基于物聯(lián)網的水質監(jiān)測系統(tǒng)設計

姜 莉，曾寶國

（四川信息職業(yè)技術學院 四川 廣元628000）

在水產人工養(yǎng)殖的過程中，為了給魚類創(chuàng)造適宜的生長環(huán)境，需要及時、準確地掌握水質參數。傳統(tǒng)的水質檢測方式通過查、品、嗅、試紙測試等形式開展，時效性和準確性都不高。本系統(tǒng)借助物聯(lián)網信息化技術手段，實現對對養(yǎng)殖水環(huán)境中對魚類生長發(fā)育極為重要的4個參數：水溫、酸堿度、溶氧量和水位進行實時監(jiān)測與控制，從而降低魚類發(fā)病率，提高水產養(yǎng)殖效益。

1 工作原理

本設計采用感知控制層、傳輸通信層、應用服務層三層架構設計,如圖1所示。在水源地布置多個水上節(jié)點（水質信息采集節(jié)點、水面視頻采集節(jié)點、水質反饋控制節(jié)點、ZigBee無線網關），通過水質信息采集節(jié)點實時采集PH值、水溫、水位、溶氧量等水質參數，通過ZigBee終端節(jié)點上傳給無線網關，由后者送入PC處理，然后送入服務器；并同時通過IP Camera（網絡攝像機）采集水面視頻信息，由 WiFi方式送入（移動）服務器。運行于服務器上的信息管理系統(tǒng)對數據進行統(tǒng)計、分析，并根據養(yǎng)殖用水管理要求實時預警、告警，并能自動下發(fā)控制指令到無線網關，然后由ZigBee網絡下發(fā)指令到水質反饋控制節(jié)點，啟動增氧機或PH值調節(jié)設備、水泵等，實時調節(jié)養(yǎng)殖用水參數。管理人員可通過PC、平板電腦或PDA等方式可獲取實時水質數據，并對設備進行遠程控制。

圖1 系統(tǒng)功能框圖Fig.1 System function

2 硬件設計

2.1 無線傳感器網絡通訊模塊設計

本系統(tǒng)無線傳感器網絡通訊模塊以TI公司CC2430為核心，主要包括CC2430最小系統(tǒng)、電源電路、射頻電路和IO口接口電路等部分，其中射頻部分電路原理如圖2所示。

由于本系統(tǒng)工作在2.4 GHz頻段，因此PCB設計需重點考慮分布參數的影響。本模塊PCB參考TI公司DataSheet設計，采用外置SMA天線，以提高傳輸距離。

圖2 射頻電路原理圖Fig.2 Principle of RF circuit

2.2 傳感器選型

以養(yǎng)殖用水為例，一般需要對水環(huán)境中的PH值、水位、溶氧量、溫度等基本參數進行監(jiān)測[1]。本系統(tǒng)選用北京聯(lián)創(chuàng)開發(fā)的、具有測溫和溫度補償功能的PHl0、TSIO、WLIO、DOIO 4類智能傳感器來對水的PH值、水位、溶氧量、溫度等參數進行監(jiān)測。4類傳感器均可通過RS485總線接收來自外部MCU的控制指令，然后返回測量參數，因而可以大大簡化感知層的設計工作。

3 軟件設計

3.1 感知層子系統(tǒng)

本系統(tǒng)的無線網絡基于Z-Stack協(xié)議棧完成，由于監(jiān)測點不多、分布范圍較窄，故采用星形網絡拓撲結構。無線傳感器網絡中各終端節(jié)點與智能傳感器間通訊的協(xié)議幀格式如表 1、2所示。

表1 傳感器通訊協(xié)議[下行鏈路]Tab.1 Sensor communication protocol[down-link]

表2 傳感器通訊協(xié)議[上行鏈路]Tab.2 Sensor communication protocol[up-link]

3.2 傳輸層子系統(tǒng)

ZigBee無線網關用于完成管理控制、協(xié)議轉換以及數據轉發(fā)功能，可以支持WSN網絡數據協(xié)同和匯聚，并支持ZigBee,GPRS,TCP/IP 接入[2]。

網關的工作流程如圖3所示，系統(tǒng)加電啟動后，首先初始化應用程序。GPRS交互模塊通過發(fā)送AT指令啟動GPRS模塊，設定串口的通信速率，建立socket連接準備數據通信；TCP交互模塊后者通過讀取配置信息，建立socket連接,兩者均提供統(tǒng)一接口，主程序選擇啟動其中一項[3]。網關初始化完畢后監(jiān)聽網絡，等候外部事件中斷的產生，并通過判斷響應的類型進行相應的數據轉發(fā)動作。若接收到以太網數據，則判斷是否為管理平臺下達的命令，如果是則對命令進行進一步判斷；若此命令為獲取網關側信息的命令，則調用管理平臺交互模塊發(fā)送信息給管理平臺；若此命令為下達給傳感網的傳感網命令，則對命令進行協(xié)議解析后，調用串口讀寫模塊將命令發(fā)送給匯聚節(jié)點。類似的，若通過匯聚節(jié)點獲取到了傳感網數據，則對傳感網數據進行協(xié)議解析后，調用交互模塊將數據發(fā)送給管理平臺[4]。

圖3 網關工作流程Fig.3 Work flow of gateway

3.3 應用層子系統(tǒng)

應用層水質監(jiān)控信息管理系統(tǒng)采用B/S架構設計，通過WebService提供面向ZigBee/GPRS網關和用戶的服務。應用層數據決策由專家數據庫系統(tǒng)實現，它由知識庫、推理機、解釋器、人機界面、數據庫管理系統(tǒng)等組成[5]。主要子系統(tǒng)包括水質環(huán)境監(jiān)控子系統(tǒng)、專家決策及知識查詢子系統(tǒng)、系統(tǒng)配置子系統(tǒng)、在線技術支持子系統(tǒng)等。

4 結束語

綜上所述，本文首先闡述了基于物聯(lián)網的水質監(jiān)測系統(tǒng)的設計原理，然后從硬件和軟件兩個方面分析了系統(tǒng)的設計。在系統(tǒng)測試過程中，對水質監(jiān)測系統(tǒng)的準確性和實時性進行測試，測試結果表明該系統(tǒng)能每隔半個小時自動對水質參數測量記錄,實現水質的長時間在線測量,最遠中繼傳輸距離達1.5公里，該系統(tǒng)還可根據實際需要增減終端節(jié)點，實現多參數監(jiān)測及反饋控制,具有良好的擴展性及實用價值。

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