基于無線傳感器網絡的魚塘水質管理研究

摘要：隨著水產養殖業的快速發展，魚塘水質管理成為保障養殖效率與產品品質的關鍵因素。文章探討了一種基于無線傳感器網絡的魚塘水質監測系統的設計與應用。該系統集成了多種水質傳感器，如溶解氧、pH值、溫度和氨氮濃度傳感器，以實時監測魚塘的水質參數。傳感器節點通過無線方式將采集到的數據傳輸至匯聚節點，再由匯聚節點將數據發送至遠程監控中心，實現對水質的遠程監控與管理。該系統采用自組織網絡技術，能夠適應魚塘復雜多變的環境，降低布線成本，提高監測靈活性。此外，該研究還涉及數據處理算法與預警機制，以便及時發現水質異常并采取相應措施，確保水質維持在適宜養殖的范圍內。通過試驗驗證，該系統有效提升了魚塘水質管理的效率與精確度，對促進水產養殖業的智能化發展具有重要意義。

關鍵詞：無線傳感器網絡；水質監測系統；水質參數；傳感器節點；自組織網絡技術；數據處理算法與預警機制

中圖分類號：S24 文獻標志碼：A

0 引言

隨著全球水產養殖業的蓬勃發展，魚塘作為重要的養殖基地，其水質與魚類生長繁殖息息相關，因此準確、快速、便捷地獲得水質參數顯得尤為重要［1］。水的含氧量、pH酸堿度、溫度等參數是水產養殖的關鍵［2］。傳統的水質監測方法通常依賴于人工取樣和實驗室分析，不僅耗時耗力，而且無法實現實時監測，難以及時響應水質變化。

為了解決這一問題，一些發展中國家已經將微型計算機應用于養殖水體DO、pH酸堿度等水體因子的測量和設備控制，并研究水體管控的自動化和電子化［3-6］。同時無線傳感器網絡（Wireless Sensor Network，WSN）技術應運而生，它通過部署大量傳感器節點，能夠實時、連續地監測魚塘中的水質參數，如溶解氧、pH酸堿度、溫度和氨氮濃度等［7-8］。可見傳感器技術是實現測試與自動控制的重要環節［9-10］。這些傳感器節點通過無線方式將數據傳輸至中心節點，再由中心節點將信息發送至遠程監控系統或移動設備，從而實現對魚塘水質的實時監控和管理。

本研究旨在設計并實現一個基于無線傳感器網絡的智能魚塘水質管理系統。該系統綜合運用了現代傳感器技術、無線通信技術和數據處理技術，旨在解決傳統水質監測方法中存在的時效性差、監測范圍有限以及人力物力成本高昂等問題。通過集成溶解氧、pH酸堿度、溫度和氨氮等關鍵水質指標的傳感器，系統能夠全方位、高精度地掌握魚塘水質動態，為精準調控水質、優化養殖環境提供技術支持。此項研究對于推動水產養殖業的現代化和可持續發展具有重要意義。

1 系統總體設計

水質檢測一般有人工采樣監測法、水質監測站檢測法、水生物檢測法、無線遙感檢測法［1］。無線遙感方式在實時性、

先進性方面具有明顯優勢，因此，該智能魚塘水質管理系統基于無線傳感網絡進行研究，而無線網絡可以分為無線廣域網以及無線局域網。無線局域網又包含了Wi-Fi、藍牙、ZigBee等技術［11］。無線局域網通信距離較短，功耗低，非常適合用于本研究前端的無線傳感器網絡組網。ZigBee相比Wi-Fi和藍牙等技術，功耗更低、成本更低，同時具有多跳、自組織等一些特點，每個節點均可以作為相鄰范圍內傳輸節點的數據中轉站。另外，ZigBee可以在短時間內不斷拓寬無線網絡應用時的覆蓋范圍，非常本應適合用場景。本研究分為上位機和下位機2部分，ZigBee無線局域網模塊處于下位機系統中。

如圖1所示，溶解氧傳感器、pH傳感器、溫度傳感器或者氨氮濃度傳感器采集到的實時信號，經過信號濾波放大、A/D轉換之后，發送給以CC2530F256為核心的ZigBee節點進一步處理，之后通過2.4 GHz短距無線網絡，傳遞給下位機（此下位機以STM32F103為核心）。此下位機隨后將ZigBee模塊傳遞過來的實時信號通過4G網絡傳遞給上位機。

如圖2所示，位于魚塘群管理中心的上位機接收到下位機傳來的無線傳感網絡信號，把相關傳感器信號實時顯示到屏幕上，并與各種傳感器預設值進行比較、判斷。如果超過預設值，上位機就發出控制指令，此指令經過RS485總線傳遞到現場，再經過D/A轉換和信號放大驅動補氧機、補水泵或者放水閘工作，以改善魚塘溶解氧、pH酸堿度、溫度或者氨氮濃度等關鍵參數。同時，上位機可以在屏幕上發出參數超標報警信息，并控制警鈴發出明顯刺耳的報警信息，引起工作人員注意，此警鈴須手動復位才能關閉。在特殊情況下，各種傳感器并未傳來異常狀態信號，但是人工已經發現魚群出現缺氧征兆或者其他異常狀況的時候，可以通過強制啟動模塊，強制啟動補氧機、補水泵或者放水閘，快速干預排除異常狀態。上位機是以STM32F407ZG為核心的嵌入式開發板，內置FreeRTOS V10.0實時操作系統，性價比高，工作穩定，體積小巧，實時性好。

2 系統硬件設計

2.1 ZigBee模塊設計

如圖3所示，此ZigBee模塊以CC2530F256芯片為核心。該芯片內嵌了一個8051系列8位單片機，內置8路A/D轉換模塊，內部集成工作頻率為2.4 GHz的無線收發模塊，數據傳輸速度超過200 kb/s，傳輸距離超過200 m，芯片供電電壓為3.3 VDC。電路主要包括供電電路、時鐘電路和無線電收發電路。

2.2 溶解氧傳感器信號濾波放大電路設計

魚塘中溶解氧的正常范圍應保持在5～8 mg/L，能確保魚類和其他水生生物健康生長。最低溶氧濃度不應低于4 mg/L，如果淡水溶氧量低于4 mg/L或海水溶氧量低于3 mg/L，就表明水中已缺氧，可能引

起魚蝦浮頭現象，須及時采取增氧措施，否則魚兒就會大批量死亡。為滿足以上要求，此項目選擇YSI ProODO溶解氧傳感器。該傳感器測量范圍為0～20.0 mg/L，精度達到±0.1mg/L，溫度補償范圍0～40℃，響應時間小于60 s，輸出電流為4～20 mA。本文根據此傳感器工作特性，設計了如圖4所示的溶解氧信號濾波放大電路。

如圖4所示，溶解氧信號首先經過π型濾波電路和RC濾波電路組成的陷波器，將高頻和低頻雜波濾除；其次，經過第一級負反饋放大電路放大，并經過一個π型濾波電路對殘留的高頻雜波進一步濾除；再次，經過二級負反饋的放大電路進行放大，輸出信號中的高頻雜波信號進一步經過C6、C5的回路濾除；最終輸出雜波少、經過適當放大的溶解氧信號，等待下一環節進一步處理。

2.3 氨氮濃度信號濾波放大電路設計

魚塘中氨氮的最大允許濃度一般在1.5～3mg/L。低于此范圍比較適宜魚類生存，超過這個范圍魚類死亡率會大幅度提升。為滿足以上要求，本設計選擇了HACH HQ11D Ammonia傳感器。該傳感器測量范圍是0～50mg/L，精度為±5%，pH酸堿度適應范圍為6.5～9.0，這些核心參數與魚塘使用環境非常相符，性價比高，匹配度好。根據此傳感器工作特性，本文設計了如圖5所示的濾波放大電路。

如圖5所示，一級濾波電路是一種歸一化低通濾波器，其Q值>1/2，是一種切比雪夫型歸一化低通濾波器，其傳遞函數公式如式（1）所示。

氨氮濃度信號經過一級濾波電路之后再通過一個π型濾波電路對雜波進一步濾除，然后通過二級負反饋放大電路對信號適當放大，最后輸出雜波少、幅度合理的氨氮濃度信號。此信號隨后進入CC2530F256芯片內置A/D轉換模塊進行進一步處理。

2.4 pH信號濾波放大電路設計

根據科學研究，魚塘中的pH酸堿度為6.5～8.5，適宜魚類生長發育。在這個范圍內，魚類能夠較好地攝食和生長，同時水塘中的營養也能夠滿足魚類的需求。如果pH酸堿度過高或過低，都可能影響魚類的養殖效果。當pH酸堿度低于6.5或高于8.5時，可能會導致魚類生長受阻，甚至引發健康問題。因此，此項目選擇了Hamilton EasypH電極作為pH酸堿度測量傳感器，其pH酸堿度測量范圍為0.00～14.00，精度為±0.01 pH units，內置溫度補償功能，輸出模擬信號，能夠滿足項目需求。本文根據此傳感器工作特性，設計了如圖6所示的濾波放大電路。

信號經過第一級濾波放大電路處理之后，又經過一個RC濾波器進一步濾除雜波，隨后一個電壓串聯型負反饋電路對信號進一步放大并輸出，最后此pH酸堿度信號進入CC2530F256芯片內部A/D轉換模塊進行進一步處理。

2.5 溫度檢測傳感器外圍電路設計

本研究仿真的是鰱、鳙、草等常見溫水魚類的養殖魚塘，一般這些魚類的適宜生活水溫為20～30℃。魚塘水溫高于適宜溫度，魚類的代謝會加速，消耗過多的氧氣，可能導致魚類窒息現象的出現。魚塘水溫低于適宜溫度，會阻礙魚類的免疫力，誘發疾病，甚至導致死亡。因此，本研究選擇Maxim Integrated生產的這款數字溫度傳感器DS18B20用于檢測溫度。此溫度傳感器測量范圍為-55～+125℃，精度±0.5℃，經濟實惠，數字接口連接方便，完全能滿足項目需求。此溫度傳感器與CC2530F256芯片連接方式如圖7所示。

此溫度傳感器為數字接口，可以直接與CC2530F256芯片P0.6接口相連，為了保證信號電平穩定可靠，增加一個上拉電阻R1。總體看來此電路簡潔、可靠，性價比高。

2.6 下位機信號放大及驅動模塊電路設計

此設計中水質改善設備有3個：補氧機、補水泵以及放水閘。這3個設備可以單獨工作，也可以聯動工作，可以快速改善水質，保障魚塘魚群安全。下位機發出的控制指令經過RS485總線到達設備端，經過D/A轉換模塊之后，又經過如圖8所示的信號放大及驅動電路之后，驅動相關繼電器工作，從而控制補氧機、補水泵或者放水閘工作。

3 ZigBee通信協議及系統軟件設計

3.1 ZigBee通信協議

如圖1所示，每一個ZigBee模塊將其所連接的溶解氧傳感器、pH傳感器、溫度傳感器以及氨氮濃度傳感器上傳的信號實時地通過2.4 GHz短距無線網絡傳遞給下位機（協調器）。ZigBee是基于IEEE 802.15.4標準的低功耗、低成本、低數據速率的短距無線通信技術［12］，在2.4 GHz頻段上有16個信道，數據傳輸速率到達250 kb/s；擁有自組網功能，可以輕松添加或者刪除節點，無須人工干預，非常適合用于組建無線傳感網絡，完全能滿足本案例需要。ZigBee支持星形、樹形和網狀3種網絡拓撲結構［13］，允許數據多節點轉發，即使某些節點失效也不會中斷通信［14］。本研究綜合考慮了實際網絡情況，認為樹形結構比較合適，其拓撲圖如圖9所示。

如圖9所示的子節點以CC2530F256為核心，能實時收集與其相接的溶解氧傳感器、pH傳感器、溫度傳感器以及氨氮濃度傳感器等傳感器的信號，之后匯聚到下位機（協調器）。下位機（協調器）通過4G網絡將信號實時發送到上位機，上位機根據收到的數據，做出相應的處理。

3.2 ZigBee網絡工作流程

以CC2530F256為核心的ZigBee網絡工作流程包括網絡啟動、節點加入和數據傳輸等步驟。

第一步（網絡建立）：下位機（協調器）負責建立和維護網絡。它通過應用層發起網絡形成的請求，調用NLME_NetworkFormationRequest函數開始新建網絡的過程；協調器在選擇網絡ID（PAN ID）和通信頻道時會盡量避免現有網絡的干擾，確保網絡的唯一性和穩定性。

第二步（節點加入）：CC2530F256可以作為路由器（Router）或終端設備（End Device）等各種節點加入ZigBee網絡。路由器負責轉發消息，終端設備則通常是網絡中的傳感器或控制器。

第三步（數據傳輸）：在ZigBee網絡中，數據通常被封裝成幀（Frame）進行傳輸。每一幀包含地址信息、序列號以及有效載荷（Payload）。數據包在網絡中的傳輸可以通過多種路由策略，如樹形路由（Tree Routing）或網狀路由（Mesh Routing），以確保數據從源節點有效地傳輸到目標節點。

第四步（網絡維護）：下位機（協調器）節點除了負責數據傳輸，還須要維護網絡的穩定性和完整性。這包括處理設備離開網絡的情況、網絡重組、信道干擾檢測等。

第五步（應用層交互）：在ZigBee網絡中，應用層可以定義特定的應用邏輯和行為。例如，可以定義傳感器節點定時采集數據并發送給下位機（協調器），下位機（協調器）再將數據轉發給上位機或云平臺進行處理和分析。

協調器工作流程如圖10所示。

終端節點工作流程如圖11所示。

3.3 ZigBee端軟件設計

ZigBee端代碼主要任務是定期讀出溶解氧傳感器、pH傳感器、溫度傳感器以及氨氮濃度傳感器的實時信息數據，并對相關數據進行處理和校驗，之后將得到的數據打包成一個消息，并附上獨立ID以及時間戳，之后把數據發送到ZigBee網絡。具體工作流程如圖12所示。

3.4 下位機軟件設計

此項目下位機（協調器）采用了一塊以STM32F103為核心的嵌入式開發平臺。此平臺主要作用是接收ZigBee網絡各個節點或者路由器通過2.4 GHz無線網絡發送過來的所有溶解氧傳感器、pH傳感器、溫度傳感器以及氨氮濃度傳感器的實時信息數據包，之后此下位機（協調器）會對相關數據包進行解包、解析，并校驗數據是否正確。如果錯誤，會向各個節點提出重發申請；如果正確就會按照4G數據格式對數據進行二次封裝（打包），再通過4G網絡把數據發送給上位機。如果發送成功，再次處于上游數據監聽狀態；如果失敗會報錯，同時請求數據重發。具體工作流程如圖13所示。

3.5 上位機軟件設計

此項目上位機采用了一塊以STM32F407ZG為核心的嵌入式開發平臺。此平臺主要作用是實時監聽下位機從4G網絡傳來的各種傳感器信息，如果數據接收失敗會向下位機申請數據重發；如果數據接收成功，就對所接收數據進行解包，并校驗。如果接收數據錯誤會再次向上位機申請數據重發；如果接收的數據正確，上位機會讓接收數據與各種閾值進行比較。如果數據未超過閾值，則繼續監聽、處理下位機傳來的數據；如果數據超過閾值，上位機會發出指令控制聲、光報警提醒工作人員，讓其擇情干預，同時也會根

據實際超標量實時啟動補氧機、補水泵、放水閘等分別工作或者協同工作，快速改善魚塘水質，讓魚塘pH酸堿度、氨氮濃度值、氧濃度值、溫度值很快恢復到正常值。具體工作流程如圖14所示。

4 系統測試

4.1 實驗條件

此項目中有關魚塘水質檢測及管理的實驗均在實驗室環境下完成，通過人工干預模擬昆明地區魚塘氨氮濃度、溶解氧濃度、溫度、pH酸堿度及其變化情況，統計設備響應速度以及參數恢復速度等關鍵數據，最終得到關鍵結論。

4.2 實驗及結論

4.2.1 綜合實驗

2024年3月對昆明市呈貢區2個魚塘進行參數測量，選擇早上8：00、中午12：00、晚上8：00進行參數測量（取水下0.5 m數據），取平均值，得到如表1—2所示的數據。

模擬實驗相關水質參數按照上述2個表中相關參數取平均值進行配置：溶解氧濃度6 mg/L，pH酸堿度7.2，溫度19 ℃，氨氮濃度0.8 mg/L。設備閾值設置：溶解氧濃度在5 mg/L以下補氧機工作；溶解氧濃度低于5 mg/L，并且氨氮濃度升高到1.5 mg/L以上，補氧機工作并且抽水泵會半功率工作，放水閥會半開放水；溶解氧濃度低于4.5 mg/L或者氨氮濃度升高到3 mg/L以上或者水溫高于27 ℃（上述參數也可能同時超標），補氧機工作，并且抽水泵和放水閥會全功率工作。

通過實驗獲得如下結果，具體如表3所示。

通過5天22次的模擬實驗，得出如下的規律或結論：

（1）水溫升高到22 ℃之后，當溶解氧濃度低于5 mg/L，補氧機會工作，一般在3 min左右溶解氧濃度會重新回到5 mg/L之上。

（2）當水溫升高到24 ℃之后，溶解氧濃度基本上會低于5 mg/L，并且氨氮濃度會升高到1.5 mg/L以上，此時程序會控制補氧機工作，同時抽水泵會半功率工作補水，放水閥會半開，一般能在2 min之內就把溶解氧濃度和氨氮濃度調整到指標線之下。

（3）當水溫升高到27 ℃之后，溶解氧濃度基本上會低于5 mg/L，并且氨氮濃度會升高到1.5 mg/L以上，此時程序會控制補氧機工作，同時抽水泵會全功率工作補水，放水閥會全開放水，一般能在2～3 min就把溫度、溶解氧濃度和氨氮濃度調整到指標線之下。

（4）一般在室溫環境下，5 min水溫會下降0.2～0.5 ℃，但是加入了補水和放水環節之后，水溫一般能在2～3 min下降3～4 ℃，同時溶解氧會更快得到補充，氨氮濃度會迅速稀釋，說明此項目軟硬件設計合理，設計方案正確可行。

（5）從上述實驗結果綜合來看，此項目整個系統ZigBee模塊、上位機，下位機硬件選擇、設計合理、可靠；通信協議選擇、設置合理；軟件代碼正確、穩定，完全能滿足項目要求。

（6）經過實驗發現，在正常環境溫度范圍內，水溫的升高或降低對pH酸堿度影響甚微（此次實驗中18～28℃范圍內pH酸堿度波動在0.1以內）。因此，有關魚塘pH酸堿度的模擬測試須要單獨進行。

4.2.2 pH酸堿度實驗

pH酸堿度實驗得到的比較有代表性的數據如表4所示。

實驗中注入的水，其水質參數如下：水溫19 ℃；溶解氧濃度5.3 mg/L；氨氮濃度1.0 mg/L；pH酸堿度7.1。在不同時段進行了12次類似于如表4所示的實驗，得出如下規律或結論：

（1）在實驗環境下，pH酸堿度與溶解氧濃度、溫度和氨氮濃度3個參數的關聯度不強。

（2）對于pH酸堿度變化，本設計采用的方法是控制抽水泵補水，控制放水閥放水；一般能在15～20 min把pH酸堿度調整到初始值附近，在5 min以內就可以把pH酸堿度調整到6.5～8.5的閾值范圍之內。

（3）本項目相關軟、硬件能夠實時檢測到pH酸堿度、溶解氧濃度、溫度和氨氮濃度等參數信息，并能通過2.4 GHz局域網和4G網絡快速傳遞信息，ZigBee節點、上位機、下位機均能對信息進行快速、正確的處理，網絡工作穩定、可靠，項目實時性好，性能達標，完全滿足了設計規劃要求。

5 結語

本研究項目專注于利用無線傳感器網絡技術對魚塘水質進行有效的監控和管理。通過部署各種傳感器節點，如溶解氧濃度、溫度、pH酸堿度和氨氮濃度傳感器，成功地實現了對魚塘水質關鍵參數的實時監測。這些傳感器節點通過無線局域網和4G網絡將數據發送到中央控制系統。該系統對數據進行分析，并根據預設的閾值做出決策，從而自動化管理魚塘的供氧、供水和排水，達到穩定溶解氧濃度、溫度、pH酸堿度和氨氮濃度的目的。

研究表明，無線傳感器網絡是一種高效且可靠的工具，可用于水質監測和水產養殖管理。實時數據的收集和分析可以顯著提高魚塘管理的效率，并減少人工干預的需求。此外，該系統的設計具有可擴展性和靈活性，可根據不同規模的魚塘進行調整。

盡管該項目取得了一定的成果，但仍存在一些挑戰須要克服。例如，無線通信在惡劣天氣下的可靠性；應進一步引入大數據、云計算功能，針對養魚種類、氣候環境、地質條件等情況不同，可以智能化地調整各種參數或者閾值，真正提高所有魚的飼養存活率，并且全面提升養魚收益率等。未來的工作將集中于優化系統性能，并探索更多的智能化管理策略。

總體而言，本項目為魚塘水質管理提供了一種創新的解決方案，具有廣闊的應用前景。隨著技術不斷發展，無線傳感器網絡將在智能農業和精準漁業中發揮越來越重要的作用。

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Study on wireless sensor network for water-quality management of fish pond

Abstract： With the rapid development of aquaculture， the management of fish pond water quality has become a key factor in ensuring the efficiency and quality of breeding. This paper discusses the design and application of a fish pond water quality monitoring system based on a wireless sensor network. The system integrates various water quality sensors， such as dissolved oxygen， pH value， temperature， and ammonia nitrogen concentration sensors， to monitor the water quality parameters of the fish pond in real time. Sensor nodes transmit the collected data by wireless to the aggregation nodes， which then send the data to a remote monitoring center， enabling remote monitoring and management of water quality. The system uses self-organizing network technology， which can adapt to the complex and variable environment of the fish pond， reduce wiring costs， and enhance the flexibility of monitoring. In addition， the research also involves data processing algorithms and early warning mechanisms to detect water quality abnormalities in a timely manner and take corresponding measures to ensure that the water quality remains within the suitable range for breeding. Through testing， the system has effectively improved the efficiency and accuracy of fish pond water quality management， which is of great significance for promoting the intelligent development of the aquaculture industry.

Key words： wireless sensor network; water quality monitoring system; water quality parameters; sensor node，; self-organizing network technology; data processing algorithms and early warning mechanism