DO传感器、温度传感器、EC传感器和水位传感器分别采集水质的pH、DO、温度、EC和水位数据，通过信号线将所述数据发送到微处理器；2)用微处理器处理传感器采集的pH、DO、温度、EC和水位数据；3)根据DO传感器采集的DO数据，利用微处理器对DO进行预警，获得预警信息；4)将步骤2)微处理器处理后的数据和步骤3)获得的预警信息存储到数据存储�？椋�5)通过GPRS�？榻娲⒌氖莘⑺偷绞菁嗖庵行模�6)通过GPRS�？榉⑺驮ぞ畔�。其中，步骤3)所述预警包括如下步骤S11、根据养殖品种对DO的要求严格设定DO状态区间、预警警度和预警规则，并与自回归数学模型一起预先集成在微处理器中；其中，所述DO状态区间可分为良好、一般、差、恶劣四个等级；所述预警警度分为无警、轻警、中警、重警四级；所述预警规则是根据不同DO状态区间及其持续的时间来确定预警警度；S12、从数据存储�？榈魅∮蒁O传感器采集的DO数据，作为DO历史数据；S13、根据存储的DO历史数据，采用自回归(AR)法对水质的DO进行计算，得到DO的预测值；S14、将DO的预测值与DO状态区间的阈值进行比较，利用预警规则，确定预警警度，判断是否需要报警，如有必要，则通过GPRS�？橐允只绦诺男问较蚬芾碚叻⒊鯠O预警信息。其中，步骤S13中所述的自回归法包括如下步骤S21、将DO的历史检测时间构成时间序列模型，以时间序列{DOJ(t=1,2,…，N)代表DO时间序列，则DO时间序列的模型为<formula>formulaseeoriginaldocumentpage7</formula>其中，DOt为待预测的下一个采集时刻点t的DO值；Φι;Φ2,...Φη，σa2为η+l个待估计的参数，且<formula>formulaseeoriginaldocumentpage7</formula>·应用AIC准则』/C{n)=TVInσ2α+2对DO时间序列模型的1-10阶数进行分析，比较不同阶数模型的AIC准则函数，确定所述模型的阶数；S22、采用最小二乘法对所述参数Φ1;Φ2，"·Φη，oa2进行估计，建立AR模型；令Y=[D0n+1D0n+2D0N]Tφ=[φ^^··φη]τ<formula>formulaseeoriginaldocumentpage7</formula>则φ=(XtX)-1XtY.S23、将DO的历史数据输入步骤S22中所建立的AR模型，计算DO的预测值。在步骤S21中，一般情况下，阶数越大，AIC的值越小。一个有效的模型，需要具备一个较小模型阶数n，且其对应的AIC值也较小。因此需综合考虑η的大小和AIC(η)的大小。若AIC(n)-AIC(n+1)>AIC(n_2)-AIC(η)(3彡η彡10)，则确定η为模型阶数，若符合条件的η的个数不止一个，则取最小的那一个；若不存在符合此条件的η，则取η值为10。本发明无线监测系统和方法的有益效果在于(1)在实际应用中，将本发明的系统以一定的密度布置在水面上，可同时对养殖池塘或湖泊的各个位置的5个水质参数pH、EC、水位、DO、水温进行采集和监测，以实现水产品养殖过程中水质的在线监测、数据发送和DO预警功能；(2)通过GPRS将监测数据传送到数据监测中心，实现对历史数据的长期可靠存储，并方便数据的查看和处理；(3)本发明的无线监测系统和方法适用于水产品的集约化水产养殖，系统的微处理器中集成了养殖水质DO的预警算法，根据检测的水质数据，结合水产品对DO浓度的要求，对DO进行预测、发出预警警报；DO的预警信息可以通过GPRS以手机短信的形式及时发送到管理者的手机上，为管理者调整DO浓度争取了时间，使管理者能及时采取补氧等措施，保证水产品处于较佳的DO浓度环境下，可以大幅度减少或消除因DO浓度降低引起的水产品养殖损失；(4)本发明的系统采用太阳能电池供电，系统有在线和休眠两种状态，采用低功耗省电模式设计，可以节约能源；(5)整个监测过程自动执行，无需人工控制。图1为本发明无线监测系统的示意图；图2为电路盒结构的示意图；图3为核心电路�？榈慕峁雇迹煌�4为无线监测系统对溶氧度的预警流程图。图中1为太阳能电池板2为电路盒3为浮漂4为pH传感器探头5为DO传感器探头6为温度传感器7为EC传感器探头8为水位传感器探头9为传感器信号线10为充电控制�？�11为蓄电池12为导线13为主电路板固定槽14为主电路板15为天线16为传感器接口17为电路盒固定孔具体实施例方式以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。实施例1本发明的水产品养殖水质的无线采集装置本发明的无线采集装置包括如下部分传感器组，其由pH传感器、DO传感器、温度传感器、EC传感器和水位传感器组成，用于采集相应的水质数据；其中，温度传感器附在DO传感器探头上，因此总共有4个水质传感器探头。传感器通过信号线向微处理器发送水质数据；微处理器，用于处理所述传感器采集的数据；无线通信�？椋糜诮⒋砥鞔砗蟮氖莘⑺偷绞菁嗖庵行模梦尴咄ㄐ拍？橹邪珿PRS�？椋皇凳├�2本发明的水产品养殖水质的无线监测系统本发明的无线监测系统包括如下部分实施例1所述的无线采集装置，其中的微处理器中集成了根据养殖品种对DO的要求严格设定的DO状态区间、预警警度和预警规则，以及DO状态区间的阈值和自回归数学模型；数据存储�？椋凰鍪荽娲⒛？橛糜诖娲⑽⒋砥鞔砗蟮氖荩还┑缒？椋溆商裟艿绯匕濉⒊涞缈刂颇？楹托畹绯刈槌桑黄渲兴龀涞缈刂颇？橛糜诮裟艿绯匕逦盏奶裟茏缒埽⒋⒋嬖谛畹绯刂校凰鲂畹绯匚鱿低程峁┑缒埽桓∑溆膳菽牧瞎钩桑试才绦危鱿低程峁└×�。所述系统存在在线和休眠两种工作状态，采用低功耗芯片MSP430MCU，并采用2.7V单电源供电运放。本发明的无线监测系统中，充电控制�？榈氖淙攵擞胩裟艿绯匕逑嗔樱涑龆擞胄畹绯叵嗔樱恍畹绯赜胛⒋砥鞯牡缭词淙攵讼嗔晃⒋砥鞯牡缭词涑龆送ü藕畔叻直鹩氤涞缈刂颇？�、传感器、无线通信�？榧笆荽娲⒛？橄嗔怀涞缈刂颇？�、蓄电池、微处理器、无线通信�？楹褪荽娲⒛？榘沧坝诿芊獾牡缏泛心冢渲兴鑫⒋砥�、无线通信�？楹褪荽娲⒛？榧稍谥鞯缏钒迳希鞯缏钒逯邪沧坝刑煜撸糜诜⑺褪荩缏泛心诜胖玫纳鲜龈鞯缏纺？槭潜痉⒚飨低车暮诵淖槌刹糠种唬坏缏泛杏膳菽牧瞎钩桑试仓危朔浪栏矗缏泛薪涌诖Ρ匦胗蒙捍蛎芊夤杞撼浞置芊猓坏缏泛械牡撞坑兴母龃衅鹘涌冢衅餍藕畔咄ü庑┙涌谟氲缏泛心诘缏吠ㄐ牛捎肦S485通信接口；电路盒的底部还有固定孔，可利用绳索穿过固定孔将电路盒绑定在浮漂上；太阳能电池板固定在电路盒的顶部，用于吸收太阳能；本发明采用防水四芯电缆作为传感器信号线，信号线一端连接传感器，另一端通过防水接头连接到电路盒内的微处理器，信号线的长度可以根据待测水位深度进行调整。整个系统在岸上进行组装，组装完成后直接放置到水面监测点位置上即可工作。若是首次使用，应先将太阳能电池充满电。为保证浮漂承载的整个系统不随水流漂移，使用时可在浮漂下系一个重锤，使浮漂固定在监测点位置。本发明系统的整体结构如图1所示，电路盒的内部结构如图2所示。本发明核心电路�？榈慕峁谷缤�3所示。电路盒(虚框显示)内包括充电控制�？�、蓄电池、GPRS�？椤CU微处理器和数据存储�？�。其中充电控制�？橛胩裟艿绯匕�、MCU、蓄电池连接，MCU对充电控制�？榻锌刂疲畹绯囟杂商裟茏牡缒芙写娲⑼蔽鱿低程峁┑缒�。MCU与充电控制�？楹托畹绯亓踊竦玫缒埽缓笪荽娲⒛？�、传感器和GPRS�？楣┑�。MCU和传感器通过信号线连接，信号线将传感器数据发送到MCU进行进一步处理。MCU处理后的水质数据存储到数据存储�？�。水质数据通过GPRS�？榉⑺偷绞菁嗖庵行摹CU还能根据传感器检测的水质信息对DO进行预测、预警，预警信息也将通过GPRS�？橐允只绦诺男问郊笆狈⑺偷焦芾碚叩氖只�。本发明的系统包括在线和休眠两种工作状态，这样可以降低能耗；系统在不进行水质测量或数据处理的时间段，可设置为休眠状态，到需要测量水质的时刻，系统自动变为在线状态，完成水质数据的采集和数据处理、发送等功能。在线/休眠的时间间隔预先集成在微处理器中，在线检测的时间可以是等间隔的，每隔几个小时，还可以根据DO的浓度，在DO含量比较低的时间段如凌晨进行密集检测和预测。实施例3本发明的水产品养殖水质的无线监测方法本发明的无线监测系统对溶氧度的预警流程如图4所示，其工作步骤如下1)用pH传感器、DO传感器、温度传感器、EC传感器和水位传感器分别采集水质的pH、DO、温度、EC和水位数据，通过信号线将所述数据发送到微处理器；2)用微处理器处理传感器采集的pH、DO、温度、EC和水位数据；3)根据DO传感器采集的DO数据，利用微处理器对DO进行预警，获得预警信息；4)将步骤2)微处理器处理后的数据和步骤3)获得的预警信息存储到数据存储�？椋�5)通过GPRS�？榻娲⒌氖莘⑺偷绞菁嗖庵行模�6)通过GPRS�？榉⑺驮ぞ畔ⅰＦ渲校街�3)中预警的方法包括如下步骤S11、根据养殖品种对DO的要求设定DO状态区间、预警警度和预警规则，并与自回归数学模型一起预先集成在微处理器中；其中，所述DO状态区间可分为良好、一般、差、恶劣四个等级；所述预警警度分为无警、轻警、中警、重警四级；所述预警规则是根据不同DO状态区间及其持续的时间来确定预警警度；S12、从数据存储�？榈魅∮蒁O传感器采集的DO数据，作为DO历史数据；S13、根据存储的DO历史数据，采用自回归法对水质的DO进行计算，得到DO的预测值；S14、将DO的预测值与DO状态区间的阈值进行比较，利用预警规则，确定预警警度，通过GPRS�？橐允只绦诺男问较蚬芾碚叻⒊鯠O预警信息。其中，步骤S13中自回归法包括如下步骤S21、将DO的历史检测时间构成时间序列模型，应用AIC准则对DO时间序列模型的1-10阶数进行分析，比较不同阶数模型的AIC准则函数，确定所述模型的阶数；S22、采用最小二乘法对参数进行估计，建立自回归模型；S23、将DO的历史数据输入步骤S22中所建立的自回归模型，计算DO的预测值。下面以海参为例，具体说明DO状态区间、预警警度和预警规则的设定方法，分别见表1、表2和表3表IDO状态区间的划分___<table>tableseeoriginaldocumentpage10</column></row><table>表2预警警度级别<table>tableseeoriginaldocumentpage10</column></row><table><table>tableseeoriginaldocumentpage11</column></row><table>表3预警规则<table>tableseeoriginaldocumentpage11</column></row><table>在DO预警方法中，预警分为预测结果处理和警情的确认两个阶段。预测结果处理将DO预测值与DO状态区间的阈值进行比较，确定预测值所在的DO状态区间。应用既定的预警规则，确定警情级别。警情的警度划分为无警、轻警、中警、重警四级。当出现中警和重警时向管理者发出警报，出现轻警时调整传感器测量的时间间隔和预测时间间隔，即对水质进行时间上更密集的检测和预测。本发明的养殖水质无线监测方法通过程序设定一个采样间隔时间，每个间隔时间内传感器采样一次。MCU只在传感器采样工作的短时间内给传感器供电，其他时间断电，这样可以节省能量。传感器采样数据通过传感器信号线传送到MCU进行处理，处理后的数据通过发送GPRS�？榇偷绞菁嗖庵行�。同时，数据也会被送到本发明无线监测系统的数据存储模块进行本地存储。MCU还可调用存储�？橹械睦肥荻訢O进行预测、预警，预警信息将会通过GPRS�？橐远绦诺男问椒⑺偷缴瓒ǖ氖只希嵝压芾碚�。权利要求一种养殖水质无线采集装置，其特征在于，该装置包括传感器组，其由pH传感器、DO传感器、温度传感器、EC传感器和水位传感器组成，用于采集相应的水质数据；微处理器，用于处理所述传感器采集的数据；无线通信�？椋糜诮⒋砥鞔砗蟮氖莘⑺偷绞菁嗖庵行�。2.根据权利要求1所述的养殖水质无线采集装置，其特征在于，所述无线通信�？橹邪珿PRS�？�。3.一种养殖水质无线监测系统，其特征在于，包括权利要求1或2所述的养殖水质无线采集装置，还包括数据存储�？椋凰鍪荽娲⒛？橛糜诖娲⑽⒋砥鞔砗蟮氖�。4.根据权利要求3所述的养殖水质无线监测系统，其特征在于，还包括供电�？椋龉┑缒？橹饕商裟艿绯匕�、充电控制�？楹托畹绯刈槌桑黄渲兴龀涞缈刂颇？橛糜诮裟艿绯匕逦盏奶裟茏缒埽⒋⒋嬖谛畹绯刂校凰鲂畹绯匚鱿低程峁┑缒�。5.根据权利要求4所述的养殖水质无线监测系统，其特征在于，还包括浮漂，所述浮漂由泡沫材料构成，呈圆盘形。6.根据权利要求5所述的养殖水质无线监测系统，其特征在于，所述无线监测系统具有在线和休眠两种工作状态。7.根据权利要求6所述的养殖水质无线监测系统，其特征在于，所述充电控制�？榈氖淙攵擞胩裟艿绯匕逑嗔樱涑龆擞胄畹绯叵嗔樱凰鲂畹绯赜胛⒋砥鞯牡缭词淙攵讼嗔凰鑫⒋砥鞯牡缭词涑龆送ü藕畔叻直鹩氤涞缈刂颇？�、传感器、无线通信�？榧笆荽娲⒛？橄嗔凰龀涞缈刂颇？椤⑿畹绯�、微处理器、无线通信�？楹褪荽娲⒛？榘沧霸诿芊獾牡缏泛心冢渲兴鑫⒋砥�、无线通信�？楹褪荽娲⒛？榧稍谥鞯缏钒迳希凰龅缏泛泄潭ㄔ诟∑希裟艿绯匕骞潭ㄔ诘缏泛械亩ゲ浚凰龃衅髯橥ü藕畔咝诟∑路�。8.一种养殖水质无线监测方法，其特征在于，该方法包括如下步骤1)用PH传感器、DO传感器、温度传感器、EC传感器和水位传感器分别采集水质的pH、DO、温度、EC和水位数据，通过信号线将所述数据发送到微处理器；2)用微处理器处理传感器采集的pH、DO、温度、EC和水位数据；3)根据DO传感器采集的DO数据，利用微处理器对DO进行预警，获得预警信息；4)将步骤2)微处理器处理后的数据和步骤3)获得的预警信息存储到数据存储�？椋�5)通过GPRS�？榻娲⒌氖莘⑺偷绞菁嗖庵行模�6)通过GPRS模块发送预警信息。9.根据权利要求8所述的养殖水质无线监测方法，其特征在于，步骤3)所述预警包括如下步骤511、根据养殖品种对DO的要求设定DO状态区间、预警警度和预警规则，并与自回归数学模型一起预先集成在微处理器中；其中，所述预警警度分为无警、轻警、中警、重警四级，所述预警规则是根据不同DO状态区间及其持续的时间来确定预警警度；512、从数据存储�？榈魅∮蒁O传感器采集的DO数据，作为DO历史数据；513、根据存储的DO历史数据，采用自回归法对水质的DO进行计算，得到DO的预测值；S14、将DO的预测值与DO状态区间的阈值进行比较，利用预警规则，确定预警警度，通过GPRS�？橐允只绦诺男问较蚬芾碚叻⒊鯠O预警信息。10.根据权利要求9所述的养殖水质无线监测方法，其特征在于，步骤S13所述自回归法包括如下步骤S21、将DO的历史检测时间构成时间序列模型，应用AIC准则对DO时间序列模型的1-10阶数进行分析，比较不同阶数模型的AIC准则函数，确定所述模型的阶数；S22、采用最小二乘法对参数进行估计，建立自回归模型；S23、将DO的历史数据输入步骤S22中建立的所述自回归模型，计算DO的预测值。全文摘要本发明涉及一种养殖水质无线采集装置，该装置包括传感器组、微处理器和无线通信模块。基于所述的无线采集装置，本发明还公开了一种养殖水质无线监测系统，该系统还包括数据存储�？�、供电�？楹透∑�。本发明的装置及系统采用太阳能供电；系统有在线和休眠两种状态，软硬件采用低功耗省电模式设计，可以采集、存储养殖水环境的pH值、电导率(EC)、水位、溶氧度(DO)、水温多个水质参数；可通过GPRS向数据监测中心发送采集的数据；还可对水中DO值进行预测，并通过手机短信的方式向集约化水产养殖管理者发送水质DO预警信息。文档编号G01N33/18GK101814228SQ20101013355公开日2010年8月25日申请日期2010年3月25日优先权日2010年3月25日发明者丁启胜,李道亮,李飞飞,赵霖林,马道坤申请人:中国农业大学
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