基于WSN的水產(chǎn)養(yǎng)殖環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計(jì)

卜世杰,王永順,張紅霞,楊旭輝

(1.蘭州交通大學(xué) 電子與信息工程學(xué)院,甘肅 蘭州　730070;

2.甘肅省科學(xué)院傳感技術(shù)研究所 甘肅省傳感器與傳感技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,甘肅 蘭州　730000)

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基于WSN的水產(chǎn)養(yǎng)殖環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計(jì)

卜世杰1,2,王永順1,張紅霞2,楊旭輝2

(1.蘭州交通大學(xué) 電子與信息工程學(xué)院,甘肅 蘭州730070;

2.甘肅省科學(xué)院傳感技術(shù)研究所 甘肅省傳感器與傳感技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,甘肅 蘭州730000)

摘要設(shè)計(jì)了一種基于WSN無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的水產(chǎn)養(yǎng)殖環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng),用于監(jiān)測水產(chǎn)養(yǎng)殖環(huán)境中pH值、溫度、濁度等參數(shù)。分析討論了傳感器的選型、傳感器調(diào)理電路的設(shè)計(jì)以及系統(tǒng)軟件的設(shè)計(jì)。引進(jìn)WSN無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)降低了檢測成本,并且實(shí)現(xiàn)了遠(yuǎn)程監(jiān)控。監(jiān)控中心軟件采用Labview開發(fā),為用戶提供直觀的監(jiān)控平臺。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明:pH值、溫度、濁度參數(shù)的相對測量誤差均在1.20%以內(nèi),可以滿足水產(chǎn)養(yǎng)殖環(huán)境因子監(jiān)測的要求,具有較好的市場前景和推廣價(jià)值。

關(guān)鍵詞水產(chǎn)養(yǎng)殖;pH值;遠(yuǎn)程監(jiān)控

我國是一個(gè)農(nóng)業(yè)大國,而水產(chǎn)養(yǎng)殖是我國農(nóng)業(yè)重要的組成部分。隨著我國水產(chǎn)養(yǎng)殖業(yè)的快速發(fā)展,傳統(tǒng)的粗放養(yǎng)殖已經(jīng)無法滿足養(yǎng)殖的需求[1-3]。伴隨著國外養(yǎng)殖業(yè)的競爭和養(yǎng)殖規(guī)模的擴(kuò)大,以及魚病問題的多發(fā)[4],急需一種可以自動(dòng)監(jiān)控水產(chǎn)養(yǎng)殖環(huán)境的監(jiān)測系統(tǒng),對參數(shù)的監(jiān)測達(dá)到較高的精度以及實(shí)時(shí)的傳輸,以便及時(shí)發(fā)現(xiàn)問題,做出反應(yīng)。研究設(shè)計(jì)了一種基于WSN無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的水產(chǎn)養(yǎng)殖環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng),用于監(jiān)測水產(chǎn)養(yǎng)殖環(huán)境中pH值、溫度、濁度等參數(shù)。

1系統(tǒng)總體架構(gòu)

1.1WSN技術(shù)

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)(WSN,wireless sensor networks)是將傳感器應(yīng)用技術(shù)、嵌入式技術(shù)、無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、分布式信息處理技術(shù)結(jié)合在一起的系統(tǒng)。它能夠?qū)鞲衅鞑杉降臄?shù)據(jù)通過無線網(wǎng)絡(luò)傳送給觀察者,具有節(jié)點(diǎn)多、自組織、以數(shù)據(jù)為中心等特點(diǎn)[5]。

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)(WSN)技術(shù)通過自組網(wǎng)的方法將整個(gè)節(jié)點(diǎn)連接起來,減少了布線時(shí)的困難與成本,節(jié)點(diǎn)便于移動(dòng),適用于大范圍的水產(chǎn)養(yǎng)殖環(huán)境。這些都促使其成為一種適用于智能水產(chǎn)養(yǎng)殖水環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)的新技術(shù)[6]。利用無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù),使水產(chǎn)養(yǎng)殖業(yè)實(shí)現(xiàn)無線化、智能化、網(wǎng)絡(luò)化、數(shù)字化,是水產(chǎn)養(yǎng)殖業(yè)未來的發(fā)展趨勢[7]。

1.2系統(tǒng)架構(gòu)

系統(tǒng)主要由無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)和監(jiān)控中心兩部分構(gòu)成,如圖1所示。部署在魚塘中的無線傳感器節(jié)點(diǎn)將各個(gè)傳感器采集到的數(shù)據(jù)通過無線射頻收發(fā)模塊發(fā)送給路由節(jié)點(diǎn),路由節(jié)點(diǎn)在接收到數(shù)據(jù)后,再轉(zhuǎn)發(fā)給協(xié)調(diào)點(diǎn)。協(xié)調(diào)點(diǎn)通過RS232串口將數(shù)據(jù)發(fā)送給監(jiān)控中心,以便用戶可以實(shí)時(shí)遠(yuǎn)程監(jiān)控。

2無線傳感器節(jié)點(diǎn)硬件設(shè)計(jì)

無線傳感器節(jié)點(diǎn)主要由傳感器模塊、電源模塊和處理器模塊構(gòu)成,節(jié)點(diǎn)的硬件結(jié)構(gòu)如圖2所示。傳感器模塊包括各個(gè)傳感器的采集電路和傳感器的調(diào)理電路,負(fù)責(zé)將pH值、溫度、濁度等參數(shù)轉(zhuǎn)換為標(biāo)準(zhǔn)電壓信號。處理器模塊包括A/D轉(zhuǎn)換模塊、微控制器和無線收發(fā)模塊,它負(fù)責(zé)將傳感器模塊的輸出信號進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換后,通過無線收發(fā)模塊發(fā)送出去。電源模塊負(fù)責(zé)為整個(gè)無線傳感器節(jié)點(diǎn)供電。

圖1　系統(tǒng)結(jié)構(gòu)Fig.1　Structural diagram of system

圖2　無線傳感器節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)Fig.2　Structural diagram of nodes of wireless sensor

2.1處理器模塊

主控制器選用TI公司出品的CC2430芯片[8],該芯片內(nèi)置一顆高性能、低功耗的增強(qiáng)型8051單片機(jī),具有2.4 GHz IEEE 802.15.4[9]的RF收發(fā)器,功耗低,且發(fā)射功率可調(diào),可以滿足無線通訊需求,支持8~14位的A/D轉(zhuǎn)換模塊,節(jié)約了成本。

2.2pH值傳感器調(diào)理電路

系統(tǒng)采用上海雷磁儀器廠生產(chǎn)的E-201型pH值傳感器。該電極由玻璃球泡內(nèi)的測量電極和玻璃球泡外的參比電極組成原電池,發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)從而產(chǎn)生電動(dòng)勢,使能量轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔堋?/p>

設(shè)計(jì)的pH值傳感器調(diào)理電路如圖3所示。由于pH值傳感器輸出為毫伏級電壓,且輸出阻抗非常高,為了隔絕前后電路之間的相互影響,前級放大器U1選用阻抗高,失調(diào)電流小的靜電計(jì)級運(yùn)算放大器OPA128。U2選用雙通道的OPA2277,該芯片具有極低的輸入失調(diào)電壓和輸入偏置電流。U2A利用滑動(dòng)變阻器將電壓提升,并通過10 nF的電容與U1的輸出相連,從而使電壓提升至正電壓。U2B將電壓信號濾波放大,使輸出電壓為1.6～2.9 V,滿足A/D轉(zhuǎn)換器的輸入范圍。pH值傳感器調(diào)理電路輸出電壓計(jì)算公式為

(1)

其中:Vin為pH電極輸出電壓(V);Rs為可變電阻(Ω);R2、R4為固定電阻(Ω)。

2.3濁度傳感器調(diào)理電路

系統(tǒng)采用青島昱昌科技有限公司生產(chǎn)的YC-11型濁度傳感器。它采用的是90°角散射光原理。在傳感器的內(nèi)部有一個(gè)發(fā)光二極管,發(fā)射出一束光源,遇到水中懸浮顆粒,所反射的90°角的光束被傳感器內(nèi)部的光電檢測器接收。由于水中懸浮顆粒的

圖3　pH值調(diào)理電路Fig.3　pH value conditioning circuit

不同與數(shù)量的多少,會導(dǎo)致接收到的光的強(qiáng)弱各不相同,從而引起光電接收器輸出電壓的變化,由此來判斷水的濁度。雷萊公式[10]為

(2)

其中:IO為入射光強(qiáng)度;IS為散射光強(qiáng)度;N為單位溶液微粒數(shù);V為微粒體積;λ為入射光波長;K為系數(shù)。在入射光恒定的條件下,散射光強(qiáng)度和溶液的濁度成正比。

將雷萊公式簡化為

(3)

其中:K′為常數(shù)。根據(jù)式(3),可以測量出水樣中的濁度。

研究設(shè)計(jì)的濁度傳感器調(diào)理電路如圖4所示。濁度調(diào)理電路采用±5V供電,由OPA277運(yùn)算放大器構(gòu)成2級電路。為了防止信號的衰弱與電路對信號的影響,U1采用一個(gè)電壓跟隨器。U2將電壓放大并輸出,濁度調(diào)理電路輸出電壓為

(4)

其中:Vin為濁度電極輸出電壓(V);R5、R6為固定電阻(Ω)。

圖4　濁度調(diào)理電路Fig.4　Turbidity conditioning circuit

2.4電源模塊

系統(tǒng)采用1 200 mAh,9 V的大容量鋰電池供電,通過LT3581芯片將電壓穩(wěn)壓至+9 V,再降壓至+5 V、+3.3 V;采用TL7660芯片,將+5 V電壓轉(zhuǎn)換為-5 V。滿足各個(gè)無線傳感器節(jié)點(diǎn)、路由節(jié)點(diǎn)和協(xié)調(diào)節(jié)點(diǎn)的電壓需求。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,采用該電路后,供電電壓穩(wěn)定,且供電時(shí)間可長達(dá)7個(gè)月以上。電源模塊結(jié)構(gòu)如圖5所示。

圖5　電源模塊Fig.5　Power supply module

3軟件設(shè)計(jì)

3.1節(jié)點(diǎn)軟件設(shè)計(jì)

節(jié)點(diǎn)軟件設(shè)計(jì)采用IAR Embedded Workbench開發(fā)環(huán)境,這是瑞典IAR Systems公司專門為微處理器開發(fā)的一個(gè)集成開發(fā)環(huán)境[11]。

無線傳感器節(jié)點(diǎn)在啟動(dòng)后,首先會進(jìn)行初始化,然后與協(xié)調(diào)點(diǎn)開始同步信息,之后進(jìn)入待機(jī)狀態(tài),以減少能源損耗。當(dāng)收到路由節(jié)點(diǎn)發(fā)來的采集指令后,會啟動(dòng)內(nèi)部的定時(shí)器開始計(jì)時(shí),當(dāng)采集時(shí)間到,便開始采集數(shù)據(jù),隨后將數(shù)據(jù)發(fā)送出去。之后再一次進(jìn)入休眠狀態(tài),等待下次指令。軟件流程如圖6所示。

圖6　無線傳感器節(jié)點(diǎn)程序流程Fig.6　Process flow chart of nodes of wireless sensor

3.2監(jiān)控軟件設(shè)計(jì)

監(jiān)控軟件設(shè)計(jì)的目的是方便用戶進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)控,實(shí)時(shí)了解水產(chǎn)養(yǎng)殖環(huán)境參數(shù)變化。系統(tǒng)上位機(jī)監(jiān)控軟件采用Labview開發(fā)[12],監(jiān)控界面如圖7所示。

圖7　監(jiān)控軟件界面Fig.7　Interface of monitoring software

監(jiān)控軟件主要由通信測試、數(shù)據(jù)庫服務(wù)、實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)和監(jiān)測界面四部分構(gòu)成。其中,用戶主要在監(jiān)測界面進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測。在監(jiān)測界面中,用戶可以選擇魚塘中不同的無線傳感器節(jié)點(diǎn)來顯示此處各參數(shù)的數(shù)據(jù),以便用戶了解魚塘中各點(diǎn)的參數(shù)變化。通過選擇不同的特征值,可以顯示此節(jié)點(diǎn)不同參數(shù)的實(shí)時(shí)曲線。設(shè)置報(bào)警閾值,可以在此參數(shù)超出預(yù)設(shè)值時(shí)發(fā)出報(bào)警,達(dá)到預(yù)警的效果。

4測試

在整個(gè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)完畢后,在甘肅省某鮭鱒魚養(yǎng)殖基地進(jìn)行了測試,測試主要分為兩部分:1.通過比對傳感器采集的數(shù)據(jù)與標(biāo)準(zhǔn)緩沖液的誤差,以驗(yàn)證傳感器的精度是否達(dá)到了標(biāo)準(zhǔn);2.在第1部分完成后,在現(xiàn)場進(jìn)行24小時(shí)不間斷測試,以驗(yàn)證數(shù)據(jù)傳輸?shù)恼_性,以及整個(gè)系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

首先用標(biāo)準(zhǔn)緩沖液對pH值傳感器、濁度傳感器進(jìn)行校準(zhǔn),以消除偏差。然后分別用pH值為4.01、6.86、9.46的標(biāo)準(zhǔn)緩沖液和濁度為10 NTU、20 NTU、40 NTU的標(biāo)準(zhǔn)緩沖液與傳感器實(shí)際采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行比對,實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表1所列。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,本系統(tǒng)的測量值與標(biāo)準(zhǔn)值的相對誤差均在1.20%以內(nèi)。測量的精度完全滿足水產(chǎn)養(yǎng)殖環(huán)境因子采集的要求。

表1　傳感器測試結(jié)果

對各個(gè)傳感器標(biāo)定完成后,又在此基地進(jìn)行了24小時(shí)的實(shí)地測試。測試結(jié)果如表2所列。測試結(jié)果表明:系統(tǒng)運(yùn)行非常穩(wěn)定,各參數(shù)變化正常。24小時(shí)內(nèi)pH值誤差在±0.3范圍內(nèi),溫度誤差在±0.5 ℃范圍內(nèi),濁度誤差1.00 NTU范圍內(nèi)。測試所得的精度滿足設(shè)計(jì)要求,符合實(shí)際運(yùn)行的需要。

表2　水產(chǎn)養(yǎng)殖環(huán)境因子監(jiān)測結(jié)果

通過對傳感器精度的測試和在水產(chǎn)養(yǎng)殖基地的現(xiàn)場測試,傳感器的相對誤差在1.25%以內(nèi),整個(gè)系統(tǒng)運(yùn)行狀況良好,并通過協(xié)調(diào)點(diǎn)以RS232串口的方式將數(shù)據(jù)傳輸?shù)缴衔粰C(jī)。本地監(jiān)控中心數(shù)據(jù)接收穩(wěn)定,且能實(shí)時(shí)顯示各個(gè)節(jié)點(diǎn)不同參數(shù)的變化,達(dá)到了預(yù)期的設(shè)計(jì)目標(biāo)。

5結(jié)論

研究設(shè)計(jì)了一種基于WSN無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的水產(chǎn)養(yǎng)殖環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)。該系統(tǒng)相對測量誤差均在1.20%以內(nèi),可以準(zhǔn)確采集水產(chǎn)養(yǎng)殖環(huán)境中的參數(shù)。在9 V鋰電池供電的情況下,系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)間長達(dá)7個(gè)月以上,且無需人為實(shí)時(shí)監(jiān)控,最大程度地減少了人工成本,具有提高養(yǎng)殖效率的現(xiàn)實(shí)意義。下一步將在監(jiān)測環(huán)境控制、監(jiān)控軟件優(yōu)化、測量精度提高和能源損耗降低等方面做進(jìn)一步研究。

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Design of Aquacultural Environment Monitoring System Based on WSN

Bu Shijie1,2,Wang Yongshun1,Zhang Hongxia2,Yang Xuhui2

(1.SchoolofElectronicandInformationEngineering,LanzhouJiaotongUnversity,Lanzhou730070,China;2.KeyLaboratoryofSensorsandSensingTechnologyofGansuProvince,InstituteofSensorTechnology,GansuAcademyofSciences,Lanzhou730000,China)

AbstractAn aquacultural environment monitoring system based on wireless sensor network WSN technology was designed for monitoring the parameters,such as pH value,temperature,turbidity,etc.in the aquacultural environment.The selection of sensor and design of sensor conditioning circuit and design of software of the system were analyzed and discussed.The detecting cost was reduced and remote monitoring was implemented after introducing the wireless sensor network WSN technology to the aquacultural environment monitoring system.The intuitive monitoring platform was offered to the user because of Labview applied to development of software of the monitoring center.The experimental result showed that relative measurement errors of parameters including pH value,temperature and turbidity were controlled within 1.20%.moreover,the aquacultural environment monitoring system can satisfy requirements of monitoring aquacultural environment factors and has excellent market prospect and popularizing value.

Key wordsAquaculture;pH value;Remote monitoring

中圖分類號:TP274+.5;S959

文獻(xiàn)標(biāo)志碼:A

文章編號:1004-0366(2016)01-0055-06

作者簡介:卜世杰(1990-)，男，甘肅天水人，碩士研究生,研究方向?yàn)闊o線傳感器網(wǎng)絡(luò)與電路設(shè)計(jì).E-mail:bsjsoso@163.com.通訊作者:楊旭輝.E-mail:yangxh1-2@163.com.

基金項(xiàng)目:甘肅省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室專項(xiàng)項(xiàng)目(145RTSA009)；甘肅省科技支撐計(jì)劃項(xiàng)目(1204GKCA046)；蘭州市科技發(fā)展計(jì)劃項(xiàng)目(2013-4-13)；甘肅省科學(xué)院青年科技創(chuàng)新基金項(xiàng)目(2014QN-19)；甘肅省科學(xué)院青年科技創(chuàng)新基金項(xiàng)目(2013QN-01).

收稿日期:2015-04-09;修回日期:2015-05-07.

doi:10.16468/j.cnki.issn1004-0366.2016.01.013.

引用格式:Bu Shijie,Wang Yongshun,Zhang Hongxia,etal.Design of Aquacultural Environment Monitoring System Based on WSN[J].Journal of Gansu Sciences,2016,28(1):55-60.[卜世杰,王永順,張紅霞,等.基于WSN的水產(chǎn)養(yǎng)殖環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].甘肅科學(xué)學(xué)報(bào),2016,28(1):55-60.]