一種生物浮島智能監(jiān)測控制系統(tǒng)及其方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于智能監(jiān)測及控制技術(shù)，具體涉及一種生物浮島智能監(jiān)測控制系統(tǒng)及其 方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 生物浮島技術(shù)是以可漂浮材料為基質(zhì)或載體，將高等水生植物或陸生植物栽植到 富營養(yǎng)化水域中，通過植物的根系吸收或吸附作用，削減水體中的氮、磷及有機污染物質(zhì)， 從而凈化水質(zhì)的生物防治法，同時通過收獲植物的方法將水體中的富營養(yǎng)物質(zhì)搬離水體， 改善水質(zhì)，創(chuàng)造良好的水環(huán)境。
[0003] 現(xiàn)有的生物浮島大多漂浮在水面上，日常的管理均在水面上完成，目前其管理操 作大多采用人工完成，在小面積的試驗示范中尚可，若大面積推廣，需要經(jīng)常、及時采收，人 工操作就不能滿足需要，限制其發(fā)展。并且國內(nèi)外使用的生物浮島單體面積較小，大多數(shù)是 在小面積的河湖中使用，難以對較大的河湖進行生態(tài)修復(fù)，現(xiàn)需要有超大面積的生物浮島。 另一方面，現(xiàn)有的生物浮島在水面上處于自由漂浮狀態(tài)，并沒有采用先進的智能監(jiān)測控制 技術(shù)，導(dǎo)致浮島并沒有處于最優(yōu)的分散布局狀態(tài)，進而水質(zhì)凈化并沒有在最短時間完成，效 率低下，同時用戶無法實時獲取水質(zhì)狀態(tài)監(jiān)測數(shù)據(jù)以及浮島地理信息數(shù)據(jù)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 本發(fā)明的一個目的在于為了克服上述現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種生物浮島智能監(jiān) 測控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)能夠使用戶獲取水質(zhì)狀態(tài)實時監(jiān)測數(shù)據(jù)以及地理信息數(shù)據(jù)，并且采用 了先進的智能監(jiān)測控制技術(shù)，解決了生物浮島的智能監(jiān)測以及分散布局問題，使用戶及時 獲取水質(zhì)狀態(tài)信息以及浮島地理信息，讓浮島處于水面的最優(yōu)地理位置，降低水質(zhì)凈化時 間，提高水質(zhì)凈化效率。
[0005] 為了實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明系統(tǒng)采用的技術(shù)方案是：
[0006] 一種生物浮島智能監(jiān)測控制系統(tǒng)，包括若干智能終端、中央控制單元以及Web/移 動終端，其中若干智能終端、中央控制單元分別安裝于不同的生物浮島上；中央控制單元至 少包含有ZigBee模塊、GPRS模塊、第二微處理模塊、電源模塊，智能終端包括數(shù)據(jù)采集單元、 超聲波傳感器、第一微處理器模塊、存儲模塊、ZigBee模塊、驅(qū)動模塊、電源模塊、至少三個 電機，其中數(shù)據(jù)采集單元包括GPS模塊、溫度傳感器、顏色傳感器、PH傳感器，數(shù)據(jù)采集單元 將采集到的水質(zhì)監(jiān)測數(shù)據(jù)以及地理信息數(shù)據(jù)發(fā)送給第一微處理器模塊，第一微處理器模塊 對采集到的數(shù)據(jù)進行處理，通過ZigBee模塊可以發(fā)送給中央控制單元的ZigBee模塊，當(dāng)距 離超過ZigBee的有效傳輸距離時，可以采用ZigBee的跳變技術(shù)傳輸給其他智能終端，進而 發(fā)送到中央控制單元的ZigBee模塊，中央控制單元將接收來自不同智能終端的監(jiān)測數(shù)據(jù)以 及地理信息數(shù)據(jù)處理，并通過GPRS模塊對數(shù)據(jù)進行封包，發(fā)送到互聯(lián)網(wǎng)，用戶可以通過Web 端或移動終端查看水質(zhì)監(jiān)測數(shù)據(jù)以及地理信息數(shù)據(jù)；同時中央處理單元的第二微處理模塊 利用先進的分散布局優(yōu)化算法通過控制至少三個電機對智能終端進行合理的分散與布局， 其中第一個電機通過與浮島上的轉(zhuǎn)向板連接，控制浮島的轉(zhuǎn)向，第二個電機通過與螺旋槳 進行連接，用來驅(qū)動浮島前進，第三個電機通過連接錨鏈，用于固定浮島，當(dāng)浮島到達目標(biāo) 地點時，該電機啟動并松下錨鏈;整個智能監(jiān)測控制系統(tǒng)的供電由電源模塊提供。
[0007] 所述的數(shù)據(jù)采集單元采集的數(shù)據(jù)包括水質(zhì)監(jiān)測數(shù)據(jù)以及地理信息數(shù)據(jù)，其中水質(zhì) 監(jiān)測數(shù)據(jù)包括水溫、顏色、以及PH值，它們分別通過溫度傳感器、顏色傳感器、PH傳感器完 成;地理信息數(shù)據(jù)指的是當(dāng)前浮島所處的經(jīng)度與煒度，其數(shù)據(jù)通過GPS模塊完成。
[0008] 所述的超聲波傳感器主要用于防止浮島與浮島之間以及浮島與障礙物之間發(fā)生 碰撞。
[0009] 所述的第一微處理器模塊和第二微處理器模塊是整個智能終端以及中央處理單 元的核心，其功能主要是對采集到的水質(zhì)監(jiān)測數(shù)據(jù)以及地理信息數(shù)據(jù)進行處理，對ZigBee 模塊按串口協(xié)議配置，并通過天線接收與發(fā)送數(shù)據(jù)，利用獲取的數(shù)據(jù)結(jié)合內(nèi)部先進的分散 布局算法對電機進行控制。
[0010]所述的存儲模塊主要是對微處理器模塊處理的數(shù)據(jù)進行存儲，并且具有掉電保護 功能，防止數(shù)據(jù)丟失。
[0011]所述的ZigBee模塊采用的是一種近距離、低復(fù)雜度、低功耗、低速率、低成本的雙 向無線通訊技術(shù)，其將水質(zhì)監(jiān)測數(shù)據(jù)以及地理信息數(shù)據(jù)發(fā)送給中央控制單元，并且可以接 受來自中央處理單元的控制數(shù)據(jù)，當(dāng)中央控制單元超過了當(dāng)前智能終端的傳輸距離時，智 能終端的ZigBee模塊通過無限擴展技術(shù)傳輸給相鄰的智能終端，進而傳送到中央控制單 元，同時該ZigBee模塊能夠進行軟件設(shè)計地址。
[0012]所述的驅(qū)動模塊的一端與微處理器模塊相連，另一端分別與三個電機相連。驅(qū)動 模塊接受來自微處理器模塊的控制信息，進而驅(qū)動電機，實現(xiàn)生物浮島的智能控制，使浮島 處于最優(yōu)的分散布局狀態(tài)。
[0013]所述的電源模塊均采用的是太陽能板與鋰電池相結(jié)合的方式，在有光照的情況 下，可以采用太陽能板供電，并且可以將多余電量對鋰電池進行充電，在無光照的情況下， 可以采用鋰電池為整個系統(tǒng)供電。
[0014]所述的GPRS模塊采用GPRS網(wǎng)絡(luò)進行數(shù)據(jù)傳輸，將GPRS模塊配置到GPRS網(wǎng)絡(luò)模式進 行撥號連接，然后在ISP返回PPP鏈路配置請求時，PPP協(xié)議與ISP進行交互，成功后ISP會 GPRS模塊分配一個臨時IP地址，此時能夠在外圍配上相應(yīng)的通信協(xié)議與服務(wù)器端進行通 信，GPRS模塊將數(shù)據(jù)經(jīng)TCP協(xié)議上傳至服務(wù)器，用戶基于HTTP協(xié)議，通過瀏覽器訪問相關(guān)數(shù) 據(jù)。
[0015] 所述的Web端或移動終端的傳輸層采用面向連接的TCP/IP協(xié)議進行數(shù)據(jù)傳輸，應(yīng) 用層采用HTTP協(xié)議，客戶端向服務(wù)器端發(fā)送一次請求，服務(wù)器端響應(yīng)、處理中斷請求后即斷 開連接，一方面綁定GPRS模塊并監(jiān)聽；另一方面等待接收客戶端瀏覽器的連接請求，同時根 據(jù)請求做出相應(yīng)處理，向客戶端瀏覽器發(fā)送響應(yīng)信息，關(guān)閉TCP連接，實現(xiàn)GPRS模塊與互聯(lián) 網(wǎng)的傳輸數(shù)據(jù)功能以及報文的顯示功能。
[0016] 作為優(yōu)選，所述的中央控制單元還包含有數(shù)據(jù)采集單元、超聲波傳感器、存儲模 塊、驅(qū)動模塊、電機，這里的數(shù)據(jù)采集單元、超聲波傳感器、存儲模塊、驅(qū)動模塊、電機完成的 功能均與智能終端的相同。
[0017] 本發(fā)明的另一個目的是提供上述系統(tǒng)的實現(xiàn)方法，該方法包括以下步驟：
[0018] 步驟(1)、將生物浮島布局在圓形區(qū)域的水面上，若干智能終端以及中央控制單元 系統(tǒng)啟動，監(jiān)測水質(zhì)信息，通過水質(zhì)信息的污染程度確定水域的目標(biāo)搜索點，一般以污染程 度最高的區(qū)域點作為目標(biāo)。
[0019] 步驟(2)、將各生物浮島視為粒子，利用粒子群搜索算法對上述系統(tǒng)進行分散布局 優(yōu)化：
[0020] 2.1系統(tǒng)首先初始化浮島的數(shù)目N、速度和位置，根據(jù)公式（1)計算出第i個浮島的 適應(yīng)度f( Pl(t))，從而得到所有生物浮島的適應(yīng)度f:
[0021]
公式（1)
[0022] 其中（Xl，yi)為第i個浮島t時刻的位置坐標(biāo)(其中0〈i < N)，（xqjq)為目標(biāo)搜索點， R為搜索區(qū)域半徑；
[0023] 2.2根據(jù)上述步驟得到所有生物浮島的適應(yīng)度f，結(jié)合公式(2)，計算出各個浮島的 最優(yōu)位置，其中最優(yōu)位置是通過計算各個浮島的適應(yīng)度來確定，若在t+Ι時刻的適應(yīng)度大于 t時刻的適應(yīng)度，則浮島的最優(yōu)位置應(yīng)該為t+Ι時刻的位置，若在t+Ι時刻的適應(yīng)度小于或等 于t時刻的適應(yīng)度，則浮島的最優(yōu)位置依然為t時刻的位置：
[0024]
公式（2)
[0025] 其中Pi(t)為第i個生物浮島在移動搜索過程中t時刻的最優(yōu)位置，li(t+l)為第i個 生物浮島在移動搜索過程中t+Ι時刻的位置， Pl(t+1)為第i個生物浮島在移動搜索過程中t +1時刻的最優(yōu)位置；
[0026] 2.3再根據(jù)公式（3)計算出整個水域中所有生物浮島在t時刻的全局最優(yōu)位置pg (t)：
[0027] pg(t)=max[f(pi(t)，f(p2(t)，· · .f(pN(t)]公式（3)
[0028] 2.4最后根據(jù)公式(4)更新各個浮島的全局最優(yōu)速度和位置；
[0029]
[0030]其中Vi(t)為第i個生物浮島在移動搜索過程中t時刻的最優(yōu)速度，Vi(t+1)為第i個 生物浮島在移動搜索過程中t+Ι時刻的最優(yōu)速度，ω為慣性權(quán)重，C1、C2均為學(xué)習(xí)因子，ri、r 2 均為在[0，1]之間的隨機數(shù)；
[0031] 2.5重復(fù)上述搜索過程2.1-2.4，直至當(dāng)前位置與目標(biāo)搜索位置之間的距離差值小 于所設(shè)置的精度，或算法的迭代次數(shù)超過設(shè)定的最大迭代次數(shù)，算法停止，輸出各浮島的全 局最優(yōu)速度和位置結(jié)果。此時浮島上的第三個電機啟動，松下錨鏈，讓浮島位于污染程度最 高的水域進行水質(zhì)進化。
[0032] 步驟(3)、若水質(zhì)進化過程結(jié)束，則第三個電機啟動，收回錨鏈，浮島在水面上處于 自由漂浮狀態(tài)，繼續(xù)監(jiān)測水質(zhì)信息。重復(fù)以上步驟，使整個智能監(jiān)測控制系統(tǒng)處于運行之 中。
[0033]本發(fā)明的有益效果是：
[0034] 1、本發(fā)明的方法中，通過數(shù)據(jù)采集單元采集生物浮島的水質(zhì)監(jiān)測數(shù)據(jù)和地理信息 數(shù)據(jù)，并發(fā)送給第一微處理模塊處理后，通過ZigBee模塊發(fā)送到中央控制單元，中央控制單 元將數(shù)據(jù)通過GPRS模塊將系統(tǒng)數(shù)據(jù)發(fā)送到服務(wù)器，服務(wù)器能夠?qū)ΜF(xiàn)場數(shù)據(jù)進行處理，Web端 或移動終端可以瀏覽現(xiàn)場數(shù)據(jù)信息。
[0035] 2、服務(wù)器提供獨立的數(shù)據(jù)空間，可用于創(chuàng)建數(shù)據(jù)庫，存儲各個監(jiān)測模塊傳來的系 統(tǒng)運行數(shù)據(jù)；同時為數(shù)據(jù)傳輸及共享提供了平臺，采用面向連接第TCP/TP協(xié)議進行數(shù)據(jù)傳 輸。參數(shù)采集單元將采集到的數(shù)據(jù)發(fā)送至微處理器模塊，微處理器模塊對數(shù)據(jù)進行編碼、封 裝等處理后傳輸至GPRS模塊，同時向服務(wù)器發(fā)出數(shù)據(jù)傳輸請求，進一步保證了檢測方法的 可靠性。
[0036] 3、微處理器模塊對無線模塊按串口協(xié)議配置后，通過天線接收數(shù)據(jù)，由于ZigBee 模塊可進行軟件設(shè)計地址，編程方便，并且ZigBee模塊支持無限擴展技術(shù)，滿足系統(tǒng)通信距 離要求。
【附圖說明】
[0037]圖1為智能終端結(jié)構(gòu)示意圖；
[0038]圖2為中央控制單元結(jié)構(gòu)示意圖；
[0039] 圖3為本系統(tǒng)智能終端與中央控制單元的組網(wǎng)圖；
[0040] 圖4為本系統(tǒng)采用的算法流程圖；
[0041] 圖5為本系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖。
【具體實施方式】
[0042]下面結(jié)合實施例對本發(fā)明作進一步說明。
[0043] 一種生物浮島智能監(jiān)測控制系統(tǒng)，包括若干智能終端、中央控制單元以及Web/移