ZigBee无线网在鱼塘水质监测中的应用

李 进 ，徐小龙 ，曾 闵

（1.西南科技大学 工程技术中心，绵阳 621010；2.西南科技大学 信息工程学院，绵阳 621010）

鱼塘水质与鱼类生长繁殖息息相关，因此准确、快速、便捷地获得水质参数显得尤为重要。一般水质测定的项目因各地自然环境不同而有所区别，按照我国的渔业水质标准（GB11607—89），pH值和溶氧量是渔业生产管理中的必测项目[1-2]。水质pH呈酸性，鱼类容易感染传染性鱼病，影响生长速度；pH过高，碱性太强，NH4+转为NH3，增加水体毒性会导致鱼类鳃组织被腐蚀，还会影响微生物的生命力。水体缺氧会使鱼类呼吸急促，烦躁不安，甚至窒息死亡，如果溶氧太饱和可能会在培育鱼苗时造成气泡病。

水环境监测主要有4种方法，分别为人工采样监测法、水质监测站检测法[3]、水生物检测法[4]、无线遥感检测法[5]。随着自动化和网络技术的发展，使用无线传感网络进行水体监测已经成为新型环境检测手段之一，该方法克服了传统方式成本高、环境适应性差等缺点。

1 系统的总体方案

基于ZigBee技术的鱼塘水质实时监测系统，所构建的鱼塘水质监测无线传感网络由数据采集层、传输层、分析控制层3部分组成。采集层主要由传感器节点、路由节点和协调器组成[6-8]，采集层通过pH值、溶氧传感器感知水质参数，通过ZigBee网络将数据发送到协调器；在传输层，ZigBee/GPRS网关负责把采集层数据发送到人机交互中心，并将人机交互中心的控制命令发送到采集网络；分析控制层就是人机交互中心，主要负责数据的管理和设备的控制。系统结构如图1所示。

2 硬件设计

2.1 ZigBee模块设计

图1 系统结构Fig.1 System structure

该监测系统以CC2530F256为核心组建无线网络，内置高性能、低功耗的8051微控制器，具有8路8～14位ADC输入；体积小，重量轻，工作频段2.4 GHz，无线传输速率250 kb/s，可靠传输距离达250 m。CC2530芯片内置2.4 GHz IEEE 802.15.4的RF收发器，FR-N和RF-P为无线收发引脚；芯片可通过软件设置工作在协调器模式和终端模式。该系统专门设计了巴伦匹配电路作为外扩天线接口，由AMS1117提供3.3 V的稳定电压。无线收发模块电路如图2所示。

2.2 pH值检测电路设计

pH值是水质检测的一项重要指标，在此选用上海雷磁公司E-201-C的pH电极，精度高，稳定性好，测量范围0～14。该电极输出为模拟量，可补充电解液，适合长期连续检测，而且传感器内阻大，输出信号微弱，需要专门的信号调理电路。由于CC2530处理器A/D口能识别的电压值为0～3.3 V，所以检测电路由AD620组成前置放大电路、双T型滤波电路和LM741稳压电路等3部分构成，使pH传感器输出信号稳定在0～3 V。具体电路参数如图3所示。

图2 CC2530无线收发电路Fig.2 CC2530 wireless communication circuit

图3 pH值检测电路Fig.3 pH detection circuit

2.3 溶氧量检测电路

溶氧量是反映水体自净能力的关键指标。系统选用北京大华融源环保公司的、具有自动温度补偿功能的RY952传感器。该传感器输出电压为15～21 mV，故设计了增益为143的信号调理电路，电路与pH值检测电路相似，如图4所示。氨氮检测选用低浓度的氨氮检测传感器NH6-7，调理电路由电压跟随器和仪表差分放大电路组成。

图4 溶氧量检测电路Fig.4 Dissolved oxygen detection circuit

3 通信协议与软件设计

3.1 无线通信协议

ZigBee是基于IEEE 802.15.4标准的近距离无线通信技术[9-10]，非常适合周期性和间断性数据类型的传输。ZigBee技术可以使用2.4 GHz，868 MHz以及915 MHz的频段。国内采用2.4 GHz的ISM频段，在2.4 GHz的频段上具有16个信道，带宽为250 kb/s。ZigBee技术具有强大的组网能力，可以形成星型、树型和网状型3种网络拓扑结构。考虑应用场景的通信距离相对较近，而且要求节点易于扩展，故选择树形网络结构，具体拓扑结构如图5所示。

图5 树形结构Fig.5 Tree structure

由于要实现ZigBee无线传感网络与外部网络的通信，设计了ZigBee/GPRS网关来完成不同网络之间的数据转发和协议转换。ZigBee负责传感网络数据入网并将传感器数据发送到3G网关，3G网关实现ZigBee数据的接收、解析、重新封装，并发送到以太网。无线网完成传感器数据正确发送到人机交互中心，人机交互中心的控制命令及时送达节点。ZigBee协调器与GPRS模块之间通过TX和RX端口进行通信。

3.2 ZigBee工作流程

工作在协调器模式的CC2530是ZigBee网络的核心，终端节点负责采集鱼塘水质的pH和溶氧量等信息。软件完成以下工作：上电完成硬件及ZigBee协议栈初始化、信道扫描；按照PAN ID号组建ZigBee网络，等待和响应节点入网请求，决定是否进入睡眠状态；接收和发送数据到节点，通过串口接收和发送数据到3G网。当收到远程监控中心的工作命令后被唤醒，执行采集数据的程序。ZigBee工作流程如图6所示。

3.3 人机交互中心

图6 ZigBee工作流程Fig.6 ZigBee work flow chart

整个鱼塘水环境监测系统采用C++语言开发上位机远程监控中心，负责系统参数配置和数据的分析处理，包括节点选择、数据发送周期设置、传感器数据的动态显示、历史数据导出、预警阀值设置等功能。人机交互中心如图7所示。

图7 人机交互界面Fig.7 Human-computer interaction interface

4 测试与数据分析

4.1 系统性能测试

为了测试系统的通信距离和通信丢包率，选择校园足球场为测试地点，设置CC2530发送功率为-3 dBm，选择第 13个信道（频率 2415 MHz），天线与地面高度30 cm；将通信距离随机设置为4，16，25，35，52，60，80 m，测试点对点的丢包率。 软件设置发送5个数据包每秒，每个间距共检测2000个数据包的收发成功率。传感器节点直接向协调器节点发送128 B的数据包，使用TI SmartRF Studio 7软件测得ZigBee不同通信距离下的传输丢包率，测试数据见表1。

表1 通信距离与丢包率的测试Tab.1 Communication distance and packet loss rate test

测试结果表明，传输距离变大的趋势与丢包率增加的趋势基本保持一致，但是在37 m附近出现较严重的丢包率，在54 m处降低，68 m处又增加。分析认为，37 m正处于通信链路质量的过渡区，信号不够稳定。经过测试可知，数据包在80 m范围内，ZigBee组网的发送成功率都在95.2%以上，符合设计要求。

4.2 自适应加权融合算法的水环境数据分析

该检测系统是涉及pH传感器、溶解氧传感器等（其他传感器根据需要可扩展）的多传感器系统，采集的信息具有多样性和复杂性。要获得检测水域全面、完整的信息，融合算法的选择非常关键。系统原始数据采用更直观、更成熟的自适应加权融合数学模型进行滤波去噪[11-13]。该算法以均方误差为评价标准，对一种检测对象用同种传感器采集多个数据，通过数据融合消除冗余信息，降低数据的不确定性。自适应加权融合算法的的具体实施步骤如下：

步骤1计算每个独立传感器在不同时刻下的测量值平均数

步骤2计算每个采集点所有测量值的均方误差

步骤3计算最优权值

步骤4最后按照公式计算出融合结果。

试验以四川某高校中心湖为测试现场。中心湖近似椭圆，总面积约为6000 m2，水深近2 m，年均产鱼量约1500 kg，是集观赏、养殖为一体的多功能生态湖泊。分别在湖中心、距离湖中心50 m的环形区域安置5个采集点对湖水pH值进行监测，采集时间为上午9点左右。5个监测点的数据发送周期在10～90 s之间随机选择，共获得5组pH原始数据，见表2。采用自适应加权融合算法获得的融合数据见表3。

表2 pH值原始数据Tab.2 Raw pH data

表3 pH值融合结果Tab.3 Fusion pH data

由

代入表3数据，可得

由此可知，传感器采集的数据越多，权值就越大，这与实际的情况相符合。故适当提高传感器的采集次数，可以增强数据的可靠性。系统测试湖水pH值为7.5492，按照相同的测量方法和数据融合步骤获得湖水溶氧量为5.9 mg/L。测试季节是冬季，正是捕鱼的最佳时机，也是成年鱼最多的时候。《渔业水质标准》规定淡水鱼适宜生活在弱碱性环境下，pH值最佳范围是6.5～8.5，成鱼安全生长最适pH值为7～8.5。养殖水域的氧溶解量应在5～8 mg/L，一般不得低于4 mg/L。可见，测试结果表明该校中心湖水质优良，满足水产养殖质量标准。

5 结语

文中所提出的基于ZigBee无线网络的鱼塘水环境检测装置，能够实现鱼塘水质参数的监测，达到实时监测和数据可靠分析的要求。该系统包括采集节点、ZigBee网络、GPRS网关、上位机监控和数据融合等部分，组网迅速，硬件成本低，人机交互方便，节点易布局易扩展，不仅可应用在鱼塘水质监测，而且在河流、湖泊或水库等其他地表水的监测同样具有广阔的应用前景。