基于ZigBee网络的海参养殖水质监测系统的设计

陈玉杰+刘培学+高颖

摘 要： 海参生长对海水的各项参数具有较高的要求，近年来已出现多次由于环境不合适引起海参大量死亡的事件，设计一种海参养殖水质自动监测系统具有十分重要的意义。基于ZigBee无线网络实现了海水水体溶解氧、温度、pH值等参数的局域网采集及自组网络传输，基于3G网络实现了数据的远传及远程控制，系统结构简单，运行稳定，经现场应用测试，系统能够满足养殖户需要，极大地提高了海参养殖管理的效率。

关键词： ZigBee组网； 3G远传； 海参养殖； 水质监测

中图分类号： TN915?34 文献标识码： A 文章编号： 1004?373X（2016）23?0100?04

Design of sea cucumber aquaculture water quality monitoring system

based on ZigBee network

CHEN Yujie1， LIU Peixue1， GAO Ying2

（1. Qingdao Huanghai University， Qingdao 266427， China； 2. Yantai University， Yantai 264005， China）

Abstract： The growth of sea cucumber has the high demand on the parameters of the sea water. The incidents of massive sea cucumber death caused by the unsuitable environment have occurred in recent years， therefore the design of a sea cucumber aquaculture water quality monitoring system has great importance. The LAN?based collection and Ad Hoc network transmission of the seawater dissolved oxygen， temperature， pH value and other parameters were realized based on ZigBee wireless network. The data remote transmission and remote control were realized based on 3G network. The system has simple structure and stable operation. The test results of the field application show that the system can satisfy the need of farmer and greatly improve the efficiency of sea cucumber aquaculture management.

Keywords： ZigBee networking； 3G remote transmission； sea cucumber aquaculture； water quality monitoring

0 引 言

青岛海岸线长，海水养殖面积大，海产品养殖尤其是海参养殖已成为青岛海洋经济的重要支柱之一。近年来，黄岛地区海参养殖池海水参数受自然条件影响有时候不适合海参生长需要，导致海参大面积死亡，养殖户遭受了上千万的经济损失，养殖户迫切需要一种能够自动监控养殖环境的设备。文献[1]中设计了一种基于3G技术的海洋水产养殖动态监控系统，该系统实现了数据的远程采集，但是没有考虑养殖池由多个小池组成，只能采集1个养殖池的参数。文献[2]中设计了一个基于GSM的海水监测系统，缺点是只能通过短信获取测量参数。文献[3]中基于MSP430单片机设计了一种低功耗的海水温度测量系统，本文主要介绍了MSP430单片机的低功耗工作方式，仅测量了海水温度。综合来看，目前已有的系统主要存在着测量参数单一、布线复杂等众多缺点，为解决现有技术的不足，本文设计了一种基于ZigBee网络的海参养殖水质监测系统[4]，对各养殖池的海水参数进行不间断的采集、汇总，采用3G技术实现实时上传至监控中心，所述方案实现了低能耗、高精度监测的目的。

1 系统结构

海参养殖水质监测系统主要包括三大模块：终端节点、现场监控中心（协调器）和远程监控中心模块，系统的整体框图如图1所示。终端节点又分为采集节点和控制节点，采集节点安装有溶解氧传感器、pH传感器、温度传感器，主要完成对溶解氧、pH值和水温数据的实时采集、在线数据处理与无线自组织路由传输功能，控制节点通过继电器接有增氧机及阀门等设备，接收控制中心的指令完成设备的控制，现场监控中心为数据协调器，用户可在本地查询水质参数，发出预警信息和做出控制决策。远程监控中心通过3G远程接入点接收现场控制中心汇聚的数据信息，使用户远程浏览数据和控制增氧机等设备的运行。

2 硬件设计

2.1 终端节点设计

终端节点的硬件部分主要由CC2530 ZigBee模块、海水参数采集传感器组（采集节点）、被控设备（控制节点）、显示指示电路等组成，终端节点结构图如图2所示。

ZigBee自组网包括基于CC2530芯片的采集节点、路由节点及控制节点，整个自组网基于Z?Stack协议栈，采用的是星型结构。CC2530 是用于ZigBee的真正的片上系统（SoC）解决方案，集成了符合IEEE 802.15.4标准的2.4 GHz RF收发器、增强工业标准的8051MCU，可编程闪存和8 KB RAM[5]。它以非常低的成本建立强大的网络节点，多种运行模式满足超低功耗的系统要求[6]，不同模式之间的转换时间短，进一步确保了低能源消耗。

采集节点包含传感器网络，各传感器选型如下：

温度传感器：海参养殖的温度范围是4～27 ℃，DS18B20是一个数字温度采集传感器，测量温度范围在-55～125 ℃之间，能够满足该系统的需要。DS18B20输出的信号是8位的数字信号，直接读取温度值。DS18B20只需一根导线以及一个4.7 kΩ上拉电阻即可与CC2530的I/O端口连接，不需要其他任何外围电路即可测得温度数据，电路非常简单，读取和使用都很方便。故测量温度选择防水型DS18B20数字温度传感器。

pH值采集传感器：测量pH值常用的传感器有玻璃电极传感器和金属电极传感器等，与其他传感器相比，玻璃电极传感器具有测量范围宽、重复性好、稳定性高、精度高等特点，因此本系统中以玻璃电极作为传感器，具体采用Campbell Scientific公司的CS525型pH传感器进行海水养殖区域的pH值监测，其内部电路如图3所示，pH值的测量范围是0～14。可以正常工作的温度范围是0～70 ℃，精度为0.01 pH。海水养殖海参的pH值范围是7.6～8.5，满足了对海水养殖pH值变化范围的精度要求。它的输出是0～5 000 mV的模拟电压信号。

溶解氧采集传感器：在测量溶解氧传感器的选取中，比较了测定氧含量的两种方法：碘量法和电化学法测量。因为化学分析测量方法需要消耗大量的样品，耗时长，不能现场实时监测；电化学测量法成本低，测量精度能够达到要求，而且能够实现实时监测，因此本文采用电化学测量方法测量海水的含氧量。采用WQ401型传感器，输出接口电路如图4所示，其测量范围是0～20 mg/L，工作温度范围：-40～50 ℃。要测量的范围是3～6 mg/L，精度是0.2 mg/L，故该传感器满足测量要求。输出4～20 mA的电压，通过4～20 mA输入0～5 V输出的[IV]转换电路处理后，进行限幅后传送至单片机内部A/D转换电路控制节点，主要是增氧机、进水通道阀门等设备，通过继电器连接，在此不再赘述。

2.2 协调器设计

协调器由CC2530 ZigBee模块、MSP430单片机、EM770W 3G通信模块、显示模块、按键等组成，协调器结构图如图5所示。

微处理器本次设计中采用超低功耗单片机MSP430，MSP430是一个16位单片机，具有很强的抗干扰能力，可以在各种恶劣条件下工作，显示模块采用液晶显示屏12864，远程信号传输采用华为公司的EM770W作为3G通信模块。EM770W支持标准AT指令集和华为扩展AT指令集，内置TCP/IP协议栈，传输速率最大可达7.2 Mb/s。ZigBee与3G模块分别接到MSP430单片机的2个串口上，通过串口通信，连接图如图6所示。

3 软件设计与算法实现

系统软件主要由终端节点软件、协调器软件、上位机软件三部分组成。一台上位机可与多台下位机实现主从式通信，对多个水产养殖池进行监测、管理和控制，实现对海参智能化规模养殖的分布式网络控制。智能控制仪对温度、pH值、溶解氧等环境因子进行监测，将信息转化为可识别数据并传递给管理人员，同时对现场环境进行实时有效的控制。监控数据的采集、传送、通信采用多传感器自组织网络来增强系统的稳健性、灵活性和高效性。

3.1 终端节点软件设计

终端采集节点系统流程图如图7所示。系统上电后，首先对各个传感器进行初始化（包含温度传感器、pH值传感器、溶解氧传感器），初始化完成后开启定时计数器，随后程序判断是否定时时间到或者协调器有指令，两个条件任一条件满足，MCU与传感器通信取得数据并通过ZigBee上报至协调器，温度测量的输出是数字信号，可直接采集，pH值和溶解氧测量输出都是模拟信号，其输出需要先进行A/D转换。终端控制节点如果协调器有指令，则控制对应设备开启或关闭。

3.2 协调器设计

协调器既可以自主控制终端采集节点与终端控制节点，又可以转达上位机发来的命令。一方面，协调器上电后检测终端采集节点是否有信息上报，如果有上报，首先协调器存储该信息，并判断该信息是否超限，如有，则发送命令至终端控制节点，驱动设备开启或关闭，使参数达到正常；另一方面，终端节点要监控上位机有无指令，若有，则根据上位机指令做对应操作，协调器软件如图8所示。

3.3 数据融合算法

养殖场各监测参数来自于多个传感器，系统必须对各个传感器提供的具有复杂性和多样性的数据进行融合、推理[7?8]，最终得到一个准确的融合结果和决策选择，本系统采用D?S（证据理论）理论作为融合算法，针对海水养殖场的实际情况，建立多平台信息采集和管理，多平台数据融合模型如图9所示。

4 实验结果

本文设计已应用于青岛海参养殖场的多个海参养殖基地。选取一个养殖池为研究对象进行系统功能实测，测试结果如表1所示。测试数据显示与实际值相比该测量误差较小，数据具有较高的一致性，能够满足实际使用需求，传感器本身存在的误差是导致测量值与实际值之间存在误差的主要因素，但是通过广泛覆盖的3G网络实现多线程的远程并发通信，网络传输误差小，可以让多种数据采集终端实时传送到监控中心进行集中监视和远程调度，实现故障信息的及时报警，节省人力及时间成本，提升了生产效率[9?10]。

5 结 语

本文研究针对目前青岛海参养殖中水质监测方法落后的现状，设计了海参养殖水质监测系统，该系统采用三层体系结构，完成对海参养殖环境中的水体溶解氧、温度和pH值的检测和传输，并针对不同部分进行了各层次的硬件和软件设计，解决了水质监测系统中远程传输等问题，从而实现大范围、低成本、低功耗的实时远程监测、控制以及远程数据共享的设计目标。

参考文献

[1] 刘丰男.基于3G技术海洋水产养殖的动态监控[D].济南：济南大学，2012.

[2] 陈海杰.基于GSM的温度、pH、溶解氧测量的海水养殖监测系统[D].青岛：山东科技大学，2011.

[3] 焦冰，叶松，温雅婷.MSP430低功耗原理及其在海温测量中的应用[J].现代电子技术，2011，34（10）：189?193.

[4] YANG C T， LIAO C J， LIU J C， et al. Construction and application of an intelligent air quality monitoring system for healthcare environment [J]. Journal of medical systems， 2014， 38（2）： 1?10

[5] 刘洪朋，葛广英，周松林.基于ZigBee的电解槽温度智能控制系统设计与实现[J].自动化与仪表，2012（2）：37?40.

[6] 黄迎辉，李新，王月英.基于ZigBee无线网络技术的矿井监测系统设计[J].自动化与仪表，2010（7）：21?31.

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[10] 刘培学，金佩芬，陈玉杰.基于RFID及3G网络的物流跟踪系统研究[J].计算机测量与控制，2014，22（7）：2178?2181.