石 堯， 李 暉， 楊永欽， 杜文才， 楊亞飛， 李鵬翔

(海南大學 信息科學技術(shù)學院，海南 ?？?570228)

海洋牧場多參數(shù)智能監(jiān)測系統(tǒng)設計與實現(xiàn)*

石 堯， 李 暉， 楊永欽， 杜文才， 楊亞飛， 李鵬翔

(海南大學 信息科學技術(shù)學院，海南 ?？?570228)

針對南海水產(chǎn)養(yǎng)殖業(yè)特點，設計了一種海洋牧場多參數(shù)智能監(jiān)測系統(tǒng)。選取溫度、pH值和濁度作為監(jiān)測對象，利用單片機收集水下傳感器數(shù)據(jù)，通過低頻信號發(fā)射模塊傳輸數(shù)據(jù)，通過ZigBee技術(shù)自動組網(wǎng)實現(xiàn)水上數(shù)據(jù)遠程傳輸，上位機利用LabVIEW圖形化編程實現(xiàn)對海水生態(tài)參數(shù)的實時監(jiān)測，并提供遠程訪問功能。外場測試證明：系統(tǒng)具有靈活性好、功耗低、成本低等特點，可以較好地用于海洋牧場水質(zhì)監(jiān)測，全面提升海洋牧場的科學化監(jiān)管和告警等管理。

海洋牧場； 智能監(jiān)測； 實時性； 單片機； ZigBee； LabVIEW

0 引 言

海洋牧場可確保漁業(yè)資源持續(xù)穩(wěn)定增長[1]，保護海洋生態(tài)環(huán)境[2]。而水質(zhì)狀況對水生生物的分布和生長影響巨大，是決定海洋牧場產(chǎn)量和質(zhì)量的關(guān)鍵因素。例如，溫度影響?zhàn)D料系數(shù)大小，在適宜范圍內(nèi)，溫度升高養(yǎng)殖對象攝食量大生長速度加快。通常，pH值介于7.5～8.5的水體適宜水產(chǎn)養(yǎng)殖品種生存。水體渾濁會減弱光合作用，降低溶解氧含量，引起魚類窒息死亡[3]。國內(nèi)工業(yè)化養(yǎng)殖起步較晚，主要依靠經(jīng)驗，很難做到精細化養(yǎng)殖。隨著傳感器技術(shù)不斷發(fā)展，依靠信息技術(shù)掌握養(yǎng)殖環(huán)境數(shù)據(jù)，科學指導養(yǎng)殖生產(chǎn)勢在必行[4]。針對現(xiàn)有監(jiān)測設備測量周期長、成本高、監(jiān)測區(qū)域小的現(xiàn)實特點，提出了一種多參數(shù)無線水質(zhì)監(jiān)測系統(tǒng)，實現(xiàn)對養(yǎng)殖水域水質(zhì)狀況的實時監(jiān)測，推動科學養(yǎng)殖，提高海洋牧場產(chǎn)品產(chǎn)量和質(zhì)量。

1 系統(tǒng)設計方案

水質(zhì)監(jiān)測系統(tǒng)主要由數(shù)據(jù)采集部分、無線傳輸部分和上位機監(jiān)測中心3部分組成，選擇具有代表性的溫度、pH值和濁度作為監(jiān)測對象，其結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

數(shù)據(jù)采集設備通過蓄電池供電，懸浮于監(jiān)測水域中，利用單片機收集各種傳感器數(shù)據(jù)[5]，并將分析處理后的數(shù)字信號發(fā)送至水面浮標。水面浮標采用光伏太陽能供電，在整個系統(tǒng)中起到數(shù)據(jù)中繼作用，接收采集設備發(fā)來的數(shù)據(jù)并將其傳送至上位機。由于光在水中存在折射，且水面浮標和采集設備易受海面風力及洋流影響光孔難以對準，不宜采用光通信[6]。為減小信號衰減程度增大傳輸距離，選用170 MHz通信模塊實現(xiàn)水中通信。海面浮標動態(tài)組成ZigBee網(wǎng)絡[7,8]，經(jīng)單跳或多跳的方式數(shù)據(jù)送抵協(xié)調(diào)器，由串口將數(shù)據(jù)傳送至上位機。監(jiān)測中心則利用LabVIEW設計功能完備的監(jiān)測界面[9]，實時監(jiān)測海水生態(tài)參數(shù)，同時，借助其內(nèi)置的Web服務器將前面板發(fā)布到云端，供遠程訪問。

各部分協(xié)調(diào)合作，實現(xiàn)了一個集數(shù)據(jù)采集、無線傳輸、實時監(jiān)測、自動報警、歷史數(shù)據(jù)查詢等功能于一體的海洋牧場智能監(jiān)測系統(tǒng)，其成本低、免布線、易維護、靈活性好，可以推動傳統(tǒng)海洋牧場向智慧化轉(zhuǎn)變，科學指導養(yǎng)殖生產(chǎn)[10]。

系統(tǒng)海上無線網(wǎng)絡由ZigBee協(xié)調(diào)器、路由節(jié)點和終端節(jié)點組成，根據(jù)實際需要可以形成星型、簇狀、網(wǎng)狀網(wǎng)3種不同類型的拓撲結(jié)構(gòu)[11～15]，如圖2所示。星型網(wǎng)由一個協(xié)調(diào)器和多個終端節(jié)點組成，協(xié)調(diào)器負責整個網(wǎng)絡的啟動和維護，該網(wǎng)絡的控制比較簡單，通常用于小范圍通信；簇狀網(wǎng)包括一個協(xié)調(diào)器，多個路由器以及多個終端節(jié)點，協(xié)調(diào)器除了啟動網(wǎng)絡外，還要選取關(guān)鍵的網(wǎng)絡參數(shù)，網(wǎng)絡覆蓋范圍較大，延時增加；網(wǎng)狀網(wǎng)由多個全功能設備組成骨干網(wǎng)，允許所有路由節(jié)點直接通信，可以減小網(wǎng)絡傳播時延，增加可靠性。

圖2 ZigBee網(wǎng)絡拓撲類型

2 系統(tǒng)實現(xiàn)

2.1 采集設備的實現(xiàn)

1)溫度傳感器

采用DS18B20數(shù)字溫度傳感器，其體積小、功耗小、電路簡單，只需要按照給定的時序操作高、低電平即可準確地測量溫度，適用于各類狹小空間的數(shù)字測溫和控制領(lǐng)域[16]。輸出即為數(shù)字信號，不需要調(diào)理電路，適應電壓寬為3.0～5.5 V，測量范圍為-55～+125 ℃，與微處理器只需要一條線連接即可實現(xiàn)雙向通信，抗干擾能力強。

2)pH值傳感器

采用電位法[17]設計pH值傳感器。電位檢測是將玻璃電極作為測量電極，Ag/AgCI電極為參比電極組成電池，遵循能斯特(Nernst)定律[18]，依據(jù)電勢變化測量pH值。測量電極電位、參比電極電位與pH值滿足式(1)

Ex=Eθ-2.303RTpH/F

(1)

式中Ex為復合電極電勢；Eθ為標準電極電勢；R為氣體常數(shù)8.314 41 J/(K·mol)；T為開氏絕對溫度；F為法拉第常數(shù)96.487 kJ/(V·mol)。采集數(shù)據(jù)時將pH傳感器放入待測溶液中，兩電極之間存在微小電動勢，輸出信號范圍較小，需要設計放大電路來提高輸入阻抗，降低測量噪聲。

3)濁度傳感器

養(yǎng)殖水域水體渾濁度越高，光的通過率越低，光敏電阻器接收光線越弱[19]，利用這一原理設計濁度傳感器，光敏電阻將光線強度轉(zhuǎn)換為電流信號，濁度電流信號經(jīng)電阻轉(zhuǎn)換為0～5 V電壓信號，利用A/D轉(zhuǎn)換器進行采樣處理后，單片機即可讀取當前濁度信息。

4)采集設備軟件設計

系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集部分通過對水下傳感器以0～5 V直流電壓進行模擬信號采集，利用ADC0809轉(zhuǎn)換器進行模/數(shù)轉(zhuǎn)換,獲取數(shù)字信號，經(jīng)單片機分析處理完成數(shù)據(jù)采集工作，最終數(shù)據(jù)由低頻發(fā)射模塊發(fā)送，軟件流程如圖3所示。

圖3 采集設備軟件設計流程

2.2 水面浮標設計

系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸涉及水上及水下2部分，選取合適的頻段保證數(shù)據(jù)可靠傳輸尤為重要。為降低設備復雜度，減小電磁波衰減程度，水下選用170 MHz無線通信模塊傳輸數(shù)據(jù)。海面利用ZigBee節(jié)點自動組網(wǎng)，搭建了一個適合于海面短距離、性能可靠、容量大的無線傳輸網(wǎng)絡。水面浮標在整個系統(tǒng)中起到數(shù)據(jù)中繼作用，其結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4 水面浮標結(jié)構(gòu)

水面浮標搭載基于CC2530的ZigBee模塊與170 MHz無線串口模塊，兩者通過杜邦線連接傳輸數(shù)據(jù)。ZigBee模塊底板自帶USB轉(zhuǎn)串口功能，并且為170MHz無線串口模塊提供3.3 V電源。RXD，TXD分別為串口輸入、輸出引腳，兩模塊交叉相連用以傳輸數(shù)據(jù)。無線串口模塊的M0，M1引腳決定了模塊的工作模式，為保證水下數(shù)據(jù)傳輸質(zhì)量，將其電源接地采用透明傳輸模式。

2.3 上位機監(jiān)測界面設計

在海洋牧場監(jiān)測中心上位機界面可以實現(xiàn)數(shù)據(jù)的采集、處理及顯示，并將監(jiān)測數(shù)據(jù)保存到數(shù)據(jù)庫中，可根據(jù)預設值自動報警，支持遠程訪問功能，軟件流程如圖5所示。ZigBee網(wǎng)絡協(xié)調(diào)器和上位機之間采用串口通信，LabVIEW[20]需要運行專用的儀器驅(qū)動設備和VISA庫函數(shù)的安裝程序后才可以使用串口函數(shù)[21～23]。

圖5 上位機軟件流程

3 系統(tǒng)測試

選取海南大學東坡湖為測試地點，對ZigBee組網(wǎng)、通信距離以及數(shù)據(jù)傳輸進行測試。測試條件如下：2臺PC(其中一臺作上位機)，1個ZigBee協(xié)調(diào)器，1個水面浮標，1個數(shù)據(jù)采集設備。測試結(jié)果證明:系統(tǒng)可以實現(xiàn)水面浮標與協(xié)調(diào)器的正常組網(wǎng)，上位機監(jiān)測界面正常顯示監(jiān)測數(shù)據(jù)，支持遠程訪問，協(xié)調(diào)器與水面浮標之間的通信距離約50 m，隨著距離增加信號接收不穩(wěn)定。該條件下水上ZigBee網(wǎng)絡拓撲為星型結(jié)構(gòu)，節(jié)點較少，通信距離取決于單個ZigBee模塊的覆蓋范圍，對于大水域海洋牧場監(jiān)測可以通過增加ZigBee路由節(jié)點個數(shù)，改變網(wǎng)絡拓撲來實現(xiàn)。在正常通信范圍內(nèi)，系統(tǒng)可以完成對水質(zhì)參數(shù)的實時監(jiān)測，達到系統(tǒng)設計目的。

4 結(jié)束語

針對南海水產(chǎn)養(yǎng)殖業(yè)特點，將嵌入式技術(shù)、ZigBee技術(shù)與虛擬儀器技術(shù)融合，設計了一種海洋牧場多參數(shù)智能監(jiān)測系統(tǒng)。詳細介紹了系統(tǒng)硬件設計的重要部分及軟件的主要流程。系統(tǒng)具有功耗低、成本低、靈活性好、免布線、易維護等優(yōu)點，可以對養(yǎng)殖水域環(huán)境進行實時監(jiān)測，為生產(chǎn)管理者提供判斷依據(jù)，轉(zhuǎn)變粗放型漁業(yè)生產(chǎn)方式，科學指導養(yǎng)殖生產(chǎn)，提高產(chǎn)品產(chǎn)量和質(zhì)量，在海洋牧場發(fā)展過程中具有廣闊的應用前景。

在后續(xù)研究中，需要對采集節(jié)點分布及數(shù)據(jù)庫存儲功能進行優(yōu)化，借助大數(shù)據(jù)技術(shù)分析養(yǎng)殖數(shù)據(jù)，在保證低能耗、低延時的前提下增大監(jiān)測范圍，開發(fā)專用的APP供客戶使用，推動海洋牧場智慧化建設，促進海洋牧場自身擴張繁衍的持續(xù)性，為經(jīng)營者及其所處海域的生態(tài)環(huán)境帶來更好的效益。

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李 暉，通訊作者，博士，教授，從事海洋通信、5G移動通信、海空天信息傳輸網(wǎng)絡研究工作,E—mail:hitlihui1112@163.com。

杜文才，博士，教授，博士生導師，從事海洋通信、E-service等方向研究工作。

Design and implementation of multi-parameter intelligent monitoring system for marine ranching*

SHI Yao, LI Hui, YANG Yong-qin, DU Wen-cai,YANG Ya-fei, LI Peng-xiang

(College of Information Science & Technology,Hainan University,Haikou 570228,China)

Aiming at characteristics of South China Sea aquaculture industry,a multi-parameter intelligent monitoring system for marine pasture is proposed.Temperature,pH and turbidity are selected as monitoring objects.A single-chip microcomputer is used to collect sensor data underwater,and the data is sent out by low frequency signal transmitting module.In order to achieve long-distance data transmission,ZigBee technique is used for automatic networking above the sea.The LabVIEW graphical programming is used to achieve real-time monitoring for marine ecological parameters by upper PC and provide remote accessing function.Field tests show that this system has the characteristics of good flexibility, low power consumption, low cost and so on. It can be well used in marine ranching to monitor water quality and upgrade management level of marine ranching in surveillance and alarming.

marine ranching; intelligent monitoring; real-time; single chip microcomputer; ZigBee; LabVIEW

10.13873/J.1000—9787(2017)09—0070—03

2016—10—15

海南省重點研發(fā)計劃高新技術(shù)項目(ZDYF2016010)；海南省自然科學基金資助項目(20166210)；海南省教育廳高等學?？茖W研究重點項目(HNKY2016ZD—5)；海南大學科研啟動基金資助項目(KYQD1536)；海南省教育廳研究生創(chuàng)新科研課題項目(HYS2016—59)

TP 212

A

1000—9787(2017)09—0070—03

石 堯(1991-)，男，碩士研究生，研究方向為海洋通信與信息系統(tǒng)。