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河蟹池塘养殖智能支持系统关键技术研究

作　者: 史兵
导　师: 赵德安
学　校: 江苏大学
专　业: 农业电气化与自动化
关键词: 水产养殖无线传感器网络水质评价专家系统智能系统
分类号: S966.16
类　型: 博士论文
年　份: 2013年
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内容摘要

随着人们生活水平的不断提高,对水产品的需求也在持续增长,我国已成为水产品生产和消费的大国,2012年全国水产品总产量达到5906万吨,取得了巨大的经济效益。河蟹是我国主要的水产品种之一,味道鲜美、营养丰富,除了食用之外,河蟹的甲壳等部分还可以使用在工业生产、医学治疗等诸多方面,已取得了良好的社会效益。河蟹在我国分布广泛,养殖方式有池塘养殖、湖泊养殖、河段围栏养殖、稻田养殖等多种形式,受地理环境特点的影响,池塘养殖是养殖户主要采取的养殖方式之一。池塘养殖虽然实施起来较为便利,投入较少,但也存在着养殖分散、多数养殖户不具备相应专业知识,缺乏规范化、标准化的指导,从而导致养殖过程自动化程度低、产品规格差异大、病害严重、产品安全无保障等诸多问题。为了解决池塘养殖存在的这些问题,在江苏省“物联网示范工程”项目的支撑下,开展了河蟹池塘养殖智能支持系统一些关键技术的研究。本文主要围绕以下工作展开：首先,针对大范围、多数据的参数获取技术展开研究。根据河蟹池塘养殖基地通常地势平坦、范围广等实际情况,引入了无线传感器网络技术,在养殖基地建立了一套无线传感器网络系统。通过对GAF拓扑控制算法的深入研究,提出了GAF-G改进拓扑算法,实现了固定分簇、固定簇头的拓扑结构,并实现了簇内节点与簇头通信,簇间簇头之间通信的路由关系。通过对池塘水体断面数据的分析,确定了池塘水体各主要指标的分布情况,从而为传感器节点的布置提供了依据,以实现优化配置。其次,针对池塘各水质因子之间的相互关系展开研究,确定各因子之间的内在联系,并针对主要因子提出不同的调节措施。在深入分析各因子内在关系的基础上,利用基于模糊PID控制算法,对典型河蟹养殖池中溶氧量进行控制,并通过仿真与实际测试确定了控制效果。接着,针对池塘水质评价工作展开研究,明确了水质评价的重要意义和方法。通过专家咨询的方式,确定了针对河蟹池塘养殖的最主要水质指标：溶解氧、酸碱度(pH值)、温度和盐度。并对这四项指标进行量化分级,分为Ⅰ-V级,共五级水质。详细介绍了目前较为常用的几种水质评价算法,并通过几种算法的应用实例,比较几种算法的优缺点及适用场合。然后,针对河蟹养殖专家支持系统展开研究。介绍了专家系统在农业方面的应用及发展情况,和专家系统推理机的工作原理,建立了河蟹养殖病害知识库。通过深入研究Rete匹配算法的工作方式,提出了基于索引列表的改进策略。通过分析冲突集的工作方式,提出了基于指针链表的改进策略,并通过仿真确认了改进效果。最后,针对智能系统的实现展开工作,利用现有的网络技术、数据库技术和通信技术实现了系统集成,完成了智能管理系统的建设。

全文目录

摘要  5-7
ABSTRACT  7-13
第1章绪论  13-21
  1.1 本课题研究的意义  13-14
  1.2 水产养殖智能技术的发展与现状  14-19
    1.2.1 水质参数的获取与控制技术发展与现状  14-17
    1.2.2 农业养殖专家系统发展与现状  17-19
  1.3 本论文研究内容及安排  19-20
  1.4 本章小结  20-21
第2章池塘水质因子参数获取技术研究  21-39
  2.1 引言  21
  2.2 无线传感器网络体系结构  21-23
  2.3 无线传感器网络关键技术  23-25
  2.4 无线传感器网络拓扑结构  25-27
  2.5 本系统拓扑控制  27-30
  2.6 传感器节点部署的优化研究  30-38
    2.6.1 传感器节点部署分类  30-32
    2.6.2 养殖场所概况介绍  32-34
    2.6.3 传感器节点的布置  34-38
  2.7 本章小结  38-39
第3章养殖池塘水质因子控制策略研究  39-62
  3.1 引言  39
  3.2 池塘水质因子分析  39-44
    3.2.1 池塘溶解氧因子分析  39-40
    3.2.2 池塘pH因子分析  40-42
    3.2.3 池塘温度因子分析  42-43
    3.2.4 池塘盐度因子分析  43-44
    3.2.5 池塘透明度因子分析  44
  3.3 池塘水质因子综合作用分析  44-45
  3.4 池塘水质调控基础  45-51
    3.4.1 自动控制发展介绍  45-47
    3.4.2 智能控制发展介绍  47-51
  3.5 池塘水质控制策略  51-61
    3.5.1 溶解氧控制策略研究  51-52
    3.5.2 模糊PID控制设计与实现  52-59
    3.5.3 溶解氧调控目标的确定  59-61
  3.6 本章小结  61-62
第4章池塘水质评价体系研究  62-82
  4.1 引言  62
  4.2 水质评价发展介绍  62-63
  4.3 常用水质评价方法介绍  63-64
  4.4 水质评价指标体系的建立  64-67
    4.4.1 评价指标建立的原则  64-65
    4.4.2 评价指标的确定  65-67
  4.5 评价标准的建立  67-73
    4.5.1 池塘水质等级的确定  67-69
    4.5.2 池塘水质指标区间的确定  69-73
  4.6 评价算法模型  73-77
    4.6.1 BP网络模型算法  73-74
    4.6.2 模糊综合指数算法  74-75
    4.6.3 灰色聚类算法  75-77
  4.7 评价应用实例  77-81
    4.7.1 BP网络模型算法应用  77-79
    4.7.2 模糊综合指数算法应用  79
    4.7.3 灰色聚类算法应用  79-80
    4.7.4 应用评价结果分析  80-81
  4.8 本章小结  81-82
第5章河蟹养殖专家支持系统  82-104
  5.1 引言  82
  5.2 专家系统开发技术流程  82-83
  5.3 系统分析  83-85
    5.3.1 系统需求分析  83-84
    5.3.2 现有基础分析  84-85
  5.4 系统框架设计  85-88
    5.4.1 系统结构设计  85-87
    5.4.2 系统功能模块设计  87-88
  5.5 核心部件设计  88-103
    5.5.1 知识库设计  88-91
    5.5.2 推理机设计  91-103
      5.5.2.1 推理方法  91-93
      5.5.2.2 模式匹配算法  93-95
      5.5.2.3 Rete匹配算法实现与改进  95-103
  5.6 本章小结  103-104
第6章智能管理系统设计与实现  104-126
  6.1 引言  104
  6.2 系统结构设计  104-105
  6.3 现场管理单元设计与实现  105-113
    6.3.1 传感器节点设计与实现  105-107
    6.3.2 路由节点设计与实现  107-108
    6.3.3 汇聚节点设计与实现  108-110
    6.3.4 控制节点设计与实现  110-112
    6.3.5 现场监控软件设计与实现  112-113
  6.4 远程管理单元设计与实现  113-125
    6.4.1 程管理单元体系结构  115-116
    6.4.2 数据传输模式  116-117
    6.4.3 客户层设计  117
    6.4.4 应用层设计  117-120
    6.4.5 数据层设计  120-124
      6.4.5.1 数据库信息框架  121
      6.4.5.2 数据表设计  121-124
    6.4.6 系统开发环境  124-125
  6.5 本章小结  125-126
第7章结论与展望  126-129
  7.1 研究工作结论  126-127
  7.2 主要创新点  127
  7.3 不足与展望  127-129
参考文献  129-136
致谢  136-137
攻读博士学位期间的科研成果  137

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