張 瑩，肖令祿

(渭南師范學(xué)院 數(shù)理學(xué)院，陜西 渭南 714099)

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【現(xiàn)代應(yīng)用技術(shù)研究】

基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的水產(chǎn)養(yǎng)殖水質(zhì)監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計(jì)

張 瑩，肖令祿

(渭南師范學(xué)院 數(shù)理學(xué)院，陜西 渭南 714099)

基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的水產(chǎn)養(yǎng)殖水質(zhì)監(jiān)測系統(tǒng)，以S3C2440為控制核心，利用CC2530組建無線通信網(wǎng)絡(luò)，采用JF-D400A型多參數(shù)水質(zhì)傳感器采集水溫、pH值、溶氧量和鹽度數(shù)據(jù)，通過網(wǎng)關(guān)上的3G模塊將監(jiān)測數(shù)據(jù)傳送到遠(yuǎn)程監(jiān)控中心做進(jìn)一步處理。該系統(tǒng)可有效保障水產(chǎn)養(yǎng)殖安全，減輕人力勞動強(qiáng)度，在提高水產(chǎn)養(yǎng)殖效益方面發(fā)揮積極作用。

CC2530；水產(chǎn)養(yǎng)殖；水質(zhì)監(jiān)測

隨著農(nóng)村勞動力的轉(zhuǎn)移和農(nóng)業(yè)生產(chǎn)方式的轉(zhuǎn)變，我國已進(jìn)入農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整的關(guān)鍵時(shí)期，水產(chǎn)養(yǎng)殖業(yè)也從傳統(tǒng)的粗放式放養(yǎng)向?qū)I(yè)化、規(guī)?；?、集約化方向發(fā)展[1]。在水產(chǎn)養(yǎng)殖過程中，水質(zhì)的好壞直接關(guān)系到養(yǎng)殖過程中的安全性和水產(chǎn)品的產(chǎn)量及品質(zhì)。由于集約化養(yǎng)殖密度大，對水質(zhì)提出了更為嚴(yán)格的要求，當(dāng)水質(zhì)出現(xiàn)問題時(shí)，往往會造成無法挽回的經(jīng)濟(jì)損失。傳統(tǒng)的水質(zhì)監(jiān)測通常采用采樣化學(xué)分析法，存在費(fèi)時(shí)費(fèi)力、監(jiān)測周期長、監(jiān)測范圍有限等缺陷，無法實(shí)時(shí)監(jiān)測水質(zhì)的動態(tài)變化。采用RS485、CAN總線的多參數(shù)水質(zhì)在線監(jiān)測系統(tǒng)具有成本低、監(jiān)測范圍廣、實(shí)時(shí)性好等特點(diǎn)，但存在布線困難、維護(hù)擴(kuò)展不便且線路易受腐蝕等問題[2]。ZigBee是一種近年來新興的無線通信協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)，具有低成本、低功耗、低復(fù)雜度、自組網(wǎng)以及雙向傳輸?shù)忍匦?，是一個(gè)比較完善的近距離無線通信協(xié)議[3]。它利用無線電波以接力的方式將數(shù)據(jù)從一個(gè)節(jié)點(diǎn)發(fā)送到另一個(gè)節(jié)點(diǎn)，通信效率高，能量消耗少。目前，已廣泛應(yīng)用于智能家居、工業(yè)控制、農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和醫(yī)療看護(hù)等領(lǐng)域。本文提出了一種基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的水產(chǎn)養(yǎng)殖水質(zhì)監(jiān)測系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案，該系統(tǒng)以S3C2440為控制核心，通過ZigBee構(gòu)建無線傳輸網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)養(yǎng)殖水體溫度、pH值、溶解氧等參數(shù)的實(shí)時(shí)采集、無線傳輸和遠(yuǎn)程監(jiān)測等功能，具有監(jiān)測點(diǎn)布置靈活、監(jiān)測范圍廣、穩(wěn)定性好等特點(diǎn)。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)方案

整個(gè)監(jiān)測系統(tǒng)由傳感器節(jié)點(diǎn)、匯聚節(jié)點(diǎn)、嵌入式網(wǎng)關(guān)和遠(yuǎn)程監(jiān)測中心組成，結(jié)構(gòu)如圖1所示。傳感器節(jié)點(diǎn)部署在監(jiān)測區(qū)域內(nèi)，以自組織方式構(gòu)建傳感器網(wǎng)絡(luò)，將采集到的數(shù)據(jù)以無線方式發(fā)送到匯聚節(jié)點(diǎn)。匯聚節(jié)點(diǎn)負(fù)責(zé)傳感器網(wǎng)絡(luò)的組建和節(jié)點(diǎn)信息的管理，并將采集到的數(shù)據(jù)通過RS232串口傳輸?shù)角度胧骄W(wǎng)關(guān)。網(wǎng)關(guān)負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)的存儲、處理和轉(zhuǎn)發(fā)，通過3G模塊接入Internet，可將數(shù)據(jù)傳輸?shù)竭h(yuǎn)程控制中心進(jìn)行分析、處理和圖形化顯示；同時(shí)，網(wǎng)關(guān)中移植了嵌入式Web服務(wù)器，用戶可通過計(jì)算機(jī)或手持終端實(shí)現(xiàn)水質(zhì)實(shí)時(shí)遠(yuǎn)程監(jiān)測。

圖1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)方案

2 主要硬件選型及電路設(shè)計(jì)

2.1 水質(zhì)監(jiān)測傳感器選型

水產(chǎn)養(yǎng)殖過程中需要對水溫、溶解氧、pH值和鹽度等主要水質(zhì)指標(biāo)進(jìn)行監(jiān)測。以鰱、鳙、草、鯉、鯽等溫水性魚類養(yǎng)殖為例，其適宜水溫為20℃～32℃，溶解氧不小于3 mg/L，pH值介于7.5～8.5之間，鹽度不高于3‰[4-5]。目前，國內(nèi)市場上銷售的水質(zhì)傳感器包括單一參數(shù)檢測傳感器和多參數(shù)檢測傳感器兩大類。設(shè)計(jì)中選用上海質(zhì)晶電子科技有限公司的JF-D400A型四合一多參數(shù)水質(zhì)傳感器，該傳感器工作電壓+5V/+12V可選，支持RS485和MODBUS總線通訊協(xié)議，采用電極和變送器一體化設(shè)計(jì)，防水等級IP68，可直接投入水中，通過匹配參數(shù)的選擇，可實(shí)現(xiàn)溫度、pH值、溶解氧和鹽度等4種參數(shù)的測定，具有測量精度高，響應(yīng)速度快、重復(fù)性好、安裝調(diào)試方便等特點(diǎn)。

2.2 ZigBee節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)

ZigBee無線通信網(wǎng)絡(luò)中的匯聚節(jié)點(diǎn)和終端節(jié)點(diǎn)在電路結(jié)構(gòu)上是一樣的，設(shè)計(jì)中選用網(wǎng)蜂科技的ZigBee串口透傳模塊。該模塊采用TI公司的CC2530F256作為主控芯片，運(yùn)行Z-stack 2007 PRO協(xié)議棧，工作在免費(fèi)的ISM 2.4 GHz頻段；具有Debug接口，兼容TI標(biāo)準(zhǔn)仿真工具，引出了全部的I/O接口，便于同各種傳感器監(jiān)測電路、繼電器控制電路相連接；包含天線接口及巴比倫匹配電路，使用2.4 G全向天線，射頻通路指標(biāo)優(yōu)良，可靠傳輸距離最遠(yuǎn)可達(dá)250 m，自動重連距離達(dá)110 m?？紤]到室外監(jiān)測的需要，節(jié)點(diǎn)采用太陽能板和7 V鋰電池供電，通過LM7805和LM1117分別得到5.0 V和3.3 V直流電壓，其中5.0 V用于為水質(zhì)傳感器供電，3.3 V為CC2530供電，具體電路見參考文獻(xiàn)[6]。此外，由于ZigBee節(jié)點(diǎn)不支持RS485總線通訊協(xié)議，在與傳感器連接時(shí)，需要設(shè)計(jì)3.3 V TTL電平與RS485信號轉(zhuǎn)換電路[7]，電路如圖2所示。

圖2 CC2530與水質(zhì)傳感器RS485接口電路

圖2中，專用集成芯片MAX13487用于完成RS485到3.3 V TTL電平的轉(zhuǎn)換，R7、R8、R9、L1、L2、D1、D2、D3等組成RS485總線匹配電路，U1和U2兩個(gè)光耦用于RS485總線和CC2530的隔離，R2和R3構(gòu)成電壓采集電路，以分壓的方式將電壓信息傳輸至CC2530的P0.0口進(jìn)行采樣。

2.3 嵌入式網(wǎng)關(guān)設(shè)計(jì)

網(wǎng)關(guān)是水質(zhì)監(jiān)測系統(tǒng)的控制核心，負(fù)責(zé)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的存儲、處理和轉(zhuǎn)發(fā)，主要由ARM微處理器、華為EC12613G模塊、存儲單元、電源管理單元和人機(jī)交互接口等組成，如圖3所示。為降低系統(tǒng)開發(fā)難度，設(shè)計(jì)中選用友善之臂的Micro2440開發(fā)板，該開發(fā)板的核心處理器采用三星公司的S3C2440，板載64 M的SDRAM和256 M的NAND Flash，一個(gè)USB接口用于連接3G模塊，兩個(gè)UART接口分別用于連接匯聚節(jié)點(diǎn)和上位機(jī)。匯聚節(jié)點(diǎn)傳送過來的傳感器數(shù)據(jù)經(jīng)處理后保存到存儲單元中，并通過3G模塊傳輸?shù)竭h(yuǎn)程監(jiān)控中心。同時(shí)，網(wǎng)關(guān)中移植了嵌入式Web服務(wù)器Boa，用戶可以通過手持終端或計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)監(jiān)測數(shù)據(jù)的遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)訪問。

圖3 嵌入式網(wǎng)關(guān)硬件結(jié)構(gòu)圖

3 軟件設(shè)計(jì)

3.1 ZigBee無線通信網(wǎng)絡(luò)軟件設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)中ZigBee無線通信網(wǎng)絡(luò)包含1個(gè)網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器和4個(gè)終端節(jié)點(diǎn)，采用星型網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，軟件設(shè)計(jì)在IAR Embedded Workbench環(huán)境下完成，用C語言開發(fā)，協(xié)議棧選用TI公司的ZStack- CC2530- 2.3.0.1.4.0，整個(gè)設(shè)計(jì)過程基于SampleApp.eww工程進(jìn)行。

協(xié)調(diào)器作為數(shù)據(jù)匯聚節(jié)點(diǎn)不采集水質(zhì)數(shù)據(jù)，主要負(fù)責(zé)網(wǎng)絡(luò)的建立和管理，偵聽并等待終端節(jié)點(diǎn)加入網(wǎng)絡(luò)，對已加入網(wǎng)絡(luò)的終端節(jié)點(diǎn)分配地址，接收來自于節(jié)點(diǎn)的傳感器數(shù)據(jù)并通過UART1發(fā)送到網(wǎng)關(guān)，軟件設(shè)計(jì)流程如圖4(a)所示。終端節(jié)點(diǎn)在上電后將自動搜索并加入?yún)^(qū)域內(nèi)的ZigBee網(wǎng)絡(luò)，以30 min時(shí)間間隔周期性地采集傳感器數(shù)據(jù)并以無線射頻的方式發(fā)送給協(xié)調(diào)器，每次采集完成后關(guān)閉傳感器電源并進(jìn)入休眠狀態(tài)以減少能耗，當(dāng)下一次采集時(shí)間到，節(jié)點(diǎn)將自動喚醒并開始新一輪采集工作，流程如圖4(b)所示。

3.2 網(wǎng)關(guān)軟件設(shè)計(jì)

網(wǎng)關(guān)軟件設(shè)計(jì)包括操作系統(tǒng)和應(yīng)用程序兩部分[8]，其體系結(jié)構(gòu)如圖5所示?？紤]到Linux內(nèi)核良好的性能和開源特性，選用嵌入式Linux作為網(wǎng)關(guān)的操作系統(tǒng)。主要設(shè)計(jì)內(nèi)容包括BootLoader的移植、Linux內(nèi)核的配置、3G模塊及其他外圍硬件設(shè)備驅(qū)動程序的添加、內(nèi)核的編譯及下載等。應(yīng)用程序主要完成ZigBee網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)的匯集、數(shù)據(jù)存儲、處理及3G網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)等，同時(shí)，通過移植嵌入式Web服務(wù)器Boa，便于用戶通過網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)測。

圖5 嵌入式網(wǎng)關(guān)軟件體系結(jié)構(gòu)

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

系統(tǒng)測試于2016年7月中旬在陜西渭南市渭北某魚塘進(jìn)行，實(shí)驗(yàn)過程中在75 m×52 m大小的魚塘中部署4個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)，設(shè)置每隔30 min采集并發(fā)送一次數(shù)據(jù)，自上午9∶00至12∶00連續(xù)監(jiān)測3小時(shí)，其中，節(jié)點(diǎn)1的測試結(jié)果如表1所示。

表1 測試結(jié)果

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該魚塘水質(zhì)符合養(yǎng)殖標(biāo)準(zhǔn)，適宜鯉魚、草魚、鯽魚和白鰱等溫水性魚類的生長。

5 結(jié)語

本文使用無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)ZigBee完成了水產(chǎn)養(yǎng)殖水質(zhì)監(jiān)測系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，該系統(tǒng)使用CC2530組建無線數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡(luò)，通過分布于養(yǎng)殖水域的傳感器探測節(jié)點(diǎn)，獲取水溫、pH值、溶解氧和鹽度數(shù)據(jù)，將匯聚節(jié)點(diǎn)收集到的傳感器數(shù)據(jù)通過串口發(fā)送到網(wǎng)關(guān)，利用網(wǎng)關(guān)上的3G模塊可將數(shù)據(jù)傳送至遠(yuǎn)程監(jiān)控中心作進(jìn)一步分析處理。同時(shí)，通過網(wǎng)關(guān)上的嵌入式Web服務(wù)器，用戶可通過手持終端或計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)水質(zhì)的遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)監(jiān)測。該系統(tǒng)可有效保障水產(chǎn)養(yǎng)殖安全，減輕人力勞動強(qiáng)度，在提高水產(chǎn)養(yǎng)殖效益方面將發(fā)揮積極作用。

[1] 曾洋泱,匡迎春,沈岳,等.水產(chǎn)養(yǎng)殖監(jiān)控技術(shù)研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢[J].漁業(yè)現(xiàn)代化,2013,40(1):40-44.

[2] 黃建清,王衛(wèi)星,姜晟,等.基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的水產(chǎn)養(yǎng)殖水質(zhì)監(jiān)測系統(tǒng)開發(fā)與試驗(yàn)[J].農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào),2013,20(4):183-190.

[3] Li Hongchun, Zhao Xiaoguang, Tan Min. A method for structure analysis of ZigBee network using node addresses[C].Intelligent Control and Automation (WCICA),2010.1419-1424.

[4] 李海.魚塘水質(zhì)的4項(xiàng)指標(biāo)[J].水產(chǎn)養(yǎng)殖,2008,(8):27.

[5] 尤宏?duì)?鄭艷坤,尤廣超.不同鹽度對魚類養(yǎng)殖生物學(xué)的影響研究進(jìn)展[J].河北漁業(yè),2013,(3):47-52.

[6] 王曉靜.三端集成穩(wěn)壓器及應(yīng)用[J].電子測試,2009,(9):74-77.

[7] 曾國寶,劉美岑.基于物聯(lián)網(wǎng)的水產(chǎn)養(yǎng)殖水質(zhì)實(shí)時(shí)監(jiān)測系統(tǒng)[J].計(jì)算機(jī)系統(tǒng)應(yīng)用,2013,22(6):53-56.

[8] 包啟明,陳益民,蘇保蘭.基于ZigBee和3G的遠(yuǎn)程監(jiān)測系統(tǒng)的設(shè)計(jì)[J].計(jì)算機(jī)測量與控制,2014,22(10):3171-3173.

【責(zé)任編輯 牛懷崗】

Design of Aquacultural Water Quality Monitoring System Based on Wireless Sensor Network

ZHANG Ying, XIAO Ling-lu

(School of Mathematics and Physics, Weinan Normal University, Weinan 714099, China)

A water quality monitoring system based on wireless sensor network was designed.The system takes S3C2440 as the control core, set up wireless communication network with CC2530, using JF-D400A multi parameter water quality sensor to collect temperature, pH value, dissolved oxygen and salinity data, and the monitoring data can be transmitted to the remote monitoring center for further processing by the 3G module on the gateway.The system can effectively protect the safety of aquaculture, reduce labor intensity, and will play a positive role in improving the efficiency of aquaculture.

CC2530; aquaculture; water quality monitoring

TP274

A

1009-5128(2016)19-0049-05

2016-08-21

渭南師范學(xué)院特色學(xué)科建設(shè)項(xiàng)目：電氣工程與秦東工業(yè)(14TSXK07)；渭南師范學(xué)院自然科學(xué)基金項(xiàng)目：無線傳感器網(wǎng)絡(luò)在渭南地區(qū)水質(zhì)監(jiān)測中的應(yīng)用研究(16YKP005)；渭南師范學(xué)院自然科學(xué)基金項(xiàng)目：物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)中的應(yīng)用研究(16YKS013)

張瑩(1980—),女,河北滄州人,渭南師范學(xué)院數(shù)理學(xué)院講師,工學(xué)碩士,主要從事工業(yè)自動化、智能控制研究。