基于STM32和ZigBee的水產(chǎn)養(yǎng)殖水質(zhì)監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計(jì)

羅 潛，吉藝寬，李美娣

（廣東梅州職業(yè)技術(shù)學(xué)院，廣東 梅州 514011）

水產(chǎn)業(yè)，是中國農(nóng)業(yè)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的重要支柱。近年來，隨著水產(chǎn)養(yǎng)殖業(yè)的高速發(fā)展，養(yǎng)殖水體環(huán)境污染問題日益突出，破壞了水體生態(tài)平衡，給養(yǎng)殖戶造成了嚴(yán)重的經(jīng)濟(jì)損失[1-3]。因此，水產(chǎn)養(yǎng)殖水質(zhì)監(jiān)測能力的提升就顯得尤為重要。為改善水產(chǎn)養(yǎng)殖水質(zhì)監(jiān)測操作復(fù)雜、監(jiān)測周期長、監(jiān)測參數(shù)單一等局限性，設(shè)計(jì)了一套基于STM32 和ZigBee的水產(chǎn)養(yǎng)殖水質(zhì)參數(shù)監(jiān)測系統(tǒng)，能夠?qū)崿F(xiàn)同步實(shí)時采集、傳輸，顯示水體溫度、酸堿度、溶解氧和氨氮，以及異常報等警功能。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

該系統(tǒng)以STM32F103 微控系統(tǒng)、ZigBee 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)和多路傳感器為核心，分為數(shù)據(jù)采集端、數(shù)據(jù)傳輸端和數(shù)據(jù)監(jiān)測端三大部分[4]。系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)如圖1 所示。

數(shù)據(jù)采集端位于系統(tǒng)底層，主要由多路傳感器（溫度傳感器、酸堿度傳感器、溶解氧傳感器、氨氮傳感器）、信號調(diào)理模塊和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)（STM32F103 微控系統(tǒng)）組成。多路傳感器實(shí)時采集水質(zhì)參數(shù)原始數(shù)據(jù)，信號調(diào)理模塊對采集到的微弱信號進(jìn)行調(diào)理放大，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)轉(zhuǎn)換打包數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)通過串口傳送給終端節(jié)點(diǎn)。數(shù)據(jù)傳輸端位于系統(tǒng)中間層，主要由終端節(jié)點(diǎn)（ZigBee 無線通訊模塊）和協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)（ZigBee 無線通訊模塊）組成。終端節(jié)點(diǎn)按照ZigBee 無線網(wǎng)絡(luò)通訊協(xié)議將數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)打包的數(shù)據(jù)傳送給協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)，協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)按照ZigBee 無線網(wǎng)絡(luò)通訊協(xié)議接收數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)通過串口傳送給數(shù)據(jù)監(jiān)測系統(tǒng)。數(shù)據(jù)監(jiān)測端位于系統(tǒng)頂層，主要由數(shù)據(jù)監(jiān)測系統(tǒng)（STM32F103微控系統(tǒng)）、OLED 顯示模塊、蜂鳴警報模塊和獨(dú)立按鍵模塊組成。數(shù)據(jù)監(jiān)測系統(tǒng)對協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)傳送來的數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)一分析處理，OLED 顯示模塊實(shí)時顯示水質(zhì)參數(shù)數(shù)據(jù)，蜂鳴器報警模塊在水質(zhì)參數(shù)超出閾值時會發(fā)出“嘀嘀”報警聲，獨(dú)立按鍵模塊調(diào)控水質(zhì)參數(shù)閾值和關(guān)閉報警聲。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

該設(shè)計(jì)采用Altium Design 進(jìn)行系統(tǒng)電路原理圖和PCB設(shè)計(jì)，在設(shè)計(jì)過程中選用了常用的典型電路，同時加強(qiáng)了電路抗干擾設(shè)計(jì)。系統(tǒng)電路原理圖如圖2 所示。

圖2 系統(tǒng)電路原理圖Fig.2 The system circuit schematic diagram

2.1 STM32F103微控系統(tǒng)

該設(shè)計(jì)以STM32F103 最小系統(tǒng)為微控系統(tǒng)，主要由復(fù)位電路、振蕩電路、啟動配置、USB 轉(zhuǎn)串口、調(diào)試接口和電源組成[5]。STM32F103 是一款高性能的64 腳微處理器，其電源腳和I/O 腳的電壓范圍均為2.0V ～3.6V，具有128KB Flash、20KB SRAM 的高速嵌入式記憶容量，內(nèi)置4 個通用16 位Timer、3 個12 位ADC、3 個USART、2 個I2C、2 個SPI、1 個PWM、1 個USB 以及1 個CAN[6]。

復(fù)位電路的功能是使系統(tǒng)恢復(fù)至初始狀態(tài)，包括上電自動復(fù)位和按鍵手動復(fù)位。該設(shè)計(jì)采用RC 復(fù)位電路。在系統(tǒng)剛上電時，電阻R5 對電容C17 充電，RST（Pin7）為低電平，系統(tǒng)進(jìn)入復(fù)位狀態(tài)；當(dāng)電容C17 兩端的電壓達(dá)到門限電壓值時，RST 為高電平，系統(tǒng)進(jìn)入正常工作狀態(tài)。手動按下K0 鍵時，電容C17 兩端放電，RST 為低電平，系統(tǒng)進(jìn)入復(fù)位狀態(tài)；松開K0 鍵后，電容C17 重復(fù)上述充電過程，系統(tǒng)進(jìn)入正常工作狀態(tài)。

振蕩電路的功能是產(chǎn)生穩(wěn)定的時鐘頻率，供STM32F103 微處理器使用。該設(shè)計(jì)采用1 個8MHz 高速晶振Y1 與2 個20PF 電容C15、C16 并聯(lián)接地，晶振Y1 兩端分別與STM32F103 微處理器的XTAL1（Pin5）、XTAL2（Pin6）連接，組成外置振蕩器，驅(qū)動STM32F103 微處理器正常運(yùn)行。

STM32F103 微處理器的啟動模式有內(nèi)置Flash、系統(tǒng)存儲器和內(nèi)置SRAM 3 種不同的模式，由BOOT0（Pin60）和BOOT1（Pin28）兩個引腳的電平狀態(tài)共同決定。編寫的常用代碼都存放在Flash 中，啟動應(yīng)該從代碼區(qū)開始。因此，該設(shè)計(jì)采用內(nèi)置Flash 啟動方式，BOOT0 和BOOT1 兩個引腳分別串聯(lián)10K 的電阻R3、R4 接地置于低電平。

USB 轉(zhuǎn)串口是實(shí)現(xiàn)STM32F103 微處理器與PC 之間的通信，該設(shè)計(jì)采用CH340 轉(zhuǎn)換芯片。CH340 轉(zhuǎn)換芯片需要時鐘頻率驅(qū)動工作，其XO 和XI 之間連接1 個12MHz的晶體Y2，晶體Y2 兩端并聯(lián)30pF 電容C20、C21 接地。CH340 轉(zhuǎn)換芯片的UD+、UD-與USB 接口的D+、D-連接，其TXD、RXD 與STM32F103 微處理器USART1 的RX1（Pin43）、TX1（Pin42）連接。

調(diào)試接口用于程序下載和仿真模擬，STM32F103 微處理器支持兩種調(diào)試方式：聯(lián)合測試工作組（JTAG）和串行單線調(diào)試（SWD）。該設(shè)計(jì)采用四線SWD 調(diào)試方式，減少使用GPIO，布線難度降低，節(jié)省了PCB 空間，并且SWD調(diào)試比JTAG 調(diào)試運(yùn)行更快。

電源是提供穩(wěn)定的工作電壓給系統(tǒng)使用，需要使用3.3V 和5V 兩種電源。該設(shè)計(jì)采用AMS1117-3.3/5.0 電源穩(wěn)壓芯片并聯(lián)濾波電容組成穩(wěn)定的3.3V 和5V 電源輸出。

2.2 ZigBee無線通訊模塊

ZigBee 無線通訊常用的解決方案有兩種：一種是微處理器+無線頻段的解決方案；另一種是SoC（芯片系統(tǒng)）方案，此方案將微處理器和無線射頻器整合到一塊微型芯片上。該設(shè)計(jì)采用TI 公司的CC2530 微處理器SoC DEMO板。CC2530 微處理器是一款高度集成的ZigBee 標(biāo)準(zhǔn)芯片，集成了8051 單片機(jī)和RF 收發(fā)器，具有32/64/128/256 KB Flash、8 KB SRAM 的存儲容量，內(nèi)置8 通道的12 位ADC、2 個USART、21 個GPIO，支持看門狗定時、精確數(shù)字化鏈路質(zhì)量指示（RSSI/LQI）、載波偵聽多路訪問/沖突避免（CSMA/CA）等[7]。

2.3 多路傳感器模塊

溫度是水質(zhì)監(jiān)測的最基本參數(shù)，其直接影響著水體中眾多的物理現(xiàn)象和化學(xué)性質(zhì)。該設(shè)計(jì)采用DALLS 公司生產(chǎn)的DS18B20 數(shù)字溫度傳感器。此溫度傳感器分辨率可調(diào)，穩(wěn)定性好，抗干擾能力強(qiáng)，防水性和耐腐蝕性強(qiáng)，可在水中長時間浸泡[8]。其數(shù)據(jù)線DQ 通過傳感器接口TempSensor 引腳與數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)STM32F103 微處理器的PC0（Pin8）連接。

酸堿度、溶解氧和氨氮是水質(zhì)監(jiān)測的常規(guī)檢測參數(shù)，它們對水中生物的繁殖和水質(zhì)的變化有很大的影響[9]。該設(shè)計(jì)采用上海儀電科學(xué)儀器有限公司生產(chǎn)的雷磁E-201-C型PH 電極、DO-958-L 型溶解氧電極、PNH3-1-01 型氨氣敏電極和配套信號調(diào)理模塊。此3 種復(fù)合電極采集到的模擬信號相當(dāng)微弱，需經(jīng)過信號調(diào)理模塊放大至A/D 轉(zhuǎn)換所需的最低電壓后，再通過傳感器接口PHSensor、NHSensor、OXSensor 分別與數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)STM32F103 微處理器的PC1（Pin9）、PC2（Pin10）、PC3（Pin11）連接。

2.4 其他外設(shè)模塊

有機(jī)發(fā)光二極管（OLED），具有良好的顯示效果，快速的反應(yīng)能力和輕薄的厚度，可應(yīng)用于具有伸曲性的面板上。該設(shè)計(jì)采用了THINOX 科技生產(chǎn)的0.96 inch OLED顯示模塊。此模塊只有CS（片選信號）、D/C（數(shù)據(jù)/命令）、RST（復(fù)位信號）、SDA（數(shù)據(jù)信號）、SCL（時鐘信號）、VSS（電源地）和VDD（電源）7 個引腳，其中，前5 個引腳分別與數(shù)據(jù)監(jiān)測系統(tǒng)STM32F103 微處理器的PA4（Pin20）、PA5（Pin21）、PA6（Pin22）、PA7（Pin23）、PA8（Pin41）連接。

蜂鳴器是一種結(jié)構(gòu)簡易的喇叭，常用于各種電子產(chǎn)品中，如提示、警報和音樂等場合。該設(shè)計(jì)采用蜂鳴器報警模塊，利用三極管的開關(guān)通斷原理，PNP 型三極管Q1 的基極串聯(lián)1 個限流電阻R14，再與數(shù)據(jù)監(jiān)測系統(tǒng)STM32F103微處理器的PC8（Pin39）連接。當(dāng)PC8 引腳為低電平時，三極管Q1 導(dǎo)通，蜂鳴器發(fā)出“嘀嘀”報警聲；否則，蜂鳴器不響。

按鍵是一種可復(fù)原的機(jī)械式控制元件，常用于電路的開關(guān)控制。該設(shè)計(jì)采用4 個獨(dú)立按鍵：按鍵K1、K2、K3和K4 均為低電平使能，分別實(shí)現(xiàn)不同參數(shù)之間的切換、增加、減小和關(guān)閉蜂鳴器報警的功能，與數(shù)據(jù)監(jiān)測系統(tǒng)STM32F103 微處理器的PB6（Pin58）、PB7（Pin59）、PB8（Pin61）、PB9（Pin62）連接。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)采用IAR Embedded Workbench 進(jìn)行程序模塊化設(shè)計(jì)，以配合硬件模塊實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)功能[10-12]。

3.1 水質(zhì)參數(shù)采集軟件設(shè)計(jì)

DS18B20 數(shù)字溫度傳感器軟件設(shè)計(jì)主要包括初始化操作、存儲器（ROM、RAM）操作和數(shù)據(jù)傳輸?shù)确矫娴膬?nèi)容。先調(diào)用Init_DS18B20( )函數(shù)進(jìn)行初始化；再調(diào)用Write_DS18B20(0xCC)函數(shù)發(fā)出轉(zhuǎn)換指令，跳過ROM 檢測；然后調(diào)用Write_DS18B20(0x44)函數(shù)啟動溫度轉(zhuǎn)換，延時等待轉(zhuǎn)換完成；最后調(diào)用Write_DS18B20(0xBE)函數(shù)讀取RAM 值，換算成攝氏度的溫度值。采集到的溫度值通過數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)STM32F103 的串口USART2 發(fā)送給終端節(jié)點(diǎn)（ZigBee 無線通訊模塊）。

雷磁E-201-C 型PH 電極、DO-958-L 型溶解氧電極和PNH3-1-01 型氨氣敏電極采集的信號均為模擬信號，而STM32F103 微處理器僅能處理數(shù)字信號。因此，放大后的模擬電壓信號需要進(jìn)行A/D 轉(zhuǎn)換。該設(shè)計(jì)選用STM32F103微處理器ADC 中的通道11 和通道12，在使用的I/O 口均已初始化且外設(shè)時鐘已開啟的情況下，先調(diào)用Init_ADC( )函數(shù)進(jìn)行ADC 初始化；然后調(diào)用StartConvCmd_ADC( )函數(shù)啟動ADC 轉(zhuǎn)換，對一個參數(shù)連續(xù)轉(zhuǎn)換16 次，并將16 次值求和后賦給局部變量Result；最后調(diào)用Read_ADC( )函數(shù)讀取16 次ADC 轉(zhuǎn)換的平均值，根據(jù)寫好的換算公式求出酸堿度、溶解氧和氨氮。采集到的酸堿度、溶解氧和氨氮通過數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)STM32F103 的串口USART2 發(fā)送給終端節(jié)點(diǎn)（ZigBee 無線通訊模塊）。水質(zhì)參數(shù)采集程序流程如圖3 所示。

3.2 擴(kuò)展外設(shè)軟件設(shè)計(jì)

數(shù)據(jù)監(jiān)測端的外設(shè)模塊有OLED 顯示模塊、蜂鳴器報警模塊和按鍵模塊。OLED 顯示模塊除了顯示水質(zhì)參數(shù)的閾值以外，還要同步實(shí)時顯示水質(zhì)參數(shù)數(shù)據(jù)（溫度、酸堿度、溶解氧和氨氮），主要用到Init_OLED( )、Clear_OLED_()、Write_OLED( )、DispStr_OLED( )等函數(shù)。蜂鳴器報警模塊的功能是當(dāng)采集到的水質(zhì)參數(shù)超出閾值時就會發(fā)出“嘀嘀”的報警聲，主要用到SetBit_Buzzer( )函數(shù)。按鍵模塊的功能是調(diào)節(jié)水質(zhì)參數(shù)的閾值和關(guān)閉蜂鳴器報警聲，主要用到Init_Key( )和Scan_Key( )函數(shù)。外設(shè)模塊工作程序流程如圖4 所示。

圖4 外設(shè)模塊工作程序流程圖Fig.4 The peripheral module work program flowchart

3.3 ZigBee無線通訊軟件設(shè)計(jì)

協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)既是整個無線網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)收發(fā)中心，也是網(wǎng)絡(luò)的建立者和維護(hù)者。在上電后，協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)先進(jìn)行ZigBee 協(xié)議棧和硬件的初始化；然后開始建立網(wǎng)絡(luò)，主要包括信道掃描、信道選擇和節(jié)點(diǎn)地址分配等有序操作；最后選擇終端節(jié)點(diǎn)加入網(wǎng)絡(luò)，協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)若有接收到請求申請加入網(wǎng)絡(luò)的命令，則會選擇合適的信道分配邏輯地址并返回允許命令給發(fā)送請求命令的終端節(jié)點(diǎn)。成功建網(wǎng)后，當(dāng)協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)檢測到空間數(shù)據(jù)時，就會接收數(shù)據(jù)并通過串口USART3 傳輸給數(shù)據(jù)監(jiān)測系統(tǒng)STM32F103。

終端節(jié)點(diǎn)是整個無線網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)采集節(jié)點(diǎn)，其將數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)打包好的水質(zhì)參數(shù)數(shù)據(jù)通過ZigBee 無線網(wǎng)絡(luò)發(fā)送給協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)。在上電后，終端節(jié)點(diǎn)先進(jìn)行初始化；然后掃描信道，如果存在無線網(wǎng)絡(luò)和協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)，則立即連接協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)進(jìn)行確認(rèn)；最后連接成功后，按照ZigBee 無線網(wǎng)絡(luò)通訊協(xié)議將數(shù)據(jù)發(fā)送給協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)，空閑時可等待指令，處于休眠狀態(tài)。協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)和終端節(jié)點(diǎn)工作程序流程如圖5 所示。

圖5 協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)、終端節(jié)點(diǎn)工作程序流程圖Fig.5 The coordinator node and the terminal node work program flowchart

4 結(jié)語

本課題充分利用嵌入式技術(shù)、無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和傳感器技術(shù)，設(shè)計(jì)了一套基于STM32 和ZigBee 的水產(chǎn)養(yǎng)殖水質(zhì)監(jiān)測系統(tǒng)，通過對系統(tǒng)軟硬件的調(diào)試，實(shí)現(xiàn)了同步實(shí)時采集、傳輸、顯示水體溫度、酸堿度、溶解氧和氨氮，以及異常報警等功能。這在一定程度上降低了水產(chǎn)養(yǎng)殖的風(fēng)險和成本，促進(jìn)了水產(chǎn)養(yǎng)殖的可持續(xù)發(fā)展，同時也保護(hù)了水體環(huán)境。此外，該系統(tǒng)移植性強(qiáng)，可應(yīng)用于其他領(lǐng)域的水質(zhì)監(jiān)測。