无线传感器网络在智能型自动增氧控制系统中的应用

王建喜，朱培逸，李 鑫

（常熟理工学院 电气与自动化工程学院，江苏 常熟 215500）

传统渔业的特点是周期长、劳动强度大、生产效率低，因此减轻渔业劳动强度、提高生产效率是渔民多年来的梦想也是新时期对渔业快速发展的必然要求，自动化是减轻劳动强度、提高生产效率、实现传统渔业向现代渔业转变的关键措施之一[1-3].在众多的水体参数中，溶氧量浓度（DO）是养殖水体的一项重要参数，也是可以对其进行自动控制的水体参数之一.水体溶氧是鱼、虾、蟹类赖以生存和微生物进行硝化过程所必须的物质[4].因此本文以溶氧量浓度这一水体参数为例，根据无线传感器实时监测水体中溶氧量的浓度变化，自动控制增氧机的开关，从而达到既维持水体溶氧量的浓度，又能节约用电，延长增氧机使用寿命，降低养殖成本的效果，完全符合国家对工业提出的节能降耗的要求.

1 系统的总体设计

不同的养殖种类有不同的溶解氧需求，要根据养殖的具体情况确定.冷水性鱼类生长快、摄食量大、代谢旺盛、溶解氧消耗比较多.本研究利用鳟鱼类作为设计的标准，主要原因在于鳟鱼喜栖于高溶解氧水域.一般情况下，鳟鱼溶解氧安全临界值为3.15mg.L-1，长期在低氧环境下饲育的鱼，其安全临界值降为2.45mg.L-1，溶解氧低于5mg.L-1时，鳟鱼呼吸频率加快，低于4mg.L-1时游动迟缓，当鱼群集在入水口呈现浮头状时，水中溶解氧大约已降到了3毫克/升以下，这时鱼的生命已经受到了威胁.安静环境下，鱼耗氧量会降低.温度、光照、震动等对鱼体的刺激因素，都会使耗氧量增加而降低溶解氧环境的安全性[5].因此工厂化水产养殖鳟鱼要求水体溶解氧一般应高于5mg.L-1或是水体饱和溶解氧的60%以上[6]，如果使用增氧机不断向水体中充入空气来满足溶解氧的要求，对增氧机控制要求低，比较容易实现；如果使用某个功率的增氧机连续满载运转时，水体的溶解氧远高于要求，此时就可以对增氧机进行相应的控制，在保证水体溶解氧要求的基础上能减少电能消耗，节约成本.本文采用的整个硬件系统主要由两部分组成，上位机监控中心包括一台安装有监控软件的PC机，此电脑包含无线数据收发器模块，并能通过多种方式连接到Internet网，以备用户远程访问和控制.下位机由多个增氧节点组成，每个增氧节点相对独立，可单独进行访问和数据上传.节点与监控中心端采用无线数据传输方式，各传感器可以直接连接在节点上，大大减少无线传输模块的数量，降低整个系统成本.系统的整体框架如图1所示.

图1 系统框图

2 硬件设计

每个增氧节点拟采用单片机为主控制器，结合最新的外围器件，可实现同时监测多路溶解氧的变化，并可同时显示在液晶显示器上，也可通过RS-232串口与远程计算机通信，完成数据传输、远程控制、远程校正等功能，还可以通过控制接口连接开关继电器，进而实现增氧机、循环泵等设备的启停，完成自动控制功能.单个节点硬件框图如图2所示.

系统主控制芯片选用ATMEL公司的AT89S52，主要组成部分有：电化学溶氧量传感器、信号调理部分、单片机、模/数转换模块、液晶显示器以及标准的RS-232通信接口，可方便与其他设备的连接.如利用此标准接口，连接无线数据收发模块，则可组成无线传感器网络的一个节点，便于在无法布线的区域进行监控.

首先，各个位置的溶氧量传感器将各处的溶氧量浓度转换为相应的微弱电流或电压信号，经精密放大器调理成标准的0～5V电压后，送到模/数转换器转换成相应的数字电压值，再送入单片机中进行处理.单片机依据不同位置的传感器数据进行多传感器数据融合运算，判断这片水体的溶氧量是否低于设定阈值，同时根据程序设定，启停增氧机.这些数据也可以通过RS-232接口直接传送给计算机或其他数据传输模块.

2.1 信号调理电路

微弱信号极易受到环境因素的干扰，甚至被淹没在背景噪声中.电化学传感器的输出电流一般都比较小，而传感器本身的阻抗又比较大，因此选用合适的高阻抗放大电路成了电路测量部分成功的关键.图3给出的电流-电压变换器（也称零阻电流计），作为电流检测单元，被普遍用于高阻抗传感器测量中，优点是电流检测灵敏度高.

在微电流测量电路中，电路的响应时间通常受限于由电阻和电路中输入寄生电容构成的时间常数.当该时间常数不小于电化学反应所对应的时间常数时，测量结果往往会发生畸变而变得不可靠，用寄生电容消除电路可以使这种影响减到最小.图3中Cf为寄生电容，R1和C1为外加的RC网络，通过调整电阻R1和电容C1的大小，可使RfCf=R1C1，就可消除寄生电容的影响.

图2 单个节点硬件框

图3 电流-电压变换器

2.2 A/D转换电路

A/D转换芯片可选用美国TI公司的TLC2543.片内含有一个14通道多路器，可从11个外部模拟输入或三个内部自测电压中选择一路进行转换输出，片内设有采样保持电路，主处理器只需发出读某一通道命令即可，A/D转换电路如图4所示.

图4中AIN0-AIN10为模拟信号输入端，/CS为片选端，DATA INPUT为串行数据输入端，DATA OUTPUT为A/D转换结果的三态串行输出端，EOC为转换结束端，I/O CLOCK为I/O时钟，REF+为正基准电压端，REF-为负基准电压端，VCC为电源引脚，GND接地.

2.3 开关继电器控制电路

在各种自动控制设备中，都存在一个低压的自动控制电路与高压电气电路的互相连接问题，一方面要使低压的电子电路的控制信号能够控制高压电气电路的执行元件，另一方面又要为电子线路的电气电路提供良好的电隔离，以保护电子电路和人身的安全，电磁式开关继电器就能很好地实现这些要求.本文选用HK4100F电磁继电器控制一个小型的增氧机设备.

2.4 串口电平转换电路

ELA RS-232C是目前最常用的串行接口标准，用于计算机与计算机之间，计算机与外设之间的数据通信.但RS-232C规定的逻辑电平与单片机的逻辑电平是不一致的.因此在应用中，必须把微处理器的信号电平(TTL电平)转换为RS-232C电平，或者对二者进行逆转换.在这里选用专用电平转换芯片MAX232来实现.

2.5 无线数据收发模块

由于无线网络的通信质量与无线收发模块的性能息息相关，因此该模块的硬件部分的设计十分重要.考虑到通信距离和障碍绕行能力，系统采用频率为433MHz的射频信号进行无线通信.权衡功耗、灵敏度、数据传输速率和封装尺寸等，选用nRF905作为节点的无线收发模块，nRF905单片无线收发器由一个完全集成的频率调制器，一个带解调器的接收器，一个功率放大器，一个晶体震荡器和一个调节器组成.可以自动处理字头和CRC(循环冗余码校验)，使用SPI接口与微控制器通信，配置非常方便.此外，其功耗非常低，以-10dBm的输出功率发射时电流只有11mA，工作于接收模式时的电流为12.5mA，内建空闲模式与关机模式，易于实现节能.

3 软件设计

整个系统的软件包括主程序、自检程序、通信程序、数据采集程序、报警控制程序、数据处理程序、比较判断子程序及无线数据收发程序等若干个子程序.软件采用汇编语言编写，并采用模块化设计，使程序结构清晰，便于今后进一步扩展系统的功能.软件结构如图5.

主程序初始化以后置位AT89S52的中断EA，使CPU开放中断，并启动TLC2543对IN1-INn通道的模拟输入量进行A/D转换.在电路设计中，TLC2543与AT89S52是采用中断方式连接的，所以系统的数据采集处理功能是在中断服务程序中完成的.当AT89S52响应中断请求后，调用中断服务程序，中断服务程序进行压栈，保护现场，读取来自TLC2543数据输出口的8位数字量，并将数字量储存到单片机RAM中，然后启动TLC2543的下一次转换.在检测过程中，将A/D转换器采集到的电信号经数据处理后存入内部RAM以70H为首址的数据存储器中，然后将此数据Ux分别和基准电压U0、U1进行比较.而后再通过判据算法，以确定是否控制增氧机的工作及报警.

图5 软件结构

4 结论

本文介绍了基于无线传感器网络的水产增氧机的实时控制系统，该系统克服了传统系统存在的不足，安装和拆卸方便灵活，功能扩展性强.可以实现监控的网络化、可视化，并且能及时全面地了解水的酸碱度、水位、水流速度等，从而对水质进行更有效的监控，也可定时控制其他渔业机械.系统节能效果明显，具有重要的实用价值.

[1]陈中祥，曹广斌，刘永，等.低温工厂化养殖水体氨氮处理微生物的初步研究[J].农业工程学报，2005，21（8）：132-136.

[2]Wang Ning,Zhang Naiqian,Wang Maohua.Wireless sensors in agriculture and food industry-recent development and future perspective[J].Computers and Electronics in Agriculture,2006,50(1):1-14.

[3]Pierce F J,Elliott T V.Regional and on-farm wireless sensor networks for agricultural systems in Eastern Washington[J].Computers and Electronics in Agriculture,2008,61(1):32-43.

[4]马从国，赵德安，秦云，等.基于现场总线技术的水产养殖过程智能监控系统[J].农业机械学报，2007，38（8）：113-115，119.

[5]王昭明.鲑鳟鱼养殖技术[J].科学养鱼，2004，8：12-13.

[6]Harry Westers.Application of Pure Oxygen in Recirculating Systems[R].West Lafayette:Purdue University USA,Second Annual workshop on Commercial Aquaculture using Water Recirculation Systems,1991.