基于GPRS的可移動式池塘水質(zhì)無線監(jiān)測節(jié)點(diǎn)的設(shè)計

周恒瑞，馬從國，王業(yè)琴，陳 萬，金德飛

(淮陰工學(xué)院 223001)

在水產(chǎn)養(yǎng)殖中素有“養(yǎng)魚先養(yǎng)水”的說法，魚類養(yǎng)殖水環(huán)境的好壞直接影響到所養(yǎng)殖魚類的品質(zhì)和效益。隨著水產(chǎn)養(yǎng)殖密度的不斷增加，養(yǎng)殖水域水質(zhì)環(huán)境日趨惡化，病害發(fā)生率越來越高，由此引發(fā)的水產(chǎn)品質(zhì)量安全問題日益突出。迫切需要應(yīng)用有效的水質(zhì)環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)對水產(chǎn)養(yǎng)殖水質(zhì)進(jìn)行評估，及時了解水質(zhì)問題，采取有效的措施調(diào)控水質(zhì)，保障水產(chǎn)品安全、高效生產(chǎn)。目前，在池塘水質(zhì)檢測的無線監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計中，大多采用傳感器布點(diǎn)相對固定的分布式多點(diǎn)監(jiān)測方法[1]。理論上檢測布點(diǎn)越多、布點(diǎn)設(shè)置越科學(xué)，越有利于全面檢測水質(zhì)，但所用傳感器也越多，這對成本控制來說是不利的;而目前應(yīng)用于生產(chǎn)的水質(zhì)環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)對于節(jié)點(diǎn)的能量供應(yīng)多數(shù)采用電池供電，這也限制了節(jié)點(diǎn)的使用。鑒此，本研究提出了基于GPRS的可移動式池塘水質(zhì)無線監(jiān)測節(jié)點(diǎn)設(shè)計方案，主要由太陽能供電，較好地解決了上述問題。

1 節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)與功能設(shè)計

節(jié)點(diǎn)主要由電源管理、傳感器、行走控制、控制處理器、定位與 GPRS通信五部分構(gòu)成[2－3]，其結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。節(jié)點(diǎn)節(jié)能的方案是節(jié)點(diǎn)設(shè)計必需考慮的內(nèi)容[4]，不論是GPRS通信還是GPS定位能量消耗都較大，傳感器的數(shù)據(jù)采集和節(jié)點(diǎn)的移動也需要比較多的能量，如果采用脈動式運(yùn)行，那么節(jié)點(diǎn)的移動就必然受到限制，且節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)采集和定位也不能做到實(shí)時[5－8];采用電池直接供電又不能達(dá)到長期穩(wěn)定運(yùn)行的設(shè)計目標(biāo)[9]。鑒此，采用太陽能電池加蓄電池為節(jié)點(diǎn)供電，白天和夜晚采用不同的模式:白天模式下，光照強(qiáng)度良好時僅通過太陽能電池供電，富余的電能可為蓄電池充電，光照弱于一定強(qiáng)度時蓄電池補(bǔ)足太陽能電池供電不足部分;夜晚模式下，整個節(jié)點(diǎn)采用定時間歇式供電，每半小時工作1次。

圖1 節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)組成圖

1.1 節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)設(shè)計

為了使節(jié)點(diǎn)能夠在水面上平穩(wěn)自由地移動，需要考慮浮力機(jī)構(gòu)成:太陽能電池板 (680 mm×540 mm ×28 mm，50 W/18 V，5 kg)、 蓄 電 池(12VDC/5A h，3 kg)、檢測機(jī) (外殼100 mm ×80 mm ×50 mm，200 g)、傳感器、推進(jìn)電機(jī)X2(200 g)。為了使節(jié)點(diǎn)可靠地浮在水面上，采用雙體浮船結(jié)構(gòu) (圖2)。船體的前進(jìn)由M1電機(jī)控制，轉(zhuǎn)向由M2電機(jī)控制。本設(shè)計是可以在控制命令下自由移動的節(jié)點(diǎn)，對于池塘養(yǎng)殖來說:溶解氧含量、pH值、溫度、氨氮含量這幾個參數(shù)是決定水質(zhì)的主要參數(shù)，特別是池塘的底層水體，這幾個參數(shù)的含量情況直接影響水產(chǎn)養(yǎng)殖的效益[10－12]。因此，對這幾個參數(shù)的監(jiān)測必然要使用多個傳感器，考慮到池塘環(huán)境的特點(diǎn)，要求移動時傳感器能收回，測量時傳感器能被放到一定深度的水中[13]，這就要求傳感器采用總線收集數(shù)據(jù)并集中在一起，傳感器的收放也需要一個電機(jī)來單獨(dú)完成，如圖3所示。

圖2 浮力機(jī)結(jié)構(gòu)簡圖

圖3 傳感器結(jié)構(gòu)及升降結(jié)構(gòu)簡圖

1.2 節(jié)點(diǎn)的硬件選擇

節(jié)點(diǎn)由單片機(jī) (處理器)、信號采集處理單元、GPRS無線通信單元、GPS定位及行走控制單元、電壓檢測單元等組成，圖4為節(jié)點(diǎn)硬件框圖[14]。節(jié)點(diǎn)選用STC89C52單片機(jī)作為數(shù)據(jù)處理核心，根據(jù)命令采集各傳感器的數(shù)據(jù)和GPS坐標(biāo)信息，并打包經(jīng)GPRS無線網(wǎng)絡(luò)傳給上位機(jī)。STC單片機(jī)使用方便，指令執(zhí)行速率、抗干擾能力相較于同檔產(chǎn)品都有優(yōu)勢。傳感器的選擇在考慮池塘水質(zhì)檢測要求的同時，也要考慮成本因素。溫度測量選用DS18B20溫度傳感器，pH測量選用SH－101pH值傳感器，溶解氧測量選用WQ401傳感器。節(jié)點(diǎn)通信方面采用西門子的MC35i模塊，它支持GPRS無線接入、AT指令集、SIM卡應(yīng)用，且體積小、重量輕。在定位方面選用GPS模塊和天線一體化的臺灣環(huán)天 GPS模塊 (型號為 EM－408)，模塊內(nèi)有RTC記憶電池，使用方便。行走電機(jī)選用信達(dá)電機(jī)有限公司的XD－3420電機(jī)，工作電壓為DC 12 V，功率為20 W。

圖4 節(jié)點(diǎn)硬件框圖

1.3 節(jié)點(diǎn)的軟件設(shè)計

節(jié)點(diǎn)上電后首先進(jìn)行初始化，接著檢測太陽能電池的電壓情況，根據(jù)檢測結(jié)果確定節(jié)點(diǎn)工作模式，如果太陽能電池電壓低于閾值時則判定為夜晚模式 (模式1)，節(jié)點(diǎn)停止自主移動，定時檢測水質(zhì)情況;電壓大于閾值時根據(jù)水深情況，節(jié)點(diǎn)可以自主移動或按需移動 (模式2)，節(jié)點(diǎn)開始定時測量溫度、pH值、溶解氧含量等數(shù)據(jù)，GPRS無線模塊根據(jù)自身內(nèi)嵌的TCP/IP協(xié)議棧將數(shù)據(jù)先打包成TCP/IP包，然后將其封裝成 GPRS分組數(shù)據(jù)包，在連網(wǎng)成功后定時傳送到 GPRS網(wǎng)絡(luò)[15－16]，模塊還可以接收從監(jiān)控中心發(fā)送的信息，并轉(zhuǎn)換后通過串口傳送到控制模塊。在確定池塘的四邊頂點(diǎn)的GPS數(shù)據(jù)后通過上位機(jī)傳送到節(jié)點(diǎn)控制器上，控制器先把這個坐標(biāo)范圍內(nèi)水域以2 m為標(biāo)準(zhǔn)尺度柵格化，然后隨機(jī)選取其中10點(diǎn)作為目標(biāo)點(diǎn)進(jìn)行檢測，所有檢測點(diǎn)完成后再隨機(jī)抽取10點(diǎn)檢測并重復(fù)這一過程，當(dāng)然也可通過上位機(jī)發(fā)送指令指定檢測點(diǎn)。節(jié)點(diǎn)船體在池塘水中由行走變?yōu)槎c(diǎn)停止，因池塘環(huán)境較復(fù)雜，水下會有水草、樹枝等雜物，不能使用錨來固定，在沒有其他輔助停止設(shè)備的情況下，實(shí)現(xiàn)定點(diǎn)停止行走控制單元必須按照一定的控制算法使節(jié)點(diǎn)停靠在目標(biāo)點(diǎn)附近。

為了實(shí)現(xiàn)快速接近目標(biāo)點(diǎn)并準(zhǔn)確停止，采用模糊PID控制算法，模糊控制行走單元結(jié)構(gòu)如圖5所示。圖中:θ*為到給定坐標(biāo)方位角，θ為節(jié)點(diǎn)的實(shí)際移動的方位角，e為θ*與θ比較的偏差，ec為偏差的變化率。

式中:△t為采樣周期。

圖5 模糊PID控制結(jié)構(gòu)圖

由于模糊控制部分類似于PD控制，具有響應(yīng)速度快、動態(tài)性能好的優(yōu)點(diǎn)，但穩(wěn)態(tài)精度低，所以在節(jié)點(diǎn)行走控制系統(tǒng)中加入PID控制器，當(dāng)移動誤差在一定范圍內(nèi)時再采用PID控制來消除移動位置的穩(wěn)態(tài)靜差。圖5中U1、U2分別為模糊控制和PID控制得出的行走電機(jī)轉(zhuǎn)速期望值，E、EC、U分別為模糊控制器的輸入、輸出，ω*為期望節(jié)點(diǎn)位移角，ω為位移角，ω*與ω的偏差eω經(jīng)過轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器產(chǎn)生期望的節(jié)點(diǎn)移動的位移角Te*。

本系統(tǒng)采用個人PC機(jī)作為上位機(jī)，監(jiān)控中心軟件的設(shè)計采用面向?qū)ο蟮某绦蛟O(shè)計軟件Visual Basic 6.0開發(fā)，提供一個可視化的監(jiān)控界面，可直觀、方便、快捷地掌握終端節(jié)點(diǎn)的狀態(tài)，及時發(fā)現(xiàn)并處理異常情況，實(shí)現(xiàn)與GPRS終端的通信。系統(tǒng)的節(jié)點(diǎn)主要流程如圖6所示。

圖6 節(jié)點(diǎn)主程序流程圖

圖7 上位機(jī)監(jiān)測軟件

2 試運(yùn)行結(jié)果

以淮陰工學(xué)院校園內(nèi)的某一池塘作為對象對系統(tǒng)進(jìn)行測試，圖7為節(jié)點(diǎn)傳感器在24個測量點(diǎn)，其中第23點(diǎn)為當(dāng)前位置傳回的數(shù)據(jù)情況。測量點(diǎn)是每隔1 h自動向上位機(jī)傳送所采集到的數(shù)據(jù)，上位機(jī)對接收到的數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲和分析。按下手動輸入位置選擇按鈕，輸入經(jīng)緯度信息后即可使節(jié)點(diǎn)移動到指定位置采集數(shù)據(jù)。圖7中的柱形圖是指蓄電池和光伏電池的當(dāng)前電壓情況。測量系統(tǒng)也可根據(jù)需要，如節(jié)點(diǎn)出現(xiàn)故障不停發(fā)送錯誤數(shù)據(jù)時，對測量點(diǎn)下達(dá)休眠指令，故障排除后下達(dá)取消休眠指令。試運(yùn)行結(jié)果表明，測量節(jié)點(diǎn)運(yùn)行可靠，數(shù)據(jù)采集收發(fā)正常。

3 討論

本設(shè)計是基于GPRS無線技術(shù)的監(jiān)控系統(tǒng)，測量節(jié)點(diǎn)運(yùn)行可靠，數(shù)據(jù)采集收發(fā)正常，可以實(shí)現(xiàn)對養(yǎng)殖水域水質(zhì)環(huán)境的實(shí)時監(jiān)控。GPRS作為一種覆蓋面廣的移動通信技術(shù)，已得到越來越多的應(yīng)用，

對實(shí)現(xiàn)監(jiān)控中心與現(xiàn)場節(jié)點(diǎn)設(shè)備之間數(shù)據(jù)的無線收發(fā)等功能具有獨(dú)特的優(yōu)勢[17－18]。隨著社會工業(yè)化進(jìn)程的加快，特別是在近幾年我國經(jīng)濟(jì)突飛猛進(jìn)的發(fā)展，水污染事件時有發(fā)生，進(jìn)行有效的監(jiān)測監(jiān)控顯得尤為重要。由于本節(jié)點(diǎn)系統(tǒng)具有實(shí)用性和長時效性方面的優(yōu)點(diǎn)，將有更廣闊的應(yīng)用前景。

[3]卞賀明，夏善紅.用于水質(zhì)檢測的微傳感器及微系統(tǒng) [J].器件與技術(shù)，2009(6):350－357.

[4]周福元.魚塘水質(zhì)變壞的原因、危害及調(diào)控措施 [J].水產(chǎn)養(yǎng)殖，2013(5):65.

[5]黃建清，王衛(wèi)星，姜晟，等.基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的水產(chǎn)養(yǎng)殖水質(zhì)監(jiān)測系統(tǒng)開發(fā)與試驗 [J].農(nóng)業(yè)工程學(xué)報，2013，29(4):183－190.

[6]陳軍，盛占石，陳照章，等.基于GPRS的水質(zhì)自動監(jiān)測系統(tǒng)的設(shè)計 [J].傳感器與微系統(tǒng)，2009，28(7):77－79.

[7]ALEXEY G，HONSEOK Y.Modular Verification of Preemptive OS Kernels[J].ACM SIGPLAN Notices，2011，46(9):404－417.

[8]REJAIE R，ESTRIN D，HANDLEY M.Quality Adaptation for Congestion Controlled Video Playback over the Internet[J].ACM SIGCOMM Computer Communication Review，1999，29(4):189－200.

[9]崔永良，李霞.基于GPRS的無線水質(zhì)自動監(jiān)測系統(tǒng)的研究[J].制造業(yè)自動化，2012，34(6):150－152.

[10]胡珺，李春暉，賈俊香，等.水環(huán)境模型中不確定性方法研究進(jìn)展 [J].人民珠江，2013(2):8－11.

[11]趙小強(qiáng).水質(zhì)遠(yuǎn)程監(jiān)測智能環(huán)保系統(tǒng) [J].計算機(jī)工程，2010，36(17):93－95.

[12]梁禮明，梁毓明.基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的都陽湖水質(zhì)在線監(jiān)測 [J].節(jié)水灌溉，2012(11):34－37.

[13]武靜濤，馬長寶，劉永波.水質(zhì)監(jiān)測無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的設(shè)計 [J].儀表與傳感器能，2009，17(12):2575－2578.

[14]鄭淼淼，趙蒼榮.無線遠(yuǎn)程傳輸?shù)乃|(zhì)自動監(jiān)測系統(tǒng) [J].化工自動化及儀表，2012，35(1):92－94.

[15]陳明，卜濤.面向水產(chǎn)養(yǎng)殖無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的綠色供能技術(shù)研究 [J].傳感器與微系統(tǒng)，2010，29(11):33－39.

[16]NIJMEIJER H，BERGHUIS H.On Lyapunov control of the buffing equation [J].IEEE Treans on Circuits Systems，1995，42(8):473－477.

[17]趙敏華，李莉，呼娜.基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的水質(zhì)監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計 [J].計算機(jī)工程，2014，40(2):92－96.

[18]張蕾.基于GPRS的電力遠(yuǎn)程抄表系統(tǒng)設(shè)計與應(yīng)用 [D].濟(jì)南:山東大學(xué)，2011.