葉俊明 馬海琴

摘 要： 為了方便水產(chǎn)養(yǎng)殖戶(hù)或相關(guān)研究機(jī)構(gòu)更好、更實(shí)時(shí)地監(jiān)測(cè)養(yǎng)殖水域中水的質(zhì)量，提高產(chǎn)量、監(jiān)控海水污染情況，設(shè)計(jì)了海水水質(zhì)檢測(cè)系統(tǒng)。傳感器節(jié)點(diǎn)采集多種模塊化的傳感器數(shù)據(jù)，并通過(guò)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)將采集的數(shù)據(jù)匯總至sink節(jié)點(diǎn)控制器；sink節(jié)點(diǎn)控制器將匯總的數(shù)據(jù)進(jìn)行自適應(yīng)加權(quán)融合后，以3G網(wǎng)絡(luò)、USB通信等形式將數(shù)據(jù)傳輸?shù)接脩?hù)端統(tǒng)計(jì)和分析。同時(shí)，采用太陽(yáng)能供電、GPRS校時(shí)等可以更靈活地在各種野外場(chǎng)合搭建檢測(cè)平臺(tái)。

關(guān)鍵詞： 無(wú)線傳輸； 海水養(yǎng)殖； 水質(zhì)監(jiān)測(cè)； 自適應(yīng)加權(quán)； 信息融合； GPRS校時(shí)

中圖分類(lèi)號(hào)： TN911.23?34； X853 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A 文章編號(hào)： 1004?373X（2018）18?0054?03

Research on aquaculture water quality detection system based on WSN

YE Junming， MA Haiqin

（Guilin University of Electronic Technology， Guilin 541004， China）

Abstract： A seawater quality detection system was designed for aquaculture farmers and related research institutes to better monitor the water quality in aquaculture water area and the seawater pollution situation in real time， and improve the production. Various modularized sensor data is collected by sensor nodes， and summarized to the sink node controller by means of wireless network. After adaptive weighting fusion of data summarized by the sink node controller， the data is transmitted to the client by means of 3G network and USB communication for statistical analysis. Meanwhile， solar power supply and GPRS time synchronization can make detection platform establishment in various open fields more flexible.

Keywords： wireless transmission； aquaculture； water quality monitoring； adaptive weighting； information fusion； GPRS time synchronization

隨著沿海國(guó)家經(jīng)濟(jì)重心向?yàn)I海地區(qū)的轉(zhuǎn)移，已有過(guò)半的人口居于在海岸線附近[1]。對(duì)水域資源的開(kāi)發(fā)、利用已經(jīng)成為產(chǎn)業(yè)革命的前沿戰(zhàn)線，海水水質(zhì)檢測(cè)逐漸成為國(guó)家安全、環(huán)境保護(hù)、資源開(kāi)發(fā)的重要手段。水的含氧量、pH值、溫度、養(yǎng)殖密度等參數(shù)數(shù)據(jù)[2]是水產(chǎn)養(yǎng)殖的關(guān)鍵問(wèn)題。大背景的推動(dòng)下使得檢測(cè)技術(shù)從檢測(cè)單一、數(shù)據(jù)處理不便的傳統(tǒng)方法如：試紙?jiān)噭┦綑z測(cè)、手持式檢測(cè)手段，迫切地發(fā)展成：數(shù)字化集成度高、精度高檢測(cè)快、實(shí)時(shí)性高、搭配靈活方便的WSN領(lǐng)域[3]。

1 整體設(shè)計(jì)

本文基于WSN的海水養(yǎng)殖水質(zhì)檢測(cè)系統(tǒng)采用STM32F407作為sink節(jié)點(diǎn)的控制器、STC15W4K56S4為傳感器節(jié)點(diǎn)控制器，集無(wú)線通信、太陽(yáng)能電池供電于一體，并搭載了GPRS自動(dòng)校時(shí)、USB和網(wǎng)絡(luò)通信，兼容的傳感器接口采用標(biāo)準(zhǔn)的通信協(xié)議。各節(jié)點(diǎn)控制器將水質(zhì)檢測(cè)數(shù)據(jù)包括：溶解氧、pH值、溫度等，通過(guò)無(wú)線通信的形式匯集到Sink節(jié)點(diǎn)控制器進(jìn)行匯總[4]，通過(guò)GPRS校時(shí)的主控器實(shí)時(shí)地將分析后的數(shù)據(jù)通過(guò)USB通信和GSM模塊傳輸至用戶(hù)端，系統(tǒng)框架如圖1所示。檢測(cè)系統(tǒng)可以廣泛應(yīng)用于各種養(yǎng)殖水域、河流、海洋等地搭建檢測(cè)平臺(tái)。

2 硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 控制器的選擇

Sink節(jié)點(diǎn)采用32位的ARM Cortex M4內(nèi)核的STM32F407為控制器[5]。該控制器集成FPU，DSP指令集、帶有豐富的接口資源、1 MB的FLASH和192 kB的SRAM、高精度A/D?D/A、17個(gè)可編程定時(shí)器[6]。系統(tǒng)中STM32F407主要負(fù)責(zé)：通過(guò)nRF24L01無(wú)線模塊匯集傳感器節(jié)點(diǎn)采集的數(shù)據(jù)并進(jìn)行信息融合、GPRS自動(dòng)校時(shí)、GSM數(shù)據(jù)通信、USB通信等。傳感器節(jié)點(diǎn)控制器采用LQFP48封裝的15W4K48S4單片機(jī)對(duì)各傳感器信號(hào)進(jìn)行采集、補(bǔ)償[7]，并與sink節(jié)點(diǎn)進(jìn)行無(wú)線通信。

2.2 傳感器的電路設(shè)計(jì)

水質(zhì)檢測(cè)涉及到DO、pH值、溫度和電導(dǎo)率等傳感器。DO傳感器選用熒光淬滅法[8?9]溶解氧電極，工作原理為采用經(jīng)過(guò)PWM調(diào)制過(guò)的LED發(fā)出藍(lán)光經(jīng)過(guò)被測(cè)水域照射在傳感膜上，傳感膜受到激發(fā)反射出波長(zhǎng)為600～680 nm的紅光（氧溶解不同，反射強(qiáng)度會(huì)發(fā)生變化），經(jīng)過(guò)濾光鏡濾除紅光外的雜光后反射到光敏傳感器上再經(jīng)過(guò)放大。DO檢測(cè)電路如圖2所示。

pH值的檢測(cè)采用雷磁E?201?C復(fù)合電極（輸出電壓0～840 mV），內(nèi)阻一般為幾十MΩ到幾百M(fèi)Ω。放大電路采用高輸入阻抗的儀器前端放大器OPA627，且輸入端串10 MΩ電阻提高輸入阻抗，放大倍數(shù)為4，這樣輸出的電壓不會(huì)變化太大或飄移[10]。為了提高精度，可以采用兩點(diǎn)標(biāo)定法對(duì)pH值進(jìn)行折算和補(bǔ)償[11]。

電導(dǎo)率是衡量液體中導(dǎo)電離子多少的重要指標(biāo)。通過(guò)施加電壓在被測(cè)水域中的兩塊平行電場(chǎng)，加速導(dǎo)電離子的運(yùn)動(dòng)形成電流，從而檢測(cè)電導(dǎo)率。電路前級(jí)采用7 kHz的方波驅(qū)動(dòng)雷磁DJS?10CF電極，減少極化現(xiàn)象的影響，后極采用運(yùn)放進(jìn)行放大和整形。

上述幾種參數(shù)的檢測(cè)均為電壓輸出型，采用11通道的TLC2543進(jìn)行采集[12]。TLC2543的采樣率可達(dá)60 kbit/s以上、可調(diào)制雙極性輸出、線性理論誤差最大+1 LSB。將DS18B20讀取的溫度數(shù)據(jù)與多種傳感器的采集信息進(jìn)行相應(yīng)的補(bǔ)償以減少誤差，最后進(jìn)行算術(shù)平均和自適應(yīng)加權(quán)融合。

2.3 通信模塊電路設(shè)計(jì)

水質(zhì)檢測(cè)系統(tǒng)的通信涉及到三部分：傳感器節(jié)點(diǎn)與Sink節(jié)點(diǎn)的無(wú)線通信、Sink節(jié)點(diǎn)與電腦的USB通信、Sink節(jié)點(diǎn)的GPRS/GSM通信。采用nRF24L01設(shè)計(jì)傳感器節(jié)點(diǎn)與Sink節(jié)點(diǎn)的短距離通信，可以方便組網(wǎng)、減少布線成本、降低人工投入等。Sink節(jié)點(diǎn)與電腦間的通信采用基于CH340G芯片的USB 2.0通信。Sink節(jié)點(diǎn)的校時(shí)和與手機(jī)終端的通信采用SIM900A模塊搭建數(shù)據(jù)傳輸。

3 軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.1 無(wú)線模塊程序設(shè)計(jì)

GPRS/GSM通信采用SIM900A模塊，用于實(shí)現(xiàn)Sink節(jié)點(diǎn)與手機(jī)終端的數(shù)據(jù)傳輸和校時(shí)。Sink節(jié)點(diǎn)的控制器STM32F407通過(guò)串口發(fā)送AT指令控制SIM900A，實(shí)現(xiàn)語(yǔ)音、短信、數(shù)據(jù)傳輸、校時(shí)等[13]。SIM900A的TCP數(shù)據(jù)傳輸需在Sink節(jié)點(diǎn)控制器上設(shè)置SIM900A的工作狀態(tài)，相關(guān)指令如表1所示。

3.2 電腦通信界面設(shè)計(jì)

采用LabVIEW編寫(xiě)Sink節(jié)點(diǎn)與電腦端的通信界面：該軟件采用連線、拖拽模塊的形式可以快速生成圖形界面[14?15]。該界面不僅可以顯示相應(yīng)的檢測(cè)數(shù)據(jù)、圖形界面、設(shè)置報(bào)警范圍，還可將數(shù)據(jù)以Excel表格形式進(jìn)行保存。LabVIEW的界面如圖3所示。

4 運(yùn)用分析

水質(zhì)檢測(cè)系統(tǒng)的測(cè)試在北海銀海區(qū)的水產(chǎn)養(yǎng)殖場(chǎng)進(jìn)行。通過(guò)WSN的傳感器節(jié)點(diǎn)實(shí)時(shí)地采集數(shù)據(jù)，以無(wú)線傳輸?shù)男问絽R總到Sink節(jié)點(diǎn)進(jìn)行自適應(yīng)加權(quán)算法的信息融合。Sink節(jié)點(diǎn)將匯總處理好的數(shù)據(jù)通過(guò)SIM900A以TCP網(wǎng)絡(luò)[16]透?jìng)鞯男问桨l(fā)送到手機(jī)端，并通過(guò)USB接口傳送至電腦端的LabVIEW界面進(jìn)行顯示分析。

本儀器的Sink節(jié)點(diǎn)通過(guò)GPRS/GSM模塊每天校時(shí)2次，并設(shè)定10 min匯總1次采樣數(shù)據(jù) 。Sink節(jié)點(diǎn)通過(guò)無(wú)線模塊每10 min分別向傳感器節(jié)點(diǎn)發(fā)送地址碼，傳感器節(jié)點(diǎn)比對(duì)正確地址碼后向Sink節(jié)點(diǎn)發(fā)送檢測(cè)結(jié)果。Sink節(jié)點(diǎn)匯總檢測(cè)數(shù)據(jù)后進(jìn)行自適應(yīng)加權(quán)融合計(jì)算，并將數(shù)據(jù)傳輸至用戶(hù)端。采用標(biāo)準(zhǔn)儀器與本儀器進(jìn)行比對(duì)分析如表2所示。

5 結(jié) 語(yǔ)

本文結(jié)合水產(chǎn)養(yǎng)殖環(huán)境設(shè)計(jì)一種基于WSN的海水養(yǎng)殖水質(zhì)檢測(cè)系統(tǒng)。該系統(tǒng)集成了多種傳感器，采用無(wú)線通信的形式進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，配合電腦端和手機(jī)端監(jiān)測(cè)軟件，具有實(shí)時(shí)性好、準(zhǔn)確性高、組網(wǎng)便潔、操作性好等優(yōu)點(diǎn)，在水質(zhì)監(jiān)測(cè)和水產(chǎn)養(yǎng)殖業(yè)等方面具有良好的應(yīng)用前景。

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