基于WSN的海水養殖水質檢測系統研究

葉俊明 馬海琴

摘 要： 為了方便水產養殖戶或相關研究機構更好、更實時地監測養殖水域中水的質量，提高產量、監控海水污染情況，設計了海水水質檢測系統。傳感器節點采集多種模塊化的傳感器數據，并通過無線網絡將采集的數據匯總至sink節點控制器；sink節點控制器將匯總的數據進行自適應加權融合后，以3G網絡、USB通信等形式將數據傳輸到用戶端統計和分析。同時，采用太陽能供電、GPRS校時等可以更靈活地在各種野外場合搭建檢測平臺。

關鍵詞： 無線傳輸； 海水養殖； 水質監測； 自適應加權； 信息融合； GPRS校時

中圖分類號： TN911.23?34； X853 文獻標識碼： A 文章編號： 1004?373X（2018）18?0054?03

Research on aquaculture water quality detection system based on WSN

YE Junming， MA Haiqin

（Guilin University of Electronic Technology， Guilin 541004， China）

Abstract： A seawater quality detection system was designed for aquaculture farmers and related research institutes to better monitor the water quality in aquaculture water area and the seawater pollution situation in real time， and improve the production. Various modularized sensor data is collected by sensor nodes， and summarized to the sink node controller by means of wireless network. After adaptive weighting fusion of data summarized by the sink node controller， the data is transmitted to the client by means of 3G network and USB communication for statistical analysis. Meanwhile， solar power supply and GPRS time synchronization can make detection platform establishment in various open fields more flexible.

Keywords： wireless transmission； aquaculture； water quality monitoring； adaptive weighting； information fusion； GPRS time synchronization

隨著沿海國家經濟重心向濱海地區的轉移，已有過半的人口居于在海岸線附近[1]。對水域資源的開發、利用已經成為產業革命的前沿戰線，海水水質檢測逐漸成為國家安全、環境保護、資源開發的重要手段。水的含氧量、pH值、溫度、養殖密度等參數數據[2]是水產養殖的關鍵問題。大背景的推動下使得檢測技術從檢測單一、數據處理不便的傳統方法如：試紙試劑式檢測、手持式檢測手段，迫切地發展成：數字化集成度高、精度高檢測快、實時性高、搭配靈活方便的WSN領域[3]。

1 整體設計

本文基于WSN的海水養殖水質檢測系統采用STM32F407作為sink節點的控制器、STC15W4K56S4為傳感器節點控制器，集無線通信、太陽能電池供電于一體，并搭載了GPRS自動校時、USB和網絡通信，兼容的傳感器接口采用標準的通信協議。各節點控制器將水質檢測數據包括：溶解氧、pH值、溫度等，通過無線通信的形式匯集到Sink節點控制器進行匯總[4]，通過GPRS校時的主控器實時地將分析后的數據通過USB通信和GSM模塊傳輸至用戶端，系統框架如圖1所示。檢測系統可以廣泛應用于各種養殖水域、河流、海洋等地搭建檢測平臺。

2 硬件系統設計

2.1 控制器的選擇

Sink節點采用32位的ARM Cortex M4內核的STM32F407為控制器[5]。該控制器集成FPU，DSP指令集、帶有豐富的接口資源、1 MB的FLASH和192 kB的SRAM、高精度A/D?D/A、17個可編程定時器[6]。系統中STM32F407主要負責：通過nRF24L01無線模塊匯集傳感器節點采集的數據并進行信息融合、GPRS自動校時、GSM數據通信、USB通信等。傳感器節點控制器采用LQFP48封裝的15W4K48S4單片機對各傳感器信號進行采集、補償[7]，并與sink節點進行無線通信。

2.2 傳感器的電路設計

水質檢測涉及到DO、pH值、溫度和電導率等傳感器。DO傳感器選用熒光淬滅法[8?9]溶解氧電極，工作原理為采用經過PWM調制過的LED發出藍光經過被測水域照射在傳感膜上，傳感膜受到激發反射出波長為600～680 nm的紅光（氧溶解不同，反射強度會發生變化），經過濾光鏡濾除紅光外的雜光后反射到光敏傳感器上再經過放大。DO檢測電路如圖2所示。

pH值的檢測采用雷磁E?201?C復合電極（輸出電壓0～840 mV），內阻一般為幾十MΩ到幾百MΩ。放大電路采用高輸入阻抗的儀器前端放大器OPA627，且輸入端串10 MΩ電阻提高輸入阻抗，放大倍數為4，這樣輸出的電壓不會變化太大或飄移[10]。為了提高精度，可以采用兩點標定法對pH值進行折算和補償[11]。

電導率是衡量液體中導電離子多少的重要指標。通過施加電壓在被測水域中的兩塊平行電場，加速導電離子的運動形成電流，從而檢測電導率。電路前級采用7 kHz的方波驅動雷磁DJS?10CF電極，減少極化現象的影響，后極采用運放進行放大和整形。

上述幾種參數的檢測均為電壓輸出型，采用11通道的TLC2543進行采集[12]。TLC2543的采樣率可達60 kbit/s以上、可調制雙極性輸出、線性理論誤差最大+1 LSB。將DS18B20讀取的溫度數據與多種傳感器的采集信息進行相應的補償以減少誤差，最后進行算術平均和自適應加權融合。

2.3 通信模塊電路設計

水質檢測系統的通信涉及到三部分：傳感器節點與Sink節點的無線通信、Sink節點與電腦的USB通信、Sink節點的GPRS/GSM通信。采用nRF24L01設計傳感器節點與Sink節點的短距離通信，可以方便組網、減少布線成本、降低人工投入等。Sink節點與電腦間的通信采用基于CH340G芯片的USB 2.0通信。Sink節點的校時和與手機終端的通信采用SIM900A模塊搭建數據傳輸。

3 軟件系統設計

3.1 無線模塊程序設計

GPRS/GSM通信采用SIM900A模塊，用于實現Sink節點與手機終端的數據傳輸和校時。Sink節點的控制器STM32F407通過串口發送AT指令控制SIM900A，實現語音、短信、數據傳輸、校時等[13]。SIM900A的TCP數據傳輸需在Sink節點控制器上設置SIM900A的工作狀態，相關指令如表1所示。

3.2 電腦通信界面設計

采用LabVIEW編寫Sink節點與電腦端的通信界面：該軟件采用連線、拖拽模塊的形式可以快速生成圖形界面[14?15]。該界面不僅可以顯示相應的檢測數據、圖形界面、設置報警范圍，還可將數據以Excel表格形式進行保存。LabVIEW的界面如圖3所示。

4 運用分析

水質檢測系統的測試在北海銀海區的水產養殖場進行。通過WSN的傳感器節點實時地采集數據，以無線傳輸的形式匯總到Sink節點進行自適應加權算法的信息融合。Sink節點將匯總處理好的數據通過SIM900A以TCP網絡[16]透傳的形式發送到手機端，并通過USB接口傳送至電腦端的LabVIEW界面進行顯示分析。

本儀器的Sink節點通過GPRS/GSM模塊每天校時2次，并設定10 min匯總1次采樣數據 。Sink節點通過無線模塊每10 min分別向傳感器節點發送地址碼，傳感器節點比對正確地址碼后向Sink節點發送檢測結果。Sink節點匯總檢測數據后進行自適應加權融合計算，并將數據傳輸至用戶端。采用標準儀器與本儀器進行比對分析如表2所示。

5 結 語

本文結合水產養殖環境設計一種基于WSN的海水養殖水質檢測系統。該系統集成了多種傳感器，采用無線通信的形式進行數據傳輸，配合電腦端和手機端監測軟件，具有實時性好、準確性高、組網便潔、操作性好等優點，在水質監測和水產養殖業等方面具有良好的應用前景。

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