杜翠 于安國 趙凱

摘要：為了實現(xiàn)遠程實時監(jiān)測，建立了基于無線傳感網(wǎng)絡的多參數(shù)水質監(jiān)測系統(tǒng)，以提高水產養(yǎng)殖產品質量，解決目前監(jiān)控系統(tǒng)中，布線復雜，成本高等問題。該系統(tǒng)使用太陽能電池和鋰電池作為電源。采用YCS-2000溶解氧傳感器、pH電極、Pt1000溫度傳感器和氨氮傳感器進行檢測監(jiān)測水產養(yǎng)殖水質參數(shù);數(shù)據(jù)處理采用STM32F103芯片;Zigbee與GPRS模塊用于將數(shù)據(jù)傳輸?shù)竭h程監(jiān)控中心，實現(xiàn)溶解氧濃度的自動控制。測試結果表明數(shù)據(jù)傳輸?shù)母咧眯哦?，丟包率為0.3%。因此，該系統(tǒng)能夠滿足對水產養(yǎng)殖水質進行遠程監(jiān)測的實時性要求，對減輕勞動強度、提高養(yǎng)殖質量具有重要的現(xiàn)實意義。

關鍵詞：水產養(yǎng)殖;實時監(jiān)測;無線傳感器網(wǎng)絡

我國水產養(yǎng)殖總產量居世界首位，產品連續(xù)多年在世界上暢銷。隨著水產養(yǎng)殖業(yè)集約化、規(guī)模化程度的不斷發(fā)展，造成水產養(yǎng)殖的水質不斷惡化，這不僅使水產品變質，也造成了巨大的經(jīng)濟損失，同時，也嚴重污染了水體環(huán)境，因此，要實現(xiàn)水產養(yǎng)殖水質實時監(jiān)測技術在水產養(yǎng)殖中的應用，實時檢測水質，調節(jié)和控制水質，防止其質量進一步惡化，及時采取有效措施具有重大意義[1-3]。

近年來，一些研究針對水產養(yǎng)殖水質無線監(jiān)測系統(tǒng)，Theofanis等人設計了一個低成本的實時系統(tǒng)飲用水水質的實時監(jiān)測，基于選定參數(shù)為模擬電路開發(fā)了傳感器陣列信號調節(jié)、處理、記錄和遠程控制數(shù)據(jù)。Helmi等人使用移動浮標通過GSM監(jiān)測水質，可訪問由用戶命令協(xié)調的任何位置。Muhammad等人描述了一種無線通信方法應用傳感器網(wǎng)絡進行實時數(shù)據(jù)采集在淡水處。Zhou等人提出了一種使用無線傳感器網(wǎng)絡的質量監(jiān)控系統(tǒng)，它以GS1011M為核心實現(xiàn)實時監(jiān)控水產養(yǎng)殖。蔣等人設計了一個系統(tǒng)，并對協(xié)議進行了優(yōu)化集中式低功耗分層集群（LEACH-C）用于無線傳感器網(wǎng)絡通信和基于單片機的變頻曝氣系統(tǒng)采用可編程邏輯控制器（PLC）。鋰等人介紹了一種基于Internet的Android監(jiān)控系統(tǒng)平臺水產養(yǎng)殖遙控器，使用具有多個傳感器節(jié)點的系統(tǒng)，信息可以通過多種方式遠程收集傳感器。但他們中的大多數(shù)人只監(jiān)控一個參數(shù)，影響魚類生長的環(huán)境的多個參數(shù)不能同時進行監(jiān)控。鑒于無線通信距離短，成本高，無法對水質進行自動控制等實時監(jiān)控系統(tǒng)，本設計集成了水產養(yǎng)殖中的多個參數(shù)，采用太陽能電池和鋰電池聯(lián)合供電。該系統(tǒng)可以實現(xiàn)實時監(jiān)測溶解氧、pH、，溫度和水中氨氮含量。監(jiān)測數(shù)據(jù)以無線方式傳輸，自動保存和顯示，以便水中的氧氣可以自動控制。這個整個系統(tǒng)采用模塊化設計，方便用戶使用安裝、調試和維護[4-6]。

1.總體框架

該系統(tǒng)由電源、傳感器、檢測三部分組成部分，傳感器檢測部分包括溶解氧、pH值，溫度和氨氮濃度。這個控制器由STM32F103及其外圍設備組成電路，并負責處理參數(shù)傳感器采集的水質數(shù)據(jù)及其控制整個系統(tǒng)正常工作。數(shù)據(jù)傳輸部分由Zigbee無線數(shù)據(jù)組成傳輸模塊和GPRS模塊，用于將傳感器檢測到的參數(shù)發(fā)送到遠程控制模塊監(jiān)控中心。?遠程監(jiān)控中心是由上位機組成，可實現(xiàn)實時監(jiān)控顯示、保存、分析監(jiān)測的水質數(shù)據(jù)。如果控制器檢測到溶解氧濃度低于預設的下限，則發(fā)送啟動曝氣器的說明。當它檢測到溶解氧濃度高于正常值預設上限，關閉曝氣器。

2.硬件設計

2.1電源模塊

電源模塊由鋰電池組成，太陽能電池板、鋰電池充電管理電路和AC/DC升壓/降壓轉換器電路。聚合物鋰電池（標稱電壓：3.7?V，電池容量：3.6?A·h）由新能源制造使用了科技有限公司。為了實現(xiàn)各模塊工作電壓要求，PT1301采用了升壓和TPS62007降壓變換器來實現(xiàn)改變鋰電池的輸出電壓。

2.2水質參數(shù)檢測模塊

設計了水質數(shù)據(jù)采集模塊由傳感器和單片機組成STM32F103芯片，具有高效的Cortex-M3核心，工作頻率為72?MHz，工作頻率為2.0-3.6?V工作電壓，工作溫度為400C至850C，內置高速存儲器。單片機具有功耗低，電壓低，適用范圍廣的特點。這是我們的核心系統(tǒng)，用于數(shù)據(jù)采集、A/D轉換對采集的信號進行分析，并控制信號的正常工作元素按順序排列。YCS-2000傳感器（測量范圍：0-20?mg/L，精度：0.1?mg/L，溫度補償：0-40°C）青島裕昌科技有限公司制造。用于檢測溶解氧濃度。它的信號輸出端與PA5端口相連單片機。pH復合電極（測量范圍：0-14，精度：0.02）制造由東莞豪斯儀器有限公司負責檢測pH值。其信號輸出端已連接具有單片機PA2接口。氨氮傳感器（測量范圍：0-1000?mg/L，準確度：0.1?mg/L），由上海青苗制造光電科技有限公司被用來檢測氨氮濃度。其輸出端為信號與PA6端口相連。溫度檢測傳感器由Pt1000s和測量精度為0.10C，信號輸出一端與單片機的PA1端口連接微型計算機[7-8]。

2.3數(shù)據(jù)傳輸模塊

數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)由Zigbee組成模塊、GPRS模塊和遠程監(jiān)控中.?監(jiān)控數(shù)據(jù)被傳輸?shù)浇邮掌魍ㄟ^Zigbee模塊，然后通過GPRS模塊。上位機讀出數(shù)據(jù)并實時顯示、保存和分析時間Zigbee模塊由深圳德科電子有限公司制造，如果模塊配備外接天線，其傳輸距離可達1600米。模塊的工作溫度為?400C至800C，靈敏度為?110dbm和頻率為2.4GHz。GPRS模塊（工作電壓：5?V，工作溫度：–25°C至75°C）濟南美瑞物聯(lián)網(wǎng)技術有限公司。

2.4曝氣器模塊

曝氣器模塊由曝氣器和繼電器組成。上海銀霸葉輪式曝氣機采用工貿有限公司，即工作電壓約為220?V，功率約為1.5?kW。光電耦合器用作繼電器隔離輸入和輸出信號。當控制器檢測到溶解氧濃度低于下限，低電平從光電傳感器的輸入端輸入0063耦合器、LED和繼電器導電，則充氣機開始工作。當溶解氧濃度高于預設上限，5?V電壓從光電傳感器的輸入端輸入耦合器，其輸出端打開，曝氣器停止工作這樣，溶解氧濃度受到控制[9-10]。

3系統(tǒng)的軟件設計

3.1傳感器節(jié)點的軟件設計

用軟件開發(fā)傳感器節(jié)點程序基于Keil環(huán)境的C語言。整個系統(tǒng)采用模塊化設計編程過程，包括系統(tǒng)的各個模塊水質的初始化、檢測和處理數(shù)據(jù)、無線數(shù)據(jù)傳輸和曝氣器控制。系統(tǒng)通電并復位后，系統(tǒng)初始化計時器啟動了。系統(tǒng)收集數(shù)據(jù)水質數(shù)據(jù)每12小時一次，然后保存將數(shù)據(jù)收集到控制器中。數(shù)據(jù)采集后完成后，傳感器斷電，控制器分析和處理水的數(shù)據(jù)并通過數(shù)據(jù)傳輸模塊發(fā)送。這個控制器控制曝氣器的啟動或關閉根據(jù)溶解氧濃度水平（低于或高于閾值）。

3.2遠程監(jiān)控中心

開發(fā)遠程監(jiān)控中心程序，數(shù)據(jù)被傳送到遠程計算機通過Zigbee和GPRS模塊的監(jiān)控中心，Labview從串口讀取數(shù)據(jù)，并采集，處理、分析、保存和顯示它們。

4現(xiàn)場試驗和性能分析

在一個水產養(yǎng)殖區(qū)進行了現(xiàn)場試驗，水產養(yǎng)殖面積約為2平方千米，分為16個文化區(qū)。在測試中，一個傳感器在每個培養(yǎng)區(qū)設置檢測單元，并進行路由選擇，節(jié)點設置在四個相鄰文化區(qū)的中心，所以一共設置了四個節(jié)點。廚房里放了一個水槽四個路由節(jié)點的中心。合理的檢測單元的位置布置，最大網(wǎng)絡中數(shù)據(jù)傳輸節(jié)點之間的距離養(yǎng)殖面積為70米，因此Zigbee模塊可以滿足傳輸要求。

5.結論

開發(fā)了一個基于ZigBee和GPRS傳輸技術的檢測溫度、pH、溶解氧和溫度傳感器氨氮的水產養(yǎng)殖區(qū)水質實時監(jiān)測系統(tǒng)，該系統(tǒng)已部署在水產養(yǎng)殖中面積為2平方千米的水中，并對其性能進行了測試。網(wǎng)絡中的平均丟包率為0.3%，這意味著數(shù)據(jù)傳輸穩(wěn)定可靠可靠。多參數(shù)水質監(jiān)測系統(tǒng)質量與曝氣器連接，實現(xiàn)自動化溶解氧濃度的控制。但它可以未實現(xiàn)pH和氨氮在水中的自動控制，這將在未來進一步研究。

參考資料

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作者簡介

杜翠，1983.10.26，女，吉林省農安，研究生，講師，研究方向：思想政治教育。