周皓東，黃 燕，劉 煒

(江西省科學院 高科技開發(fā)中心，江西 南昌330029)

0 引 言

近年來，工業(yè)發(fā)展在帶來經(jīng)濟高速增長的同時給環(huán)境也造成一定的影響。水域養(yǎng)殖環(huán)境呈現(xiàn)一定程度的惡化趨勢，漁業(yè)養(yǎng)殖中大面積的魚蝦死亡事件時有發(fā)生，給養(yǎng)殖戶帶來極大的損失。對養(yǎng)殖環(huán)境的實時監(jiān)測有助于養(yǎng)殖戶及時了解水產(chǎn)品的生活環(huán)境，在出現(xiàn)問題時及時采取相應措施，在漁業(yè)養(yǎng)殖中起著決定性作用［1，2］。

傳統(tǒng)的水質(zhì)監(jiān)測方法為分別用各種溫度、pH 值等測量儀置于水中，人工進行測量，此類方法耗時耗勞動力;近年來，大量學者將無線傳感器網(wǎng)絡應用在水質(zhì)監(jiān)測系統(tǒng)中，這類方法較傳統(tǒng)方法而言更加智能化，且監(jiān)測精度更高，更加適合數(shù)據(jù)的分析與對比［3，4］。

有學者提出無線傳感器網(wǎng)絡利用現(xiàn)場總線進行數(shù)據(jù)的傳輸，可靠性高，但此類方法布線過多，不適合大范圍的水質(zhì)監(jiān)測［5］。還有學者提出利用Zig Bee 進行多跳式的通信［6］，但此類方法傳輸帶寬相對較窄，傳輸范圍相對較小，抗干擾性相對較弱。

WiFi 是近年來越來越流行的一種無線通信網(wǎng)絡，目前大量學者將其應用在不同領域進行數(shù)據(jù)傳輸［7，8］。雖然Zig Bee 的使用比其要早，但使用范圍和使用熱度不如WiFi，因為WiFi 的傳輸帶寬更寬，傳輸距離更長，抗干擾性更強。

本文將WiFi 應用于水質(zhì)監(jiān)測系統(tǒng)的無線傳感器網(wǎng)絡中，使系統(tǒng)更加智能化、無線化，實現(xiàn)了對溫度、pH 值、溶解氧等水質(zhì)參數(shù)的實時采集與監(jiān)控。

1 系統(tǒng)總體設計

1.1 水質(zhì)環(huán)境條件要求

經(jīng)過分析調(diào)查，水產(chǎn)漁業(yè)對水質(zhì)的監(jiān)測主要需求為:對溫度、pH 值、溶解氧濃度這些參數(shù)發(fā)生變化或不符合標準，將嚴重影響水產(chǎn)品的質(zhì)量和產(chǎn)量［9］，因此，需對此類參數(shù)通過進行實時監(jiān)控。

1.2 系統(tǒng)結構設計

本系統(tǒng)主要由水質(zhì)數(shù)據(jù)采集層、數(shù)據(jù)匯集層、監(jiān)測中心層構成，水質(zhì)數(shù)據(jù)采集層是由測溫度、pH 值、溶解氧濃度的相應傳感器組成的，將其部署在水中，實現(xiàn)對相關參數(shù)的采集，再通過WiFi 將所采集數(shù)據(jù)發(fā)送至AP 節(jié)點進行數(shù)據(jù)匯聚，再由AP 節(jié)點通過WiFi 將匯集數(shù)據(jù)發(fā)送至監(jiān)測中心。系統(tǒng)的整體構架圖如圖1 所示。

2 WiFi 節(jié)點硬件設計

WiFi 又稱IEEE 802.11b 標準，IEEE 802.11b 無線網(wǎng)絡規(guī)范是對IEEE 802.11 的改進，其最高帶寬為11 Mbps。在信號較弱或有干擾時，可自動調(diào)整為5.5，2 或1 Mbps［10］。本系統(tǒng)中帶寬為11 Mbps。

本系統(tǒng)需完成對終端節(jié)點、AP 節(jié)點的制作，并且需實現(xiàn)將各個傳感器所采集到的數(shù)據(jù)通過WiFi 傳輸至上位機，實現(xiàn)上位機對溫度、pH 值、溶解氧濃度等參數(shù)的實時監(jiān)測。

2.1 電源模塊

本系統(tǒng)中各個模塊所需的工作電壓均為3.3 V，因此，可用2 節(jié)AA 電池通過電壓轉(zhuǎn)換電路得到3.3 V，從而避免了使用市電供電，使系統(tǒng)更加無線化。

2.2 WiFi 無線通信模塊

本模塊采用的是GainSpan 公司的GS1011 片上系統(tǒng)，其內(nèi)部集成了WiFi 物理層，裝上天線和射頻功放即可完成數(shù)據(jù)的接收與發(fā)送，該芯片功耗超低，為雙ARM7 核結構，其中一個用于處理數(shù)據(jù)鏈路層和物理層的工作，一個用于實現(xiàn)軟件應用［11］。芯片內(nèi)嵌的FLASH 和SRAM 用于儲存程序和數(shù)據(jù)，編程和調(diào)試可通過JTAG 口實現(xiàn);ADC，I2C 總線，GPIO 等接口用于接收來自傳感器采集到的數(shù)據(jù)信息，實現(xiàn)通過串口與單片機通信，其工作電壓為3.3 V。WiFi無線通信模塊電路圖如圖2 所示。

2.3 處理器模塊

本次通與終端節(jié)點相連的處理器采用STC89LE52C 單片機。該單片機IO 口可模擬I2C 接口來接收傳感器模塊采集到的數(shù)據(jù)信息，其工作電壓為3.3 V。AP 節(jié)點無需處理器。

圖2 WiFi 電路圖Fig 2 WiFi circuit

2.4 串口模塊

串口模塊采用MAX232 實現(xiàn)了單片機模塊和WiFi 模塊之間的通信，并通過USB 轉(zhuǎn)串口進行程序配置，串口電路如圖3 所示。

圖3 串口電路圖Fig 3 Serial circuit

2.5 傳感器模塊

本設計中采用美國Dallas 半導體公司生產(chǎn)的DS18B20數(shù)字化溫度傳感器，適用電壓范圍為3.0～5.5 V;通過串行數(shù)據(jù)線DQ 與單片機的P1.2 口相連實現(xiàn)溫度數(shù)據(jù)的傳輸。DQ 上需接一只4.7 kΩ 上拉電阻器，以實現(xiàn)對DS18B20 的控制，完成讀寫溫度數(shù)據(jù)功能。

pH 值傳感器采用雷磁E—201—C 型pH 復合電極，溶解氧濃度傳感器采用雷磁公司的DO—955 溶氧電極，傳感器終端與單片機連接的電路原理圖如圖4 所示。

3 節(jié)點軟件設計

在系統(tǒng)中，IEEE 802.11b 采用的是Infrasture 組網(wǎng)模式，通信協(xié)議為TCP/IP，具體目標是為實現(xiàn)將傳感器采集到的數(shù)據(jù)匯聚到AP 節(jié)點，在通過WiFi 后傳輸至監(jiān)測中心。

具體的軟件設計步驟為:首先通過gs_flashprogram 軟件編寫WiFi Protected Setup(WPS)程序，且在程序中內(nèi)嵌TCP/IP 協(xié)議，將該程序燒寫入GS1011 模塊;然后，通過Keil 軟件對單片機進行編程設計，其軟件結構由AT 指令，各傳感器的程序和API 接口組成。在本系統(tǒng)中，傳感器節(jié)點定時向AP 節(jié)點發(fā)送數(shù)據(jù)，AP 節(jié)點定時接收，并通過WiFi 傳輸至監(jiān)測中心的上位機，實現(xiàn)對水質(zhì)的溫度、pH值、溶解氧濃度等參數(shù)的實時監(jiān)測。

圖4 傳感器與單片機接線電路原理圖Fig 4 Principle diagram of sensor and MCU wiring circuit

系統(tǒng)每30 min 采集一次水質(zhì)參數(shù)，因此，可通過定時器來控制終端節(jié)點連續(xù)給AP 節(jié)點的工作狀態(tài)，當定時器被喚醒時，向上位機發(fā)送數(shù)據(jù)，定時器滿，停止發(fā)送，進入休眠狀態(tài)，等待下一次定時器被喚醒。在進入休眠狀態(tài)時，終端節(jié)點與AP 節(jié)點處于中斷狀態(tài)，且傳感器暫時停止工作。由于IP 地址不一樣，因此，傳輸數(shù)據(jù)時不會造成數(shù)據(jù)的沖突，其軟件流程如圖5 和(a)，(b)所示。

圖5 節(jié)點軟件流程Fig 5 Node software process

4 管理系統(tǒng)的實現(xiàn)

系統(tǒng)的管理核心為上位機，主要需實現(xiàn)串口接收程序和上位機管理程序等功能，本系統(tǒng)上位機通過Microsoft Visual Studio 2010 軟件采用的是里面的MFC 應用程序框架進行設計的上位機程序。從而實現(xiàn)對傳感器設計查詢、數(shù)據(jù)接收、數(shù)據(jù)存放及歷史數(shù)據(jù)查詢等功能，當監(jiān)控人員登陸界面查找相關資料時，系統(tǒng)通過調(diào)用數(shù)據(jù)庫中的歷史數(shù)據(jù)，并且可以以視圖的形式將數(shù)據(jù)發(fā)送到客戶端，實現(xiàn)了遠程監(jiān)控功能。

5 系統(tǒng)測試

在某水產(chǎn)養(yǎng)殖基地對本設計系統(tǒng)進行了測試。實驗時部署了4 個終端節(jié)點，分別放在4 個養(yǎng)殖池中，部署2 個路由節(jié)點，溫度傳感器、pH 值傳感器、溶氧度傳感器集成在終端節(jié)點上。終端節(jié)點僅需2 節(jié)普通5 號電池。節(jié)點固定在魚塘中心位置，且內(nèi)離水面1 m 處。傳感器終端每隔30 min對水質(zhì)參數(shù)進行一次采樣，并將采樣數(shù)據(jù)發(fā)送至上位機后，自動進入休眠狀態(tài)，等待下一次采樣指令的盜壘。其溫度、pH 值、溶解氧濃度監(jiān)測結果如表1 所示。系統(tǒng)總體部署圖如圖6 所示。

6 結束語

本文將WiFi 應用于水質(zhì)監(jiān)測系統(tǒng)中，能夠?qū)崟r地采集溫度、pH 值、溶解氧等水質(zhì)參數(shù)，并通過WiFi 協(xié)議進行網(wǎng)絡傳輸，達到實時監(jiān)測水質(zhì)參數(shù)的目的。對水產(chǎn)養(yǎng)殖有很大的指導意義，但本系統(tǒng)只停留在監(jiān)測功能上，對水質(zhì)的改善仍然未實現(xiàn)智能化，因此，下一步的工作將側重于如何在后臺智能化地調(diào)節(jié)相應的水質(zhì)參數(shù)。

表1 監(jiān)測結果Tab 1 Monitoring results

圖6 系統(tǒng)總體部署圖Fig 6 Overall deployment diagram of system

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