基于無線網(wǎng)絡(luò)的魚塘網(wǎng)關(guān)設(shè)計(jì)

楊另，陳明，李章榮

（1.畢節(jié)高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)開發(fā)區(qū) 國(guó)家能源大規(guī)模物理儲(chǔ)能技術(shù)研發(fā)中心，貴州畢節(jié)，551712；2.貴州省電網(wǎng)公司六盤水分局，貴州六盤水，553600）

0 引言

水是生命之源，沒有水就沒有生命，在人們生活水平不斷提高的今天，對(duì)安全無污染的水產(chǎn)品需求與日俱增，但與之相矛盾的是，生活污水、工業(yè)廢水和其他廢棄物有可能進(jìn)入魚塘，造成水體污染。如何及時(shí)、有效地監(jiān)測(cè)魚塘溫度、pH 值的參數(shù)，保證水產(chǎn)品的安全，已然成為一個(gè)熱點(diǎn)。隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，人們的生活水平也在不斷提高，溫飽問題解決以后，更多地追求綠色健康地生活了。魚塘養(yǎng)殖的水質(zhì)狀況卻不容樂觀，保護(hù)水資源，提高魚塘養(yǎng)殖水質(zhì)已經(jīng)成為一項(xiàng)發(fā)展策略了，但就目前來說，我國(guó)對(duì)魚塘養(yǎng)殖水質(zhì)的監(jiān)測(cè)與高度信息化管理還處在初中級(jí)階段，從一開始的人工采樣到自動(dòng)化采樣，魚塘養(yǎng)殖水質(zhì)監(jiān)測(cè)朝著及時(shí)、準(zhǔn)確、自動(dòng)的方向發(fā)展。

國(guó)外在魚塘養(yǎng)殖水質(zhì)監(jiān)測(cè)方面，已經(jīng)完善自動(dòng)采樣參數(shù)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，可以對(duì)魚塘的水質(zhì)進(jìn)行自動(dòng)監(jiān)測(cè)，構(gòu)成的自動(dòng)監(jiān)測(cè)網(wǎng)關(guān)系統(tǒng)較國(guó)內(nèi)來說，有很大的優(yōu)點(diǎn)，并且比較成熟了。無線網(wǎng)絡(luò)二十一世紀(jì)才真正引起了各界人士的極大關(guān)注，最早開始啟動(dòng)傳感器網(wǎng)絡(luò)研究的是美國(guó)，在那以后，國(guó)外許多研究機(jī)構(gòu)、企業(yè)和大學(xué)也投入其中。國(guó)外在完善魚塘養(yǎng)殖水質(zhì)采樣監(jiān)測(cè)方法的同時(shí)，以ZigBee 技術(shù)作為無線信息傳輸方式，通過在一個(gè)水系多點(diǎn)設(shè)置無線傳感器節(jié)點(diǎn)，可以對(duì)該區(qū)域的水質(zhì)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，形成一個(gè)完整連續(xù)的網(wǎng)關(guān)系統(tǒng)。

我國(guó)在WSN 方面的研究相對(duì)于美國(guó)及歐洲來說起步較晚，并且主要集中在多所國(guó)內(nèi)優(yōu)秀大學(xué)和研究所，清華大學(xué)、中科院自動(dòng)化所等。相對(duì)國(guó)外而言，國(guó)內(nèi)關(guān)于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的研究成果采用的是外國(guó)的無線傳感器技術(shù)，雖然這不是中國(guó)自己獨(dú)立研究的無線網(wǎng)絡(luò)，但在一定程度上有利于國(guó)內(nèi)在這一方面的進(jìn)步和發(fā)展。現(xiàn)代魚塘養(yǎng)殖業(yè)也引入了無線傳感器技術(shù)，通過在一定區(qū)域內(nèi)的傳感器節(jié)點(diǎn)，實(shí)時(shí)地對(duì)溫度、PH 值、溶解氧等數(shù)據(jù)進(jìn)行定點(diǎn)、連續(xù)地監(jiān)測(cè)。

以往的有線傳感器網(wǎng)絡(luò)已經(jīng)不能適應(yīng)現(xiàn)在的魚塘養(yǎng)殖業(yè)了，有效而且快速的無線方式越來越受到人們的青睞[1]。網(wǎng)關(guān)在整個(gè)無線網(wǎng)絡(luò)地位是很重要的，猶如心臟對(duì)人體的作用一樣，網(wǎng)關(guān)在魚塘傳感器網(wǎng)絡(luò)監(jiān)測(cè)的應(yīng)用中，網(wǎng)關(guān)負(fù)責(zé)網(wǎng)絡(luò)間協(xié)議轉(zhuǎn)換、數(shù)據(jù)的處理等[2]。由此設(shè)計(jì)了基于無線傳感器的魚塘網(wǎng)關(guān)，這將使魚塘養(yǎng)殖業(yè)的成本降低，方便管理，減少勞動(dòng)力，對(duì)我國(guó)的魚塘養(yǎng)殖業(yè)的管理得到提高。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

本文提出一種基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的魚塘網(wǎng)關(guān)設(shè)計(jì)，圖1 為系統(tǒng)總體架構(gòu)設(shè)計(jì)。無線通訊模塊CC2530 將傳感器采集到的溫度、PH 值數(shù)據(jù)送到發(fā)送緩存器，擴(kuò)頻之后送到DA 轉(zhuǎn)換器，經(jīng)過低通濾波將RF 信號(hào)調(diào)節(jié)為2.4GHz，經(jīng)過天線發(fā)送出去，被協(xié)調(diào)器天線接收到的信號(hào)經(jīng)過濾波、AD轉(zhuǎn)換、數(shù)字解調(diào)后得到正確的數(shù)據(jù)，協(xié)調(diào)器再經(jīng)過RS232送到監(jiān)測(cè)中心進(jìn)行分析、存儲(chǔ)[3]。

圖1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

■2.1 終端節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)

圖2 是終端節(jié)點(diǎn)構(gòu)造框圖，傳感器網(wǎng)絡(luò)采集數(shù)據(jù)的部分叫作終端節(jié)點(diǎn)，也就是傳感器節(jié)點(diǎn)，主要由傳感器模塊、無線射頻模塊、電源模塊、處理器模塊（集成的51 單片機(jī)）組成，CC2530 完美地結(jié)合這些模塊[4]。在實(shí)際工作環(huán)境當(dāng)中，提供外接電源不太現(xiàn)實(shí)，因此終端節(jié)點(diǎn)一般采用兩節(jié)干電池供電給CC2530 進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。CC2530 適合2.4GHz IEEE 802.15.4RF 收發(fā)器，接收靈敏度很高，抗干擾性能也是極好，外接元件的需求數(shù)量少，體積小，只有6mm×6mm。自動(dòng)模式的RX 在CPU 空閑情況下只消耗24mA，TX 在CPU 空閑情況下只消耗29mA；睡眠定時(shí)器運(yùn)行時(shí)只消耗1μA，當(dāng)發(fā)生外部中斷時(shí)只需0.4μA。

RF_P 和RF_N 連接的是天線，用巴倫電路來優(yōu)化機(jī)能，如CC2530 原理圖所示。偶極天線屬于平衡型天線，但是同軸電纜屬于不平衡傳輸線，假如將電纜直接連接天線，那么同軸電纜的外表就有高頻的電流流過，就會(huì)影響天線的信號(hào)傳輸，因此加入巴倫電路，把流過外皮的電流給截?cái)啵@樣就有利于信號(hào)傳輸了。

終端與協(xié)調(diào)器之間的接收和發(fā)送功能是通過天線實(shí)現(xiàn)的，將導(dǎo)行波轉(zhuǎn)換成電磁波在空氣中傳播，本文中選擇的是性能最好的棒狀天線，它的安裝比較簡(jiǎn)單，增益高，電磁波傳播方向?yàn)閳A形傳輸。

圖3 為終端節(jié)點(diǎn)硬件圖。工作過程：溫度傳感器、PH 值傳感器采集數(shù)據(jù)后進(jìn)過A/D 轉(zhuǎn)換以后經(jīng)過處理器之后由天線發(fā)射出去[5]。為了節(jié)約電能，終端在大多數(shù)時(shí)間都讓傳感器處于睡眠狀態(tài)，相關(guān)的電路也會(huì)關(guān)閉，當(dāng)設(shè)定的采集周期到來時(shí)才會(huì)從睡眠模式中醒來，將數(shù)據(jù)采集發(fā)送之后繼續(xù)睡眠，如此循環(huán)往復(fù)，達(dá)到降低功耗的目的[5]。

圖3 終端節(jié)點(diǎn)硬件圖

■2.2 路由節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)

圖4 為路由節(jié)點(diǎn)硬件設(shè)計(jì)圖。路由節(jié)點(diǎn)處于傳感器節(jié)點(diǎn)和協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)的中間，路由節(jié)點(diǎn)的RF 要一直工作，因?yàn)樗S時(shí)準(zhǔn)備接收協(xié)調(diào)器下達(dá)的命令、傳感器節(jié)點(diǎn)采集并發(fā)送上來數(shù)據(jù)[6]。

圖4 路由節(jié)點(diǎn)硬件圖

■2.3 協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)

圖5 為協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)內(nèi)部構(gòu)造圖。協(xié)調(diào)器是數(shù)據(jù)匯聚中心，因此又叫做匯聚節(jié)點(diǎn)，它是連接監(jiān)測(cè)中心和傳感器網(wǎng)絡(luò)的橋梁，還具有通過RS232 把信息發(fā)送到監(jiān)測(cè)中心、啟動(dòng)網(wǎng)絡(luò)的功能。

圖5 協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)構(gòu)造框圖

圖6 為協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)硬件設(shè)計(jì)，協(xié)調(diào)器是負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)的采集和收集，通過一個(gè)時(shí)鐘控制周期性地收集數(shù)據(jù)。設(shè)計(jì)的協(xié)調(diào)器電路主要有CPU 模塊、時(shí)鐘模塊、晶振等外部接口組成[7]。

圖6 協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)硬件圖

3 軟件設(shè)計(jì)

圖7 為網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)入網(wǎng)的程序流程圖，網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)的軟件設(shè)計(jì)是實(shí)現(xiàn)魚塘水質(zhì)參數(shù)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的重要部分。通過編寫程序來實(shí)現(xiàn)傳感器的數(shù)據(jù)采集、終端數(shù)據(jù)的發(fā)送、協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)接收等。

圖7 網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)入網(wǎng)的程序流程圖

實(shí)現(xiàn)網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)的軟件設(shè)計(jì)，需要軟件開發(fā)環(huán)境，所選用的是IAR Embedded Workbench IDE，它的優(yōu)點(diǎn)是易學(xué)會(huì)，還具有強(qiáng)大的代碼繼承能力的開發(fā)環(huán)境、良好的擴(kuò)展性、高效率、節(jié)約用戶的開發(fā)時(shí)間[8]。

4 實(shí)驗(yàn)測(cè)試

實(shí)驗(yàn)測(cè)試是驗(yàn)證系統(tǒng)設(shè)計(jì)的重要部分，系統(tǒng)由傳感器終端節(jié)點(diǎn)，協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)組成，測(cè)試的主要內(nèi)容主要是傳感器的數(shù)據(jù)采集，終端節(jié)點(diǎn)與協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)的正常通信，觀測(cè)無線網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)的運(yùn)行是否正常和穩(wěn)定。

■4.1 傳感器數(shù)據(jù)采集

為了真實(shí)反映所采集的數(shù)據(jù)的真實(shí)性，并且節(jié)約CC2530 開發(fā)板的目的，不可能一個(gè)CC2530 上就只插一個(gè)溫度傳感器，因此在一個(gè)開發(fā)板上要能夠采集多項(xiàng)數(shù)據(jù)，才能模擬魚塘水質(zhì)參數(shù)采集的真實(shí)情況。串口調(diào)試助手顯示的是溫度傳感器采集到的溫度，二十幾度的水質(zhì)溫度，慢慢加熱水，溫度傳感器采集一段時(shí)間的溫度，這時(shí)溫度會(huì)有一定的上升，說明傳感器能夠?qū)崟r(shí)采集數(shù)據(jù)，并不是一個(gè)固定值，實(shí)驗(yàn)可靠。

■4.2 組網(wǎng)測(cè)試

組網(wǎng)測(cè)試目的是判斷協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)與終端節(jié)點(diǎn)是不是能夠組建網(wǎng)絡(luò)[9]。選取傳感器節(jié)點(diǎn)、無線網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)、一臺(tái)電腦。選擇Collector EB-Pro 作為協(xié)調(diào)器，Sensor EB-Pro 作為終端，將編譯好的程序通過燒錄界面分別燒寫進(jìn)CC2530 開發(fā)板中，每一次燒寫都要復(fù)位仿真器，將協(xié)調(diào)器、終端分別上電，打開ZigBee Senser Monitor 1.2.0，打開設(shè)備管理器查看串口號(hào)，選擇協(xié)調(diào)器連接的串口，點(diǎn)擊左上角的開始按鈕，即可觀測(cè)是否組建了網(wǎng)絡(luò)。組網(wǎng)的形式有好幾種，傳感器經(jīng)過路由器再連接協(xié)調(diào)器；傳感器直接與協(xié)調(diào)器通信。終端能夠和協(xié)調(diào)器進(jìn)行通信，組網(wǎng)成功。黃色為終端，紅色為協(xié)調(diào)器，終端能顯示當(dāng)前采集到的溫度值以及當(dāng)時(shí)的確切時(shí)間，協(xié)調(diào)器與終端沒有連接時(shí)，協(xié)調(diào)器的顏色是灰色的。

■4.3 物通信質(zhì)量測(cè)試

通信質(zhì)量與通信距離是衡量系統(tǒng)性能的重要指標(biāo)，采用的依然是TI 公司的Z-Stack2007 協(xié)議棧，它內(nèi)部包含有數(shù)據(jù)的發(fā)送和接收。在有障礙物的環(huán)境下，測(cè)量通信距離，了解數(shù)據(jù)的丟包率，從而判斷系統(tǒng)的通信質(zhì)量。

測(cè)試的內(nèi)容：傳感器節(jié)點(diǎn)采集溫度，無線網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)接收數(shù)據(jù)，并通過串口調(diào)試助手進(jìn)行顯示，因?yàn)槭菧y(cè)量通信距離，數(shù)據(jù)線的長(zhǎng)度不夠長(zhǎng)，所以使用了兩臺(tái)電腦，相當(dāng)于一臺(tái)電腦打開一個(gè)串口調(diào)試助手，一臺(tái)顯示的是傳感器采集到的溫度，另一臺(tái)串口調(diào)試助手顯示的是無線網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)接收到傳感器節(jié)點(diǎn)發(fā)送上來的溫度值。串口號(hào)根據(jù)設(shè)備管理器來查看，波特率設(shè)置為9600、數(shù)據(jù)位為8、停止位為1、校驗(yàn)位為None，每隔1s 發(fā)送一次。

5 結(jié)論

通過實(shí)驗(yàn)的測(cè)試，完成了對(duì)魚塘水質(zhì)參數(shù)的數(shù)據(jù)采集，通過協(xié)調(diào)器發(fā)送命令給終端收集數(shù)據(jù)。一塊CC2530 終端節(jié)點(diǎn)采集參數(shù)，實(shí)現(xiàn)了終端81F3 協(xié)調(diào)器的點(diǎn)對(duì)點(diǎn)通信，能夠及時(shí)觀察到終端數(shù)據(jù)采集結(jié)果的變化，并且能夠及時(shí)發(fā)送至協(xié)調(diào)器，通過串口界面可以實(shí)時(shí)看到數(shù)據(jù)的變化。