姜 莉，曾寶國

（四川信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院 四川 廣元628000）

在水產(chǎn)人工養(yǎng)殖的過程中，為了給魚類創(chuàng)造適宜的生長環(huán)境，需要及時、準(zhǔn)確地掌握水質(zhì)參數(shù)。傳統(tǒng)的水質(zhì)檢測方式通過查、品、嗅、試紙測試等形式開展，時效性和準(zhǔn)確性都不高。本系統(tǒng)借助物聯(lián)網(wǎng)信息化技術(shù)手段，實現(xiàn)對對養(yǎng)殖水環(huán)境中對魚類生長發(fā)育極為重要的4個參數(shù)：水溫、酸堿度、溶氧量和水位進(jìn)行實時監(jiān)測與控制，從而降低魚類發(fā)病率，提高水產(chǎn)養(yǎng)殖效益。

1 工作原理

本設(shè)計采用感知控制層、傳輸通信層、應(yīng)用服務(wù)層三層架構(gòu)設(shè)計,如圖1所示。在水源地布置多個水上節(jié)點（水質(zhì)信息采集節(jié)點、水面視頻采集節(jié)點、水質(zhì)反饋控制節(jié)點、ZigBee無線網(wǎng)關(guān)），通過水質(zhì)信息采集節(jié)點實時采集PH值、水溫、水位、溶氧量等水質(zhì)參數(shù)，通過ZigBee終端節(jié)點上傳給無線網(wǎng)關(guān)，由后者送入PC處理，然后送入服務(wù)器；并同時通過IP Camera（網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)）采集水面視頻信息，由 WiFi方式送入（移動）服務(wù)器。運行于服務(wù)器上的信息管理系統(tǒng)對數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計、分析，并根據(jù)養(yǎng)殖用水管理要求實時預(yù)警、告警，并能自動下發(fā)控制指令到無線網(wǎng)關(guān)，然后由ZigBee網(wǎng)絡(luò)下發(fā)指令到水質(zhì)反饋控制節(jié)點，啟動增氧機(jī)或PH值調(diào)節(jié)設(shè)備、水泵等，實時調(diào)節(jié)養(yǎng)殖用水參數(shù)。管理人員可通過PC、平板電腦或PDA等方式可獲取實時水質(zhì)數(shù)據(jù)，并對設(shè)備進(jìn)行遠(yuǎn)程控制。

圖1 系統(tǒng)功能框圖Fig.1 System function

2 硬件設(shè)計

2.1 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)通訊模塊設(shè)計

本系統(tǒng)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)通訊模塊以TI公司CC2430為核心，主要包括CC2430最小系統(tǒng)、電源電路、射頻電路和IO口接口電路等部分，其中射頻部分電路原理如圖2所示。

由于本系統(tǒng)工作在2.4 GHz頻段，因此PCB設(shè)計需重點考慮分布參數(shù)的影響。本模塊PCB參考TI公司DataSheet設(shè)計，采用外置SMA天線，以提高傳輸距離。

圖2 射頻電路原理圖Fig.2 Principle of RF circuit

2.2 傳感器選型

以養(yǎng)殖用水為例，一般需要對水環(huán)境中的PH值、水位、溶氧量、溫度等基本參數(shù)進(jìn)行監(jiān)測[1]。本系統(tǒng)選用北京聯(lián)創(chuàng)開發(fā)的、具有測溫和溫度補償功能的PHl0、TSIO、WLIO、DOIO 4類智能傳感器來對水的PH值、水位、溶氧量、溫度等參數(shù)進(jìn)行監(jiān)測。4類傳感器均可通過RS485總線接收來自外部MCU的控制指令，然后返回測量參數(shù)，因而可以大大簡化感知層的設(shè)計工作。

3 軟件設(shè)計

3.1 感知層子系統(tǒng)

本系統(tǒng)的無線網(wǎng)絡(luò)基于Z-Stack協(xié)議棧完成，由于監(jiān)測點不多、分布范圍較窄，故采用星形網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中各終端節(jié)點與智能傳感器間通訊的協(xié)議幀格式如表 1、2所示。

表1 傳感器通訊協(xié)議[下行鏈路]Tab.1 Sensor communication protocol[down-link]

表2 傳感器通訊協(xié)議[上行鏈路]Tab.2 Sensor communication protocol[up-link]

3.2 傳輸層子系統(tǒng)

ZigBee無線網(wǎng)關(guān)用于完成管理控制、協(xié)議轉(zhuǎn)換以及數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)功能，可以支持WSN網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)協(xié)同和匯聚，并支持ZigBee,GPRS,TCP/IP 接入[2]。

網(wǎng)關(guān)的工作流程如圖3所示，系統(tǒng)加電啟動后，首先初始化應(yīng)用程序。GPRS交互模塊通過發(fā)送AT指令啟動GPRS模塊，設(shè)定串口的通信速率，建立socket連接準(zhǔn)備數(shù)據(jù)通信；TCP交互模塊后者通過讀取配置信息，建立socket連接,兩者均提供統(tǒng)一接口，主程序選擇啟動其中一項[3]。網(wǎng)關(guān)初始化完畢后監(jiān)聽網(wǎng)絡(luò)，等候外部事件中斷的產(chǎn)生，并通過判斷響應(yīng)的類型進(jìn)行相應(yīng)的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)動作。若接收到以太網(wǎng)數(shù)據(jù)，則判斷是否為管理平臺下達(dá)的命令，如果是則對命令進(jìn)行進(jìn)一步判斷；若此命令為獲取網(wǎng)關(guān)側(cè)信息的命令，則調(diào)用管理平臺交互模塊發(fā)送信息給管理平臺；若此命令為下達(dá)給傳感網(wǎng)的傳感網(wǎng)命令，則對命令進(jìn)行協(xié)議解析后，調(diào)用串口讀寫模塊將命令發(fā)送給匯聚節(jié)點。類似的，若通過匯聚節(jié)點獲取到了傳感網(wǎng)數(shù)據(jù)，則對傳感網(wǎng)數(shù)據(jù)進(jìn)行協(xié)議解析后，調(diào)用交互模塊將數(shù)據(jù)發(fā)送給管理平臺[4]。

圖3 網(wǎng)關(guān)工作流程Fig.3 Work flow of gateway

3.3 應(yīng)用層子系統(tǒng)

應(yīng)用層水質(zhì)監(jiān)控信息管理系統(tǒng)采用B/S架構(gòu)設(shè)計，通過WebService提供面向ZigBee/GPRS網(wǎng)關(guān)和用戶的服務(wù)。應(yīng)用層數(shù)據(jù)決策由專家數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)實現(xiàn)，它由知識庫、推理機(jī)、解釋器、人機(jī)界面、數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)等組成[5]。主要子系統(tǒng)包括水質(zhì)環(huán)境監(jiān)控子系統(tǒng)、專家決策及知識查詢子系統(tǒng)、系統(tǒng)配置子系統(tǒng)、在線技術(shù)支持子系統(tǒng)等。

4 結(jié)束語

綜上所述，本文首先闡述了基于物聯(lián)網(wǎng)的水質(zhì)監(jiān)測系統(tǒng)的設(shè)計原理，然后從硬件和軟件兩個方面分析了系統(tǒng)的設(shè)計。在系統(tǒng)測試過程中，對水質(zhì)監(jiān)測系統(tǒng)的準(zhǔn)確性和實時性進(jìn)行測試，測試結(jié)果表明該系統(tǒng)能每隔半個小時自動對水質(zhì)參數(shù)測量記錄,實現(xiàn)水質(zhì)的長時間在線測量,最遠(yuǎn)中繼傳輸距離達(dá)1.5公里，該系統(tǒng)還可根據(jù)實際需要增減終端節(jié)點，實現(xiàn)多參數(shù)監(jiān)測及反饋控制,具有良好的擴(kuò)展性及實用價值。

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