基于無線傳感網(wǎng)絡(luò)的魚類培育環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計(jì)

王超 楊曉輝

摘要：文章主要研究魚類培育環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)的軟硬件設(shè)計(jì)與實(shí)施方案，設(shè)計(jì)主要由無線傳感網(wǎng)絡(luò)、上位機(jī)監(jiān)測系統(tǒng)、移動終端監(jiān)測系統(tǒng)共同搭建完成。系統(tǒng)通過傳感器采集環(huán)境信息，利用無線傳感網(wǎng)絡(luò)將數(shù)據(jù)傳輸匯聚并發(fā)送給上位機(jī)服務(wù)器，移動終端遠(yuǎn)程訪問服務(wù)器進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測。

關(guān)鍵詞：無線傳感網(wǎng)絡(luò)；CC2540；環(huán)境監(jiān)測；傳感器

魚類培育監(jiān)測系統(tǒng)是魚類養(yǎng)殖者廣泛使用的裝置，主要用來創(chuàng)造適合魚類生存的最佳條件，并根據(jù)魚類品種不同調(diào)整日常環(huán)境參數(shù)[1]。市場上大部分性能較好的魚類培育環(huán)境監(jiān)測裝置能夠?qū)崿F(xiàn)充氧、恒溫、水循環(huán)、喂食、補(bǔ)光等功能，但多項(xiàng)任務(wù)需要人為主動控制。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

魚類培育環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計(jì)主要包括環(huán)境信息采集系統(tǒng)、從控制系統(tǒng)、設(shè)備控制系統(tǒng)、主控制系統(tǒng)、顯示及報(bào)警系統(tǒng)4個部分。

所述環(huán)境信息采集系統(tǒng)、設(shè)備控制系統(tǒng)、顯示及報(bào)警系統(tǒng)分別與從控制系統(tǒng)相連。環(huán)境信息采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)中包括：AD轉(zhuǎn)換單元、水位監(jiān)測單元、溫度監(jiān)測單元、光照監(jiān)測單元、氧含量監(jiān)測單元、水質(zhì)監(jiān)測單元6個部分。設(shè)備控制系統(tǒng)主要負(fù)責(zé)控制魚類培育環(huán)境中的注水、加溫、降溫、補(bǔ)光、加氧、過濾、投食等基本控制功能。顯示及報(bào)警電路主要功能是實(shí)時(shí)顯示魚類培育環(huán)境的相關(guān)信息并在特殊情況發(fā)生時(shí)進(jìn)行報(bào)警。主控制系統(tǒng)可根據(jù)矩陣按鍵單元進(jìn)行信息的錄入和調(diào)節(jié)，并通過無線傳感網(wǎng)絡(luò)分發(fā)命令、收集來自從控制系統(tǒng)的數(shù)據(jù)。

魚類培育監(jiān)測系統(tǒng)原理框如圖1所示。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1 主控制系統(tǒng)

主控制系統(tǒng)核心微處理器采用Cortex-A9構(gòu)架的Exynos 4412微處理器，四核版的Exynos 4412是雙核版Exynos 4210的升級版，功耗卻降低了60%，主頻達(dá)到1.4 GHz，內(nèi)存介質(zhì)采用DDR3，運(yùn)行速度可達(dá)到每秒2億條指令，適用于手持式便攜設(shè)備，如平板、手機(jī)等設(shè)備[2]。

2.2 從控制系統(tǒng)

無線傳感網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)設(shè)計(jì)中采用德州儀器的CC2540微處理器，該微處理器非常適合傳感器應(yīng)用及移動手持設(shè)備周邊的低功率藍(lán)牙解決方案，CC2540是真正的系統(tǒng)單晶片解決方案，結(jié)合德州儀器的協(xié)定堆疊、輪廓軟體及應(yīng)用支援，CC2540成為市場上最具有彈性及成本效益的單模式低功率藍(lán)牙解決方案[3]。

2.3 傳感器采集系統(tǒng)

環(huán)境采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)中包括：直接采集和利用間接采集兩個部分。直接采集部分是指水位監(jiān)測功能，設(shè)計(jì)中采用超聲波模塊實(shí)現(xiàn)測距功能。間接采集部分包括光照、溫度、氧含量、水質(zhì)信息4個部分，通過AD轉(zhuǎn)換電路將采集信息傳遞給從控制系統(tǒng)。從控制系統(tǒng)主要負(fù)責(zé)將采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和處理，并通過無線傳感網(wǎng)絡(luò)將信息發(fā)送給主控系統(tǒng)。

系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)電路示意如圖2所示。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

3.1 主控系統(tǒng)界面設(shè)計(jì)

系統(tǒng)界面設(shè)計(jì)采用QT 5.3開發(fā)工具實(shí)現(xiàn)，它是由QT Company開發(fā)的跨平臺C++圖形用戶界面應(yīng)用程序開發(fā)框架，QT是一種圖形用戶界面（Graphical User Interface，GUI）工具包，該工具包涵蓋了若干個基于圖形用戶界面的應(yīng)用庫，支持多種不同類型的操作系統(tǒng)，如Windows和Linux等，該圖像工具提供大量編程接口，提高了系統(tǒng)可移植性[4]。

軟件設(shè)計(jì)流程：（1）操作系統(tǒng)初始化，主要包括啟動Linux操作系統(tǒng)的基本功能。（2）啟動多線程任務(wù)，開始執(zhí)行各種數(shù)據(jù)的調(diào)度和分析。（3）采集外界環(huán)境信息并進(jìn)行顯示。（4）等待傳感網(wǎng)絡(luò)終端節(jié)點(diǎn)的無線數(shù)據(jù)包，如接收到則更新并顯示數(shù)據(jù)。

3.2 無線傳感網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

無線傳感網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)設(shè)計(jì)是指設(shè)計(jì)協(xié)議棧底層程序，主要研究組網(wǎng)、接收、發(fā)送3個部分的內(nèi)容。協(xié)議棧版本采用Zstack-CC2530-2.3.0-1.4.0 版本。

軟件設(shè)計(jì)流程：（l）OSAL操作系統(tǒng)初始化，即初始化板載輸入/輸出（Input/Output，I/O）、硬件抽象層（Hardware Abstraction Layer，HAL）、介質(zhì)訪問控制（Media Access Control， MAC）層、檢測電壓等，啟動操作系統(tǒng)進(jìn)行各項(xiàng)任務(wù)輪詢。（2）實(shí)現(xiàn)組網(wǎng)并將各項(xiàng)任務(wù)進(jìn)行打包，利用用戶任務(wù)進(jìn)行外界環(huán)境信息的采集。（3）獲取環(huán)境信息并組包，通過無線方式進(jìn)行發(fā)送。

4 系統(tǒng)測試

在進(jìn)行系統(tǒng)測試過程中采用無線傳感網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行通信，有效覆蓋范圍100 m2，主控制系統(tǒng)安放培育場所中間位置，其他從控制系統(tǒng)以主控系統(tǒng)為中心進(jìn)行均勻排布即可。其他傳感器安防在培育環(huán)境周邊，經(jīng)過測試可長時(shí)間穩(wěn)定工作，并具備較好智能監(jiān)測功能。

[參考文獻(xiàn)]

[1]劉楊，李君興.魚類多樣性監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].傳感器與微系統(tǒng)，2014（5）：112-113.

[2]蔡志華，向宇坷，陳超，等.溫室大棚自動控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].儀器儀表用2010（4）：29-31.

[3]張玲，李磊民，黃玉清.藍(lán)牙無線傳感器網(wǎng)絡(luò)在谷倉監(jiān)控中的應(yīng)用[J].傳感器與微系統(tǒng)，2008（5）：111-113.

[4]羅武勝，魯琴，張勇.超寬帶無線傳感器網(wǎng)絡(luò)MAC協(xié)議[J].計(jì)算機(jī)工程，2008（11）：108-110.