養殖水質自動監控系統設計

李金鳳， 趙海波， 曹 順， 高鵬成， 侯 勇

(沈陽化工大學 信息工程學院， 遼寧 沈陽 110142)

養殖水質自動監控系統設計

李金鳳， 趙海波， 曹 順， 高鵬成， 侯 勇

(沈陽化工大學 信息工程學院， 遼寧 沈陽 110142)

設計了一種基于無線傳感器網絡及GPRS的水產養殖環境參數自動遠程監控系統，實現對水溫、溶解氧、pH值、水位等現場數據的實時準確采集、處理、動態顯示、儲存、超限報警、歷史數據查詢、無線傳輸及遠程控制等.系統以MSP430單片機為核心，通過CC2530構建無線傳感網絡，實現傳感器節點、路由節點及協調器節點間數據的快速、準確傳輸.通過遠程監控中心或手機終端可實現數據查詢及對增氧機的遠程控制.對數據采集及網絡通信的準確性和可靠性進行了試驗.測試結果表明：系統運行穩定，數據測量準確，控制及時有效，滿足了水產養殖需求.系統成本低、實時性好、操作簡便、人機界面友好、擴展性強，具有一定的應用價值.

無線傳感器網絡; 水質監控; GPRS; 遠程監控; 水產養殖

水產養殖過程中，水體環境直接影響水產品的產量及質量.對水質的監測與控制是保證安全高效生產、防止魚類病害、提高經濟收入的重要手段[1-2].傳統的水產養殖依靠養殖人員多年積累的工作經驗判斷水質、控制增氧機等設備.這種方式誤差較大,而且隨著養殖品種和規模的不斷增加,影響水質的因素復雜多變，僅靠經驗已無法滿足高效生產的需求.魚塘采樣點分散，采用有線方式的監控系統需大量使用多種線路，成本高、布線困難、費時費力，線路易受腐蝕和破壞,可靠性、擴展性差，只能進行近距離的網絡控制[2-4].由于數據采集及轉發復雜，因此，為實現水產養殖的穩產、高產、安全、品質好、飼料利用率高、耗水少，需設計自動無線監控系統，隨時對水中的多種環境參數進行有效檢測和控制，建立適于水產品生長的最佳環境[3，5-6].

無線傳感網絡WSN(wireless sensor network)融合了傳感技術、嵌入式計算技術、現代網絡技術、無線通信技術等.網絡節點以自組織及多跳方式構成無線通信網絡，實現所處環境信息的采集、處理、數據傳輸等，長期無人值守的情形下亦能正常工作[1].網絡節點可以自由移動，因此，無需鋪設線路，成本低；并且其數據采集范圍廣、采集數據量大、操作簡單、容易維護[2，4].基于IEEE 802.15.4標準的ZigBee技術是一種近距離、低復雜度、低成本、低功耗、低速率、自組織的雙向無線通訊技術，非常適用于自動控制和遠程控制等領域[7-10].GPRS(general packet radio service 通用分組無線服務)采用分組交換技術，傳輸速率可達56 Kbps～114 Kbps；它可根據用戶接收、發送的數據包數量收取費用，費用低；并且組網靈活，僅需2～3 s即可登錄到互聯網，廣泛應用于數據遠傳方面.

本文針對水產養殖的具體需求，結合無線傳感器網絡及GPRS的技術優勢，研制水質參數實時自動監控系統，實現對水溫、pH值、溶解氧等參數的實時監測，并根據水質情況自動控制增氧機.設計了無線傳感器網絡的傳感器節點、路由節點及協調器節點的硬件電路；系統以MSP430芯片為核心，由CC2530構建獲取環境參數的自組織無線傳感器網絡；開發基于GPRS的遠程傳輸系統，建立無線傳感器網絡與遠程監控中心間可靠、穩定的通信.

1 系統架構及關鍵技術

系統由傳感器節點、路由節點、協調器節點、控制節點、本地監控中心和遠程監控中心組成，如圖1所示.傳感器節點和路由節點分布在各個魚塘內，以自組織方式構成樹形網絡.傳感器節點將采集到的水體參數數據轉換成數字信號，通過ZigBee無線通信協議將數據上傳至路由節點.路由節點負責接收各節點采集到的數據，進行數據處理.系統自主設定水質標準，一旦監測到異常數據(緊急數據)則報警，啟動控制節點調節水質，并立即上傳至協調器節點.協調器節點接收各路由節點的數據、報警信息，將數據傳輸到本地監控中心，并接收監控中心發出的命令，修改參數，實現節點同步休眠和喚醒，降低系統功耗[7].協調器節點也可通過GPRS模塊向用戶手機發送報警短信或接入Internet網絡將數據傳至遠程監測中心.

圖1 系統總體結構

2 系統硬件架構

由于傳感器網絡中節點數目較多，且節點均采用鋰電池供電，因此，系統的硬件設計要綜合考慮性能、成本、功耗、擴展性方面的要求.

2.1 傳感器節點硬件設計

傳感器節點是網絡的核心單元，完成現場數據采集、數據預處理及數據通信，實現對采樣點水溫、溶解氧、pH值、水位等參數的24 h在線監測，其結構圖如圖2所示.傳感器每30 min采集一次數據，輸出的模擬電信號通過信號調理電路濾除干擾并進行放大整形后，送給CC2530芯片內置的模數轉換器得到數字信號，經增強型8051處理器進行預處理后存放至存儲器中.定時時間到后，將存儲的數據按格式打包后發送給路由節點；若數據超限，則標記為緊急數據并即刻發送給路由節點.傳感器節點也可接收路由節點發送的控制命令，進行參數設置及時間同步.為了提高通信的可靠性，在路由節點的CC2530和天線之間可增加CC2591芯片.

圖2 傳感器節點電路框圖

2.1.1 CC2530無線通信芯片

CC2530是支持IEEE 802.15.4標準的2.4 GHz RF收發器，內部集成高性能、低功耗的8051微控制器核、256 kB系統可編程Flash及8 kB RAM等模塊；睡眠電流低至1 μA；內部集成12位8輸入模數轉換器，可外接多種傳感器及控制電路.

2.1.2 傳感器及信號調理電路

溶解氧即溶解于水中的氧氣分子含量.水產動植物只有在適宜的溶解氧條件下才能生存.極譜型溶解氧傳感器輸出(μA量級微小電流信號)與被測溶液的溶解氧成線性關系[3].根據法拉第定律：

c=IL/FnAD

(1)

這里：c為溶氧度；I為擴散電流；L為增透膜厚度；F為法拉第常數；n為參加反應的電子數；A為陰極面積；D為增透膜擴散系數.傳感器的輸出電流經細小電流檢測器件進行電流-電壓轉換后送給CC2530內置的模數轉換器進行處理.

pH值對水生物的影響貫穿其生長的每一階段[7].pH復合電極的負極與已知濃度的參比溶液相通，正極與被測溶液相通.當被測溶液的離子濃度產生變化時，正、負極間形成一個隨pH值變化的電勢差，該電勢差與溶液中的氫離子活動程度成正比.pH值滿足能斯特(Nernst)方程：

E=E0-2.302 59RTpH/F=E0-kTpH

(2)

這里：E為測量電極電動勢；E0為常數；R為氣體常數；T為被測溶液的絕對溫度；pH為被測溶液的pH值；F為法拉第常數.由式(2)可知：電極的輸出電動勢受被測溶液的pH值及溶液溫度影響.

pH電極在使用之前需進行校正.若被測溶液為堿性時，選用pH值為6.86及9.18的標準緩沖溶液進行校正;若被測液的pH值為酸性時，選用pH值為4.00及6.86的標準緩沖溶液進行校正.溫度為t1時，pH電極在兩個緩沖溶液中輸出的電動勢分別為：

(3)

求解方程可得：

E0=(E1pH2-E2pH1)/(pH2-pH1)

(4)

溫度系數為：

K1=(E1-E2)/(pH2-pH1)

(5)

將E0及K1存儲至EEPROM中，用于pH電極的溫度補償.

pH電極輸出的mV級電壓信號經信號調理電路進行放大、濾波處理后，輸入CC2530進行模數轉換.pH電極的內阻大，因此，選用輸入阻抗高、精度高、頻帶寬、共模抑制比高的運算放大器INA116作為信號調理電路的第一級.其余兩級電路選用運放OP07[11].

池塘水位不需要精確測量，僅需判斷是否超過上、下限水位即可.采用雙位浮球液位開關實現.當水位低于下限值或高于上限值時報警.輸出信號經邏輯電路處理后，送給CC2530.

2.2 路由節點

路由節點起到數據中轉的作用.路由節點接收傳感器節點發送的數據并轉發給協調器節點，向傳感器節點傳達協調器節點的命令.若接收到的數據異常時，與控制節點通信，啟動相應設備進行自動控制.路由節點結構與傳感器節點相似，只是不含傳感器及其調理電路.

2.3 控制節點

控制節點調節養殖池中溶解氧、pH值及水溫等參數.控制節點的CC2530接收到路由節點的控制命令和控制參數后，經光電耦合器、繼電器、執行機構控制進水閥、出水閥、水泵、增氧機的運行，其電路結構如圖3所示.

圖3 控制節點電路框圖

2.4 協調器節點

協調器節點完成ZigBee網絡組網、發送及接收網絡中的數據和控制指令，實現與本地及遠程監控中心的通信.協調器節點電路如圖4所示.電路以TI公司的MSP430F149 微處理器為核心，經CC2530無線單元與路由節點進行通信；經GPRS模塊與遠程監控中心進行通信；經RS485總線與本地監控中心相連.協調器節點自動存儲數據，通過按鍵及液晶可實時顯示查詢結果.用戶通過選擇節點地址可查詢養殖池的水溫、pH值、溶氧度、電池電量等信息.

圖4 協調器節點電路框圖

協調器節點每隔一段時間向網絡中的各節點發送時間同步指令.各傳感器節點和路由節點在各自的時間片內將采集的水質參數按照規定的幀格式發送至協調器節點[4].

3 系統軟件設計

系統軟件是基于IAR Embedded Workbench，在ZigBee協議棧的基礎上開發而成的.程序采用C語言編寫，實現系統的組網、通信、數據采集與處理、數據遠傳等功能.

由于各節點間晶振的精度差異及外部干擾等諸多因素，導致節點間出現時間偏差.偏差不斷累積，可能導致節點無法正常工作.而采用時間同步方法實現節點的同步喚醒和休眠，降低功耗[7].

3.1 傳感器節點程序設計

傳感器節點負責感知養殖池內的水質參數變化，并將數據發送至路由節點.傳感器節點只能與路由節點通信，傳感器節點間不能通信，路由節點將信息轉發至協調器節點，實現數據傳輸.傳感器節點的程序流程如圖5所示.傳感器節點進行初始化后開始搜尋網絡、發送請求加入信息.被允許加入后獲取節點地址信息.傳感器節點每隔一段時間對水質參數——溫度、pH值、溶解氧進行采集及數據處理.接收到數據采集指令后，傳感器節點調整本機系統時間，啟動定時器用于上傳數據，啟動內置的模數轉換器將信號調理電路輸出的電壓信號進行模數轉換、數據處理并存儲至EEPROM中.若數據超過設定閾值，則標記為緊急數據，即刻按照預先設定的格式包裝數據并上傳至路由節點；若數據未超過設定閾值，則標記為一般數據，將數據存儲至EEPROM，每24 h上傳一次數據.若無事件發生，傳感器進入休眠模式，直至開始新一輪數據采集，用以降低功耗.

圖5 傳感器節點程序流程

3.2 路由節點程序設計

路由節點負責數據的上傳及指令的下達.系統上電經初始化后，開始搜索網絡，申請入網.若接收到傳感器節點的申請入網請求，則核對傳感器節點信息后，分配地址；若接收到協調器節點的指令，則轉發給區域內的傳感器節點；若接收到傳感器節點上傳的數據，則根據事先約定的時間片上傳給協調器節點.

3.3 協調器節點程序設計

協調器節點負責組建、維護無線傳感器網絡、下達指令、接收數據及數據遠傳，其程序流程如圖6所示.協調器節點上電進行初始化后，首先新建網絡并允許其它節點加入.協調器節點經GPRS模塊將從路由節點接收到的數據遠傳至遠程監控中心，并接收遠程監控中心的指令.

圖6 協調器節點軟件流程

4 測試結果

為驗證無線傳感器網絡通信的穩定性和可靠性，進行網絡點對點測試.發送的數據包為 4 000 個.兩節點間距離分別為20、40、60、80、100 m時，統計接收到的數據包個數，計算網絡丟包率.測試結果表明：丟包率小于2 %，滿足設計要求.

為驗證系統水質數據采集、傳輸的準確性，在4個養殖池內各部署一個傳感器節點，在本地監控中心部署一個協調器節點，在傳感器節點與協調器節點間部署4個路由節點，進行系統測試.協調器節點通過RS485接口與監控中心的計算機相連.傳感器節點每隔5 min采集1次數據，連續監測5 d.系統運行平穩，將5 d同一時刻的測試數據取平均，結果如表1所示.

表1 水質參數測試結果

為驗證系統的超限報警功能，在本地監控中心修改報警參數：溫度的上下限設為18～21.2 ℃,pH值的上下限設為6～7.3，溶解氧的上下限設為6～6.6 mg/L.當傳感器節點的檢測結果超限時，其聲光報警裝置開始報警；協調器節點的聲光報警裝置亦開始報警，并在液晶屏上顯示報警的傳感器節點信息及報警參數值.報警信息存儲到EEPROM中，可通過按鍵查詢到報警記錄.控制節點根據報警信息控制水泵、進水閥、出水閥及增氧機完成指定動作，調節水質參數，效果良好.

測試結果表明:系統運行良好，能準確采集水質參數，無線傳感器網絡數據傳輸穩定可靠，控制節點能有效調節水質參數，滿足水產養殖要求.

5 結 論

針對有線監控系統的諸多弊端，設計了基于無線傳感器網絡和GPRS的水產養殖水質監控系統，實現數據采集、現場監控及遠程監控.系統以MSP430微處理器為核心，利用CC2530芯片組建無線傳感器網絡，對水溫、pH值、溶氧等參數進行實時采集、處理、存儲、顯示、歷史記錄查詢、超限報警，對增氧機自動控制，并利用GPRS模塊實現數據遠傳，實現水質參數的自動無線監控，節省了人力和物力.工作人員可在本地監測中心、遠程監測中心及通過手機全面了解現場情況.測試結果表明：系統性能穩定，數據采集實時性好，準確性高，數據傳輸的正確率高于98 %，控制及時準確，滿足水產養殖需求.系統成本低，人機界面友好，操作簡便，具有一定的實際應用價值.

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Aquaculture Water Quality Automatic Monitoring System Design

LI Jin-feng, ZHAO Hai-bo, CAO Shun, GAO Peng-cheng, HOU Yong

(Shenyang University of Chemical Technology, Shenyang 110142, China)

An automatic environmental parameter remote monitoring system based on wireless sensor networks and GPRS was designed for aquaculture.The real-time and accurate field data collection,processing,dynamic display,storage,limit alarm,historical data query,wireless transmission and remote control of filed data such as water temperature,dissolved oxygen,pH value and water level were realized.The MSP430 microcontroller is the core of the system.The CC2530 chip was utilized to build the wireless sensor network for the fast and accurate transmission among the sensor node,route node and coordinator node.The remote monitoring center or mobile terminal can query data and remotely control the oxygen increasing machine.The correctness and reliability of the data collection and network communication were tested.The results show that the system stably runs,accurately measures,timely and effectively controls,which meets the needs of aquaculture.The system has low cost,good real-time performance,simple operation,friendly interface,strong expandability,which has a certain application value.

wireless sensor networks; water quality monitoring; GPRS; remote monitoring; aquiculture

2015-01-24

遼寧省教育廳項目(L2013159)

李金鳳(1979-)，女，遼寧大石橋人，講師，博士，主要從事智能儀器儀表技術、嵌入式技術應用的研究.

2095-2198(2017)02-0171-06

10.3969/j.issn.2095-2198.2017.02.016

TP272

： A