摘要：隨著水產(chǎn)養(yǎng)殖業(yè)的快速發(fā)展，魚(yú)塘水質(zhì)管理成為保障養(yǎng)殖效率與產(chǎn)品品質(zhì)的關(guān)鍵因素。文章探討了一種基于無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的魚(yú)塘水質(zhì)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與應(yīng)用。該系統(tǒng)集成了多種水質(zhì)傳感器，如溶解氧、pH值、溫度和氨氮濃度傳感器，以實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)魚(yú)塘的水質(zhì)參數(shù)。傳感器節(jié)點(diǎn)通過(guò)無(wú)線方式將采集到的數(shù)據(jù)傳輸至匯聚節(jié)點(diǎn)，再由匯聚節(jié)點(diǎn)將數(shù)據(jù)發(fā)送至遠(yuǎn)程監(jiān)控中心，實(shí)現(xiàn)對(duì)水質(zhì)的遠(yuǎn)程監(jiān)控與管理。該系統(tǒng)采用自組織網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，能夠適應(yīng)魚(yú)塘復(fù)雜多變的環(huán)境，降低布線成本，提高監(jiān)測(cè)靈活性。此外，該研究還涉及數(shù)據(jù)處理算法與預(yù)警機(jī)制，以便及時(shí)發(fā)現(xiàn)水質(zhì)異常并采取相應(yīng)措施，確保水質(zhì)維持在適宜養(yǎng)殖的范圍內(nèi)。通過(guò)試驗(yàn)驗(yàn)證，該系統(tǒng)有效提升了魚(yú)塘水質(zhì)管理的效率與精確度，對(duì)促進(jìn)水產(chǎn)養(yǎng)殖業(yè)的智能化發(fā)展具有重要意義。

關(guān)鍵詞：無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)；水質(zhì)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)；水質(zhì)參數(shù)；傳感器節(jié)點(diǎn)；自組織網(wǎng)絡(luò)技術(shù)；數(shù)據(jù)處理算法與預(yù)警機(jī)制

中圖分類號(hào)：S24 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

0 引言

隨著全球水產(chǎn)養(yǎng)殖業(yè)的蓬勃發(fā)展，魚(yú)塘作為重要的養(yǎng)殖基地，其水質(zhì)與魚(yú)類生長(zhǎng)繁殖息息相關(guān)，因此準(zhǔn)確、快速、便捷地獲得水質(zhì)參數(shù)顯得尤為重要［1］。水的含氧量、pH酸堿度、溫度等參數(shù)是水產(chǎn)養(yǎng)殖的關(guān)鍵［2］。傳統(tǒng)的水質(zhì)監(jiān)測(cè)方法通常依賴于人工取樣和實(shí)驗(yàn)室分析，不僅耗時(shí)耗力，而且無(wú)法實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，難以及時(shí)響應(yīng)水質(zhì)變化。

為了解決這一問(wèn)題，一些發(fā)展中國(guó)家已經(jīng)將微型計(jì)算機(jī)應(yīng)用于養(yǎng)殖水體DO、pH酸堿度等水體因子的測(cè)量和設(shè)備控制，并研究水體管控的自動(dòng)化和電子化［3-6］。同時(shí)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)（Wireless Sensor Network，WSN）技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生，它通過(guò)部署大量傳感器節(jié)點(diǎn)，能夠?qū)崟r(shí)、連續(xù)地監(jiān)測(cè)魚(yú)塘中的水質(zhì)參數(shù)，如溶解氧、pH酸堿度、溫度和氨氮濃度等［7-8］。可見(jiàn)傳感器技術(shù)是實(shí)現(xiàn)測(cè)試與自動(dòng)控制的重要環(huán)節(jié)［9-10］。這些傳感器節(jié)點(diǎn)通過(guò)無(wú)線方式將數(shù)據(jù)傳輸至中心節(jié)點(diǎn)，再由中心節(jié)點(diǎn)將信息發(fā)送至遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)或移動(dòng)設(shè)備，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)魚(yú)塘水質(zhì)的實(shí)時(shí)監(jiān)控和管理。

本研究旨在設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)一個(gè)基于無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的智能魚(yú)塘水質(zhì)管理系統(tǒng)。該系統(tǒng)綜合運(yùn)用了現(xiàn)代傳感器技術(shù)、無(wú)線通信技術(shù)和數(shù)據(jù)處理技術(shù)，旨在解決傳統(tǒng)水質(zhì)監(jiān)測(cè)方法中存在的時(shí)效性差、監(jiān)測(cè)范圍有限以及人力物力成本高昂等問(wèn)題。通過(guò)集成溶解氧、pH酸堿度、溫度和氨氮等關(guān)鍵水質(zhì)指標(biāo)的傳感器，系統(tǒng)能夠全方位、高精度地掌握魚(yú)塘水質(zhì)動(dòng)態(tài)，為精準(zhǔn)調(diào)控水質(zhì)、優(yōu)化養(yǎng)殖環(huán)境提供技術(shù)支持。此項(xiàng)研究對(duì)于推動(dòng)水產(chǎn)養(yǎng)殖業(yè)的現(xiàn)代化和可持續(xù)發(fā)展具有重要意義。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

水質(zhì)檢測(cè)一般有人工采樣監(jiān)測(cè)法、水質(zhì)監(jiān)測(cè)站檢測(cè)法、水生物檢測(cè)法、無(wú)線遙感檢測(cè)法［1］。無(wú)線遙感方式在實(shí)時(shí)性、

先進(jìn)性方面具有明顯優(yōu)勢(shì)，因此，該智能魚(yú)塘水質(zhì)管理系統(tǒng)基于無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行研究，而無(wú)線網(wǎng)絡(luò)可以分為無(wú)線廣域網(wǎng)以及無(wú)線局域網(wǎng)。無(wú)線局域網(wǎng)又包含了Wi-Fi、藍(lán)牙、ZigBee等技術(shù)［11］。無(wú)線局域網(wǎng)通信距離較短，功耗低，非常適合用于本研究前端的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)組網(wǎng)。ZigBee相比Wi-Fi和藍(lán)牙等技術(shù)，功耗更低、成本更低，同時(shí)具有多跳、自組織等一些特點(diǎn)，每個(gè)節(jié)點(diǎn)均可以作為相鄰范圍內(nèi)傳輸節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)中轉(zhuǎn)站。另外，ZigBee可以在短時(shí)間內(nèi)不斷拓寬無(wú)線網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用時(shí)的覆蓋范圍，非常本應(yīng)適合用場(chǎng)景。本研究分為上位機(jī)和下位機(jī)2部分，ZigBee無(wú)線局域網(wǎng)模塊處于下位機(jī)系統(tǒng)中。

如圖1所示，溶解氧傳感器、pH傳感器、溫度傳感器或者氨氮濃度傳感器采集到的實(shí)時(shí)信號(hào)，經(jīng)過(guò)信號(hào)濾波放大、A/D轉(zhuǎn)換之后，發(fā)送給以CC2530F256為核心的ZigBee節(jié)點(diǎn)進(jìn)一步處理，之后通過(guò)2.4 GHz短距無(wú)線網(wǎng)絡(luò)，傳遞給下位機(jī)（此下位機(jī)以STM32F103為核心）。此下位機(jī)隨后將ZigBee模塊傳遞過(guò)來(lái)的實(shí)時(shí)信號(hào)通過(guò)4G網(wǎng)絡(luò)傳遞給上位機(jī)。

如圖2所示，位于魚(yú)塘群管理中心的上位機(jī)接收到下位機(jī)傳來(lái)的無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)信號(hào)，把相關(guān)傳感器信號(hào)實(shí)時(shí)顯示到屏幕上，并與各種傳感器預(yù)設(shè)值進(jìn)行比較、判斷。如果超過(guò)預(yù)設(shè)值，上位機(jī)就發(fā)出控制指令，此指令經(jīng)過(guò)RS485總線傳遞到現(xiàn)場(chǎng)，再經(jīng)過(guò)D/A轉(zhuǎn)換和信號(hào)放大驅(qū)動(dòng)補(bǔ)氧機(jī)、補(bǔ)水泵或者放水閘工作，以改善魚(yú)塘溶解氧、pH酸堿度、溫度或者氨氮濃度等關(guān)鍵參數(shù)。同時(shí)，上位機(jī)可以在屏幕上發(fā)出參數(shù)超標(biāo)報(bào)警信息，并控制警鈴發(fā)出明顯刺耳的報(bào)警信息，引起工作人員注意，此警鈴須手動(dòng)復(fù)位才能關(guān)閉。在特殊情況下，各種傳感器并未傳來(lái)異常狀態(tài)信號(hào)，但是人工已經(jīng)發(fā)現(xiàn)魚(yú)群出現(xiàn)缺氧征兆或者其他異常狀況的時(shí)候，可以通過(guò)強(qiáng)制啟動(dòng)模塊，強(qiáng)制啟動(dòng)補(bǔ)氧機(jī)、補(bǔ)水泵或者放水閘，快速干預(yù)排除異常狀態(tài)。上位機(jī)是以STM32F407ZG為核心的嵌入式開(kāi)發(fā)板，內(nèi)置FreeRTOS V10.0實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)，性價(jià)比高，工作穩(wěn)定，體積小巧，實(shí)時(shí)性好。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1 ZigBee模塊設(shè)計(jì)

如圖3所示，此ZigBee模塊以CC2530F256芯片為核心。該芯片內(nèi)嵌了一個(gè)8051系列8位單片機(jī)，內(nèi)置8路A/D轉(zhuǎn)換模塊，內(nèi)部集成工作頻率為2.4 GHz的無(wú)線收發(fā)模塊，數(shù)據(jù)傳輸速度超過(guò)200 kb/s，傳輸距離超過(guò)200 m，芯片供電電壓為3.3 VDC。電路主要包括供電電路、時(shí)鐘電路和無(wú)線電收發(fā)電路。

2.2 溶解氧傳感器信號(hào)濾波放大電路設(shè)計(jì)

魚(yú)塘中溶解氧的正常范圍應(yīng)保持在5～8 mg/L，能確保魚(yú)類和其他水生生物健康生長(zhǎng)。最低溶氧濃度不應(yīng)低于4 mg/L，如果淡水溶氧量低于4 mg/L或海水溶氧量低于3 mg/L，就表明水中已缺氧，可能引

起魚(yú)蝦浮頭現(xiàn)象，須及時(shí)采取增氧措施，否則魚(yú)兒就會(huì)大批量死亡。為滿足以上要求，此項(xiàng)目選擇YSI ProODO溶解氧傳感器。該傳感器測(cè)量范圍為0～20.0 mg/L，精度達(dá)到±0.1mg/L，溫度補(bǔ)償范圍0～40℃，響應(yīng)時(shí)間小于60 s，輸出電流為4～20 mA。本文根據(jù)此傳感器工作特性，設(shè)計(jì)了如圖4所示的溶解氧信號(hào)濾波放大電路。

如圖4所示，溶解氧信號(hào)首先經(jīng)過(guò)π型濾波電路和RC濾波電路組成的陷波器，將高頻和低頻雜波濾除；其次，經(jīng)過(guò)第一級(jí)負(fù)反饋放大電路放大，并經(jīng)過(guò)一個(gè)π型濾波電路對(duì)殘留的高頻雜波進(jìn)一步濾除；再次，經(jīng)過(guò)二級(jí)負(fù)反饋的放大電路進(jìn)行放大，輸出信號(hào)中的高頻雜波信號(hào)進(jìn)一步經(jīng)過(guò)C6、C5的回路濾除；最終輸出雜波少、經(jīng)過(guò)適當(dāng)放大的溶解氧信號(hào)，等待下一環(huán)節(jié)進(jìn)一步處理。

2.3 氨氮濃度信號(hào)濾波放大電路設(shè)計(jì)

魚(yú)塘中氨氮的最大允許濃度一般在1.5～3mg/L。低于此范圍比較適宜魚(yú)類生存，超過(guò)這個(gè)范圍魚(yú)類死亡率會(huì)大幅度提升。為滿足以上要求，本設(shè)計(jì)選擇了HACH HQ11D Ammonia傳感器。該傳感器測(cè)量范圍是0～50mg/L，精度為±5%，pH酸堿度適應(yīng)范圍為6.5～9.0，這些核心參數(shù)與魚(yú)塘使用環(huán)境非常相符，性價(jià)比高，匹配度好。根據(jù)此傳感器工作特性，本文設(shè)計(jì)了如圖5所示的濾波放大電路。

如圖5所示，一級(jí)濾波電路是一種歸一化低通濾波器，其Q值>1/2，是一種切比雪夫型歸一化低通濾波器，其傳遞函數(shù)公式如式（1）所示。

氨氮濃度信號(hào)經(jīng)過(guò)一級(jí)濾波電路之后再通過(guò)一個(gè)π型濾波電路對(duì)雜波進(jìn)一步濾除，然后通過(guò)二級(jí)負(fù)反饋放大電路對(duì)信號(hào)適當(dāng)放大，最后輸出雜波少、幅度合理的氨氮濃度信號(hào)。此信號(hào)隨后進(jìn)入CC2530F256芯片內(nèi)置A/D轉(zhuǎn)換模塊進(jìn)行進(jìn)一步處理。

2.4 pH信號(hào)濾波放大電路設(shè)計(jì)

根據(jù)科學(xué)研究，魚(yú)塘中的pH酸堿度為6.5～8.5，適宜魚(yú)類生長(zhǎng)發(fā)育。在這個(gè)范圍內(nèi)，魚(yú)類能夠較好地?cái)z食和生長(zhǎng)，同時(shí)水塘中的營(yíng)養(yǎng)也能夠滿足魚(yú)類的需求。如果pH酸堿度過(guò)高或過(guò)低，都可能影響魚(yú)類的養(yǎng)殖效果。當(dāng)pH酸堿度低于6.5或高于8.5時(shí)，可能會(huì)導(dǎo)致魚(yú)類生長(zhǎng)受阻，甚至引發(fā)健康問(wèn)題。因此，此項(xiàng)目選擇了Hamilton EasypH電極作為pH酸堿度測(cè)量傳感器，其pH酸堿度測(cè)量范圍為0.00～14.00，精度為±0.01 pH units，內(nèi)置溫度補(bǔ)償功能，輸出模擬信號(hào)，能夠滿足項(xiàng)目需求。本文根據(jù)此傳感器工作特性，設(shè)計(jì)了如圖6所示的濾波放大電路。

信號(hào)經(jīng)過(guò)第一級(jí)濾波放大電路處理之后，又經(jīng)過(guò)一個(gè)RC濾波器進(jìn)一步濾除雜波，隨后一個(gè)電壓串聯(lián)型負(fù)反饋電路對(duì)信號(hào)進(jìn)一步放大并輸出，最后此pH酸堿度信號(hào)進(jìn)入CC2530F256芯片內(nèi)部A/D轉(zhuǎn)換模塊進(jìn)行進(jìn)一步處理。

2.5 溫度檢測(cè)傳感器外圍電路設(shè)計(jì)

本研究仿真的是鰱、鳙、草等常見(jiàn)溫水魚(yú)類的養(yǎng)殖魚(yú)塘，一般這些魚(yú)類的適宜生活水溫為20～30℃。魚(yú)塘水溫高于適宜溫度，魚(yú)類的代謝會(huì)加速，消耗過(guò)多的氧氣，可能導(dǎo)致魚(yú)類窒息現(xiàn)象的出現(xiàn)。魚(yú)塘水溫低于適宜溫度，會(huì)阻礙魚(yú)類的免疫力，誘發(fā)疾病，甚至導(dǎo)致死亡。因此，本研究選擇Maxim Integrated生產(chǎn)的這款數(shù)字溫度傳感器DS18B20用于檢測(cè)溫度。此溫度傳感器測(cè)量范圍為-55～+125℃，精度±0.5℃，經(jīng)濟(jì)實(shí)惠，數(shù)字接口連接方便，完全能滿足項(xiàng)目需求。此溫度傳感器與CC2530F256芯片連接方式如圖7所示。

此溫度傳感器為數(shù)字接口，可以直接與CC2530F256芯片P0.6接口相連，為了保證信號(hào)電平穩(wěn)定可靠，增加一個(gè)上拉電阻R1?？傮w看來(lái)此電路簡(jiǎn)潔、可靠，性價(jià)比高。

2.6 下位機(jī)信號(hào)放大及驅(qū)動(dòng)模塊電路設(shè)計(jì)

此設(shè)計(jì)中水質(zhì)改善設(shè)備有3個(gè)：補(bǔ)氧機(jī)、補(bǔ)水泵以及放水閘。這3個(gè)設(shè)備可以單獨(dú)工作，也可以聯(lián)動(dòng)工作，可以快速改善水質(zhì)，保障魚(yú)塘魚(yú)群安全。下位機(jī)發(fā)出的控制指令經(jīng)過(guò)RS485總線到達(dá)設(shè)備端，經(jīng)過(guò)D/A轉(zhuǎn)換模塊之后，又經(jīng)過(guò)如圖8所示的信號(hào)放大及驅(qū)動(dòng)電路之后，驅(qū)動(dòng)相關(guān)繼電器工作，從而控制補(bǔ)氧機(jī)、補(bǔ)水泵或者放水閘工作。

3 ZigBee通信協(xié)議及系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

3.1 ZigBee通信協(xié)議

如圖1所示，每一個(gè)ZigBee模塊將其所連接的溶解氧傳感器、pH傳感器、溫度傳感器以及氨氮濃度傳感器上傳的信號(hào)實(shí)時(shí)地通過(guò)2.4 GHz短距無(wú)線網(wǎng)絡(luò)傳遞給下位機(jī)（協(xié)調(diào)器）。ZigBee是基于IEEE 802.15.4標(biāo)準(zhǔn)的低功耗、低成本、低數(shù)據(jù)速率的短距無(wú)線通信技術(shù)［12］，在2.4 GHz頻段上有16個(gè)信道，數(shù)據(jù)傳輸速率到達(dá)250 kb/s；擁有自組網(wǎng)功能，可以輕松添加或者刪除節(jié)點(diǎn)，無(wú)須人工干預(yù)，非常適合用于組建無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)，完全能滿足本案例需要。ZigBee支持星形、樹(shù)形和網(wǎng)狀3種網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)［13］，允許數(shù)據(jù)多節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)發(fā)，即使某些節(jié)點(diǎn)失效也不會(huì)中斷通信［14］。本研究綜合考慮了實(shí)際網(wǎng)絡(luò)情況，認(rèn)為樹(shù)形結(jié)構(gòu)比較合適，其拓?fù)鋱D如圖9所示。

如圖9所示的子節(jié)點(diǎn)以CC2530F256為核心，能實(shí)時(shí)收集與其相接的溶解氧傳感器、pH傳感器、溫度傳感器以及氨氮濃度傳感器等傳感器的信號(hào)，之后匯聚到下位機(jī)（協(xié)調(diào)器）。下位機(jī)（協(xié)調(diào)器）通過(guò)4G網(wǎng)絡(luò)將信號(hào)實(shí)時(shí)發(fā)送到上位機(jī)，上位機(jī)根據(jù)收到的數(shù)據(jù)，做出相應(yīng)的處理。

3.2 ZigBee網(wǎng)絡(luò)工作流程

以CC2530F256為核心的ZigBee網(wǎng)絡(luò)工作流程包括網(wǎng)絡(luò)啟動(dòng)、節(jié)點(diǎn)加入和數(shù)據(jù)傳輸?shù)炔襟E。

第一步（網(wǎng)絡(luò)建立）：下位機(jī)（協(xié)調(diào)器）負(fù)責(zé)建立和維護(hù)網(wǎng)絡(luò)。它通過(guò)應(yīng)用層發(fā)起網(wǎng)絡(luò)形成的請(qǐng)求，調(diào)用NLME_NetworkFormationRequest函數(shù)開(kāi)始新建網(wǎng)絡(luò)的過(guò)程；協(xié)調(diào)器在選擇網(wǎng)絡(luò)ID（PAN ID）和通信頻道時(shí)會(huì)盡量避免現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)的干擾，確保網(wǎng)絡(luò)的唯一性和穩(wěn)定性。

第二步（節(jié)點(diǎn)加入）：CC2530F256可以作為路由器（Router）或終端設(shè)備（End Device）等各種節(jié)點(diǎn)加入ZigBee網(wǎng)絡(luò)。路由器負(fù)責(zé)轉(zhuǎn)發(fā)消息，終端設(shè)備則通常是網(wǎng)絡(luò)中的傳感器或控制器。

第三步（數(shù)據(jù)傳輸）：在ZigBee網(wǎng)絡(luò)中，數(shù)據(jù)通常被封裝成幀（Frame）進(jìn)行傳輸。每一幀包含地址信息、序列號(hào)以及有效載荷（Payload）。數(shù)據(jù)包在網(wǎng)絡(luò)中的傳輸可以通過(guò)多種路由策略，如樹(shù)形路由（Tree Routing）或網(wǎng)狀路由（Mesh Routing），以確保數(shù)據(jù)從源節(jié)點(diǎn)有效地傳輸?shù)侥繕?biāo)節(jié)點(diǎn)。

第四步（網(wǎng)絡(luò)維護(hù)）：下位機(jī)（協(xié)調(diào)器）節(jié)點(diǎn)除了負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)傳輸，還須要維護(hù)網(wǎng)絡(luò)的穩(wěn)定性和完整性。這包括處理設(shè)備離開(kāi)網(wǎng)絡(luò)的情況、網(wǎng)絡(luò)重組、信道干擾檢測(cè)等。

第五步（應(yīng)用層交互）：在ZigBee網(wǎng)絡(luò)中，應(yīng)用層可以定義特定的應(yīng)用邏輯和行為。例如，可以定義傳感器節(jié)點(diǎn)定時(shí)采集數(shù)據(jù)并發(fā)送給下位機(jī)（協(xié)調(diào)器），下位機(jī)（協(xié)調(diào)器）再將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)給上位機(jī)或云平臺(tái)進(jìn)行處理和分析。

協(xié)調(diào)器工作流程如圖10所示。

終端節(jié)點(diǎn)工作流程如圖11所示。

3.3 ZigBee端軟件設(shè)計(jì)

ZigBee端代碼主要任務(wù)是定期讀出溶解氧傳感器、pH傳感器、溫度傳感器以及氨氮濃度傳感器的實(shí)時(shí)信息數(shù)據(jù)，并對(duì)相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理和校驗(yàn)，之后將得到的數(shù)據(jù)打包成一個(gè)消息，并附上獨(dú)立ID以及時(shí)間戳，之后把數(shù)據(jù)發(fā)送到ZigBee網(wǎng)絡(luò)。具體工作流程如圖12所示。

3.4 下位機(jī)軟件設(shè)計(jì)

此項(xiàng)目下位機(jī)（協(xié)調(diào)器）采用了一塊以STM32F103為核心的嵌入式開(kāi)發(fā)平臺(tái)。此平臺(tái)主要作用是接收Z(yǔ)igBee網(wǎng)絡(luò)各個(gè)節(jié)點(diǎn)或者路由器通過(guò)2.4 GHz無(wú)線網(wǎng)絡(luò)發(fā)送過(guò)來(lái)的所有溶解氧傳感器、pH傳感器、溫度傳感器以及氨氮濃度傳感器的實(shí)時(shí)信息數(shù)據(jù)包，之后此下位機(jī)（協(xié)調(diào)器）會(huì)對(duì)相關(guān)數(shù)據(jù)包進(jìn)行解包、解析，并校驗(yàn)數(shù)據(jù)是否正確。如果錯(cuò)誤，會(huì)向各個(gè)節(jié)點(diǎn)提出重發(fā)申請(qǐng)；如果正確就會(huì)按照4G數(shù)據(jù)格式對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行二次封裝（打包），再通過(guò)4G網(wǎng)絡(luò)把數(shù)據(jù)發(fā)送給上位機(jī)。如果發(fā)送成功，再次處于上游數(shù)據(jù)監(jiān)聽(tīng)狀態(tài)；如果失敗會(huì)報(bào)錯(cuò)，同時(shí)請(qǐng)求數(shù)據(jù)重發(fā)。具體工作流程如圖13所示。

3.5 上位機(jī)軟件設(shè)計(jì)

此項(xiàng)目上位機(jī)采用了一塊以STM32F407ZG為核心的嵌入式開(kāi)發(fā)平臺(tái)。此平臺(tái)主要作用是實(shí)時(shí)監(jiān)聽(tīng)下位機(jī)從4G網(wǎng)絡(luò)傳來(lái)的各種傳感器信息，如果數(shù)據(jù)接收失敗會(huì)向下位機(jī)申請(qǐng)數(shù)據(jù)重發(fā)；如果數(shù)據(jù)接收成功，就對(duì)所接收數(shù)據(jù)進(jìn)行解包，并校驗(yàn)。如果接收數(shù)據(jù)錯(cuò)誤會(huì)再次向上位機(jī)申請(qǐng)數(shù)據(jù)重發(fā)；如果接收的數(shù)據(jù)正確，上位機(jī)會(huì)讓接收數(shù)據(jù)與各種閾值進(jìn)行比較。如果數(shù)據(jù)未超過(guò)閾值，則繼續(xù)監(jiān)聽(tīng)、處理下位機(jī)傳來(lái)的數(shù)據(jù)；如果數(shù)據(jù)超過(guò)閾值，上位機(jī)會(huì)發(fā)出指令控制聲、光報(bào)警提醒工作人員，讓其擇情干預(yù)，同時(shí)也會(huì)根

據(jù)實(shí)際超標(biāo)量實(shí)時(shí)啟動(dòng)補(bǔ)氧機(jī)、補(bǔ)水泵、放水閘等分別工作或者協(xié)同工作，快速改善魚(yú)塘水質(zhì)，讓魚(yú)塘pH酸堿度、氨氮濃度值、氧濃度值、溫度值很快恢復(fù)到正常值。具體工作流程如圖14所示。

4 系統(tǒng)測(cè)試

4.1 實(shí)驗(yàn)條件

此項(xiàng)目中有關(guān)魚(yú)塘水質(zhì)檢測(cè)及管理的實(shí)驗(yàn)均在實(shí)驗(yàn)室環(huán)境下完成，通過(guò)人工干預(yù)模擬昆明地區(qū)魚(yú)塘氨氮濃度、溶解氧濃度、溫度、pH酸堿度及其變化情況，統(tǒng)計(jì)設(shè)備響應(yīng)速度以及參數(shù)恢復(fù)速度等關(guān)鍵數(shù)據(jù)，最終得到關(guān)鍵結(jié)論。

4.2 實(shí)驗(yàn)及結(jié)論

4.2.1 綜合實(shí)驗(yàn)

2024年3月對(duì)昆明市呈貢區(qū)2個(gè)魚(yú)塘進(jìn)行參數(shù)測(cè)量，選擇早上8：00、中午12：00、晚上8：00進(jìn)行參數(shù)測(cè)量（取水下0.5 m數(shù)據(jù)），取平均值，得到如表1—2所示的數(shù)據(jù)。

模擬實(shí)驗(yàn)相關(guān)水質(zhì)參數(shù)按照上述2個(gè)表中相關(guān)參數(shù)取平均值進(jìn)行配置：溶解氧濃度6 mg/L，pH酸堿度7.2，溫度19 ℃，氨氮濃度0.8 mg/L。設(shè)備閾值設(shè)置：溶解氧濃度在5 mg/L以下補(bǔ)氧機(jī)工作；溶解氧濃度低于5 mg/L，并且氨氮濃度升高到1.5 mg/L以上，補(bǔ)氧機(jī)工作并且抽水泵會(huì)半功率工作，放水閥會(huì)半開(kāi)放水；溶解氧濃度低于4.5 mg/L或者氨氮濃度升高到3 mg/L以上或者水溫高于27 ℃（上述參數(shù)也可能同時(shí)超標(biāo)），補(bǔ)氧機(jī)工作，并且抽水泵和放水閥會(huì)全功率工作。

通過(guò)實(shí)驗(yàn)獲得如下結(jié)果，具體如表3所示。

通過(guò)5天22次的模擬實(shí)驗(yàn)，得出如下的規(guī)律或結(jié)論：

（1）水溫升高到22 ℃之后，當(dāng)溶解氧濃度低于5 mg/L，補(bǔ)氧機(jī)會(huì)工作，一般在3 min左右溶解氧濃度會(huì)重新回到5 mg/L之上。

（2）當(dāng)水溫升高到24 ℃之后，溶解氧濃度基本上會(huì)低于5 mg/L，并且氨氮濃度會(huì)升高到1.5 mg/L以上，此時(shí)程序會(huì)控制補(bǔ)氧機(jī)工作，同時(shí)抽水泵會(huì)半功率工作補(bǔ)水，放水閥會(huì)半開(kāi)，一般能在2 min之內(nèi)就把溶解氧濃度和氨氮濃度調(diào)整到指標(biāo)線之下。

（3）當(dāng)水溫升高到27 ℃之后，溶解氧濃度基本上會(huì)低于5 mg/L，并且氨氮濃度會(huì)升高到1.5 mg/L以上，此時(shí)程序會(huì)控制補(bǔ)氧機(jī)工作，同時(shí)抽水泵會(huì)全功率工作補(bǔ)水，放水閥會(huì)全開(kāi)放水，一般能在2～3 min就把溫度、溶解氧濃度和氨氮濃度調(diào)整到指標(biāo)線之下。

（4）一般在室溫環(huán)境下，5 min水溫會(huì)下降0.2～0.5 ℃，但是加入了補(bǔ)水和放水環(huán)節(jié)之后，水溫一般能在2～3 min下降3～4 ℃，同時(shí)溶解氧會(huì)更快得到補(bǔ)充，氨氮濃度會(huì)迅速稀釋，說(shuō)明此項(xiàng)目軟硬件設(shè)計(jì)合理，設(shè)計(jì)方案正確可行。

（5）從上述實(shí)驗(yàn)結(jié)果綜合來(lái)看，此項(xiàng)目整個(gè)系統(tǒng)ZigBee模塊、上位機(jī)，下位機(jī)硬件選擇、設(shè)計(jì)合理、可靠；通信協(xié)議選擇、設(shè)置合理；軟件代碼正確、穩(wěn)定，完全能滿足項(xiàng)目要求。

（6）經(jīng)過(guò)實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，在正常環(huán)境溫度范圍內(nèi)，水溫的升高或降低對(duì)pH酸堿度影響甚微（此次實(shí)驗(yàn)中18～28℃范圍內(nèi)pH酸堿度波動(dòng)在0.1以內(nèi)）。因此，有關(guān)魚(yú)塘pH酸堿度的模擬測(cè)試須要單獨(dú)進(jìn)行。

4.2.2 pH酸堿度實(shí)驗(yàn)

pH酸堿度實(shí)驗(yàn)得到的比較有代表性的數(shù)據(jù)如表4所示。

實(shí)驗(yàn)中注入的水，其水質(zhì)參數(shù)如下：水溫19 ℃；溶解氧濃度5.3 mg/L；氨氮濃度1.0 mg/L；pH酸堿度7.1。在不同時(shí)段進(jìn)行了12次類似于如表4所示的實(shí)驗(yàn)，得出如下規(guī)律或結(jié)論：

（1）在實(shí)驗(yàn)環(huán)境下，pH酸堿度與溶解氧濃度、溫度和氨氮濃度3個(gè)參數(shù)的關(guān)聯(lián)度不強(qiáng)。

（2）對(duì)于pH酸堿度變化，本設(shè)計(jì)采用的方法是控制抽水泵補(bǔ)水，控制放水閥放水；一般能在15～20 min把pH酸堿度調(diào)整到初始值附近，在5 min以內(nèi)就可以把pH酸堿度調(diào)整到6.5～8.5的閾值范圍之內(nèi)。

（3）本項(xiàng)目相關(guān)軟、硬件能夠?qū)崟r(shí)檢測(cè)到pH酸堿度、溶解氧濃度、溫度和氨氮濃度等參數(shù)信息，并能通過(guò)2.4 GHz局域網(wǎng)和4G網(wǎng)絡(luò)快速傳遞信息，ZigBee節(jié)點(diǎn)、上位機(jī)、下位機(jī)均能對(duì)信息進(jìn)行快速、正確的處理，網(wǎng)絡(luò)工作穩(wěn)定、可靠，項(xiàng)目實(shí)時(shí)性好，性能達(dá)標(biāo)，完全滿足了設(shè)計(jì)規(guī)劃要求。

5 結(jié)語(yǔ)

本研究項(xiàng)目專注于利用無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)對(duì)魚(yú)塘水質(zhì)進(jìn)行有效的監(jiān)控和管理。通過(guò)部署各種傳感器節(jié)點(diǎn)，如溶解氧濃度、溫度、pH酸堿度和氨氮濃度傳感器，成功地實(shí)現(xiàn)了對(duì)魚(yú)塘水質(zhì)關(guān)鍵參數(shù)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。這些傳感器節(jié)點(diǎn)通過(guò)無(wú)線局域網(wǎng)和4G網(wǎng)絡(luò)將數(shù)據(jù)發(fā)送到中央控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，并根據(jù)預(yù)設(shè)的閾值做出決策，從而自動(dòng)化管理魚(yú)塘的供氧、供水和排水，達(dá)到穩(wěn)定溶解氧濃度、溫度、pH酸堿度和氨氮濃度的目的。

研究表明，無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)是一種高效且可靠的工具，可用于水質(zhì)監(jiān)測(cè)和水產(chǎn)養(yǎng)殖管理。實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的收集和分析可以顯著提高魚(yú)塘管理的效率，并減少人工干預(yù)的需求。此外，該系統(tǒng)的設(shè)計(jì)具有可擴(kuò)展性和靈活性，可根據(jù)不同規(guī)模的魚(yú)塘進(jìn)行調(diào)整。

盡管該項(xiàng)目取得了一定的成果，但仍存在一些挑戰(zhàn)須要克服。例如，無(wú)線通信在惡劣天氣下的可靠性；應(yīng)進(jìn)一步引入大數(shù)據(jù)、云計(jì)算功能，針對(duì)養(yǎng)魚(yú)種類、氣候環(huán)境、地質(zhì)條件等情況不同，可以智能化地調(diào)整各種參數(shù)或者閾值，真正提高所有魚(yú)的飼養(yǎng)存活率，并且全面提升養(yǎng)魚(yú)收益率等。未來(lái)的工作將集中于優(yōu)化系統(tǒng)性能，并探索更多的智能化管理策略。

總體而言，本項(xiàng)目為魚(yú)塘水質(zhì)管理提供了一種創(chuàng)新的解決方案，具有廣闊的應(yīng)用前景。隨著技術(shù)不斷發(fā)展，無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)將在智能農(nóng)業(yè)和精準(zhǔn)漁業(yè)中發(fā)揮越來(lái)越重要的作用。

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Study on wireless sensor network for water-quality management of fish pond

Abstract： With the rapid development of aquaculture， the management of fish pond water quality has become a key factor in ensuring the efficiency and quality of breeding. This paper discusses the design and application of a fish pond water quality monitoring system based on a wireless sensor network. The system integrates various water quality sensors， such as dissolved oxygen， pH value， temperature， and ammonia nitrogen concentration sensors， to monitor the water quality parameters of the fish pond in real time. Sensor nodes transmit the collected data by wireless to the aggregation nodes， which then send the data to a remote monitoring center， enabling remote monitoring and management of water quality. The system uses self-organizing network technology， which can adapt to the complex and variable environment of the fish pond， reduce wiring costs， and enhance the flexibility of monitoring. In addition， the research also involves data processing algorithms and early warning mechanisms to detect water quality abnormalities in a timely manner and take corresponding measures to ensure that the water quality remains within the suitable range for breeding. Through testing， the system has effectively improved the efficiency and accuracy of fish pond water quality management， which is of great significance for promoting the intelligent development of the aquaculture industry.

Key words： wireless sensor network; water quality monitoring system; water quality parameters; sensor node，; self-organizing network technology; data processing algorithms and early warning mechanism