海洋牧場多參數智能監測系統設計與實現*

石 堯， 李 暉， 楊永欽， 杜文才， 楊亞飛， 李鵬翔

(海南大學 信息科學技術學院，海南 海口 570228)

海洋牧場多參數智能監測系統設計與實現*

石 堯， 李 暉， 楊永欽， 杜文才， 楊亞飛， 李鵬翔

(海南大學 信息科學技術學院，海南 海口 570228)

針對南海水產養殖業特點，設計了一種海洋牧場多參數智能監測系統。選取溫度、pH值和濁度作為監測對象，利用單片機收集水下傳感器數據，通過低頻信號發射模塊傳輸數據，通過ZigBee技術自動組網實現水上數據遠程傳輸，上位機利用LabVIEW圖形化編程實現對海水生態參數的實時監測，并提供遠程訪問功能。外場測試證明：系統具有靈活性好、功耗低、成本低等特點，可以較好地用于海洋牧場水質監測，全面提升海洋牧場的科學化監管和告警等管理。

海洋牧場； 智能監測； 實時性； 單片機； ZigBee； LabVIEW

0 引 言

海洋牧場可確保漁業資源持續穩定增長[1]，保護海洋生態環境[2]。而水質狀況對水生生物的分布和生長影響巨大，是決定海洋牧場產量和質量的關鍵因素。例如，溫度影響餌料系數大小，在適宜范圍內，溫度升高養殖對象攝食量大生長速度加快。通常，pH值介于7.5～8.5的水體適宜水產養殖品種生存。水體渾濁會減弱光合作用，降低溶解氧含量，引起魚類窒息死亡[3]。國內工業化養殖起步較晚，主要依靠經驗，很難做到精細化養殖。隨著傳感器技術不斷發展，依靠信息技術掌握養殖環境數據，科學指導養殖生產勢在必行[4]。針對現有監測設備測量周期長、成本高、監測區域小的現實特點，提出了一種多參數無線水質監測系統，實現對養殖水域水質狀況的實時監測，推動科學養殖，提高海洋牧場產品產量和質量。

1 系統設計方案

水質監測系統主要由數據采集部分、無線傳輸部分和上位機監測中心3部分組成，選擇具有代表性的溫度、pH值和濁度作為監測對象，其結構如圖1所示。

圖1 系統結構

數據采集設備通過蓄電池供電，懸浮于監測水域中，利用單片機收集各種傳感器數據[5]，并將分析處理后的數字信號發送至水面浮標。水面浮標采用光伏太陽能供電，在整個系統中起到數據中繼作用，接收采集設備發來的數據并將其傳送至上位機。由于光在水中存在折射，且水面浮標和采集設備易受海面風力及洋流影響光孔難以對準，不宜采用光通信[6]。為減小信號衰減程度增大傳輸距離，選用170 MHz通信模塊實現水中通信。海面浮標動態組成ZigBee網絡[7,8]，經單跳或多跳的方式數據送抵協調器，由串口將數據傳送至上位機。監測中心則利用LabVIEW設計功能完備的監測界面[9]，實時監測海水生態參數，同時，借助其內置的Web服務器將前面板發布到云端，供遠程訪問。

各部分協調合作，實現了一個集數據采集、無線傳輸、實時監測、自動報警、歷史數據查詢等功能于一體的海洋牧場智能監測系統，其成本低、免布線、易維護、靈活性好，可以推動傳統海洋牧場向智慧化轉變，科學指導養殖生產[10]。

系統海上無線網絡由ZigBee協調器、路由節點和終端節點組成，根據實際需要可以形成星型、簇狀、網狀網3種不同類型的拓撲結構[11～15]，如圖2所示。星型網由一個協調器和多個終端節點組成，協調器負責整個網絡的啟動和維護，該網絡的控制比較簡單，通常用于小范圍通信；簇狀網包括一個協調器，多個路由器以及多個終端節點，協調器除了啟動網絡外，還要選取關鍵的網絡參數，網絡覆蓋范圍較大，延時增加；網狀網由多個全功能設備組成骨干網，允許所有路由節點直接通信，可以減小網絡傳播時延，增加可靠性。

圖2 ZigBee網絡拓撲類型

2 系統實現

2.1 采集設備的實現

1)溫度傳感器

采用DS18B20數字溫度傳感器，其體積小、功耗小、電路簡單，只需要按照給定的時序操作高、低電平即可準確地測量溫度，適用于各類狹小空間的數字測溫和控制領域[16]。輸出即為數字信號，不需要調理電路，適應電壓寬為3.0～5.5 V，測量范圍為-55～+125 ℃，與微處理器只需要一條線連接即可實現雙向通信，抗干擾能力強。

2)pH值傳感器

采用電位法[17]設計pH值傳感器。電位檢測是將玻璃電極作為測量電極，Ag/AgCI電極為參比電極組成電池，遵循能斯特(Nernst)定律[18]，依據電勢變化測量pH值。測量電極電位、參比電極電位與pH值滿足式(1)

Ex=Eθ-2.303RTpH/F

(1)

式中Ex為復合電極電勢；Eθ為標準電極電勢；R為氣體常數8.314 41 J/(K·mol)；T為開氏絕對溫度；F為法拉第常數96.487 kJ/(V·mol)。采集數據時將pH傳感器放入待測溶液中，兩電極之間存在微小電動勢，輸出信號范圍較小，需要設計放大電路來提高輸入阻抗，降低測量噪聲。

3)濁度傳感器

養殖水域水體渾濁度越高，光的通過率越低，光敏電阻器接收光線越弱[19]，利用這一原理設計濁度傳感器，光敏電阻將光線強度轉換為電流信號，濁度電流信號經電阻轉換為0～5 V電壓信號，利用A/D轉換器進行采樣處理后，單片機即可讀取當前濁度信息。

4)采集設備軟件設計

系統數據采集部分通過對水下傳感器以0～5 V直流電壓進行模擬信號采集，利用ADC0809轉換器進行模/數轉換,獲取數字信號，經單片機分析處理完成數據采集工作，最終數據由低頻發射模塊發送，軟件流程如圖3所示。

圖3 采集設備軟件設計流程

2.2 水面浮標設計

系統數據傳輸涉及水上及水下2部分，選取合適的頻段保證數據可靠傳輸尤為重要。為降低設備復雜度，減小電磁波衰減程度，水下選用170 MHz無線通信模塊傳輸數據。海面利用ZigBee節點自動組網，搭建了一個適合于海面短距離、性能可靠、容量大的無線傳輸網絡。水面浮標在整個系統中起到數據中繼作用，其結構如圖4所示。

圖4 水面浮標結構

水面浮標搭載基于CC2530的ZigBee模塊與170 MHz無線串口模塊，兩者通過杜邦線連接傳輸數據。ZigBee模塊底板自帶USB轉串口功能，并且為170MHz無線串口模塊提供3.3 V電源。RXD，TXD分別為串口輸入、輸出引腳，兩模塊交叉相連用以傳輸數據。無線串口模塊的M0，M1引腳決定了模塊的工作模式，為保證水下數據傳輸質量，將其電源接地采用透明傳輸模式。

2.3 上位機監測界面設計

在海洋牧場監測中心上位機界面可以實現數據的采集、處理及顯示，并將監測數據保存到數據庫中，可根據預設值自動報警，支持遠程訪問功能，軟件流程如圖5所示。ZigBee網絡協調器和上位機之間采用串口通信，LabVIEW[20]需要運行專用的儀器驅動設備和VISA庫函數的安裝程序后才可以使用串口函數[21～23]。

圖5 上位機軟件流程

3 系統測試

選取海南大學東坡湖為測試地點，對ZigBee組網、通信距離以及數據傳輸進行測試。測試條件如下：2臺PC(其中一臺作上位機)，1個ZigBee協調器，1個水面浮標，1個數據采集設備。測試結果證明:系統可以實現水面浮標與協調器的正常組網，上位機監測界面正常顯示監測數據，支持遠程訪問，協調器與水面浮標之間的通信距離約50 m，隨著距離增加信號接收不穩定。該條件下水上ZigBee網絡拓撲為星型結構，節點較少，通信距離取決于單個ZigBee模塊的覆蓋范圍，對于大水域海洋牧場監測可以通過增加ZigBee路由節點個數，改變網絡拓撲來實現。在正常通信范圍內，系統可以完成對水質參數的實時監測，達到系統設計目的。

4 結束語

針對南海水產養殖業特點，將嵌入式技術、ZigBee技術與虛擬儀器技術融合，設計了一種海洋牧場多參數智能監測系統。詳細介紹了系統硬件設計的重要部分及軟件的主要流程。系統具有功耗低、成本低、靈活性好、免布線、易維護等優點，可以對養殖水域環境進行實時監測，為生產管理者提供判斷依據，轉變粗放型漁業生產方式，科學指導養殖生產，提高產品產量和質量，在海洋牧場發展過程中具有廣闊的應用前景。

在后續研究中，需要對采集節點分布及數據庫存儲功能進行優化，借助大數據技術分析養殖數據，在保證低能耗、低延時的前提下增大監測范圍，開發專用的APP供客戶使用，推動海洋牧場智慧化建設，促進海洋牧場自身擴張繁衍的持續性，為經營者及其所處海域的生態環境帶來更好的效益。

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李 暉，通訊作者，博士，教授，從事海洋通信、5G移動通信、海空天信息傳輸網絡研究工作,E—mail:hitlihui1112@163.com。

杜文才，博士，教授，博士生導師，從事海洋通信、E-service等方向研究工作。

Design and implementation of multi-parameter intelligent monitoring system for marine ranching*

SHI Yao, LI Hui, YANG Yong-qin, DU Wen-cai,YANG Ya-fei, LI Peng-xiang

(College of Information Science & Technology,Hainan University,Haikou 570228,China)

Aiming at characteristics of South China Sea aquaculture industry,a multi-parameter intelligent monitoring system for marine pasture is proposed.Temperature,pH and turbidity are selected as monitoring objects.A single-chip microcomputer is used to collect sensor data underwater,and the data is sent out by low frequency signal transmitting module.In order to achieve long-distance data transmission,ZigBee technique is used for automatic networking above the sea.The LabVIEW graphical programming is used to achieve real-time monitoring for marine ecological parameters by upper PC and provide remote accessing function.Field tests show that this system has the characteristics of good flexibility, low power consumption, low cost and so on. It can be well used in marine ranching to monitor water quality and upgrade management level of marine ranching in surveillance and alarming.

marine ranching; intelligent monitoring; real-time; single chip microcomputer; ZigBee; LabVIEW

10.13873/J.1000—9787(2017)09—0070—03

2016—10—15

海南省重點研發計劃高新技術項目(ZDYF2016010)；海南省自然科學基金資助項目(20166210)；海南省教育廳高等學校科學研究重點項目(HNKY2016ZD—5)；海南大學科研啟動基金資助項目(KYQD1536)；海南省教育廳研究生創新科研課題項目(HYS2016—59)

TP 212

A

1000—9787(2017)09—0070—03

石 堯(1991-)，男，碩士研究生，研究方向為海洋通信與信息系統。