基于WSN的海水养殖水质检测系统研究

叶俊明 马海琴

摘 要： 为了方便水产养殖户或相关研究机构更好、更实时地监测养殖水域中水的质量，提高产量、监控海水污染情况，设计了海水水质检测系统。传感器节点采集多种模块化的传感器数据，并通过无线网络将采集的数据汇总至sink节点控制器；sink节点控制器将汇总的数据进行自适应加权融合后，以3G网络、USB通信等形式将数据传输到用户端统计和分析。同时，采用太阳能供电、GPRS校时等可以更灵活地在各种野外场合搭建检测平台。

关键词： 无线传输； 海水养殖； 水质监测； 自适应加权； 信息融合； GPRS校时

中图分类号： TN911.23?34； X853 文献标识码： A 文章编号： 1004?373X（2018）18?0054?03

Research on aquaculture water quality detection system based on WSN

YE Junming， MA Haiqin

（Guilin University of Electronic Technology， Guilin 541004， China）

Abstract： A seawater quality detection system was designed for aquaculture farmers and related research institutes to better monitor the water quality in aquaculture water area and the seawater pollution situation in real time， and improve the production. Various modularized sensor data is collected by sensor nodes， and summarized to the sink node controller by means of wireless network. After adaptive weighting fusion of data summarized by the sink node controller， the data is transmitted to the client by means of 3G network and USB communication for statistical analysis. Meanwhile， solar power supply and GPRS time synchronization can make detection platform establishment in various open fields more flexible.

Keywords： wireless transmission； aquaculture； water quality monitoring； adaptive weighting； information fusion； GPRS time synchronization

随着沿海国家经济重心向滨海地区的转移，已有过半的人口居于在海岸线附近[1]。对水域资源的开发、利用已经成为产业革命的前沿战线，海水水质检测逐渐成为国家安全、环境保护、资源开发的重要手段。水的含氧量、pH值、温度、养殖密度等参数数据[2]是水产养殖的关键问题。大背景的推动下使得检测技术从检测单一、数据处理不便的传统方法如：试纸试剂式检测、手持式检测手段，迫切地发展成：数字化集成度高、精度高检测快、实时性高、搭配灵活方便的WSN领域[3]。

1 整体设计

本文基于WSN的海水养殖水质检测系统采用STM32F407作为sink节点的控制器、STC15W4K56S4为传感器节点控制器，集无线通信、太阳能电池供电于一体，并搭载了GPRS自动校时、USB和网络通信，兼容的传感器接口采用标准的通信协议。各节点控制器将水质检测数据包括：溶解氧、pH值、温度等，通过无线通信的形式汇集到Sink节点控制器进行汇总[4]，通过GPRS校时的主控器实时地将分析后的数据通过USB通信和GSM模块传输至用户端，系统框架如图1所示。检测系统可以广泛应用于各种养殖水域、河流、海洋等地搭建检测平台。

2 硬件系统设计

2.1 控制器的选择

Sink节点采用32位的ARM Cortex M4内核的STM32F407为控制器[5]。该控制器集成FPU，DSP指令集、带有丰富的接口资源、1 MB的FLASH和192 kB的SRAM、高精度A/D?D/A、17个可编程定时器[6]。系统中STM32F407主要負责：通过nRF24L01无线模块汇集传感器节点采集的数据并进行信息融合、GPRS自动校时、GSM数据通信、USB通信等。传感器节点控制器采用LQFP48封装的15W4K48S4单片机对各传感器信号进行采集、补偿[7]，并与sink节点进行无线通信。

2.2 传感器的电路设计

水质检测涉及到DO、pH值、温度和电导率等传感器。DO传感器选用荧光淬灭法[8?9]溶解氧电极，工作原理为采用经过PWM调制过的LED发出蓝光经过被测水域照射在传感膜上，传感膜受到激发反射出波长为600～680 nm的红光（氧溶解不同，反射强度会发生变化），经过滤光镜滤除红光外的杂光后反射到光敏传感器上再经过放大。DO检测电路如图2所示。

pH值的检测采用雷磁E?201?C复合电极（输出电压0～840 mV），内阻一般为几十MΩ到几百MΩ。放大电路采用高输入阻抗的仪器前端放大器OPA627，且输入端串10 MΩ电阻提高输入阻抗，放大倍数为4，这样输出的电压不会变化太大或飘移[10]。为了提高精度，可以采用两点标定法对pH值进行折算和补偿[11]。

电导率是衡量液体中导电离子多少的重要指标。通过施加电压在被测水域中的两块平行电场，加速导电离子的运动形成电流，从而检测电导率。电路前级采用7 kHz的方波驱动雷磁DJS?10CF电极，减少极化现象的影响，后极采用运放进行放大和整形。

上述几种参数的检测均为电压输出型，采用11通道的TLC2543进行采集[12]。TLC2543的采样率可达60 kbit/s以上、可调制双极性输出、线性理论误差最大+1 LSB。将DS18B20读取的温度数据与多种传感器的采集信息进行相应的补偿以减少误差，最后进行算术平均和自适应加权融合。

2.3 通信模块电路设计

水质检测系统的通信涉及到三部分：传感器节点与Sink节点的无线通信、Sink节点与电脑的USB通信、Sink节点的GPRS/GSM通信。采用nRF24L01设计传感器节点与Sink节点的短距离通信，可以方便组网、减少布线成本、降低人工投入等。Sink節点与电脑间的通信采用基于CH340G芯片的USB 2.0通信。Sink节点的校时和与手机终端的通信采用SIM900A模块搭建数据传输。

3 软件系统设计

3.1 无线模块程序设计

GPRS/GSM通信采用SIM900A模块，用于实现Sink节点与手机终端的数据传输和校时。Sink节点的控制器STM32F407通过串口发送AT指令控制SIM900A，实现语音、短信、数据传输、校时等[13]。SIM900A的TCP数据传输需在Sink节点控制器上设置SIM900A的工作状态，相关指令如表1所示。

3.2 电脑通信界面设计

采用LabVIEW编写Sink节点与电脑端的通信界面：该软件采用连线、拖拽模块的形式可以快速生成图形界面[14?15]。该界面不仅可以显示相应的检测数据、图形界面、设置报警范围，还可将数据以Excel表格形式进行保存。LabVIEW的界面如图3所示。

4 运用分析

水质检测系统的测试在北海银海区的水产养殖场进行。通过WSN的传感器节点实时地采集数据，以无线传输的形式汇总到Sink节点进行自适应加权算法的信息融合。Sink节点将汇总处理好的数据通过SIM900A以TCP网络[16]透传的形式发送到手机端，并通过USB接口传送至电脑端的LabVIEW界面进行显示分析。

本仪器的Sink节点通过GPRS/GSM模块每天校时2次，并设定10 min汇总1次采样数据 。Sink节点通过无线模块每10 min分别向传感器节点发送地址码，传感器节点比对正确地址码后向Sink节点发送检测结果。Sink节点汇总检测数据后进行自适应加权融合计算，并将数据传输至用户端。采用标准仪器与本仪器进行比对分析如表2所示。

5 结 语

本文结合水产养殖环境设计一种基于WSN的海水养殖水质检测系统。该系统集成了多种传感器，采用无线通信的形式进行数据传输，配合电脑端和手机端监测软件，具有实时性好、准确性高、组网便洁、操作性好等优点，在水质监测和水产养殖业等方面具有良好的应用前景。

参考文献

[1] 毋亭，侯西勇.海岸线变化研究综述[J].生态学报，2016，36（4）：1170?1182.

WU Ting， HOU Xiyong. Review of research on coastline changes [J]. Acta Ecologica Sinica， 2016， 36（4）： 1170?1182.

[2] 李宫，郭慧，赵辉，等.基于Android的便携式水质检测仪器的研制[J].环境工程学报，2016，10（7）：3973?3976.

LI Gong， GUO Hui， ZHAO Hui， et al. Development of Android platform based portable water quality detector [J]. Chinese journal of environmental engineering， 2016， 10（7）： 3973?3976.

[3] GAO Demin， LIN Haifeng， LIU Yunfei， et al. Maximum data collection rate in rechargeable wireless sensor networks with multiple sinks [J]. China communications， 2016（2）： 95?108.

[4] 贾建科.基于GPRS和Internet的河流水情实时远程监测系统研究[J].现代电子技术，2016，39（6）：132?135.

JIA Jianke. Research on river water regimen real?time remote monitoring system based on GPRS and Internet [J]. Modern electronics technique， 2016， 39（6）： 132?135.

[5] 刘军，张洋，严汉宇，等.精通STM32F4（寄存器版）[M].北京：北京航空航天大学出版社，2015.

LIU Jun， ZHANG Yang， YAN Hanyu， et al. Proficient in STM32F4 （register version） [M]. Beijing： Beihang University Press， 2015.

[6] 程聪聪，王晓荣，张进明，等.基于STM32F407和S?MODULE的在线多组分气体分析仪研制[J].仪表技术与传感器，2017（2）：31?34.

CHENG Congcong， WANG Xiaorong， ZHANG Jinming， et al. Design of online multi?gases analyzer based on STM32F407 and S?MODULE [J]. Instrument technique and sensor， 2017（2）： 31?34.

[7] 孙硕，倪建云，陈在平.基于STC15单片机的Modbus I/O模块的设计[J].化工自动化及仪表，2016，43（6）：662?664.

SUN Shuo， NI Jianyun， CHEN Zaiping. ModbusI/O module design based on STC15 microcontroller [J]. Control and instruments in chemical industry， 2016， 43（6）： 662?664.

[8] 赵明富，周慧，李成成，等.基于荧光猝灭原理的塑料光纤溶解氧传感器[J].半导体光电，2017，38（1）：26?29.

ZHAO Mingfu， ZHOU Hui， LI Chengcheng， et al. Plastic optical fiber dissolved oxygen sensor based on fluorescence quenching principle [J]. Semiconductor optoelectronics， 2017， 38（1）： 26?29.

[9] ZHANG K， ZHANG H， WANG Y， et al. High sensitivity and accuracy dissolved oxygen （DO） detection by using PtOEP/poly （MMA?co?TFEMA） sensing film [J]. Spectrochimica Acta， 2017， 170： 242?246.

[10] NAGATA H， ITOH T， BABA Y， et al. Highly sensitive detection of monosaccharides on microchip electrophoresis using pH discontinuous solution system [J]. Analytical sciences， 2010， 26（7）： 731?736.

[11] 余翔.新型电导纱和pH水质参数检测技术与实验研究[D].杭州：浙江大学，2015.

YU Xiang. The detection technology and experimental research of a new type of electrical conductivity and pH of water quality parameters [D]. Hanzhou： Zhejiang University， 2015.

[12] 叶俊明，苏鹏鉴.单片机C语言程序设计[M].西安：西安电子科技大学出版社，2016.

YE Junming， SU Pengjian. Microcontroller C programming [M]. Xian： Xidian University Press， 2016.

[13] 李兴山，王晓超.基于SI4432和SIM900A的温室环境监测系统设计[J].江苏农业科学，2015，43（7）：426?429.

LI Xingshan， WANG Xiaochao. Design of greenhouse environment monitoring system based on SI4432 and SIM900A [J]. Jiangsu agricultural sciences， 2015， 43（7）： 426?429.

[14] 祁建广，李宝营，李仁庆.基于ZigBee与LabVIEW的温湿度检测系统[J].大连工业大学学报，2016（5）：383?385.

QI Jianguang， LI Baoying， LI Renqing. Development of temperature and humidity detection system based on ZigBee and LabVIEW [J]. Journal of Dalian Polytechnic University， 2016（5）： 383?385.

[15] 彭倩，李红岩.单片机和LabVIEW的多数据无线监测系统设计[J].实验室研究与探索，2016，35（7）：127?130.

PENG Qian， LI Hongyan. Design of multiple data wireless monitoring system based on microcontroller and LabVIEW [J]. Research and exploration in laboratory， 2016， 35（7）： 127?130.

[16] 安妮，董俊.基于嵌入式的现场总线和TCP/IP协议转换的技术研究[J].现代电子技术，2016，39（1）：16?19.

AN Ni， DONG Jun. Research on embedded system based conversion technology between field bus and TCP/IP protocol [J]. Modern electronics technique， 2016， 39（1）： 16?19.