基于無線傳感網(wǎng)絡(luò)的多參數(shù)水質(zhì)監(jiān)測系統(tǒng)研究

杜翠 于安國 趙凱

摘要：為了實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)監(jiān)測，建立了基于無線傳感網(wǎng)絡(luò)的多參數(shù)水質(zhì)監(jiān)測系統(tǒng)，以提高水產(chǎn)養(yǎng)殖產(chǎn)品質(zhì)量，解決目前監(jiān)控系統(tǒng)中，布線復(fù)雜，成本高等問題。該系統(tǒng)使用太陽能電池和鋰電池作為電源。采用YCS-2000溶解氧傳感器、pH電極、Pt1000溫度傳感器和氨氮傳感器進(jìn)行檢測監(jiān)測水產(chǎn)養(yǎng)殖水質(zhì)參數(shù);數(shù)據(jù)處理采用STM32F103芯片;Zigbee與GPRS模塊用于將數(shù)據(jù)傳輸?shù)竭h(yuǎn)程監(jiān)控中心，實(shí)現(xiàn)溶解氧濃度的自動控制。測試結(jié)果表明數(shù)據(jù)傳輸?shù)母咧眯哦?，丟包率為0.3%。因此，該系統(tǒng)能夠滿足對水產(chǎn)養(yǎng)殖水質(zhì)進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)測的實(shí)時(shí)性要求，對減輕勞動強(qiáng)度、提高養(yǎng)殖質(zhì)量具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

關(guān)鍵詞：水產(chǎn)養(yǎng)殖;實(shí)時(shí)監(jiān)測;無線傳感器網(wǎng)絡(luò)

我國水產(chǎn)養(yǎng)殖總產(chǎn)量居世界首位，產(chǎn)品連續(xù)多年在世界上暢銷。隨著水產(chǎn)養(yǎng)殖業(yè)集約化、規(guī)?；潭鹊牟粩喟l(fā)展，造成水產(chǎn)養(yǎng)殖的水質(zhì)不斷惡化，這不僅使水產(chǎn)品變質(zhì)，也造成了巨大的經(jīng)濟(jì)損失，同時(shí)，也嚴(yán)重污染了水體環(huán)境，因此，要實(shí)現(xiàn)水產(chǎn)養(yǎng)殖水質(zhì)實(shí)時(shí)監(jiān)測技術(shù)在水產(chǎn)養(yǎng)殖中的應(yīng)用，實(shí)時(shí)檢測水質(zhì)，調(diào)節(jié)和控制水質(zhì)，防止其質(zhì)量進(jìn)一步惡化，及時(shí)采取有效措施具有重大意義[1-3]。

近年來，一些研究針對水產(chǎn)養(yǎng)殖水質(zhì)無線監(jiān)測系統(tǒng)，Theofanis等人設(shè)計(jì)了一個(gè)低成本的實(shí)時(shí)系統(tǒng)飲用水水質(zhì)的實(shí)時(shí)監(jiān)測，基于選定參數(shù)為模擬電路開發(fā)了傳感器陣列信號調(diào)節(jié)、處理、記錄和遠(yuǎn)程控制數(shù)據(jù)。Helmi等人使用移動浮標(biāo)通過GSM監(jiān)測水質(zhì)，可訪問由用戶命令協(xié)調(diào)的任何位置。Muhammad等人描述了一種無線通信方法應(yīng)用傳感器網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集在淡水處。Zhou等人提出了一種使用無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的質(zhì)量監(jiān)控系統(tǒng)，它以GS1011M為核心實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)監(jiān)控水產(chǎn)養(yǎng)殖。蔣等人設(shè)計(jì)了一個(gè)系統(tǒng)，并對協(xié)議進(jìn)行了優(yōu)化集中式低功耗分層集群（LEACH-C）用于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)通信和基于單片機(jī)的變頻曝氣系統(tǒng)采用可編程邏輯控制器（PLC）。鋰等人介紹了一種基于Internet的Android監(jiān)控系統(tǒng)平臺水產(chǎn)養(yǎng)殖遙控器，使用具有多個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)的系統(tǒng)，信息可以通過多種方式遠(yuǎn)程收集傳感器。但他們中的大多數(shù)人只監(jiān)控一個(gè)參數(shù)，影響魚類生長的環(huán)境的多個(gè)參數(shù)不能同時(shí)進(jìn)行監(jiān)控。鑒于無線通信距離短，成本高，無法對水質(zhì)進(jìn)行自動控制等實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)，本設(shè)計(jì)集成了水產(chǎn)養(yǎng)殖中的多個(gè)參數(shù)，采用太陽能電池和鋰電池聯(lián)合供電。該系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)監(jiān)測溶解氧、pH、，溫度和水中氨氮含量。監(jiān)測數(shù)據(jù)以無線方式傳輸，自動保存和顯示，以便水中的氧氣可以自動控制。這個(gè)整個(gè)系統(tǒng)采用模塊化設(shè)計(jì)，方便用戶使用安裝、調(diào)試和維護(hù)[4-6]。

1.總體框架

該系統(tǒng)由電源、傳感器、檢測三部分組成部分，傳感器檢測部分包括溶解氧、pH值，溫度和氨氮濃度。這個(gè)控制器由STM32F103及其外圍設(shè)備組成電路，并負(fù)責(zé)處理參數(shù)傳感器采集的水質(zhì)數(shù)據(jù)及其控制整個(gè)系統(tǒng)正常工作。數(shù)據(jù)傳輸部分由Zigbee無線數(shù)據(jù)組成傳輸模塊和GPRS模塊，用于將傳感器檢測到的參數(shù)發(fā)送到遠(yuǎn)程控制模塊監(jiān)控中心。?遠(yuǎn)程監(jiān)控中心是由上位機(jī)組成，可實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)監(jiān)控顯示、保存、分析監(jiān)測的水質(zhì)數(shù)據(jù)。如果控制器檢測到溶解氧濃度低于預(yù)設(shè)的下限，則發(fā)送啟動曝氣器的說明。當(dāng)它檢測到溶解氧濃度高于正常值預(yù)設(shè)上限，關(guān)閉曝氣器。

2.硬件設(shè)計(jì)

2.1電源模塊

電源模塊由鋰電池組成，太陽能電池板、鋰電池充電管理電路和AC/DC升壓/降壓轉(zhuǎn)換器電路。聚合物鋰電池（標(biāo)稱電壓：3.7?V，電池容量：3.6?A·h）由新能源制造使用了科技有限公司。為了實(shí)現(xiàn)各模塊工作電壓要求，PT1301采用了升壓和TPS62007降壓變換器來實(shí)現(xiàn)改變鋰電池的輸出電壓。

2.2水質(zhì)參數(shù)檢測模塊

設(shè)計(jì)了水質(zhì)數(shù)據(jù)采集模塊由傳感器和單片機(jī)組成STM32F103芯片，具有高效的Cortex-M3核心，工作頻率為72?MHz，工作頻率為2.0-3.6?V工作電壓，工作溫度為400C至850C，內(nèi)置高速存儲器。單片機(jī)具有功耗低，電壓低，適用范圍廣的特點(diǎn)。這是我們的核心系統(tǒng)，用于數(shù)據(jù)采集、A/D轉(zhuǎn)換對采集的信號進(jìn)行分析，并控制信號的正常工作元素按順序排列。YCS-2000傳感器（測量范圍：0-20?mg/L，精度：0.1?mg/L，溫度補(bǔ)償：0-40°C）青島裕昌科技有限公司制造。用于檢測溶解氧濃度。它的信號輸出端與PA5端口相連單片機(jī)。pH復(fù)合電極（測量范圍：0-14，精度：0.02）制造由東莞豪斯儀器有限公司負(fù)責(zé)檢測pH值。其信號輸出端已連接具有單片機(jī)PA2接口。氨氮傳感器（測量范圍：0-1000?mg/L，準(zhǔn)確度：0.1?mg/L），由上海青苗制造光電科技有限公司被用來檢測氨氮濃度。其輸出端為信號與PA6端口相連。溫度檢測傳感器由Pt1000s和測量精度為0.10C，信號輸出一端與單片機(jī)的PA1端口連接微型計(jì)算機(jī)[7-8]。

2.3數(shù)據(jù)傳輸模塊

數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)由Zigbee組成模塊、GPRS模塊和遠(yuǎn)程監(jiān)控中.?監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)被傳輸?shù)浇邮掌魍ㄟ^Zigbee模塊，然后通過GPRS模塊。上位機(jī)讀出數(shù)據(jù)并實(shí)時(shí)顯示、保存和分析時(shí)間Zigbee模塊由深圳德科電子有限公司制造，如果模塊配備外接天線，其傳輸距離可達(dá)1600米。模塊的工作溫度為?400C至800C，靈敏度為?110dbm和頻率為2.4GHz。GPRS模塊（工作電壓：5?V，工作溫度：–25°C至75°C）濟(jì)南美瑞物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)有限公司。

2.4曝氣器模塊

曝氣器模塊由曝氣器和繼電器組成。上海銀霸葉輪式曝氣機(jī)采用工貿(mào)有限公司，即工作電壓約為220?V，功率約為1.5?kW。光電耦合器用作繼電器隔離輸入和輸出信號。當(dāng)控制器檢測到溶解氧濃度低于下限，低電平從光電傳感器的輸入端輸入0063耦合器、LED和繼電器導(dǎo)電，則充氣機(jī)開始工作。當(dāng)溶解氧濃度高于預(yù)設(shè)上限，5?V電壓從光電傳感器的輸入端輸入耦合器，其輸出端打開，曝氣器停止工作這樣，溶解氧濃度受到控制[9-10]。

3系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)

3.1傳感器節(jié)點(diǎn)的軟件設(shè)計(jì)

用軟件開發(fā)傳感器節(jié)點(diǎn)程序基于Keil環(huán)境的C語言。整個(gè)系統(tǒng)采用模塊化設(shè)計(jì)編程過程，包括系統(tǒng)的各個(gè)模塊水質(zhì)的初始化、檢測和處理數(shù)據(jù)、無線數(shù)據(jù)傳輸和曝氣器控制。系統(tǒng)通電并復(fù)位后，系統(tǒng)初始化計(jì)時(shí)器啟動了。系統(tǒng)收集數(shù)據(jù)水質(zhì)數(shù)據(jù)每12小時(shí)一次，然后保存將數(shù)據(jù)收集到控制器中。數(shù)據(jù)采集后完成后，傳感器斷電，控制器分析和處理水的數(shù)據(jù)并通過數(shù)據(jù)傳輸模塊發(fā)送。這個(gè)控制器控制曝氣器的啟動或關(guān)閉根據(jù)溶解氧濃度水平（低于或高于閾值）。

3.2遠(yuǎn)程監(jiān)控中心

開發(fā)遠(yuǎn)程監(jiān)控中心程序，數(shù)據(jù)被傳送到遠(yuǎn)程計(jì)算機(jī)通過Zigbee和GPRS模塊的監(jiān)控中心，Labview從串口讀取數(shù)據(jù)，并采集，處理、分析、保存和顯示它們。

4現(xiàn)場試驗(yàn)和性能分析

在一個(gè)水產(chǎn)養(yǎng)殖區(qū)進(jìn)行了現(xiàn)場試驗(yàn)，水產(chǎn)養(yǎng)殖面積約為2平方千米，分為16個(gè)文化區(qū)。在測試中，一個(gè)傳感器在每個(gè)培養(yǎng)區(qū)設(shè)置檢測單元，并進(jìn)行路由選擇，節(jié)點(diǎn)設(shè)置在四個(gè)相鄰文化區(qū)的中心，所以一共設(shè)置了四個(gè)節(jié)點(diǎn)。廚房里放了一個(gè)水槽四個(gè)路由節(jié)點(diǎn)的中心。合理的檢測單元的位置布置，最大網(wǎng)絡(luò)中數(shù)據(jù)傳輸節(jié)點(diǎn)之間的距離養(yǎng)殖面積為70米，因此Zigbee模塊可以滿足傳輸要求。

5.結(jié)論

開發(fā)了一個(gè)基于ZigBee和GPRS傳輸技術(shù)的檢測溫度、pH、溶解氧和溫度傳感器氨氮的水產(chǎn)養(yǎng)殖區(qū)水質(zhì)實(shí)時(shí)監(jiān)測系統(tǒng)，該系統(tǒng)已部署在水產(chǎn)養(yǎng)殖中面積為2平方千米的水中，并對其性能進(jìn)行了測試。網(wǎng)絡(luò)中的平均丟包率為0.3%，這意味著數(shù)據(jù)傳輸穩(wěn)定可靠可靠。多參數(shù)水質(zhì)監(jiān)測系統(tǒng)質(zhì)量與曝氣器連接，實(shí)現(xiàn)自動化溶解氧濃度的控制。但它可以未實(shí)現(xiàn)pH和氨氮在水中的自動控制，這將在未來進(jìn)一步研究。

參考資料

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作者簡介

杜翠，1983.10.26，女，吉林省農(nóng)安，研究生，講師，研究方向：思想政治教育。