养殖水质自动监控系统设计

李金凤， 赵海波， 曹 顺， 高鹏成， 侯 勇

(沈阳化工大学 信息工程学院， 辽宁 沈阳 110142)

养殖水质自动监控系统设计

李金凤， 赵海波， 曹 顺， 高鹏成， 侯 勇

(沈阳化工大学 信息工程学院， 辽宁 沈阳 110142)

设计了一种基于无线传感器网络及GPRS的水产养殖环境参数自动远程监控系统，实现对水温、溶解氧、pH值、水位等现场数据的实时准确采集、处理、动态显示、储存、超限报警、历史数据查询、无线传输及远程控制等.系统以MSP430单片机为核心，通过CC2530构建无线传感网络，实现传感器节点、路由节点及协调器节点间数据的快速、准确传输.通过远程监控中心或手机终端可实现数据查询及对增氧机的远程控制.对数据采集及网络通信的准确性和可靠性进行了试验.测试结果表明：系统运行稳定，数据测量准确，控制及时有效，满足了水产养殖需求.系统成本低、实时性好、操作简便、人机界面友好、扩展性强，具有一定的应用价值.

无线传感器网络; 水质监控; GPRS; 远程监控; 水产养殖

水产养殖过程中，水体环境直接影响水产品的产量及质量.对水质的监测与控制是保证安全高效生产、防止鱼类病害、提高经济收入的重要手段[1-2].传统的水产养殖依靠养殖人员多年积累的工作经验判断水质、控制增氧机等设备.这种方式误差较大,而且随着养殖品种和规模的不断增加,影响水质的因素复杂多变，仅靠经验已无法满足高效生产的需求.鱼塘采样点分散，采用有线方式的监控系统需大量使用多种线路，成本高、布线困难、费时费力，线路易受腐蚀和破坏,可靠性、扩展性差，只能进行近距离的网络控制[2-4].由于数据采集及转发复杂，因此，为实现水产养殖的稳产、高产、安全、品质好、饲料利用率高、耗水少，需设计自动无线监控系统，随时对水中的多种环境参数进行有效检测和控制，建立适于水产品生长的最佳环境[3，5-6].

无线传感网络WSN(wireless sensor network)融合了传感技术、嵌入式计算技术、现代网络技术、无线通信技术等.网络节点以自组织及多跳方式构成无线通信网络，实现所处环境信息的采集、处理、数据传输等，长期无人值守的情形下亦能正常工作[1].网络节点可以自由移动，因此，无需铺设线路，成本低；并且其数据采集范围广、采集数据量大、操作简单、容易维护[2，4].基于IEEE 802.15.4标准的ZigBee技术是一种近距离、低复杂度、低成本、低功耗、低速率、自组织的双向无线通讯技术，非常适用于自动控制和远程控制等领域[7-10].GPRS(general packet radio service 通用分组无线服务)采用分组交换技术，传输速率可达56 Kbps～114 Kbps；它可根据用户接收、发送的数据包数量收取费用，费用低；并且组网灵活，仅需2～3 s即可登录到互联网，广泛应用于数据远传方面.

本文针对水产养殖的具体需求，结合无线传感器网络及GPRS的技术优势，研制水质参数实时自动监控系统，实现对水温、pH值、溶解氧等参数的实时监测，并根据水质情况自动控制增氧机.设计了无线传感器网络的传感器节点、路由节点及协调器节点的硬件电路；系统以MSP430芯片为核心，由CC2530构建获取环境参数的自组织无线传感器网络；开发基于GPRS的远程传输系统，建立无线传感器网络与远程监控中心间可靠、稳定的通信.

1 系统架构及关键技术

系统由传感器节点、路由节点、协调器节点、控制节点、本地监控中心和远程监控中心组成，如图1所示.传感器节点和路由节点分布在各个鱼塘内，以自组织方式构成树形网络.传感器节点将采集到的水体参数数据转换成数字信号，通过ZigBee无线通信协议将数据上传至路由节点.路由节点负责接收各节点采集到的数据，进行数据处理.系统自主设定水质标准，一旦监测到异常数据(紧急数据)则报警，启动控制节点调节水质，并立即上传至协调器节点.协调器节点接收各路由节点的数据、报警信息，将数据传输到本地监控中心，并接收监控中心发出的命令，修改参数，实现节点同步休眠和唤醒，降低系统功耗[7].协调器节点也可通过GPRS模块向用户手机发送报警短信或接入Internet网络将数据传至远程监测中心.

图1 系统总体结构

2 系统硬件架构

由于传感器网络中节点数目较多，且节点均采用锂电池供电，因此，系统的硬件设计要综合考虑性能、成本、功耗、扩展性方面的要求.

2.1 传感器节点硬件设计

传感器节点是网络的核心单元，完成现场数据采集、数据预处理及数据通信，实现对采样点水温、溶解氧、pH值、水位等参数的24 h在线监测，其结构图如图2所示.传感器每30 min采集一次数据，输出的模拟电信号通过信号调理电路滤除干扰并进行放大整形后，送给CC2530芯片内置的模数转换器得到数字信号，经增强型8051处理器进行预处理后存放至存储器中.定时时间到后，将存储的数据按格式打包后发送给路由节点；若数据超限，则标记为紧急数据并即刻发送给路由节点.传感器节点也可接收路由节点发送的控制命令，进行参数设置及时间同步.为了提高通信的可靠性，在路由节点的CC2530和天线之间可增加CC2591芯片.

图2 传感器节点电路框图

2.1.1 CC2530无线通信芯片

CC2530是支持IEEE 802.15.4标准的2.4 GHz RF收发器，内部集成高性能、低功耗的8051微控制器核、256 kB系统可编程Flash及8 kB RAM等模块；睡眠电流低至1 μA；内部集成12位8输入模数转换器，可外接多种传感器及控制电路.

2.1.2 传感器及信号调理电路

溶解氧即溶解于水中的氧气分子含量.水产动植物只有在适宜的溶解氧条件下才能生存.极谱型溶解氧传感器输出(μA量级微小电流信号)与被测溶液的溶解氧成线性关系[3].根据法拉第定律：

c=IL/FnAD

(1)

这里：c为溶氧度；I为扩散电流；L为增透膜厚度；F为法拉第常数；n为参加反应的电子数；A为阴极面积；D为增透膜扩散系数.传感器的输出电流经细小电流检测器件进行电流-电压转换后送给CC2530内置的模数转换器进行处理.

pH值对水生物的影响贯穿其生长的每一阶段[7].pH复合电极的负极与已知浓度的参比溶液相通，正极与被测溶液相通.当被测溶液的离子浓度产生变化时，正、负极间形成一个随pH值变化的电势差，该电势差与溶液中的氢离子活动程度成正比.pH值满足能斯特(Nernst)方程：

E=E0-2.302 59RTpH/F=E0-kTpH

(2)

这里：E为测量电极电动势；E0为常数；R为气体常数；T为被测溶液的绝对温度；pH为被测溶液的pH值；F为法拉第常数.由式(2)可知：电极的输出电动势受被测溶液的pH值及溶液温度影响.

pH电极在使用之前需进行校正.若被测溶液为碱性时，选用pH值为6.86及9.18的标准缓冲溶液进行校正;若被测液的pH值为酸性时，选用pH值为4.00及6.86的标准缓冲溶液进行校正.温度为t1时，pH电极在两个缓冲溶液中输出的电动势分别为：

(3)

求解方程可得：

E0=(E1pH2-E2pH1)/(pH2-pH1)

(4)

温度系数为：

K1=(E1-E2)/(pH2-pH1)

(5)

将E0及K1存储至EEPROM中，用于pH电极的温度补偿.

pH电极输出的mV级电压信号经信号调理电路进行放大、滤波处理后，输入CC2530进行模数转换.pH电极的内阻大，因此，选用输入阻抗高、精度高、频带宽、共模抑制比高的运算放大器INA116作为信号调理电路的第一级.其余两级电路选用运放OP07[11].

池塘水位不需要精确测量，仅需判断是否超过上、下限水位即可.采用双位浮球液位开关实现.当水位低于下限值或高于上限值时报警.输出信号经逻辑电路处理后，送给CC2530.

2.2 路由节点

路由节点起到数据中转的作用.路由节点接收传感器节点发送的数据并转发给协调器节点，向传感器节点传达协调器节点的命令.若接收到的数据异常时，与控制节点通信，启动相应设备进行自动控制.路由节点结构与传感器节点相似，只是不含传感器及其调理电路.

2.3 控制节点

控制节点调节养殖池中溶解氧、pH值及水温等参数.控制节点的CC2530接收到路由节点的控制命令和控制参数后，经光电耦合器、继电器、执行机构控制进水阀、出水阀、水泵、增氧机的运行，其电路结构如图3所示.

图3 控制节点电路框图

2.4 协调器节点

协调器节点完成ZigBee网络组网、发送及接收网络中的数据和控制指令，实现与本地及远程监控中心的通信.协调器节点电路如图4所示.电路以TI公司的MSP430F149 微处理器为核心，经CC2530无线单元与路由节点进行通信；经GPRS模块与远程监控中心进行通信；经RS485总线与本地监控中心相连.协调器节点自动存储数据，通过按键及液晶可实时显示查询结果.用户通过选择节点地址可查询养殖池的水温、pH值、溶氧度、电池电量等信息.

图4 协调器节点电路框图

协调器节点每隔一段时间向网络中的各节点发送时间同步指令.各传感器节点和路由节点在各自的时间片内将采集的水质参数按照规定的帧格式发送至协调器节点[4].

3 系统软件设计

系统软件是基于IAR Embedded Workbench，在ZigBee协议栈的基础上开发而成的.程序采用C语言编写，实现系统的组网、通信、数据采集与处理、数据远传等功能.

由于各节点间晶振的精度差异及外部干扰等诸多因素，导致节点间出现时间偏差.偏差不断累积，可能导致节点无法正常工作.而采用时间同步方法实现节点的同步唤醒和休眠，降低功耗[7].

3.1 传感器节点程序设计

传感器节点负责感知养殖池内的水质参数变化，并将数据发送至路由节点.传感器节点只能与路由节点通信，传感器节点间不能通信，路由节点将信息转发至协调器节点，实现数据传输.传感器节点的程序流程如图5所示.传感器节点进行初始化后开始搜寻网络、发送请求加入信息.被允许加入后获取节点地址信息.传感器节点每隔一段时间对水质参数——温度、pH值、溶解氧进行采集及数据处理.接收到数据采集指令后，传感器节点调整本机系统时间，启动定时器用于上传数据，启动内置的模数转换器将信号调理电路输出的电压信号进行模数转换、数据处理并存储至EEPROM中.若数据超过设定阈值，则标记为紧急数据，即刻按照预先设定的格式包装数据并上传至路由节点；若数据未超过设定阈值，则标记为一般数据，将数据存储至EEPROM，每24 h上传一次数据.若无事件发生，传感器进入休眠模式，直至开始新一轮数据采集，用以降低功耗.

图5 传感器节点程序流程

3.2 路由节点程序设计

路由节点负责数据的上传及指令的下达.系统上电经初始化后，开始搜索网络，申请入网.若接收到传感器节点的申请入网请求，则核对传感器节点信息后，分配地址；若接收到协调器节点的指令，则转发给区域内的传感器节点；若接收到传感器节点上传的数据，则根据事先约定的时间片上传给协调器节点.

3.3 协调器节点程序设计

协调器节点负责组建、维护无线传感器网络、下达指令、接收数据及数据远传，其程序流程如图6所示.协调器节点上电进行初始化后，首先新建网络并允许其它节点加入.协调器节点经GPRS模块将从路由节点接收到的数据远传至远程监控中心，并接收远程监控中心的指令.

图6 协调器节点软件流程

4 测试结果

为验证无线传感器网络通信的稳定性和可靠性，进行网络点对点测试.发送的数据包为 4 000 个.两节点间距离分别为20、40、60、80、100 m时，统计接收到的数据包个数，计算网络丢包率.测试结果表明：丢包率小于2 %，满足设计要求.

为验证系统水质数据采集、传输的准确性，在4个养殖池内各部署一个传感器节点，在本地监控中心部署一个协调器节点，在传感器节点与协调器节点间部署4个路由节点，进行系统测试.协调器节点通过RS485接口与监控中心的计算机相连.传感器节点每隔5 min采集1次数据，连续监测5 d.系统运行平稳，将5 d同一时刻的测试数据取平均，结果如表1所示.

表1 水质参数测试结果

为验证系统的超限报警功能，在本地监控中心修改报警参数：温度的上下限设为18～21.2 ℃,pH值的上下限设为6～7.3，溶解氧的上下限设为6～6.6 mg/L.当传感器节点的检测结果超限时，其声光报警装置开始报警；协调器节点的声光报警装置亦开始报警，并在液晶屏上显示报警的传感器节点信息及报警参数值.报警信息存储到EEPROM中，可通过按键查询到报警记录.控制节点根据报警信息控制水泵、进水阀、出水阀及增氧机完成指定动作，调节水质参数，效果良好.

测试结果表明:系统运行良好，能准确采集水质参数，无线传感器网络数据传输稳定可靠，控制节点能有效调节水质参数，满足水产养殖要求.

5 结 论

针对有线监控系统的诸多弊端，设计了基于无线传感器网络和GPRS的水产养殖水质监控系统，实现数据采集、现场监控及远程监控.系统以MSP430微处理器为核心，利用CC2530芯片组建无线传感器网络，对水温、pH值、溶氧等参数进行实时采集、处理、存储、显示、历史记录查询、超限报警，对增氧机自动控制，并利用GPRS模块实现数据远传，实现水质参数的自动无线监控，节省了人力和物力.工作人员可在本地监测中心、远程监测中心及通过手机全面了解现场情况.测试结果表明：系统性能稳定，数据采集实时性好，准确性高，数据传输的正确率高于98 %，控制及时准确，满足水产养殖需求.系统成本低，人机界面友好，操作简便，具有一定的实际应用价值.

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Aquaculture Water Quality Automatic Monitoring System Design

LI Jin-feng, ZHAO Hai-bo, CAO Shun, GAO Peng-cheng, HOU Yong

(Shenyang University of Chemical Technology, Shenyang 110142, China)

An automatic environmental parameter remote monitoring system based on wireless sensor networks and GPRS was designed for aquaculture.The real-time and accurate field data collection,processing,dynamic display,storage,limit alarm,historical data query,wireless transmission and remote control of filed data such as water temperature,dissolved oxygen,pH value and water level were realized.The MSP430 microcontroller is the core of the system.The CC2530 chip was utilized to build the wireless sensor network for the fast and accurate transmission among the sensor node,route node and coordinator node.The remote monitoring center or mobile terminal can query data and remotely control the oxygen increasing machine.The correctness and reliability of the data collection and network communication were tested.The results show that the system stably runs,accurately measures,timely and effectively controls,which meets the needs of aquaculture.The system has low cost,good real-time performance,simple operation,friendly interface,strong expandability,which has a certain application value.

wireless sensor networks; water quality monitoring; GPRS; remote monitoring; aquiculture

2015-01-24

辽宁省教育厅项目(L2013159)

李金凤(1979-)，女，辽宁大石桥人，讲师，博士，主要从事智能仪器仪表技术、嵌入式技术应用的研究.

2095-2198(2017)02-0171-06

10.3969/j.issn.2095-2198.2017.02.016

TP272

： A