基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的魚塘水質(zhì)管理研究

摘要：隨著水產(chǎn)養(yǎng)殖業(yè)的快速發(fā)展，魚塘水質(zhì)管理成為保障養(yǎng)殖效率與產(chǎn)品品質(zhì)的關(guān)鍵因素。文章探討了一種基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的魚塘水質(zhì)監(jiān)測系統(tǒng)的設(shè)計與應(yīng)用。該系統(tǒng)集成了多種水質(zhì)傳感器，如溶解氧、pH值、溫度和氨氮濃度傳感器，以實時監(jiān)測魚塘的水質(zhì)參數(shù)。傳感器節(jié)點通過無線方式將采集到的數(shù)據(jù)傳輸至匯聚節(jié)點，再由匯聚節(jié)點將數(shù)據(jù)發(fā)送至遠程監(jiān)控中心，實現(xiàn)對水質(zhì)的遠程監(jiān)控與管理。該系統(tǒng)采用自組織網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，能夠適應(yīng)魚塘復(fù)雜多變的環(huán)境，降低布線成本，提高監(jiān)測靈活性。此外，該研究還涉及數(shù)據(jù)處理算法與預(yù)警機制，以便及時發(fā)現(xiàn)水質(zhì)異常并采取相應(yīng)措施，確保水質(zhì)維持在適宜養(yǎng)殖的范圍內(nèi)。通過試驗驗證，該系統(tǒng)有效提升了魚塘水質(zhì)管理的效率與精確度，對促進水產(chǎn)養(yǎng)殖業(yè)的智能化發(fā)展具有重要意義。

關(guān)鍵詞：無線傳感器網(wǎng)絡(luò)；水質(zhì)監(jiān)測系統(tǒng)；水質(zhì)參數(shù)；傳感器節(jié)點；自組織網(wǎng)絡(luò)技術(shù)；數(shù)據(jù)處理算法與預(yù)警機制

中圖分類號：S24 文獻標志碼：A

0 引言

隨著全球水產(chǎn)養(yǎng)殖業(yè)的蓬勃發(fā)展，魚塘作為重要的養(yǎng)殖基地，其水質(zhì)與魚類生長繁殖息息相關(guān)，因此準確、快速、便捷地獲得水質(zhì)參數(shù)顯得尤為重要［1］。水的含氧量、pH酸堿度、溫度等參數(shù)是水產(chǎn)養(yǎng)殖的關(guān)鍵［2］。傳統(tǒng)的水質(zhì)監(jiān)測方法通常依賴于人工取樣和實驗室分析，不僅耗時耗力，而且無法實現(xiàn)實時監(jiān)測，難以及時響應(yīng)水質(zhì)變化。

為了解決這一問題，一些發(fā)展中國家已經(jīng)將微型計算機應(yīng)用于養(yǎng)殖水體DO、pH酸堿度等水體因子的測量和設(shè)備控制，并研究水體管控的自動化和電子化［3-6］。同時無線傳感器網(wǎng)絡(luò)（Wireless Sensor Network，WSN）技術(shù)應(yīng)運而生，它通過部署大量傳感器節(jié)點，能夠?qū)崟r、連續(xù)地監(jiān)測魚塘中的水質(zhì)參數(shù)，如溶解氧、pH酸堿度、溫度和氨氮濃度等［7-8］?？梢妭鞲衅骷夹g(shù)是實現(xiàn)測試與自動控制的重要環(huán)節(jié)［9-10］。這些傳感器節(jié)點通過無線方式將數(shù)據(jù)傳輸至中心節(jié)點，再由中心節(jié)點將信息發(fā)送至遠程監(jiān)控系統(tǒng)或移動設(shè)備，從而實現(xiàn)對魚塘水質(zhì)的實時監(jiān)控和管理。

本研究旨在設(shè)計并實現(xiàn)一個基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的智能魚塘水質(zhì)管理系統(tǒng)。該系統(tǒng)綜合運用了現(xiàn)代傳感器技術(shù)、無線通信技術(shù)和數(shù)據(jù)處理技術(shù)，旨在解決傳統(tǒng)水質(zhì)監(jiān)測方法中存在的時效性差、監(jiān)測范圍有限以及人力物力成本高昂等問題。通過集成溶解氧、pH酸堿度、溫度和氨氮等關(guān)鍵水質(zhì)指標的傳感器，系統(tǒng)能夠全方位、高精度地掌握魚塘水質(zhì)動態(tài)，為精準調(diào)控水質(zhì)、優(yōu)化養(yǎng)殖環(huán)境提供技術(shù)支持。此項研究對于推動水產(chǎn)養(yǎng)殖業(yè)的現(xiàn)代化和可持續(xù)發(fā)展具有重要意義。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計

水質(zhì)檢測一般有人工采樣監(jiān)測法、水質(zhì)監(jiān)測站檢測法、水生物檢測法、無線遙感檢測法［1］。無線遙感方式在實時性、

先進性方面具有明顯優(yōu)勢，因此，該智能魚塘水質(zhì)管理系統(tǒng)基于無線傳感網(wǎng)絡(luò)進行研究，而無線網(wǎng)絡(luò)可以分為無線廣域網(wǎng)以及無線局域網(wǎng)。無線局域網(wǎng)又包含了Wi-Fi、藍牙、ZigBee等技術(shù)［11］。無線局域網(wǎng)通信距離較短，功耗低，非常適合用于本研究前端的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)組網(wǎng)。ZigBee相比Wi-Fi和藍牙等技術(shù)，功耗更低、成本更低，同時具有多跳、自組織等一些特點，每個節(jié)點均可以作為相鄰范圍內(nèi)傳輸節(jié)點的數(shù)據(jù)中轉(zhuǎn)站。另外，ZigBee可以在短時間內(nèi)不斷拓寬無線網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用時的覆蓋范圍，非常本應(yīng)適合用場景。本研究分為上位機和下位機2部分，ZigBee無線局域網(wǎng)模塊處于下位機系統(tǒng)中。

如圖1所示，溶解氧傳感器、pH傳感器、溫度傳感器或者氨氮濃度傳感器采集到的實時信號，經(jīng)過信號濾波放大、A/D轉(zhuǎn)換之后，發(fā)送給以CC2530F256為核心的ZigBee節(jié)點進一步處理，之后通過2.4 GHz短距無線網(wǎng)絡(luò)，傳遞給下位機（此下位機以STM32F103為核心）。此下位機隨后將ZigBee模塊傳遞過來的實時信號通過4G網(wǎng)絡(luò)傳遞給上位機。

如圖2所示，位于魚塘群管理中心的上位機接收到下位機傳來的無線傳感網(wǎng)絡(luò)信號，把相關(guān)傳感器信號實時顯示到屏幕上，并與各種傳感器預(yù)設(shè)值進行比較、判斷。如果超過預(yù)設(shè)值，上位機就發(fā)出控制指令，此指令經(jīng)過RS485總線傳遞到現(xiàn)場，再經(jīng)過D/A轉(zhuǎn)換和信號放大驅(qū)動補氧機、補水泵或者放水閘工作，以改善魚塘溶解氧、pH酸堿度、溫度或者氨氮濃度等關(guān)鍵參數(shù)。同時，上位機可以在屏幕上發(fā)出參數(shù)超標報警信息，并控制警鈴發(fā)出明顯刺耳的報警信息，引起工作人員注意，此警鈴須手動復(fù)位才能關(guān)閉。在特殊情況下，各種傳感器并未傳來異常狀態(tài)信號，但是人工已經(jīng)發(fā)現(xiàn)魚群出現(xiàn)缺氧征兆或者其他異常狀況的時候，可以通過強制啟動模塊，強制啟動補氧機、補水泵或者放水閘，快速干預(yù)排除異常狀態(tài)。上位機是以STM32F407ZG為核心的嵌入式開發(fā)板，內(nèi)置FreeRTOS V10.0實時操作系統(tǒng)，性價比高，工作穩(wěn)定，體積小巧，實時性好。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計

2.1 ZigBee模塊設(shè)計

如圖3所示，此ZigBee模塊以CC2530F256芯片為核心。該芯片內(nèi)嵌了一個8051系列8位單片機，內(nèi)置8路A/D轉(zhuǎn)換模塊，內(nèi)部集成工作頻率為2.4 GHz的無線收發(fā)模塊，數(shù)據(jù)傳輸速度超過200 kb/s，傳輸距離超過200 m，芯片供電電壓為3.3 VDC。電路主要包括供電電路、時鐘電路和無線電收發(fā)電路。

2.2 溶解氧傳感器信號濾波放大電路設(shè)計

魚塘中溶解氧的正常范圍應(yīng)保持在5～8 mg/L，能確保魚類和其他水生生物健康生長。最低溶氧濃度不應(yīng)低于4 mg/L，如果淡水溶氧量低于4 mg/L或海水溶氧量低于3 mg/L，就表明水中已缺氧，可能引

起魚蝦浮頭現(xiàn)象，須及時采取增氧措施，否則魚兒就會大批量死亡。為滿足以上要求，此項目選擇YSI ProODO溶解氧傳感器。該傳感器測量范圍為0～20.0 mg/L，精度達到±0.1mg/L，溫度補償范圍0～40℃，響應(yīng)時間小于60 s，輸出電流為4～20 mA。本文根據(jù)此傳感器工作特性，設(shè)計了如圖4所示的溶解氧信號濾波放大電路。

如圖4所示，溶解氧信號首先經(jīng)過π型濾波電路和RC濾波電路組成的陷波器，將高頻和低頻雜波濾除；其次，經(jīng)過第一級負反饋放大電路放大，并經(jīng)過一個π型濾波電路對殘留的高頻雜波進一步濾除；再次，經(jīng)過二級負反饋的放大電路進行放大，輸出信號中的高頻雜波信號進一步經(jīng)過C6、C5的回路濾除；最終輸出雜波少、經(jīng)過適當(dāng)放大的溶解氧信號，等待下一環(huán)節(jié)進一步處理。

2.3 氨氮濃度信號濾波放大電路設(shè)計

魚塘中氨氮的最大允許濃度一般在1.5～3mg/L。低于此范圍比較適宜魚類生存，超過這個范圍魚類死亡率會大幅度提升。為滿足以上要求，本設(shè)計選擇了HACH HQ11D Ammonia傳感器。該傳感器測量范圍是0～50mg/L，精度為±5%，pH酸堿度適應(yīng)范圍為6.5～9.0，這些核心參數(shù)與魚塘使用環(huán)境非常相符，性價比高，匹配度好。根據(jù)此傳感器工作特性，本文設(shè)計了如圖5所示的濾波放大電路。

如圖5所示，一級濾波電路是一種歸一化低通濾波器，其Q值>1/2，是一種切比雪夫型歸一化低通濾波器，其傳遞函數(shù)公式如式（1）所示。

氨氮濃度信號經(jīng)過一級濾波電路之后再通過一個π型濾波電路對雜波進一步濾除，然后通過二級負反饋放大電路對信號適當(dāng)放大，最后輸出雜波少、幅度合理的氨氮濃度信號。此信號隨后進入CC2530F256芯片內(nèi)置A/D轉(zhuǎn)換模塊進行進一步處理。

2.4 pH信號濾波放大電路設(shè)計

根據(jù)科學(xué)研究，魚塘中的pH酸堿度為6.5～8.5，適宜魚類生長發(fā)育。在這個范圍內(nèi)，魚類能夠較好地攝食和生長，同時水塘中的營養(yǎng)也能夠滿足魚類的需求。如果pH酸堿度過高或過低，都可能影響魚類的養(yǎng)殖效果。當(dāng)pH酸堿度低于6.5或高于8.5時，可能會導(dǎo)致魚類生長受阻，甚至引發(fā)健康問題。因此，此項目選擇了Hamilton EasypH電極作為pH酸堿度測量傳感器，其pH酸堿度測量范圍為0.00～14.00，精度為±0.01 pH units，內(nèi)置溫度補償功能，輸出模擬信號，能夠滿足項目需求。本文根據(jù)此傳感器工作特性，設(shè)計了如圖6所示的濾波放大電路。

信號經(jīng)過第一級濾波放大電路處理之后，又經(jīng)過一個RC濾波器進一步濾除雜波，隨后一個電壓串聯(lián)型負反饋電路對信號進一步放大并輸出，最后此pH酸堿度信號進入CC2530F256芯片內(nèi)部A/D轉(zhuǎn)換模塊進行進一步處理。

2.5 溫度檢測傳感器外圍電路設(shè)計

本研究仿真的是鰱、鳙、草等常見溫水魚類的養(yǎng)殖魚塘，一般這些魚類的適宜生活水溫為20～30℃。魚塘水溫高于適宜溫度，魚類的代謝會加速，消耗過多的氧氣，可能導(dǎo)致魚類窒息現(xiàn)象的出現(xiàn)。魚塘水溫低于適宜溫度，會阻礙魚類的免疫力，誘發(fā)疾病，甚至導(dǎo)致死亡。因此，本研究選擇Maxim Integrated生產(chǎn)的這款數(shù)字溫度傳感器DS18B20用于檢測溫度。此溫度傳感器測量范圍為-55～+125℃，精度±0.5℃，經(jīng)濟實惠，數(shù)字接口連接方便，完全能滿足項目需求。此溫度傳感器與CC2530F256芯片連接方式如圖7所示。

此溫度傳感器為數(shù)字接口，可以直接與CC2530F256芯片P0.6接口相連，為了保證信號電平穩(wěn)定可靠，增加一個上拉電阻R1?？傮w看來此電路簡潔、可靠，性價比高。

2.6 下位機信號放大及驅(qū)動模塊電路設(shè)計

此設(shè)計中水質(zhì)改善設(shè)備有3個：補氧機、補水泵以及放水閘。這3個設(shè)備可以單獨工作，也可以聯(lián)動工作，可以快速改善水質(zhì)，保障魚塘魚群安全。下位機發(fā)出的控制指令經(jīng)過RS485總線到達設(shè)備端，經(jīng)過D/A轉(zhuǎn)換模塊之后，又經(jīng)過如圖8所示的信號放大及驅(qū)動電路之后，驅(qū)動相關(guān)繼電器工作，從而控制補氧機、補水泵或者放水閘工作。

3 ZigBee通信協(xié)議及系統(tǒng)軟件設(shè)計

3.1 ZigBee通信協(xié)議

如圖1所示，每一個ZigBee模塊將其所連接的溶解氧傳感器、pH傳感器、溫度傳感器以及氨氮濃度傳感器上傳的信號實時地通過2.4 GHz短距無線網(wǎng)絡(luò)傳遞給下位機（協(xié)調(diào)器）。ZigBee是基于IEEE 802.15.4標準的低功耗、低成本、低數(shù)據(jù)速率的短距無線通信技術(shù)［12］，在2.4 GHz頻段上有16個信道，數(shù)據(jù)傳輸速率到達250 kb/s；擁有自組網(wǎng)功能，可以輕松添加或者刪除節(jié)點，無須人工干預(yù)，非常適合用于組建無線傳感網(wǎng)絡(luò)，完全能滿足本案例需要。ZigBee支持星形、樹形和網(wǎng)狀3種網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)［13］，允許數(shù)據(jù)多節(jié)點轉(zhuǎn)發(fā)，即使某些節(jié)點失效也不會中斷通信［14］。本研究綜合考慮了實際網(wǎng)絡(luò)情況，認為樹形結(jié)構(gòu)比較合適，其拓撲圖如圖9所示。

如圖9所示的子節(jié)點以CC2530F256為核心，能實時收集與其相接的溶解氧傳感器、pH傳感器、溫度傳感器以及氨氮濃度傳感器等傳感器的信號，之后匯聚到下位機（協(xié)調(diào)器）。下位機（協(xié)調(diào)器）通過4G網(wǎng)絡(luò)將信號實時發(fā)送到上位機，上位機根據(jù)收到的數(shù)據(jù)，做出相應(yīng)的處理。

3.2 ZigBee網(wǎng)絡(luò)工作流程

以CC2530F256為核心的ZigBee網(wǎng)絡(luò)工作流程包括網(wǎng)絡(luò)啟動、節(jié)點加入和數(shù)據(jù)傳輸?shù)炔襟E。

第一步（網(wǎng)絡(luò)建立）：下位機（協(xié)調(diào)器）負責(zé)建立和維護網(wǎng)絡(luò)。它通過應(yīng)用層發(fā)起網(wǎng)絡(luò)形成的請求，調(diào)用NLME_NetworkFormationRequest函數(shù)開始新建網(wǎng)絡(luò)的過程；協(xié)調(diào)器在選擇網(wǎng)絡(luò)ID（PAN ID）和通信頻道時會盡量避免現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)的干擾，確保網(wǎng)絡(luò)的唯一性和穩(wěn)定性。

第二步（節(jié)點加入）：CC2530F256可以作為路由器（Router）或終端設(shè)備（End Device）等各種節(jié)點加入ZigBee網(wǎng)絡(luò)。路由器負責(zé)轉(zhuǎn)發(fā)消息，終端設(shè)備則通常是網(wǎng)絡(luò)中的傳感器或控制器。

第三步（數(shù)據(jù)傳輸）：在ZigBee網(wǎng)絡(luò)中，數(shù)據(jù)通常被封裝成幀（Frame）進行傳輸。每一幀包含地址信息、序列號以及有效載荷（Payload）。數(shù)據(jù)包在網(wǎng)絡(luò)中的傳輸可以通過多種路由策略，如樹形路由（Tree Routing）或網(wǎng)狀路由（Mesh Routing），以確保數(shù)據(jù)從源節(jié)點有效地傳輸?shù)侥繕斯?jié)點。

第四步（網(wǎng)絡(luò)維護）：下位機（協(xié)調(diào)器）節(jié)點除了負責(zé)數(shù)據(jù)傳輸，還須要維護網(wǎng)絡(luò)的穩(wěn)定性和完整性。這包括處理設(shè)備離開網(wǎng)絡(luò)的情況、網(wǎng)絡(luò)重組、信道干擾檢測等。

第五步（應(yīng)用層交互）：在ZigBee網(wǎng)絡(luò)中，應(yīng)用層可以定義特定的應(yīng)用邏輯和行為。例如，可以定義傳感器節(jié)點定時采集數(shù)據(jù)并發(fā)送給下位機（協(xié)調(diào)器），下位機（協(xié)調(diào)器）再將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)給上位機或云平臺進行處理和分析。

協(xié)調(diào)器工作流程如圖10所示。

終端節(jié)點工作流程如圖11所示。

3.3 ZigBee端軟件設(shè)計

ZigBee端代碼主要任務(wù)是定期讀出溶解氧傳感器、pH傳感器、溫度傳感器以及氨氮濃度傳感器的實時信息數(shù)據(jù)，并對相關(guān)數(shù)據(jù)進行處理和校驗，之后將得到的數(shù)據(jù)打包成一個消息，并附上獨立ID以及時間戳，之后把數(shù)據(jù)發(fā)送到ZigBee網(wǎng)絡(luò)。具體工作流程如圖12所示。

3.4 下位機軟件設(shè)計

此項目下位機（協(xié)調(diào)器）采用了一塊以STM32F103為核心的嵌入式開發(fā)平臺。此平臺主要作用是接收ZigBee網(wǎng)絡(luò)各個節(jié)點或者路由器通過2.4 GHz無線網(wǎng)絡(luò)發(fā)送過來的所有溶解氧傳感器、pH傳感器、溫度傳感器以及氨氮濃度傳感器的實時信息數(shù)據(jù)包，之后此下位機（協(xié)調(diào)器）會對相關(guān)數(shù)據(jù)包進行解包、解析，并校驗數(shù)據(jù)是否正確。如果錯誤，會向各個節(jié)點提出重發(fā)申請；如果正確就會按照4G數(shù)據(jù)格式對數(shù)據(jù)進行二次封裝（打包），再通過4G網(wǎng)絡(luò)把數(shù)據(jù)發(fā)送給上位機。如果發(fā)送成功，再次處于上游數(shù)據(jù)監(jiān)聽狀態(tài)；如果失敗會報錯，同時請求數(shù)據(jù)重發(fā)。具體工作流程如圖13所示。

3.5 上位機軟件設(shè)計

此項目上位機采用了一塊以STM32F407ZG為核心的嵌入式開發(fā)平臺。此平臺主要作用是實時監(jiān)聽下位機從4G網(wǎng)絡(luò)傳來的各種傳感器信息，如果數(shù)據(jù)接收失敗會向下位機申請數(shù)據(jù)重發(fā)；如果數(shù)據(jù)接收成功，就對所接收數(shù)據(jù)進行解包，并校驗。如果接收數(shù)據(jù)錯誤會再次向上位機申請數(shù)據(jù)重發(fā)；如果接收的數(shù)據(jù)正確，上位機會讓接收數(shù)據(jù)與各種閾值進行比較。如果數(shù)據(jù)未超過閾值，則繼續(xù)監(jiān)聽、處理下位機傳來的數(shù)據(jù)；如果數(shù)據(jù)超過閾值，上位機會發(fā)出指令控制聲、光報警提醒工作人員，讓其擇情干預(yù)，同時也會根

據(jù)實際超標量實時啟動補氧機、補水泵、放水閘等分別工作或者協(xié)同工作，快速改善魚塘水質(zhì)，讓魚塘pH酸堿度、氨氮濃度值、氧濃度值、溫度值很快恢復(fù)到正常值。具體工作流程如圖14所示。

4 系統(tǒng)測試

4.1 實驗條件

此項目中有關(guān)魚塘水質(zhì)檢測及管理的實驗均在實驗室環(huán)境下完成，通過人工干預(yù)模擬昆明地區(qū)魚塘氨氮濃度、溶解氧濃度、溫度、pH酸堿度及其變化情況，統(tǒng)計設(shè)備響應(yīng)速度以及參數(shù)恢復(fù)速度等關(guān)鍵數(shù)據(jù)，最終得到關(guān)鍵結(jié)論。

4.2 實驗及結(jié)論

4.2.1 綜合實驗

2024年3月對昆明市呈貢區(qū)2個魚塘進行參數(shù)測量，選擇早上8：00、中午12：00、晚上8：00進行參數(shù)測量（取水下0.5 m數(shù)據(jù)），取平均值，得到如表1—2所示的數(shù)據(jù)。

模擬實驗相關(guān)水質(zhì)參數(shù)按照上述2個表中相關(guān)參數(shù)取平均值進行配置：溶解氧濃度6 mg/L，pH酸堿度7.2，溫度19 ℃，氨氮濃度0.8 mg/L。設(shè)備閾值設(shè)置：溶解氧濃度在5 mg/L以下補氧機工作；溶解氧濃度低于5 mg/L，并且氨氮濃度升高到1.5 mg/L以上，補氧機工作并且抽水泵會半功率工作，放水閥會半開放水；溶解氧濃度低于4.5 mg/L或者氨氮濃度升高到3 mg/L以上或者水溫高于27 ℃（上述參數(shù)也可能同時超標），補氧機工作，并且抽水泵和放水閥會全功率工作。

通過實驗獲得如下結(jié)果，具體如表3所示。

通過5天22次的模擬實驗，得出如下的規(guī)律或結(jié)論：

（1）水溫升高到22 ℃之后，當(dāng)溶解氧濃度低于5 mg/L，補氧機會工作，一般在3 min左右溶解氧濃度會重新回到5 mg/L之上。

（2）當(dāng)水溫升高到24 ℃之后，溶解氧濃度基本上會低于5 mg/L，并且氨氮濃度會升高到1.5 mg/L以上，此時程序會控制補氧機工作，同時抽水泵會半功率工作補水，放水閥會半開，一般能在2 min之內(nèi)就把溶解氧濃度和氨氮濃度調(diào)整到指標線之下。

（3）當(dāng)水溫升高到27 ℃之后，溶解氧濃度基本上會低于5 mg/L，并且氨氮濃度會升高到1.5 mg/L以上，此時程序會控制補氧機工作，同時抽水泵會全功率工作補水，放水閥會全開放水，一般能在2～3 min就把溫度、溶解氧濃度和氨氮濃度調(diào)整到指標線之下。

（4）一般在室溫環(huán)境下，5 min水溫會下降0.2～0.5 ℃，但是加入了補水和放水環(huán)節(jié)之后，水溫一般能在2～3 min下降3～4 ℃，同時溶解氧會更快得到補充，氨氮濃度會迅速稀釋，說明此項目軟硬件設(shè)計合理，設(shè)計方案正確可行。

（5）從上述實驗結(jié)果綜合來看，此項目整個系統(tǒng)ZigBee模塊、上位機，下位機硬件選擇、設(shè)計合理、可靠；通信協(xié)議選擇、設(shè)置合理；軟件代碼正確、穩(wěn)定，完全能滿足項目要求。

（6）經(jīng)過實驗發(fā)現(xiàn)，在正常環(huán)境溫度范圍內(nèi)，水溫的升高或降低對pH酸堿度影響甚微（此次實驗中18～28℃范圍內(nèi)pH酸堿度波動在0.1以內(nèi)）。因此，有關(guān)魚塘pH酸堿度的模擬測試須要單獨進行。

4.2.2 pH酸堿度實驗

pH酸堿度實驗得到的比較有代表性的數(shù)據(jù)如表4所示。

實驗中注入的水，其水質(zhì)參數(shù)如下：水溫19 ℃；溶解氧濃度5.3 mg/L；氨氮濃度1.0 mg/L；pH酸堿度7.1。在不同時段進行了12次類似于如表4所示的實驗，得出如下規(guī)律或結(jié)論：

（1）在實驗環(huán)境下，pH酸堿度與溶解氧濃度、溫度和氨氮濃度3個參數(shù)的關(guān)聯(lián)度不強。

（2）對于pH酸堿度變化，本設(shè)計采用的方法是控制抽水泵補水，控制放水閥放水；一般能在15～20 min把pH酸堿度調(diào)整到初始值附近，在5 min以內(nèi)就可以把pH酸堿度調(diào)整到6.5～8.5的閾值范圍之內(nèi)。

（3）本項目相關(guān)軟、硬件能夠?qū)崟r檢測到pH酸堿度、溶解氧濃度、溫度和氨氮濃度等參數(shù)信息，并能通過2.4 GHz局域網(wǎng)和4G網(wǎng)絡(luò)快速傳遞信息，ZigBee節(jié)點、上位機、下位機均能對信息進行快速、正確的處理，網(wǎng)絡(luò)工作穩(wěn)定、可靠，項目實時性好，性能達標，完全滿足了設(shè)計規(guī)劃要求。

5 結(jié)語

本研究項目專注于利用無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)對魚塘水質(zhì)進行有效的監(jiān)控和管理。通過部署各種傳感器節(jié)點，如溶解氧濃度、溫度、pH酸堿度和氨氮濃度傳感器，成功地實現(xiàn)了對魚塘水質(zhì)關(guān)鍵參數(shù)的實時監(jiān)測。這些傳感器節(jié)點通過無線局域網(wǎng)和4G網(wǎng)絡(luò)將數(shù)據(jù)發(fā)送到中央控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)對數(shù)據(jù)進行分析，并根據(jù)預(yù)設(shè)的閾值做出決策，從而自動化管理魚塘的供氧、供水和排水，達到穩(wěn)定溶解氧濃度、溫度、pH酸堿度和氨氮濃度的目的。

研究表明，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)是一種高效且可靠的工具，可用于水質(zhì)監(jiān)測和水產(chǎn)養(yǎng)殖管理。實時數(shù)據(jù)的收集和分析可以顯著提高魚塘管理的效率，并減少人工干預(yù)的需求。此外，該系統(tǒng)的設(shè)計具有可擴展性和靈活性，可根據(jù)不同規(guī)模的魚塘進行調(diào)整。

盡管該項目取得了一定的成果，但仍存在一些挑戰(zhàn)須要克服。例如，無線通信在惡劣天氣下的可靠性；應(yīng)進一步引入大數(shù)據(jù)、云計算功能，針對養(yǎng)魚種類、氣候環(huán)境、地質(zhì)條件等情況不同，可以智能化地調(diào)整各種參數(shù)或者閾值，真正提高所有魚的飼養(yǎng)存活率，并且全面提升養(yǎng)魚收益率等。未來的工作將集中于優(yōu)化系統(tǒng)性能，并探索更多的智能化管理策略。

總體而言，本項目為魚塘水質(zhì)管理提供了一種創(chuàng)新的解決方案，具有廣闊的應(yīng)用前景。隨著技術(shù)不斷發(fā)展，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)將在智能農(nóng)業(yè)和精準漁業(yè)中發(fā)揮越來越重要的作用。

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Study on wireless sensor network for water-quality management of fish pond

Abstract： With the rapid development of aquaculture， the management of fish pond water quality has become a key factor in ensuring the efficiency and quality of breeding. This paper discusses the design and application of a fish pond water quality monitoring system based on a wireless sensor network. The system integrates various water quality sensors， such as dissolved oxygen， pH value， temperature， and ammonia nitrogen concentration sensors， to monitor the water quality parameters of the fish pond in real time. Sensor nodes transmit the collected data by wireless to the aggregation nodes， which then send the data to a remote monitoring center， enabling remote monitoring and management of water quality. The system uses self-organizing network technology， which can adapt to the complex and variable environment of the fish pond， reduce wiring costs， and enhance the flexibility of monitoring. In addition， the research also involves data processing algorithms and early warning mechanisms to detect water quality abnormalities in a timely manner and take corresponding measures to ensure that the water quality remains within the suitable range for breeding. Through testing， the system has effectively improved the efficiency and accuracy of fish pond water quality management， which is of great significance for promoting the intelligent development of the aquaculture industry.

Key words： wireless sensor network; water quality monitoring system; water quality parameters; sensor node，; self-organizing network technology; data processing algorithms and early warning mechanism