陳玉杰+劉培學(xué)+高穎

摘 要： 海參生長(zhǎng)對(duì)海水的各項(xiàng)參數(shù)具有較高的要求，近年來(lái)已出現(xiàn)多次由于環(huán)境不合適引起海參大量死亡的事件，設(shè)計(jì)一種海參養(yǎng)殖水質(zhì)自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)具有十分重要的意義。基于ZigBee無(wú)線網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)了海水水體溶解氧、溫度、pH值等參數(shù)的局域網(wǎng)采集及自組網(wǎng)絡(luò)傳輸，基于3G網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)的遠(yuǎn)傳及遠(yuǎn)程控制，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，運(yùn)行穩(wěn)定，經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用測(cè)試，系統(tǒng)能夠滿足養(yǎng)殖戶(hù)需要，極大地提高了海參養(yǎng)殖管理的效率。

關(guān)鍵詞： ZigBee組網(wǎng)； 3G遠(yuǎn)傳； 海參養(yǎng)殖； 水質(zhì)監(jiān)測(cè)

中圖分類(lèi)號(hào)： TN915?34 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A 文章編號(hào)： 1004?373X（2016）23?0100?04

Design of sea cucumber aquaculture water quality monitoring system

based on ZigBee network

CHEN Yujie1， LIU Peixue1， GAO Ying2

（1. Qingdao Huanghai University， Qingdao 266427， China； 2. Yantai University， Yantai 264005， China）

Abstract： The growth of sea cucumber has the high demand on the parameters of the sea water. The incidents of massive sea cucumber death caused by the unsuitable environment have occurred in recent years， therefore the design of a sea cucumber aquaculture water quality monitoring system has great importance. The LAN?based collection and Ad Hoc network transmission of the seawater dissolved oxygen， temperature， pH value and other parameters were realized based on ZigBee wireless network. The data remote transmission and remote control were realized based on 3G network. The system has simple structure and stable operation. The test results of the field application show that the system can satisfy the need of farmer and greatly improve the efficiency of sea cucumber aquaculture management.

Keywords： ZigBee networking； 3G remote transmission； sea cucumber aquaculture； water quality monitoring

0 引 言

青島海岸線長(zhǎng)，海水養(yǎng)殖面積大，海產(chǎn)品養(yǎng)殖尤其是海參養(yǎng)殖已成為青島海洋經(jīng)濟(jì)的重要支柱之一。近年來(lái)，黃島地區(qū)海參養(yǎng)殖池海水參數(shù)受自然條件影響有時(shí)候不適合海參生長(zhǎng)需要，導(dǎo)致海參大面積死亡，養(yǎng)殖戶(hù)遭受了上千萬(wàn)的經(jīng)濟(jì)損失，養(yǎng)殖戶(hù)迫切需要一種能夠自動(dòng)監(jiān)控養(yǎng)殖環(huán)境的設(shè)備。文獻(xiàn)[1]中設(shè)計(jì)了一種基于3G技術(shù)的海洋水產(chǎn)養(yǎng)殖動(dòng)態(tài)監(jiān)控系統(tǒng)，該系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)的遠(yuǎn)程采集，但是沒(méi)有考慮養(yǎng)殖池由多個(gè)小池組成，只能采集1個(gè)養(yǎng)殖池的參數(shù)。文獻(xiàn)[2]中設(shè)計(jì)了一個(gè)基于GSM的海水監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，缺點(diǎn)是只能通過(guò)短信獲取測(cè)量參數(shù)。文獻(xiàn)[3]中基于MSP430單片機(jī)設(shè)計(jì)了一種低功耗的海水溫度測(cè)量系統(tǒng)，本文主要介紹了MSP430單片機(jī)的低功耗工作方式，僅測(cè)量了海水溫度。綜合來(lái)看，目前已有的系統(tǒng)主要存在著測(cè)量參數(shù)單一、布線復(fù)雜等眾多缺點(diǎn)，為解決現(xiàn)有技術(shù)的不足，本文設(shè)計(jì)了一種基于ZigBee網(wǎng)絡(luò)的海參養(yǎng)殖水質(zhì)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)[4]，對(duì)各養(yǎng)殖池的海水參數(shù)進(jìn)行不間斷的采集、匯總，采用3G技術(shù)實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)上傳至監(jiān)控中心，所述方案實(shí)現(xiàn)了低能耗、高精度監(jiān)測(cè)的目的。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

海參養(yǎng)殖水質(zhì)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)主要包括三大模塊：終端節(jié)點(diǎn)、現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控中心（協(xié)調(diào)器）和遠(yuǎn)程監(jiān)控中心模塊，系統(tǒng)的整體框圖如圖1所示。終端節(jié)點(diǎn)又分為采集節(jié)點(diǎn)和控制節(jié)點(diǎn)，采集節(jié)點(diǎn)安裝有溶解氧傳感器、pH傳感器、溫度傳感器，主要完成對(duì)溶解氧、pH值和水溫?cái)?shù)據(jù)的實(shí)時(shí)采集、在線數(shù)據(jù)處理與無(wú)線自組織路由傳輸功能，控制節(jié)點(diǎn)通過(guò)繼電器接有增氧機(jī)及閥門(mén)等設(shè)備，接收控制中心的指令完成設(shè)備的控制，現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控中心為數(shù)據(jù)協(xié)調(diào)器，用戶(hù)可在本地查詢(xún)水質(zhì)參數(shù)，發(fā)出預(yù)警信息和做出控制決策。遠(yuǎn)程監(jiān)控中心通過(guò)3G遠(yuǎn)程接入點(diǎn)接收現(xiàn)場(chǎng)控制中心匯聚的數(shù)據(jù)信息，使用戶(hù)遠(yuǎn)程瀏覽數(shù)據(jù)和控制增氧機(jī)等設(shè)備的運(yùn)行。

2 硬件設(shè)計(jì)

2.1 終端節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)

終端節(jié)點(diǎn)的硬件部分主要由CC2530 ZigBee模塊、海水參數(shù)采集傳感器組（采集節(jié)點(diǎn)）、被控設(shè)備（控制節(jié)點(diǎn)）、顯示指示電路等組成，終端節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)圖如圖2所示。

ZigBee自組網(wǎng)包括基于CC2530芯片的采集節(jié)點(diǎn)、路由節(jié)點(diǎn)及控制節(jié)點(diǎn)，整個(gè)自組網(wǎng)基于Z?Stack協(xié)議棧，采用的是星型結(jié)構(gòu)。CC2530 是用于ZigBee的真正的片上系統(tǒng)（SoC）解決方案，集成了符合IEEE 802.15.4標(biāo)準(zhǔn)的2.4 GHz RF收發(fā)器、增強(qiáng)工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的8051MCU，可編程閃存和8 KB RAM[5]。它以非常低的成本建立強(qiáng)大的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)，多種運(yùn)行模式滿足超低功耗的系統(tǒng)要求[6]，不同模式之間的轉(zhuǎn)換時(shí)間短，進(jìn)一步確保了低能源消耗。

采集節(jié)點(diǎn)包含傳感器網(wǎng)絡(luò)，各傳感器選型如下：

溫度傳感器：海參養(yǎng)殖的溫度范圍是4～27 ℃，DS18B20是一個(gè)數(shù)字溫度采集傳感器，測(cè)量溫度范圍在-55～125 ℃之間，能夠滿足該系統(tǒng)的需要。DS18B20輸出的信號(hào)是8位的數(shù)字信號(hào)，直接讀取溫度值。DS18B20只需一根導(dǎo)線以及一個(gè)4.7 kΩ上拉電阻即可與CC2530的I/O端口連接，不需要其他任何外圍電路即可測(cè)得溫度數(shù)據(jù)，電路非常簡(jiǎn)單，讀取和使用都很方便。故測(cè)量溫度選擇防水型DS18B20數(shù)字溫度傳感器。

pH值采集傳感器：測(cè)量pH值常用的傳感器有玻璃電極傳感器和金屬電極傳感器等，與其他傳感器相比，玻璃電極傳感器具有測(cè)量范圍寬、重復(fù)性好、穩(wěn)定性高、精度高等特點(diǎn)，因此本系統(tǒng)中以玻璃電極作為傳感器，具體采用Campbell Scientific公司的CS525型pH傳感器進(jìn)行海水養(yǎng)殖區(qū)域的pH值監(jiān)測(cè)，其內(nèi)部電路如圖3所示，pH值的測(cè)量范圍是0～14?？梢哉９ぷ鞯臏囟确秶?～70 ℃，精度為0.01 pH。海水養(yǎng)殖海參的pH值范圍是7.6～8.5，滿足了對(duì)海水養(yǎng)殖pH值變化范圍的精度要求。它的輸出是0～5 000 mV的模擬電壓信號(hào)。

溶解氧采集傳感器：在測(cè)量溶解氧傳感器的選取中，比較了測(cè)定氧含量的兩種方法：碘量法和電化學(xué)法測(cè)量。因?yàn)榛瘜W(xué)分析測(cè)量方法需要消耗大量的樣品，耗時(shí)長(zhǎng)，不能現(xiàn)場(chǎng)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)；電化學(xué)測(cè)量法成本低，測(cè)量精度能夠達(dá)到要求，而且能夠?qū)崿F(xiàn)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，因此本文采用電化學(xué)測(cè)量方法測(cè)量海水的含氧量。采用WQ401型傳感器，輸出接口電路如圖4所示，其測(cè)量范圍是0～20 mg/L，工作溫度范圍：-40～50 ℃。要測(cè)量的范圍是3～6 mg/L，精度是0.2 mg/L，故該傳感器滿足測(cè)量要求。輸出4～20 mA的電壓，通過(guò)4～20 mA輸入0～5 V輸出的[IV]轉(zhuǎn)換電路處理后，進(jìn)行限幅后傳送至單片機(jī)內(nèi)部A/D轉(zhuǎn)換電路控制節(jié)點(diǎn)，主要是增氧機(jī)、進(jìn)水通道閥門(mén)等設(shè)備，通過(guò)繼電器連接，在此不再贅述。

2.2 協(xié)調(diào)器設(shè)計(jì)

協(xié)調(diào)器由CC2530 ZigBee模塊、MSP430單片機(jī)、EM770W 3G通信模塊、顯示模塊、按鍵等組成，協(xié)調(diào)器結(jié)構(gòu)圖如圖5所示。

微處理器本次設(shè)計(jì)中采用超低功耗單片機(jī)MSP430，MSP430是一個(gè)16位單片機(jī)，具有很強(qiáng)的抗干擾能力，可以在各種惡劣條件下工作，顯示模塊采用液晶顯示屏12864，遠(yuǎn)程信號(hào)傳輸采用華為公司的EM770W作為3G通信模塊。EM770W支持標(biāo)準(zhǔn)AT指令集和華為擴(kuò)展AT指令集，內(nèi)置TCP/IP協(xié)議棧，傳輸速率最大可達(dá)7.2 Mb/s。ZigBee與3G模塊分別接到MSP430單片機(jī)的2個(gè)串口上，通過(guò)串口通信，連接圖如圖6所示。

3 軟件設(shè)計(jì)與算法實(shí)現(xiàn)

系統(tǒng)軟件主要由終端節(jié)點(diǎn)軟件、協(xié)調(diào)器軟件、上位機(jī)軟件三部分組成。一臺(tái)上位機(jī)可與多臺(tái)下位機(jī)實(shí)現(xiàn)主從式通信，對(duì)多個(gè)水產(chǎn)養(yǎng)殖池進(jìn)行監(jiān)測(cè)、管理和控制，實(shí)現(xiàn)對(duì)海參智能化規(guī)模養(yǎng)殖的分布式網(wǎng)絡(luò)控制。智能控制儀對(duì)溫度、pH值、溶解氧等環(huán)境因子進(jìn)行監(jiān)測(cè)，將信息轉(zhuǎn)化為可識(shí)別數(shù)據(jù)并傳遞給管理人員，同時(shí)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境進(jìn)行實(shí)時(shí)有效的控制。監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)的采集、傳送、通信采用多傳感器自組織網(wǎng)絡(luò)來(lái)增強(qiáng)系統(tǒng)的穩(wěn)健性、靈活性和高效性。

3.1 終端節(jié)點(diǎn)軟件設(shè)計(jì)

終端采集節(jié)點(diǎn)系統(tǒng)流程圖如圖7所示。系統(tǒng)上電后，首先對(duì)各個(gè)傳感器進(jìn)行初始化（包含溫度傳感器、pH值傳感器、溶解氧傳感器），初始化完成后開(kāi)啟定時(shí)計(jì)數(shù)器，隨后程序判斷是否定時(shí)時(shí)間到或者協(xié)調(diào)器有指令，兩個(gè)條件任一條件滿足，MCU與傳感器通信取得數(shù)據(jù)并通過(guò)ZigBee上報(bào)至協(xié)調(diào)器，溫度測(cè)量的輸出是數(shù)字信號(hào)，可直接采集，pH值和溶解氧測(cè)量輸出都是模擬信號(hào)，其輸出需要先進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換。終端控制節(jié)點(diǎn)如果協(xié)調(diào)器有指令，則控制對(duì)應(yīng)設(shè)備開(kāi)啟或關(guān)閉。

3.2 協(xié)調(diào)器設(shè)計(jì)

協(xié)調(diào)器既可以自主控制終端采集節(jié)點(diǎn)與終端控制節(jié)點(diǎn)，又可以轉(zhuǎn)達(dá)上位機(jī)發(fā)來(lái)的命令。一方面，協(xié)調(diào)器上電后檢測(cè)終端采集節(jié)點(diǎn)是否有信息上報(bào)，如果有上報(bào)，首先協(xié)調(diào)器存儲(chǔ)該信息，并判斷該信息是否超限，如有，則發(fā)送命令至終端控制節(jié)點(diǎn)，驅(qū)動(dòng)設(shè)備開(kāi)啟或關(guān)閉，使參數(shù)達(dá)到正常；另一方面，終端節(jié)點(diǎn)要監(jiān)控上位機(jī)有無(wú)指令，若有，則根據(jù)上位機(jī)指令做對(duì)應(yīng)操作，協(xié)調(diào)器軟件如圖8所示。

3.3 數(shù)據(jù)融合算法

養(yǎng)殖場(chǎng)各監(jiān)測(cè)參數(shù)來(lái)自于多個(gè)傳感器，系統(tǒng)必須對(duì)各個(gè)傳感器提供的具有復(fù)雜性和多樣性的數(shù)據(jù)進(jìn)行融合、推理[7?8]，最終得到一個(gè)準(zhǔn)確的融合結(jié)果和決策選擇，本系統(tǒng)采用D?S（證據(jù)理論）理論作為融合算法，針對(duì)海水養(yǎng)殖場(chǎng)的實(shí)際情況，建立多平臺(tái)信息采集和管理，多平臺(tái)數(shù)據(jù)融合模型如圖9所示。

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

本文設(shè)計(jì)已應(yīng)用于青島海參養(yǎng)殖場(chǎng)的多個(gè)海參養(yǎng)殖基地。選取一個(gè)養(yǎng)殖池為研究對(duì)象進(jìn)行系統(tǒng)功能實(shí)測(cè)，測(cè)試結(jié)果如表1所示。測(cè)試數(shù)據(jù)顯示與實(shí)際值相比該測(cè)量誤差較小，數(shù)據(jù)具有較高的一致性，能夠滿足實(shí)際使用需求，傳感器本身存在的誤差是導(dǎo)致測(cè)量值與實(shí)際值之間存在誤差的主要因素，但是通過(guò)廣泛覆蓋的3G網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)多線程的遠(yuǎn)程并發(fā)通信，網(wǎng)絡(luò)傳輸誤差小，可以讓多種數(shù)據(jù)采集終端實(shí)時(shí)傳送到監(jiān)控中心進(jìn)行集中監(jiān)視和遠(yuǎn)程調(diào)度，實(shí)現(xiàn)故障信息的及時(shí)報(bào)警，節(jié)省人力及時(shí)間成本，提升了生產(chǎn)效率[9?10]。

5 結(jié) 語(yǔ)

本文研究針對(duì)目前青島海參養(yǎng)殖中水質(zhì)監(jiān)測(cè)方法落后的現(xiàn)狀，設(shè)計(jì)了海參養(yǎng)殖水質(zhì)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，該系統(tǒng)采用三層體系結(jié)構(gòu)，完成對(duì)海參養(yǎng)殖環(huán)境中的水體溶解氧、溫度和pH值的檢測(cè)和傳輸，并針對(duì)不同部分進(jìn)行了各層次的硬件和軟件設(shè)計(jì)，解決了水質(zhì)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中遠(yuǎn)程傳輸?shù)葐?wèn)題，從而實(shí)現(xiàn)大范圍、低成本、低功耗的實(shí)時(shí)遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)、控制以及遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)共享的設(shè)計(jì)目標(biāo)。

參考文獻(xiàn)

[1] 劉豐男.基于3G技術(shù)海洋水產(chǎn)養(yǎng)殖的動(dòng)態(tài)監(jiān)控[D].濟(jì)南：濟(jì)南大學(xué)，2012.

[2] 陳海杰.基于GSM的溫度、pH、溶解氧測(cè)量的海水養(yǎng)殖監(jiān)測(cè)系統(tǒng)[D].青島：山東科技大學(xué)，2011.

[3] 焦冰，葉松，溫雅婷.MSP430低功耗原理及其在海溫測(cè)量中的應(yīng)用[J].現(xiàn)代電子技術(shù)，2011，34（10）：189?193.

[4] YANG C T， LIAO C J， LIU J C， et al. Construction and application of an intelligent air quality monitoring system for healthcare environment [J]. Journal of medical systems， 2014， 38（2）： 1?10

[5] 劉洪朋，葛廣英，周松林.基于ZigBee的電解槽溫度智能控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].自動(dòng)化與儀表，2012（2）：37?40.

[6] 黃迎輝，李新，王月英.基于ZigBee無(wú)線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的礦井監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].自動(dòng)化與儀表，2010（7）：21?31.

[7] 李陶深，王春霞，葛志輝.無(wú)線Mesh網(wǎng)絡(luò)中多路徑路由算法的研究[J].微電子學(xué)與計(jì)算機(jī)，2013，30（3）：75?79.

[8] 荊剛，張紀(jì)良，劉登彪，等.基于GPRS的遠(yuǎn)程無(wú)線家庭醫(yī)療系統(tǒng)的設(shè)計(jì)[J].電腦與電信，2010（3）：30?32.

[9] 劉玉珍，程政，蔣靖.基于ZigBee的井下巷道瓦斯監(jiān)測(cè)系統(tǒng)[J].儀表技術(shù)與傳感器，2012（9）：49?51.

[10] 劉培學(xué)，金佩芬，陳玉杰.基于RFID及3G網(wǎng)絡(luò)的物流跟蹤系統(tǒng)研究[J].計(jì)算機(jī)測(cè)量與控制，2014，22（7）：2178?2181.