養(yǎng)殖水質(zhì)自動(dòng)監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

李金鳳， 趙海波， 曹 順， 高鵬成， 侯 勇

(沈陽化工大學(xué) 信息工程學(xué)院， 遼寧 沈陽 110142)

養(yǎng)殖水質(zhì)自動(dòng)監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

李金鳳， 趙海波， 曹 順， 高鵬成， 侯 勇

(沈陽化工大學(xué) 信息工程學(xué)院， 遼寧 沈陽 110142)

設(shè)計(jì)了一種基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)及GPRS的水產(chǎn)養(yǎng)殖環(huán)境參數(shù)自動(dòng)遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對水溫、溶解氧、pH值、水位等現(xiàn)場數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)準(zhǔn)確采集、處理、動(dòng)態(tài)顯示、儲存、超限報(bào)警、歷史數(shù)據(jù)查詢、無線傳輸及遠(yuǎn)程控制等.系統(tǒng)以MSP430單片機(jī)為核心，通過CC2530構(gòu)建無線傳感網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)傳感器節(jié)點(diǎn)、路由節(jié)點(diǎn)及協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)間數(shù)據(jù)的快速、準(zhǔn)確傳輸.通過遠(yuǎn)程監(jiān)控中心或手機(jī)終端可實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)查詢及對增氧機(jī)的遠(yuǎn)程控制.對數(shù)據(jù)采集及網(wǎng)絡(luò)通信的準(zhǔn)確性和可靠性進(jìn)行了試驗(yàn).測試結(jié)果表明：系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定，數(shù)據(jù)測量準(zhǔn)確，控制及時(shí)有效，滿足了水產(chǎn)養(yǎng)殖需求.系統(tǒng)成本低、實(shí)時(shí)性好、操作簡便、人機(jī)界面友好、擴(kuò)展性強(qiáng)，具有一定的應(yīng)用價(jià)值.

無線傳感器網(wǎng)絡(luò); 水質(zhì)監(jiān)控; GPRS; 遠(yuǎn)程監(jiān)控; 水產(chǎn)養(yǎng)殖

水產(chǎn)養(yǎng)殖過程中，水體環(huán)境直接影響水產(chǎn)品的產(chǎn)量及質(zhì)量.對水質(zhì)的監(jiān)測與控制是保證安全高效生產(chǎn)、防止魚類病害、提高經(jīng)濟(jì)收入的重要手段[1-2].傳統(tǒng)的水產(chǎn)養(yǎng)殖依靠養(yǎng)殖人員多年積累的工作經(jīng)驗(yàn)判斷水質(zhì)、控制增氧機(jī)等設(shè)備.這種方式誤差較大,而且隨著養(yǎng)殖品種和規(guī)模的不斷增加,影響水質(zhì)的因素復(fù)雜多變，僅靠經(jīng)驗(yàn)已無法滿足高效生產(chǎn)的需求.魚塘采樣點(diǎn)分散，采用有線方式的監(jiān)控系統(tǒng)需大量使用多種線路，成本高、布線困難、費(fèi)時(shí)費(fèi)力，線路易受腐蝕和破壞,可靠性、擴(kuò)展性差，只能進(jìn)行近距離的網(wǎng)絡(luò)控制[2-4].由于數(shù)據(jù)采集及轉(zhuǎn)發(fā)復(fù)雜，因此，為實(shí)現(xiàn)水產(chǎn)養(yǎng)殖的穩(wěn)產(chǎn)、高產(chǎn)、安全、品質(zhì)好、飼料利用率高、耗水少，需設(shè)計(jì)自動(dòng)無線監(jiān)控系統(tǒng)，隨時(shí)對水中的多種環(huán)境參數(shù)進(jìn)行有效檢測和控制，建立適于水產(chǎn)品生長的最佳環(huán)境[3，5-6].

無線傳感網(wǎng)絡(luò)WSN(wireless sensor network)融合了傳感技術(shù)、嵌入式計(jì)算技術(shù)、現(xiàn)代網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、無線通信技術(shù)等.網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)以自組織及多跳方式構(gòu)成無線通信網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)所處環(huán)境信息的采集、處理、數(shù)據(jù)傳輸?shù)?，長期無人值守的情形下亦能正常工作[1].網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)可以自由移動(dòng)，因此，無需鋪設(shè)線路，成本低；并且其數(shù)據(jù)采集范圍廣、采集數(shù)據(jù)量大、操作簡單、容易維護(hù)[2，4].基于IEEE 802.15.4標(biāo)準(zhǔn)的ZigBee技術(shù)是一種近距離、低復(fù)雜度、低成本、低功耗、低速率、自組織的雙向無線通訊技術(shù)，非常適用于自動(dòng)控制和遠(yuǎn)程控制等領(lǐng)域[7-10].GPRS(general packet radio service 通用分組無線服務(wù))采用分組交換技術(shù)，傳輸速率可達(dá)56 Kbps～114 Kbps；它可根據(jù)用戶接收、發(fā)送的數(shù)據(jù)包數(shù)量收取費(fèi)用，費(fèi)用低；并且組網(wǎng)靈活，僅需2～3 s即可登錄到互聯(lián)網(wǎng)，廣泛應(yīng)用于數(shù)據(jù)遠(yuǎn)傳方面.

本文針對水產(chǎn)養(yǎng)殖的具體需求，結(jié)合無線傳感器網(wǎng)絡(luò)及GPRS的技術(shù)優(yōu)勢，研制水質(zhì)參數(shù)實(shí)時(shí)自動(dòng)監(jiān)控系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對水溫、pH值、溶解氧等參數(shù)的實(shí)時(shí)監(jiān)測，并根據(jù)水質(zhì)情況自動(dòng)控制增氧機(jī).設(shè)計(jì)了無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的傳感器節(jié)點(diǎn)、路由節(jié)點(diǎn)及協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)的硬件電路；系統(tǒng)以MSP430芯片為核心，由CC2530構(gòu)建獲取環(huán)境參數(shù)的自組織無線傳感器網(wǎng)絡(luò)；開發(fā)基于GPRS的遠(yuǎn)程傳輸系統(tǒng)，建立無線傳感器網(wǎng)絡(luò)與遠(yuǎn)程監(jiān)控中心間可靠、穩(wěn)定的通信.

1 系統(tǒng)架構(gòu)及關(guān)鍵技術(shù)

系統(tǒng)由傳感器節(jié)點(diǎn)、路由節(jié)點(diǎn)、協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)、控制節(jié)點(diǎn)、本地監(jiān)控中心和遠(yuǎn)程監(jiān)控中心組成，如圖1所示.傳感器節(jié)點(diǎn)和路由節(jié)點(diǎn)分布在各個(gè)魚塘內(nèi)，以自組織方式構(gòu)成樹形網(wǎng)絡(luò).傳感器節(jié)點(diǎn)將采集到的水體參數(shù)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號，通過ZigBee無線通信協(xié)議將數(shù)據(jù)上傳至路由節(jié)點(diǎn).路由節(jié)點(diǎn)負(fù)責(zé)接收各節(jié)點(diǎn)采集到的數(shù)據(jù)，進(jìn)行數(shù)據(jù)處理.系統(tǒng)自主設(shè)定水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)，一旦監(jiān)測到異常數(shù)據(jù)(緊急數(shù)據(jù))則報(bào)警，啟動(dòng)控制節(jié)點(diǎn)調(diào)節(jié)水質(zhì)，并立即上傳至協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn).協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)接收各路由節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)、報(bào)警信息，將數(shù)據(jù)傳輸?shù)奖镜乇O(jiān)控中心，并接收監(jiān)控中心發(fā)出的命令，修改參數(shù)，實(shí)現(xiàn)節(jié)點(diǎn)同步休眠和喚醒，降低系統(tǒng)功耗[7].協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)也可通過GPRS模塊向用戶手機(jī)發(fā)送報(bào)警短信或接入Internet網(wǎng)絡(luò)將數(shù)據(jù)傳至遠(yuǎn)程監(jiān)測中心.

圖1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

2 系統(tǒng)硬件架構(gòu)

由于傳感器網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)數(shù)目較多，且節(jié)點(diǎn)均采用鋰電池供電，因此，系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)要綜合考慮性能、成本、功耗、擴(kuò)展性方面的要求.

2.1 傳感器節(jié)點(diǎn)硬件設(shè)計(jì)

傳感器節(jié)點(diǎn)是網(wǎng)絡(luò)的核心單元，完成現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)預(yù)處理及數(shù)據(jù)通信，實(shí)現(xiàn)對采樣點(diǎn)水溫、溶解氧、pH值、水位等參數(shù)的24 h在線監(jiān)測，其結(jié)構(gòu)圖如圖2所示.傳感器每30 min采集一次數(shù)據(jù)，輸出的模擬電信號通過信號調(diào)理電路濾除干擾并進(jìn)行放大整形后，送給CC2530芯片內(nèi)置的模數(shù)轉(zhuǎn)換器得到數(shù)字信號，經(jīng)增強(qiáng)型8051處理器進(jìn)行預(yù)處理后存放至存儲器中.定時(shí)時(shí)間到后，將存儲的數(shù)據(jù)按格式打包后發(fā)送給路由節(jié)點(diǎn)；若數(shù)據(jù)超限，則標(biāo)記為緊急數(shù)據(jù)并即刻發(fā)送給路由節(jié)點(diǎn).傳感器節(jié)點(diǎn)也可接收路由節(jié)點(diǎn)發(fā)送的控制命令，進(jìn)行參數(shù)設(shè)置及時(shí)間同步.為了提高通信的可靠性，在路由節(jié)點(diǎn)的CC2530和天線之間可增加CC2591芯片.

圖2 傳感器節(jié)點(diǎn)電路框圖

2.1.1 CC2530無線通信芯片

CC2530是支持IEEE 802.15.4標(biāo)準(zhǔn)的2.4 GHz RF收發(fā)器，內(nèi)部集成高性能、低功耗的8051微控制器核、256 kB系統(tǒng)可編程Flash及8 kB RAM等模塊；睡眠電流低至1 μA；內(nèi)部集成12位8輸入模數(shù)轉(zhuǎn)換器，可外接多種傳感器及控制電路.

2.1.2 傳感器及信號調(diào)理電路

溶解氧即溶解于水中的氧氣分子含量.水產(chǎn)動(dòng)植物只有在適宜的溶解氧條件下才能生存.極譜型溶解氧傳感器輸出(μA量級微小電流信號)與被測溶液的溶解氧成線性關(guān)系[3].根據(jù)法拉第定律：

c=IL/FnAD

(1)

這里：c為溶氧度；I為擴(kuò)散電流；L為增透膜厚度；F為法拉第常數(shù)；n為參加反應(yīng)的電子數(shù)；A為陰極面積；D為增透膜擴(kuò)散系數(shù).傳感器的輸出電流經(jīng)細(xì)小電流檢測器件進(jìn)行電流-電壓轉(zhuǎn)換后送給CC2530內(nèi)置的模數(shù)轉(zhuǎn)換器進(jìn)行處理.

pH值對水生物的影響貫穿其生長的每一階段[7].pH復(fù)合電極的負(fù)極與已知濃度的參比溶液相通，正極與被測溶液相通.當(dāng)被測溶液的離子濃度產(chǎn)生變化時(shí)，正、負(fù)極間形成一個(gè)隨pH值變化的電勢差，該電勢差與溶液中的氫離子活動(dòng)程度成正比.pH值滿足能斯特(Nernst)方程：

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

(2)

這里：E為測量電極電動(dòng)勢；E0為常數(shù)；R為氣體常數(shù)；T為被測溶液的絕對溫度；pH為被測溶液的pH值；F為法拉第常數(shù).由式(2)可知：電極的輸出電動(dòng)勢受被測溶液的pH值及溶液溫度影響.

pH電極在使用之前需進(jìn)行校正.若被測溶液為堿性時(shí)，選用pH值為6.86及9.18的標(biāo)準(zhǔn)緩沖溶液進(jìn)行校正;若被測液的pH值為酸性時(shí)，選用pH值為4.00及6.86的標(biāo)準(zhǔn)緩沖溶液進(jìn)行校正.溫度為t1時(shí)，pH電極在兩個(gè)緩沖溶液中輸出的電動(dòng)勢分別為：

(3)

求解方程可得：

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

(4)

溫度系數(shù)為：

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

(5)

將E0及K1存儲至EEPROM中，用于pH電極的溫度補(bǔ)償.

pH電極輸出的mV級電壓信號經(jīng)信號調(diào)理電路進(jìn)行放大、濾波處理后，輸入CC2530進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換.pH電極的內(nèi)阻大，因此，選用輸入阻抗高、精度高、頻帶寬、共模抑制比高的運(yùn)算放大器INA116作為信號調(diào)理電路的第一級.其余兩級電路選用運(yùn)放OP07[11].

池塘水位不需要精確測量，僅需判斷是否超過上、下限水位即可.采用雙位浮球液位開關(guān)實(shí)現(xiàn).當(dāng)水位低于下限值或高于上限值時(shí)報(bào)警.輸出信號經(jīng)邏輯電路處理后，送給CC2530.

2.2 路由節(jié)點(diǎn)

路由節(jié)點(diǎn)起到數(shù)據(jù)中轉(zhuǎn)的作用.路由節(jié)點(diǎn)接收傳感器節(jié)點(diǎn)發(fā)送的數(shù)據(jù)并轉(zhuǎn)發(fā)給協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)，向傳感器節(jié)點(diǎn)傳達(dá)協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)的命令.若接收到的數(shù)據(jù)異常時(shí)，與控制節(jié)點(diǎn)通信，啟動(dòng)相應(yīng)設(shè)備進(jìn)行自動(dòng)控制.路由節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)與傳感器節(jié)點(diǎn)相似，只是不含傳感器及其調(diào)理電路.

2.3 控制節(jié)點(diǎn)

控制節(jié)點(diǎn)調(diào)節(jié)養(yǎng)殖池中溶解氧、pH值及水溫等參數(shù).控制節(jié)點(diǎn)的CC2530接收到路由節(jié)點(diǎn)的控制命令和控制參數(shù)后，經(jīng)光電耦合器、繼電器、執(zhí)行機(jī)構(gòu)控制進(jìn)水閥、出水閥、水泵、增氧機(jī)的運(yùn)行，其電路結(jié)構(gòu)如圖3所示.

圖3 控制節(jié)點(diǎn)電路框圖

2.4 協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)

協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)完成ZigBee網(wǎng)絡(luò)組網(wǎng)、發(fā)送及接收網(wǎng)絡(luò)中的數(shù)據(jù)和控制指令，實(shí)現(xiàn)與本地及遠(yuǎn)程監(jiān)控中心的通信.協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)電路如圖4所示.電路以TI公司的MSP430F149 微處理器為核心，經(jīng)CC2530無線單元與路由節(jié)點(diǎn)進(jìn)行通信；經(jīng)GPRS模塊與遠(yuǎn)程監(jiān)控中心進(jìn)行通信；經(jīng)RS485總線與本地監(jiān)控中心相連.協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)自動(dòng)存儲數(shù)據(jù)，通過按鍵及液晶可實(shí)時(shí)顯示查詢結(jié)果.用戶通過選擇節(jié)點(diǎn)地址可查詢養(yǎng)殖池的水溫、pH值、溶氧度、電池電量等信息.

圖4 協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)電路框圖

協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)每隔一段時(shí)間向網(wǎng)絡(luò)中的各節(jié)點(diǎn)發(fā)送時(shí)間同步指令.各傳感器節(jié)點(diǎn)和路由節(jié)點(diǎn)在各自的時(shí)間片內(nèi)將采集的水質(zhì)參數(shù)按照規(guī)定的幀格式發(fā)送至協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)[4].

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)軟件是基于IAR Embedded Workbench，在ZigBee協(xié)議棧的基礎(chǔ)上開發(fā)而成的.程序采用C語言編寫，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的組網(wǎng)、通信、數(shù)據(jù)采集與處理、數(shù)據(jù)遠(yuǎn)傳等功能.

由于各節(jié)點(diǎn)間晶振的精度差異及外部干擾等諸多因素，導(dǎo)致節(jié)點(diǎn)間出現(xiàn)時(shí)間偏差.偏差不斷累積，可能導(dǎo)致節(jié)點(diǎn)無法正常工作.而采用時(shí)間同步方法實(shí)現(xiàn)節(jié)點(diǎn)的同步喚醒和休眠，降低功耗[7].

3.1 傳感器節(jié)點(diǎn)程序設(shè)計(jì)

傳感器節(jié)點(diǎn)負(fù)責(zé)感知養(yǎng)殖池內(nèi)的水質(zhì)參數(shù)變化，并將數(shù)據(jù)發(fā)送至路由節(jié)點(diǎn).傳感器節(jié)點(diǎn)只能與路由節(jié)點(diǎn)通信，傳感器節(jié)點(diǎn)間不能通信，路由節(jié)點(diǎn)將信息轉(zhuǎn)發(fā)至協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸.傳感器節(jié)點(diǎn)的程序流程如圖5所示.傳感器節(jié)點(diǎn)進(jìn)行初始化后開始搜尋網(wǎng)絡(luò)、發(fā)送請求加入信息.被允許加入后獲取節(jié)點(diǎn)地址信息.傳感器節(jié)點(diǎn)每隔一段時(shí)間對水質(zhì)參數(shù)——溫度、pH值、溶解氧進(jìn)行采集及數(shù)據(jù)處理.接收到數(shù)據(jù)采集指令后，傳感器節(jié)點(diǎn)調(diào)整本機(jī)系統(tǒng)時(shí)間，啟動(dòng)定時(shí)器用于上傳數(shù)據(jù)，啟動(dòng)內(nèi)置的模數(shù)轉(zhuǎn)換器將信號調(diào)理電路輸出的電壓信號進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換、數(shù)據(jù)處理并存儲至EEPROM中.若數(shù)據(jù)超過設(shè)定閾值，則標(biāo)記為緊急數(shù)據(jù)，即刻按照預(yù)先設(shè)定的格式包裝數(shù)據(jù)并上傳至路由節(jié)點(diǎn)；若數(shù)據(jù)未超過設(shè)定閾值，則標(biāo)記為一般數(shù)據(jù)，將數(shù)據(jù)存儲至EEPROM，每24 h上傳一次數(shù)據(jù).若無事件發(fā)生，傳感器進(jìn)入休眠模式，直至開始新一輪數(shù)據(jù)采集，用以降低功耗.

圖5 傳感器節(jié)點(diǎn)程序流程

3.2 路由節(jié)點(diǎn)程序設(shè)計(jì)

路由節(jié)點(diǎn)負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)的上傳及指令的下達(dá).系統(tǒng)上電經(jīng)初始化后，開始搜索網(wǎng)絡(luò)，申請入網(wǎng).若接收到傳感器節(jié)點(diǎn)的申請入網(wǎng)請求，則核對傳感器節(jié)點(diǎn)信息后，分配地址；若接收到協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)的指令，則轉(zhuǎn)發(fā)給區(qū)域內(nèi)的傳感器節(jié)點(diǎn)；若接收到傳感器節(jié)點(diǎn)上傳的數(shù)據(jù)，則根據(jù)事先約定的時(shí)間片上傳給協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn).

3.3 協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)程序設(shè)計(jì)

協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)負(fù)責(zé)組建、維護(hù)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)、下達(dá)指令、接收數(shù)據(jù)及數(shù)據(jù)遠(yuǎn)傳，其程序流程如圖6所示.協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)上電進(jìn)行初始化后，首先新建網(wǎng)絡(luò)并允許其它節(jié)點(diǎn)加入.協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)經(jīng)GPRS模塊將從路由節(jié)點(diǎn)接收到的數(shù)據(jù)遠(yuǎn)傳至遠(yuǎn)程監(jiān)控中心，并接收遠(yuǎn)程監(jiān)控中心的指令.

圖6 協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)軟件流程

4 測試結(jié)果

為驗(yàn)證無線傳感器網(wǎng)絡(luò)通信的穩(wěn)定性和可靠性，進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)點(diǎn)對點(diǎn)測試.發(fā)送的數(shù)據(jù)包為 4 000 個(gè).兩節(jié)點(diǎn)間距離分別為20、40、60、80、100 m時(shí)，統(tǒng)計(jì)接收到的數(shù)據(jù)包個(gè)數(shù)，計(jì)算網(wǎng)絡(luò)丟包率.測試結(jié)果表明：丟包率小于2 %，滿足設(shè)計(jì)要求.

為驗(yàn)證系統(tǒng)水質(zhì)數(shù)據(jù)采集、傳輸?shù)臏?zhǔn)確性，在4個(gè)養(yǎng)殖池內(nèi)各部署一個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)，在本地監(jiān)控中心部署一個(gè)協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)，在傳感器節(jié)點(diǎn)與協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)間部署4個(gè)路由節(jié)點(diǎn)，進(jìn)行系統(tǒng)測試.協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)通過RS485接口與監(jiān)控中心的計(jì)算機(jī)相連.傳感器節(jié)點(diǎn)每隔5 min采集1次數(shù)據(jù)，連續(xù)監(jiān)測5 d.系統(tǒng)運(yùn)行平穩(wěn)，將5 d同一時(shí)刻的測試數(shù)據(jù)取平均，結(jié)果如表1所示.

表1 水質(zhì)參數(shù)測試結(jié)果

為驗(yàn)證系統(tǒng)的超限報(bào)警功能，在本地監(jiān)控中心修改報(bào)警參數(shù)：溫度的上下限設(shè)為18～21.2 ℃,pH值的上下限設(shè)為6～7.3，溶解氧的上下限設(shè)為6～6.6 mg/L.當(dāng)傳感器節(jié)點(diǎn)的檢測結(jié)果超限時(shí)，其聲光報(bào)警裝置開始報(bào)警；協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)的聲光報(bào)警裝置亦開始報(bào)警，并在液晶屏上顯示報(bào)警的傳感器節(jié)點(diǎn)信息及報(bào)警參數(shù)值.報(bào)警信息存儲到EEPROM中，可通過按鍵查詢到報(bào)警記錄.控制節(jié)點(diǎn)根據(jù)報(bào)警信息控制水泵、進(jìn)水閥、出水閥及增氧機(jī)完成指定動(dòng)作，調(diào)節(jié)水質(zhì)參數(shù)，效果良好.

測試結(jié)果表明:系統(tǒng)運(yùn)行良好，能準(zhǔn)確采集水質(zhì)參數(shù)，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸穩(wěn)定可靠，控制節(jié)點(diǎn)能有效調(diào)節(jié)水質(zhì)參數(shù)，滿足水產(chǎn)養(yǎng)殖要求.

5 結(jié) 論

針對有線監(jiān)控系統(tǒng)的諸多弊端，設(shè)計(jì)了基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)和GPRS的水產(chǎn)養(yǎng)殖水質(zhì)監(jiān)控系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集、現(xiàn)場監(jiān)控及遠(yuǎn)程監(jiān)控.系統(tǒng)以MSP430微處理器為核心，利用CC2530芯片組建無線傳感器網(wǎng)絡(luò)，對水溫、pH值、溶氧等參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)采集、處理、存儲、顯示、歷史記錄查詢、超限報(bào)警，對增氧機(jī)自動(dòng)控制，并利用GPRS模塊實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)遠(yuǎn)傳，實(shí)現(xiàn)水質(zhì)參數(shù)的自動(dòng)無線監(jiān)控，節(jié)省了人力和物力.工作人員可在本地監(jiān)測中心、遠(yuǎn)程監(jiān)測中心及通過手機(jī)全面了解現(xiàn)場情況.測試結(jié)果表明：系統(tǒng)性能穩(wěn)定，數(shù)據(jù)采集實(shí)時(shí)性好，準(zhǔn)確性高，數(shù)據(jù)傳輸?shù)恼_率高于98 %，控制及時(shí)準(zhǔn)確，滿足水產(chǎn)養(yǎng)殖需求.系統(tǒng)成本低，人機(jī)界面友好，操作簡便，具有一定的實(shí)際應(yīng)用價(jià)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

遼寧省教育廳項(xiàng)目(L2013159)

李金鳳(1979-)，女，遼寧大石橋人，講師，博士，主要從事智能儀器儀表技術(shù)、嵌入式技術(shù)應(yīng)用的研究.

2095-2198(2017)02-0171-06

10.3969/j.issn.2095-2198.2017.02.016

TP272

： A