基于無線傳感網(wǎng)的原生態(tài)水產(chǎn)養(yǎng)殖監(jiān)控系統(tǒng)

單正婭

(無錫職業(yè)技術(shù)學(xué)院,江蘇 無錫214121)

20世紀(jì)80年代以來，我國(guó)水產(chǎn)養(yǎng)殖逐步從原生態(tài)的池塘養(yǎng)殖走向了工業(yè)化養(yǎng)殖。雖然工業(yè)化養(yǎng)殖具有穩(wěn)產(chǎn)、高產(chǎn)、耗水少等優(yōu)點(diǎn)[1-2]，但在環(huán)境保護(hù)與食品安全日益重要的今天，原生態(tài)養(yǎng)殖又重新獲得了重視，而建立完善的數(shù)字化水產(chǎn)養(yǎng)殖系統(tǒng)是原生態(tài)水產(chǎn)養(yǎng)殖的發(fā)展趨勢(shì)。

本文以江陰某養(yǎng)殖基地的原生態(tài)魚塘為研究對(duì)象，開發(fā)了一套無線監(jiān)控系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了養(yǎng)魚過程的全數(shù)字化智能測(cè)控，以獲取環(huán)境和效益的“雙贏”。

1 魚塘設(shè)計(jì)

魚塘采用鋼板焊接成空心圓柱形，圍成一個(gè)長(zhǎng)方體，在長(zhǎng)方體的四周用漁網(wǎng)構(gòu)造杯狀魚塘，利用空心圓柱的浮力讓魚塘漂浮在江心。為了養(yǎng)殖多種魚類，將魚塘分割成多個(gè)長(zhǎng)方形區(qū)域，在安裝時(shí)讓水流方向垂直于網(wǎng)箱長(zhǎng)邊，使得更多的浮游生物可以通過，實(shí)現(xiàn)原生態(tài)養(yǎng)殖。

2 控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

系統(tǒng)以魚塘為監(jiān)控對(duì)象，由PC機(jī)監(jiān)控中心、無線傳感網(wǎng)絡(luò)單元、控制單元等3部分組成，如圖1所示。

3 傳感器節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)

傳感器節(jié)點(diǎn)是水產(chǎn)養(yǎng)殖控制系統(tǒng)的基本構(gòu)成單元。節(jié)點(diǎn)將魚塘的實(shí)時(shí)信息通過無線通信網(wǎng)絡(luò)傳送給PC機(jī)，PC機(jī)得到相關(guān)的數(shù)據(jù)并對(duì)其進(jìn)行分析處理、信息顯示及存儲(chǔ)。

傳感器節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)主要考慮以下幾個(gè)因素：(1)能夠采集水的溫度、溶解氧、PH值及鹽度等數(shù)據(jù)；(2)節(jié)約電能，延長(zhǎng)節(jié)點(diǎn)電源的使用時(shí)間，并減少系統(tǒng)安裝和維護(hù)費(fèi)用；(3)充分利用無線網(wǎng)絡(luò)、新型傳感器等高新技術(shù)，實(shí)現(xiàn)養(yǎng)殖系統(tǒng)的遠(yuǎn)程監(jiān)控和科學(xué)管理。

出于低功耗、低成本的考慮,本系統(tǒng)采用8位AVR單片機(jī)ATmega16作為主控芯片，同時(shí)結(jié)合TI公司的CC2530作為ZigBee射頻通信收發(fā)芯片。傳感器節(jié)點(diǎn)總體結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示。

3.1 鹽度傳感器模塊電路

本文采用DJS-1型電導(dǎo)電極，用交流分壓法測(cè)量鹽度；采用RC串并聯(lián)正弦波信號(hào)發(fā)生器，產(chǎn)生一定頻率和幅值的正弦信號(hào)作為測(cè)量電源。傳感器Rx與電阻R8構(gòu)成分壓電路。由于不同濃度的鹽溶液導(dǎo)電性不同，電極兩端反映的電阻值不同，從而分壓電阻兩端的分壓值不同。分壓電阻兩端的正弦波電壓信號(hào)先放大，然后經(jīng)二極管橋式整流和電容濾波后輸出穩(wěn)定的直流信號(hào)，再送入單片機(jī)進(jìn)行處理。測(cè)量變換電路如圖3所示。

3.2 PH值傳感器模塊設(shè)計(jì)

該檢測(cè)模塊使用的電極是PH復(fù)合電極YZ-3，PH值測(cè)量輸入電路如圖4所示。由于PH測(cè)量傳感器的內(nèi)阻大,要求前置放大器有較高的輸入阻抗,因此系統(tǒng)選用運(yùn)算放大器ICL7650，它具有超低失調(diào)、超低漂移、高增益、高輸入阻抗的特點(diǎn)。

3.3 溶解氧傳感器模塊

為了研究溫度與溶解氧補(bǔ)償關(guān)系模型，在氣壓恒定的條件下，對(duì)蒸餾水溶氧量進(jìn)行試驗(yàn)[3]，表1給出了溫度T、氧溫系數(shù)Kt與飽和溶氧的數(shù)據(jù)關(guān)系。由測(cè)得的溶氧數(shù)據(jù)，利用Matlab擬合出氧溫系數(shù)與溫度的關(guān)系式：

其中，Vt為調(diào)理電路傳送來的電壓值。

4 電源電路設(shè)計(jì)

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的供電設(shè)備由電池負(fù)責(zé)，但是其存在能量限度的問題，因此在保證系統(tǒng)硬件設(shè)備的低功耗前提下，節(jié)點(diǎn)的電源管理非常重要。為適應(yīng)傳感器節(jié)點(diǎn)體積小的特點(diǎn),選用CR2032紐扣電池作為電源,用升壓轉(zhuǎn)換器MAX856管理電源，如圖5所示。MAX856可接收0.8 V～6 V輸入電壓,即使在電池電量相對(duì)不足的情況下仍能驅(qū)動(dòng)該芯片，其輸出可選5 V和3 V兩種輸出電壓,本設(shè)計(jì)選擇3 V輸出。

本文設(shè)計(jì)了基于無線傳感網(wǎng)絡(luò)的數(shù)字化原生態(tài)養(yǎng)殖監(jiān)控系統(tǒng),可對(duì)環(huán)境因子進(jìn)行全程監(jiān)控[4]。該系統(tǒng)具有低成本、通用化、維護(hù)方便等優(yōu)點(diǎn),且系統(tǒng)的設(shè)計(jì)思想與方法對(duì)原生態(tài)水產(chǎn)養(yǎng)殖具有重要的參考意義。

表1 溶氧電壓與溫度的關(guān)系

[1]徐賽,趙德安，謝代峰.基于 LON總線的水產(chǎn)養(yǎng)殖多環(huán)境參數(shù)測(cè)控系統(tǒng)[J].農(nóng)機(jī)化研究,2006(4)：117-119.

[2]龔振宇,龐全,李世忠.基于 89C51的水產(chǎn)養(yǎng)殖多環(huán)境參數(shù)測(cè)控系統(tǒng)[J].機(jī)電工程,2009,26(4)：71-73.

[3]李成春.基于CC2430無線多參數(shù)傳感器檢測(cè)網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計(jì)[D].江蘇：江蘇大學(xué),2010.

[4]史兵,趙德安,劉星橋，等.工廠化水產(chǎn)養(yǎng)殖智能監(jiān)控系統(tǒng)設(shè) 計(jì) [J].農(nóng) 業(yè) 機(jī) 械 學(xué) 報(bào),2011,42(9)：191-196.