基于ZigBee網(wǎng)絡(luò)的海參養(yǎng)殖水質(zhì)監(jiān)測系統(tǒng)的設(shè)計

陳玉杰+劉培學(xué)+高穎

摘 要： 海參生長對海水的各項參數(shù)具有較高的要求，近年來已出現(xiàn)多次由于環(huán)境不合適引起海參大量死亡的事件，設(shè)計一種海參養(yǎng)殖水質(zhì)自動監(jiān)測系統(tǒng)具有十分重要的意義?；赯igBee無線網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)了海水水體溶解氧、溫度、pH值等參數(shù)的局域網(wǎng)采集及自組網(wǎng)絡(luò)傳輸，基于3G網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)了數(shù)據(jù)的遠傳及遠程控制，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，運行穩(wěn)定，經(jīng)現(xiàn)場應(yīng)用測試，系統(tǒng)能夠滿足養(yǎng)殖戶需要，極大地提高了海參養(yǎng)殖管理的效率。

關(guān)鍵詞： ZigBee組網(wǎng)； 3G遠傳； 海參養(yǎng)殖； 水質(zhì)監(jiān)測

中圖分類號： TN915?34 文獻標識碼： A 文章編號： 1004?373X（2016）23?0100?04

Design of sea cucumber aquaculture water quality monitoring system

based on ZigBee network

CHEN Yujie1， LIU Peixue1， GAO Ying2

（1. Qingdao Huanghai University， Qingdao 266427， China； 2. Yantai University， Yantai 264005， China）

Abstract： The growth of sea cucumber has the high demand on the parameters of the sea water. The incidents of massive sea cucumber death caused by the unsuitable environment have occurred in recent years， therefore the design of a sea cucumber aquaculture water quality monitoring system has great importance. The LAN?based collection and Ad Hoc network transmission of the seawater dissolved oxygen， temperature， pH value and other parameters were realized based on ZigBee wireless network. The data remote transmission and remote control were realized based on 3G network. The system has simple structure and stable operation. The test results of the field application show that the system can satisfy the need of farmer and greatly improve the efficiency of sea cucumber aquaculture management.

Keywords： ZigBee networking； 3G remote transmission； sea cucumber aquaculture； water quality monitoring

0 引 言

青島海岸線長，海水養(yǎng)殖面積大，海產(chǎn)品養(yǎng)殖尤其是海參養(yǎng)殖已成為青島海洋經(jīng)濟的重要支柱之一。近年來，黃島地區(qū)海參養(yǎng)殖池海水參數(shù)受自然條件影響有時候不適合海參生長需要，導(dǎo)致海參大面積死亡，養(yǎng)殖戶遭受了上千萬的經(jīng)濟損失，養(yǎng)殖戶迫切需要一種能夠自動監(jiān)控養(yǎng)殖環(huán)境的設(shè)備。文獻[1]中設(shè)計了一種基于3G技術(shù)的海洋水產(chǎn)養(yǎng)殖動態(tài)監(jiān)控系統(tǒng)，該系統(tǒng)實現(xiàn)了數(shù)據(jù)的遠程采集，但是沒有考慮養(yǎng)殖池由多個小池組成，只能采集1個養(yǎng)殖池的參數(shù)。文獻[2]中設(shè)計了一個基于GSM的海水監(jiān)測系統(tǒng)，缺點是只能通過短信獲取測量參數(shù)。文獻[3]中基于MSP430單片機設(shè)計了一種低功耗的海水溫度測量系統(tǒng)，本文主要介紹了MSP430單片機的低功耗工作方式，僅測量了海水溫度。綜合來看，目前已有的系統(tǒng)主要存在著測量參數(shù)單一、布線復(fù)雜等眾多缺點，為解決現(xiàn)有技術(shù)的不足，本文設(shè)計了一種基于ZigBee網(wǎng)絡(luò)的海參養(yǎng)殖水質(zhì)監(jiān)測系統(tǒng)[4]，對各養(yǎng)殖池的海水參數(shù)進行不間斷的采集、匯總，采用3G技術(shù)實現(xiàn)實時上傳至監(jiān)控中心，所述方案實現(xiàn)了低能耗、高精度監(jiān)測的目的。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

海參養(yǎng)殖水質(zhì)監(jiān)測系統(tǒng)主要包括三大模塊：終端節(jié)點、現(xiàn)場監(jiān)控中心（協(xié)調(diào)器）和遠程監(jiān)控中心模塊，系統(tǒng)的整體框圖如圖1所示。終端節(jié)點又分為采集節(jié)點和控制節(jié)點，采集節(jié)點安裝有溶解氧傳感器、pH傳感器、溫度傳感器，主要完成對溶解氧、pH值和水溫數(shù)據(jù)的實時采集、在線數(shù)據(jù)處理與無線自組織路由傳輸功能，控制節(jié)點通過繼電器接有增氧機及閥門等設(shè)備，接收控制中心的指令完成設(shè)備的控制，現(xiàn)場監(jiān)控中心為數(shù)據(jù)協(xié)調(diào)器，用戶可在本地查詢水質(zhì)參數(shù)，發(fā)出預(yù)警信息和做出控制決策。遠程監(jiān)控中心通過3G遠程接入點接收現(xiàn)場控制中心匯聚的數(shù)據(jù)信息，使用戶遠程瀏覽數(shù)據(jù)和控制增氧機等設(shè)備的運行。

2 硬件設(shè)計

2.1 終端節(jié)點設(shè)計

終端節(jié)點的硬件部分主要由CC2530 ZigBee模塊、海水參數(shù)采集傳感器組（采集節(jié)點）、被控設(shè)備（控制節(jié)點）、顯示指示電路等組成，終端節(jié)點結(jié)構(gòu)圖如圖2所示。

ZigBee自組網(wǎng)包括基于CC2530芯片的采集節(jié)點、路由節(jié)點及控制節(jié)點，整個自組網(wǎng)基于Z?Stack協(xié)議棧，采用的是星型結(jié)構(gòu)。CC2530 是用于ZigBee的真正的片上系統(tǒng)（SoC）解決方案，集成了符合IEEE 802.15.4標準的2.4 GHz RF收發(fā)器、增強工業(yè)標準的8051MCU，可編程閃存和8 KB RAM[5]。它以非常低的成本建立強大的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點，多種運行模式滿足超低功耗的系統(tǒng)要求[6]，不同模式之間的轉(zhuǎn)換時間短，進一步確保了低能源消耗。

采集節(jié)點包含傳感器網(wǎng)絡(luò)，各傳感器選型如下：

溫度傳感器：海參養(yǎng)殖的溫度范圍是4～27 ℃，DS18B20是一個數(shù)字溫度采集傳感器，測量溫度范圍在-55～125 ℃之間，能夠滿足該系統(tǒng)的需要。DS18B20輸出的信號是8位的數(shù)字信號，直接讀取溫度值。DS18B20只需一根導(dǎo)線以及一個4.7 kΩ上拉電阻即可與CC2530的I/O端口連接，不需要其他任何外圍電路即可測得溫度數(shù)據(jù)，電路非常簡單，讀取和使用都很方便。故測量溫度選擇防水型DS18B20數(shù)字溫度傳感器。

pH值采集傳感器：測量pH值常用的傳感器有玻璃電極傳感器和金屬電極傳感器等，與其他傳感器相比，玻璃電極傳感器具有測量范圍寬、重復(fù)性好、穩(wěn)定性高、精度高等特點，因此本系統(tǒng)中以玻璃電極作為傳感器，具體采用Campbell Scientific公司的CS525型pH傳感器進行海水養(yǎng)殖區(qū)域的pH值監(jiān)測，其內(nèi)部電路如圖3所示，pH值的測量范圍是0～14?？梢哉９ぷ鞯臏囟确秶?～70 ℃，精度為0.01 pH。海水養(yǎng)殖海參的pH值范圍是7.6～8.5，滿足了對海水養(yǎng)殖pH值變化范圍的精度要求。它的輸出是0～5 000 mV的模擬電壓信號。

溶解氧采集傳感器：在測量溶解氧傳感器的選取中，比較了測定氧含量的兩種方法：碘量法和電化學(xué)法測量。因為化學(xué)分析測量方法需要消耗大量的樣品，耗時長，不能現(xiàn)場實時監(jiān)測；電化學(xué)測量法成本低，測量精度能夠達到要求，而且能夠?qū)崿F(xiàn)實時監(jiān)測，因此本文采用電化學(xué)測量方法測量海水的含氧量。采用WQ401型傳感器，輸出接口電路如圖4所示，其測量范圍是0～20 mg/L，工作溫度范圍：-40～50 ℃。要測量的范圍是3～6 mg/L，精度是0.2 mg/L，故該傳感器滿足測量要求。輸出4～20 mA的電壓，通過4～20 mA輸入0～5 V輸出的[IV]轉(zhuǎn)換電路處理后，進行限幅后傳送至單片機內(nèi)部A/D轉(zhuǎn)換電路控制節(jié)點，主要是增氧機、進水通道閥門等設(shè)備，通過繼電器連接，在此不再贅述。

2.2 協(xié)調(diào)器設(shè)計

協(xié)調(diào)器由CC2530 ZigBee模塊、MSP430單片機、EM770W 3G通信模塊、顯示模塊、按鍵等組成，協(xié)調(diào)器結(jié)構(gòu)圖如圖5所示。

微處理器本次設(shè)計中采用超低功耗單片機MSP430，MSP430是一個16位單片機，具有很強的抗干擾能力，可以在各種惡劣條件下工作，顯示模塊采用液晶顯示屏12864，遠程信號傳輸采用華為公司的EM770W作為3G通信模塊。EM770W支持標準AT指令集和華為擴展AT指令集，內(nèi)置TCP/IP協(xié)議棧，傳輸速率最大可達7.2 Mb/s。ZigBee與3G模塊分別接到MSP430單片機的2個串口上，通過串口通信，連接圖如圖6所示。

3 軟件設(shè)計與算法實現(xiàn)

系統(tǒng)軟件主要由終端節(jié)點軟件、協(xié)調(diào)器軟件、上位機軟件三部分組成。一臺上位機可與多臺下位機實現(xiàn)主從式通信，對多個水產(chǎn)養(yǎng)殖池進行監(jiān)測、管理和控制，實現(xiàn)對海參智能化規(guī)模養(yǎng)殖的分布式網(wǎng)絡(luò)控制。智能控制儀對溫度、pH值、溶解氧等環(huán)境因子進行監(jiān)測，將信息轉(zhuǎn)化為可識別數(shù)據(jù)并傳遞給管理人員，同時對現(xiàn)場環(huán)境進行實時有效的控制。監(jiān)控數(shù)據(jù)的采集、傳送、通信采用多傳感器自組織網(wǎng)絡(luò)來增強系統(tǒng)的穩(wěn)健性、靈活性和高效性。

3.1 終端節(jié)點軟件設(shè)計

終端采集節(jié)點系統(tǒng)流程圖如圖7所示。系統(tǒng)上電后，首先對各個傳感器進行初始化（包含溫度傳感器、pH值傳感器、溶解氧傳感器），初始化完成后開啟定時計數(shù)器，隨后程序判斷是否定時時間到或者協(xié)調(diào)器有指令，兩個條件任一條件滿足，MCU與傳感器通信取得數(shù)據(jù)并通過ZigBee上報至協(xié)調(diào)器，溫度測量的輸出是數(shù)字信號，可直接采集，pH值和溶解氧測量輸出都是模擬信號，其輸出需要先進行A/D轉(zhuǎn)換。終端控制節(jié)點如果協(xié)調(diào)器有指令，則控制對應(yīng)設(shè)備開啟或關(guān)閉。

3.2 協(xié)調(diào)器設(shè)計

協(xié)調(diào)器既可以自主控制終端采集節(jié)點與終端控制節(jié)點，又可以轉(zhuǎn)達上位機發(fā)來的命令。一方面，協(xié)調(diào)器上電后檢測終端采集節(jié)點是否有信息上報，如果有上報，首先協(xié)調(diào)器存儲該信息，并判斷該信息是否超限，如有，則發(fā)送命令至終端控制節(jié)點，驅(qū)動設(shè)備開啟或關(guān)閉，使參數(shù)達到正常；另一方面，終端節(jié)點要監(jiān)控上位機有無指令，若有，則根據(jù)上位機指令做對應(yīng)操作，協(xié)調(diào)器軟件如圖8所示。

3.3 數(shù)據(jù)融合算法

養(yǎng)殖場各監(jiān)測參數(shù)來自于多個傳感器，系統(tǒng)必須對各個傳感器提供的具有復(fù)雜性和多樣性的數(shù)據(jù)進行融合、推理[7?8]，最終得到一個準確的融合結(jié)果和決策選擇，本系統(tǒng)采用D?S（證據(jù)理論）理論作為融合算法，針對海水養(yǎng)殖場的實際情況，建立多平臺信息采集和管理，多平臺數(shù)據(jù)融合模型如圖9所示。

4 實驗結(jié)果

本文設(shè)計已應(yīng)用于青島海參養(yǎng)殖場的多個海參養(yǎng)殖基地。選取一個養(yǎng)殖池為研究對象進行系統(tǒng)功能實測，測試結(jié)果如表1所示。測試數(shù)據(jù)顯示與實際值相比該測量誤差較小，數(shù)據(jù)具有較高的一致性，能夠滿足實際使用需求，傳感器本身存在的誤差是導(dǎo)致測量值與實際值之間存在誤差的主要因素，但是通過廣泛覆蓋的3G網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)多線程的遠程并發(fā)通信，網(wǎng)絡(luò)傳輸誤差小，可以讓多種數(shù)據(jù)采集終端實時傳送到監(jiān)控中心進行集中監(jiān)視和遠程調(diào)度，實現(xiàn)故障信息的及時報警，節(jié)省人力及時間成本，提升了生產(chǎn)效率[9?10]。

5 結(jié) 語

本文研究針對目前青島海參養(yǎng)殖中水質(zhì)監(jiān)測方法落后的現(xiàn)狀，設(shè)計了海參養(yǎng)殖水質(zhì)監(jiān)測系統(tǒng)，該系統(tǒng)采用三層體系結(jié)構(gòu)，完成對海參養(yǎng)殖環(huán)境中的水體溶解氧、溫度和pH值的檢測和傳輸，并針對不同部分進行了各層次的硬件和軟件設(shè)計，解決了水質(zhì)監(jiān)測系統(tǒng)中遠程傳輸?shù)葐栴}，從而實現(xiàn)大范圍、低成本、低功耗的實時遠程監(jiān)測、控制以及遠程數(shù)據(jù)共享的設(shè)計目標。

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