李小三，文小玲，馬忠明

（武漢工程大學(xué) 電氣信息學(xué)院，武漢430205）

采用蝦稻共作養(yǎng)殖技術(shù)的稻田一般呈 “田”字形拼接，內(nèi)嵌環(huán)形蝦溝，面積達(dá)6.67 hm2以上[1]。蝦稻共作對(duì)溫度、光照、水位、溶解氧、餌料、重金屬離子等環(huán)境因子都有嚴(yán)格的技術(shù)要求。例如，溶解氧濃度影響著蝦的食欲和繁殖，而水溫、水流、季節(jié)性等環(huán)境因素，液位空間分布差異，以及水體富營(yíng)養(yǎng)化都對(duì)溶解氧濃度變化存在影響，故對(duì)溶解氧傳感器的空間部署問題以及傳感器數(shù)據(jù)質(zhì)量算法設(shè)計(jì)都有待解決[2]。為此，針對(duì)蝦稻共作的環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)需要達(dá)到監(jiān)測(cè)點(diǎn)覆蓋域廣、數(shù)據(jù)處理量大、實(shí)時(shí)性高、可控性強(qiáng)的技術(shù)特點(diǎn)。蝦稻共作環(huán)境智能監(jiān)控系統(tǒng)就蝦稻共作環(huán)境技術(shù)要求，研究并設(shè)計(jì)了一套成熟完善的蝦稻共作環(huán)境智能監(jiān)控系統(tǒng)。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)方案

基于物聯(lián)網(wǎng)的蝦稻共作環(huán)境智能監(jiān)控系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 蝦稻共作環(huán)境智能監(jiān)控系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)Fig.1 Overall structure of shrimp and rice co-production environmental intelligent monitoring system

該系統(tǒng)主要由以下幾部分組成：

1）下位機(jī)數(shù)據(jù)采集執(zhí)行組件 主要包括光照強(qiáng)度傳感器、水溫傳感器、pH 傳感器、溶解氧傳感器等各類傳感器組件，以及抽水泵、增氧機(jī)和投料機(jī)等執(zhí)行機(jī)構(gòu)；

2）無線傳輸組網(wǎng)模塊 用于實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離無線組網(wǎng)，包括ZigBee 終端節(jié)點(diǎn)、ZigBee 路由節(jié)點(diǎn)、ZigBee協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)以及4G 路由器；

3）視頻圖像采集模塊 用以捕捉水稻生長(zhǎng)墑情和實(shí)時(shí)監(jiān)控現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境，具體包括網(wǎng)絡(luò)高清槍機(jī)、網(wǎng)絡(luò)高清球機(jī)以及網(wǎng)絡(luò)硬盤刻錄機(jī)NVR（network video recorder）；

4）信息處理模塊 用以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的交互存儲(chǔ)和智能控制，主要包括系統(tǒng)嵌入式上位機(jī)、中心數(shù)據(jù)服務(wù)器（包括后臺(tái)數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)器、Web 服務(wù)器）以及移動(dòng)客戶端；

5）光伏發(fā)電模塊 用來為WSN 供電，選用以超級(jí)電容和鋰電池混合儲(chǔ)能的微型光伏發(fā)電模塊。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1 下位機(jī)數(shù)據(jù)采集模塊硬件設(shè)計(jì)

下位機(jī)數(shù)據(jù)采集模塊硬件設(shè)計(jì)包括對(duì)空氣溫濕度傳感器、光照強(qiáng)度傳感器、水溫傳感器、pH 傳感器、溶解氧DO（dissolved oxygen）傳感器等傳感器組件的選型和信號(hào)調(diào)理電路的設(shè)計(jì)。ZigBee 設(shè)備的選型以及串口轉(zhuǎn)換電路的設(shè)計(jì)，是系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)的核心部分之一，直接關(guān)系到現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集的有效性和精準(zhǔn)度，其數(shù)據(jù)采集模塊功能結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 數(shù)據(jù)采集模塊功能結(jié)構(gòu)Fig.2 Functional structure of data acquisition module

以DO 傳感器的選型、空間部署、信號(hào)電路設(shè)計(jì)和溫度補(bǔ)償模型建立為例，系統(tǒng)選用覆膜原電池型（Galvanic Cell）DO 傳感器 （HLAS-52-DO-X 型）；根據(jù)環(huán)境變化、空間差異、水體富營(yíng)養(yǎng)化等因素對(duì)蝦溝中溶解氧濃度的影響分析，系統(tǒng)使用分點(diǎn)分層式布置DO 傳感器[3-4]。

最優(yōu)分布式布置法如圖3所示。圖中，在“1 號(hào)投喂點(diǎn)” 距離蝦溝底部1 m 深的地方布置1 個(gè)DO傳感器；在“2 號(hào)投喂點(diǎn)”在距離蝦溝底部1 m 深和0.5 m 深的地方各布置1 個(gè)DO 傳感器；在“3 號(hào)投喂點(diǎn)” 距離蝦溝底部0.5 m 深的地方布置1 個(gè)DO傳感器。

通過對(duì)DO 傳感器采用分點(diǎn)分層式布置方法所測(cè)得的溶解氧濃度值，能夠反映區(qū)域內(nèi)蝦溝中溶解氧濃度的真實(shí)情況，有效地避免因?yàn)榕既灰蛩睾筒淮_定因素造成的測(cè)量誤差。

圖3 最優(yōu)分布式布置法Fig.3 Optimal distributed layout method

該原電池型DO 傳感器的電極輸出電壓極僅為0.6～50 mV，要確保ZigBee 控制器CC2530 能夠?qū)ζ渫瓿葾/D 信號(hào)采樣，需要對(duì)DO 傳感器輸出的微弱信號(hào)進(jìn)行調(diào)理，使輸出信號(hào)達(dá)到CC2530 的采樣電壓標(biāo)準(zhǔn)。DO 傳感器信號(hào)調(diào)理電路如圖4所示。

圖中，采用四運(yùn)算集成運(yùn)放器LM324 對(duì)傳感器輸入的微弱信號(hào)Vin進(jìn)行4 階濾波和放大，最后將輸出信號(hào)Vout連接CC2530 的I/O 端口P0_0，即可實(shí)現(xiàn)對(duì)溶解氧數(shù)據(jù)的采集。

由于覆膜原電池型DO 傳感器的透氧膜對(duì)水溫的變化敏感，容易產(chǎn)生測(cè)量誤差，故該系統(tǒng)建立DO傳感器溫度補(bǔ)償模型解決DO 傳感器的溫度漂移問題[5]。覆膜原電池型DO 傳感器的電極擴(kuò)散電流為

圖4 DO 傳感器信號(hào)調(diào)理電路Fig.4 Signal conditioning circuit of DO sensor

式中：i 為DO 傳感器穩(wěn)態(tài)擴(kuò)散電流；n 為氧化還原反應(yīng)中得失電子數(shù)；F 為法拉第常數(shù)；S 為DO 傳感器陰極有效表面積；v 為水中氧的擴(kuò)散速度；d 為DO 傳感器上透氧膜與陰極間的距離；Cs為溶解氧濃度；K 為比例系數(shù)。

溫度補(bǔ)償建模步驟如下：

步聚1在恒溫水槽中倒入適量的冰水混合蒸餾水，放置增氧泵增氧，期間用臺(tái)灣衡欣AZ8403 高精度溶解氧檢測(cè)儀測(cè)量水槽中溶解氧濃度，直至溶解氧濃度數(shù)值不再變化達(dá)到飽和狀態(tài)，記錄此時(shí)溶液的Cs；

步聚2將系統(tǒng)選用的DO 傳感器探頭插入溶液中，記錄溶液飽和時(shí)該傳感器電極的穩(wěn)態(tài)輸出電流i；

步聚3啟動(dòng)恒溫水槽，緩慢加熱水槽中的溶液至38 ℃停止，在增溫過程中每增加2 ℃記錄水槽中溶液的DO 傳感器電極的穩(wěn)定輸出電流值、 飽和溶解氧濃度值；

步聚4由式（1）換算可得系統(tǒng)選用的DO 傳感器在不同溫度下對(duì)應(yīng)的比例系數(shù)K。其記錄的覆膜原電池型DO 傳感器K-T 模型數(shù)據(jù)見表1。

將表1中的水溫T 與比例系數(shù)K 進(jìn)行多項(xiàng)式擬合，可得該覆膜原電池型DO 傳感器的K-T 擬合多項(xiàng)式，即：

2.2 電源模塊

為解決WSN 的長(zhǎng)期有效運(yùn)行和成本問題，該系統(tǒng)采用超級(jí)電容和鋰電池混合儲(chǔ)能的微型光伏發(fā)電模塊。該模塊通過光伏板收集太陽能，使用最大功率點(diǎn)跟蹤器MPPT（maximum power point tracking）實(shí)現(xiàn)對(duì)太陽能發(fā)電的最大利用率，并以功率密度大的超級(jí)電容作為一級(jí)儲(chǔ)能單元，能量密度大的鋰電池作為二級(jí)儲(chǔ)能單元，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)中各網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)模塊能量的自供自足[6-7]。

表1 K-T 模型數(shù)據(jù)Tab.1 K-T model data

另外，由于光伏發(fā)電模塊輸出的標(biāo)稱電壓為5 V，但是系統(tǒng)中各節(jié)點(diǎn)模塊的電壓使用類型分別有3.3，5，6，12 V，因此還需采用ASM1117-3.3 正向低壓降穩(wěn)壓器、TPS61040 高頻升壓器、MAX688 高效升壓轉(zhuǎn)換器分別作為5 V 轉(zhuǎn)3.3 V，5 V 轉(zhuǎn)6 V，5 V轉(zhuǎn)12 V 的電壓轉(zhuǎn)換電路的芯片，以實(shí)現(xiàn)電壓轉(zhuǎn)換。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

3.1 多傳感器數(shù)據(jù)融合算法

假設(shè)蝦稻共作農(nóng)田中共安置了n 個(gè)某同一類型的傳感器，其同時(shí)刻測(cè)量值分別為x1，x2，x3，…，xn，并忽略系統(tǒng)性的偏差影響，則傳感器的實(shí)際測(cè)量值為真實(shí)值的無偏差估計(jì)[8]。設(shè)各傳感器測(cè)量值的加權(quán)因子權(quán)值分別為k1，k2，k3，…，kn，則其相互間關(guān)系為

數(shù)據(jù)融合加權(quán)后所得結(jié)果x 為

x 對(duì)應(yīng)真實(shí)值xˉ的總標(biāo)準(zhǔn)方差為

由式（6）可知，總標(biāo)準(zhǔn)方差 σ2與加權(quán)值ki有關(guān)，為求得最優(yōu)加權(quán)值，利用拉格朗日乘法進(jìn)行函數(shù)構(gòu)造，得

進(jìn)行ki偏導(dǎo)，得

令2kiσi2+λ=0，得ki的極值為

再由式（6）可知，當(dāng)ki取其極值為ki*時(shí)，對(duì)應(yīng)的總方差σ2最小，此時(shí)融合效果最佳[9-10]。又因?yàn)樵谧赃m應(yīng)加權(quán)融合算法中，數(shù)據(jù)的最優(yōu)融合值等于最佳權(quán)值與原始數(shù)值的乘積，則可得最佳融合值為

3.2 上位機(jī)監(jiān)控程序設(shè)計(jì)

上位機(jī)監(jiān)控程序是基于C# 語言開發(fā)，開發(fā)環(huán)境要求為Visual Studio 2015 或以上版本。編譯時(shí)選擇標(biāo)框架為.Net Framework 4.5，輸出類型為Windows 控制臺(tái)應(yīng)用程序，需根據(jù)圖5所示的上位機(jī)主程序流程設(shè)置增刪改查和控制服務(wù)指令，實(shí)現(xiàn)對(duì)下位機(jī)數(shù)據(jù)的集中采集、分析、可視化管理，以及實(shí)時(shí)上報(bào)功能。

4 系統(tǒng)調(diào)試與分析

將空氣溫濕度傳感器以及光照強(qiáng)度傳感器通過串口與ZigBee 終端節(jié)點(diǎn)相連，將溶解氧傳感器、pH 傳感器經(jīng)其相應(yīng)的信號(hào)調(diào)理電路后，再與Zig-Bee 終端節(jié)點(diǎn)端口相連，將上位機(jī)與ZigBee 協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)通過USB 直接相連，通過上位機(jī)控制臺(tái)指令實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的采集上報(bào)，并使用臺(tái)灣衡欣AZ8403 高精度溶解氧檢測(cè)儀與本系統(tǒng)的采集設(shè)備同時(shí)測(cè)量同一水域的溶解氧濃度。其調(diào)試過程如圖6所示。

圖5 上位機(jī)主程序流程fig.5 Flow chart of upper computer main program

圖6 系統(tǒng)調(diào)試示意圖Fig.6 System debugging schematic diagram

可計(jì)算出t=0.354。根據(jù)

圖7 溶解氧濃度測(cè)量值統(tǒng)計(jì)曲線Fig.7 Statistical curves of dissolved oxygen concentration measurements

在此試驗(yàn)中，選擇自由度f=58，選取95%的置信水平，當(dāng)α=0.05 時(shí)，經(jīng)查閱不同置信度下的t 值表，可得t0.05（58）≈t0.05（60）=2.000，小于t 值0.354。由此表明，經(jīng)對(duì)溶解氧傳感器建立溫度補(bǔ)償模型后，系統(tǒng)所測(cè)的溶解氧數(shù)據(jù)與AZ8403 溶解氧檢測(cè)儀所測(cè)的數(shù)據(jù)無顯著差異，建立的溫度補(bǔ)償模型和系統(tǒng)所測(cè)的最終數(shù)據(jù)符合規(guī)定要求。

5 結(jié)語

蝦稻共作環(huán)境智能監(jiān)控系統(tǒng)以物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)為基礎(chǔ)，由ZigBee 各類節(jié)點(diǎn)，在蝦稻共作農(nóng)田中構(gòu)建無線傳輸網(wǎng)絡(luò)，并與上位機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)交互，將各類傳感器組件通過質(zhì)量控制采集的環(huán)境參數(shù)由串口通信等方式傳輸至上位機(jī)，在上位機(jī)上實(shí)現(xiàn)對(duì)各類數(shù)據(jù)的集中處理、分析、本地顯示以及實(shí)時(shí)上報(bào)，同時(shí)可通過ZigBee 無線傳輸網(wǎng)絡(luò)對(duì)抽水泵等執(zhí)行機(jī)構(gòu)下達(dá)開關(guān)命令。網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)將抓取的視頻圖片數(shù)據(jù)保存至NVR 中，并可在本地上位機(jī)中顯示。利用TCP協(xié)議和HTTP 協(xié)議將系統(tǒng)的流媒體數(shù)據(jù)和環(huán)境參數(shù)打包后通過4G 等無線網(wǎng)絡(luò)上傳至中心數(shù)據(jù)服務(wù)器進(jìn)行存儲(chǔ)和分析處理。用戶客戶端可通過Internet 遠(yuǎn)程訪問服務(wù)器進(jìn)行數(shù)據(jù)瀏覽和遠(yuǎn)程設(shè)備控制，服務(wù)器根據(jù)對(duì)蝦稻共作田中的環(huán)境參數(shù)的算法分析和決策結(jié)果，向不同的用戶群體推送相應(yīng)的信息，從而建立一套成熟完善的蝦稻共作環(huán)境智能監(jiān)控系統(tǒng)。