基于WSN的海水養(yǎng)殖水質(zhì)檢測系統(tǒng)研究

葉俊明 馬海琴

摘 要： 為了方便水產(chǎn)養(yǎng)殖戶或相關(guān)研究機構(gòu)更好、更實時地監(jiān)測養(yǎng)殖水域中水的質(zhì)量，提高產(chǎn)量、監(jiān)控海水污染情況，設(shè)計了海水水質(zhì)檢測系統(tǒng)。傳感器節(jié)點采集多種模塊化的傳感器數(shù)據(jù)，并通過無線網(wǎng)絡(luò)將采集的數(shù)據(jù)匯總至sink節(jié)點控制器；sink節(jié)點控制器將匯總的數(shù)據(jù)進行自適應加權(quán)融合后，以3G網(wǎng)絡(luò)、USB通信等形式將數(shù)據(jù)傳輸?shù)接脩舳私y(tǒng)計和分析。同時，采用太陽能供電、GPRS校時等可以更靈活地在各種野外場合搭建檢測平臺。

關(guān)鍵詞： 無線傳輸； 海水養(yǎng)殖； 水質(zhì)監(jiān)測； 自適應加權(quán)； 信息融合； GPRS校時

中圖分類號： TN911.23?34； X853 文獻標識碼： A 文章編號： 1004?373X（2018）18?0054?03

Research on aquaculture water quality detection system based on WSN

YE Junming， MA Haiqin

（Guilin University of Electronic Technology， Guilin 541004， China）

Abstract： A seawater quality detection system was designed for aquaculture farmers and related research institutes to better monitor the water quality in aquaculture water area and the seawater pollution situation in real time， and improve the production. Various modularized sensor data is collected by sensor nodes， and summarized to the sink node controller by means of wireless network. After adaptive weighting fusion of data summarized by the sink node controller， the data is transmitted to the client by means of 3G network and USB communication for statistical analysis. Meanwhile， solar power supply and GPRS time synchronization can make detection platform establishment in various open fields more flexible.

Keywords： wireless transmission； aquaculture； water quality monitoring； adaptive weighting； information fusion； GPRS time synchronization

隨著沿海國家經(jīng)濟重心向濱海地區(qū)的轉(zhuǎn)移，已有過半的人口居于在海岸線附近[1]。對水域資源的開發(fā)、利用已經(jīng)成為產(chǎn)業(yè)革命的前沿戰(zhàn)線，海水水質(zhì)檢測逐漸成為國家安全、環(huán)境保護、資源開發(fā)的重要手段。水的含氧量、pH值、溫度、養(yǎng)殖密度等參數(shù)數(shù)據(jù)[2]是水產(chǎn)養(yǎng)殖的關(guān)鍵問題。大背景的推動下使得檢測技術(shù)從檢測單一、數(shù)據(jù)處理不便的傳統(tǒng)方法如：試紙試劑式檢測、手持式檢測手段，迫切地發(fā)展成：數(shù)字化集成度高、精度高檢測快、實時性高、搭配靈活方便的WSN領(lǐng)域[3]。

1 整體設(shè)計

本文基于WSN的海水養(yǎng)殖水質(zhì)檢測系統(tǒng)采用STM32F407作為sink節(jié)點的控制器、STC15W4K56S4為傳感器節(jié)點控制器，集無線通信、太陽能電池供電于一體，并搭載了GPRS自動校時、USB和網(wǎng)絡(luò)通信，兼容的傳感器接口采用標準的通信協(xié)議。各節(jié)點控制器將水質(zhì)檢測數(shù)據(jù)包括：溶解氧、pH值、溫度等，通過無線通信的形式匯集到Sink節(jié)點控制器進行匯總[4]，通過GPRS校時的主控器實時地將分析后的數(shù)據(jù)通過USB通信和GSM模塊傳輸至用戶端，系統(tǒng)框架如圖1所示。檢測系統(tǒng)可以廣泛應用于各種養(yǎng)殖水域、河流、海洋等地搭建檢測平臺。

2 硬件系統(tǒng)設(shè)計

2.1 控制器的選擇

Sink節(jié)點采用32位的ARM Cortex M4內(nèi)核的STM32F407為控制器[5]。該控制器集成FPU，DSP指令集、帶有豐富的接口資源、1 MB的FLASH和192 kB的SRAM、高精度A/D?D/A、17個可編程定時器[6]。系統(tǒng)中STM32F407主要負責：通過nRF24L01無線模塊匯集傳感器節(jié)點采集的數(shù)據(jù)并進行信息融合、GPRS自動校時、GSM數(shù)據(jù)通信、USB通信等。傳感器節(jié)點控制器采用LQFP48封裝的15W4K48S4單片機對各傳感器信號進行采集、補償[7]，并與sink節(jié)點進行無線通信。

2.2 傳感器的電路設(shè)計

水質(zhì)檢測涉及到DO、pH值、溫度和電導率等傳感器。DO傳感器選用熒光淬滅法[8?9]溶解氧電極，工作原理為采用經(jīng)過PWM調(diào)制過的LED發(fā)出藍光經(jīng)過被測水域照射在傳感膜上，傳感膜受到激發(fā)反射出波長為600～680 nm的紅光（氧溶解不同，反射強度會發(fā)生變化），經(jīng)過濾光鏡濾除紅光外的雜光后反射到光敏傳感器上再經(jīng)過放大。DO檢測電路如圖2所示。

pH值的檢測采用雷磁E?201?C復合電極（輸出電壓0～840 mV），內(nèi)阻一般為幾十MΩ到幾百MΩ。放大電路采用高輸入阻抗的儀器前端放大器OPA627，且輸入端串10 MΩ電阻提高輸入阻抗，放大倍數(shù)為4，這樣輸出的電壓不會變化太大或飄移[10]。為了提高精度，可以采用兩點標定法對pH值進行折算和補償[11]。

電導率是衡量液體中導電離子多少的重要指標。通過施加電壓在被測水域中的兩塊平行電場，加速導電離子的運動形成電流，從而檢測電導率。電路前級采用7 kHz的方波驅(qū)動雷磁DJS?10CF電極，減少極化現(xiàn)象的影響，后極采用運放進行放大和整形。

上述幾種參數(shù)的檢測均為電壓輸出型，采用11通道的TLC2543進行采集[12]。TLC2543的采樣率可達60 kbit/s以上、可調(diào)制雙極性輸出、線性理論誤差最大+1 LSB。將DS18B20讀取的溫度數(shù)據(jù)與多種傳感器的采集信息進行相應的補償以減少誤差，最后進行算術(shù)平均和自適應加權(quán)融合。

2.3 通信模塊電路設(shè)計

水質(zhì)檢測系統(tǒng)的通信涉及到三部分：傳感器節(jié)點與Sink節(jié)點的無線通信、Sink節(jié)點與電腦的USB通信、Sink節(jié)點的GPRS/GSM通信。采用nRF24L01設(shè)計傳感器節(jié)點與Sink節(jié)點的短距離通信，可以方便組網(wǎng)、減少布線成本、降低人工投入等。Sink節(jié)點與電腦間的通信采用基于CH340G芯片的USB 2.0通信。Sink節(jié)點的校時和與手機終端的通信采用SIM900A模塊搭建數(shù)據(jù)傳輸。

3 軟件系統(tǒng)設(shè)計

3.1 無線模塊程序設(shè)計

GPRS/GSM通信采用SIM900A模塊，用于實現(xiàn)Sink節(jié)點與手機終端的數(shù)據(jù)傳輸和校時。Sink節(jié)點的控制器STM32F407通過串口發(fā)送AT指令控制SIM900A，實現(xiàn)語音、短信、數(shù)據(jù)傳輸、校時等[13]。SIM900A的TCP數(shù)據(jù)傳輸需在Sink節(jié)點控制器上設(shè)置SIM900A的工作狀態(tài)，相關(guān)指令如表1所示。

3.2 電腦通信界面設(shè)計

采用LabVIEW編寫Sink節(jié)點與電腦端的通信界面：該軟件采用連線、拖拽模塊的形式可以快速生成圖形界面[14?15]。該界面不僅可以顯示相應的檢測數(shù)據(jù)、圖形界面、設(shè)置報警范圍，還可將數(shù)據(jù)以Excel表格形式進行保存。LabVIEW的界面如圖3所示。

4 運用分析

水質(zhì)檢測系統(tǒng)的測試在北海銀海區(qū)的水產(chǎn)養(yǎng)殖場進行。通過WSN的傳感器節(jié)點實時地采集數(shù)據(jù)，以無線傳輸?shù)男问絽R總到Sink節(jié)點進行自適應加權(quán)算法的信息融合。Sink節(jié)點將匯總處理好的數(shù)據(jù)通過SIM900A以TCP網(wǎng)絡(luò)[16]透傳的形式發(fā)送到手機端，并通過USB接口傳送至電腦端的LabVIEW界面進行顯示分析。

本儀器的Sink節(jié)點通過GPRS/GSM模塊每天校時2次，并設(shè)定10 min匯總1次采樣數(shù)據(jù) 。Sink節(jié)點通過無線模塊每10 min分別向傳感器節(jié)點發(fā)送地址碼，傳感器節(jié)點比對正確地址碼后向Sink節(jié)點發(fā)送檢測結(jié)果。Sink節(jié)點匯總檢測數(shù)據(jù)后進行自適應加權(quán)融合計算，并將數(shù)據(jù)傳輸至用戶端。采用標準儀器與本儀器進行比對分析如表2所示。

5 結(jié) 語

本文結(jié)合水產(chǎn)養(yǎng)殖環(huán)境設(shè)計一種基于WSN的海水養(yǎng)殖水質(zhì)檢測系統(tǒng)。該系統(tǒng)集成了多種傳感器，采用無線通信的形式進行數(shù)據(jù)傳輸，配合電腦端和手機端監(jiān)測軟件，具有實時性好、準確性高、組網(wǎng)便潔、操作性好等優(yōu)點，在水質(zhì)監(jiān)測和水產(chǎn)養(yǎng)殖業(yè)等方面具有良好的應用前景。

參考文獻

[1] 毋亭，侯西勇.海岸線變化研究綜述[J].生態(tài)學報，2016，36（4）：1170?1182.

WU Ting， HOU Xiyong. Review of research on coastline changes [J]. Acta Ecologica Sinica， 2016， 36（4）： 1170?1182.

[2] 李宮，郭慧，趙輝，等.基于Android的便攜式水質(zhì)檢測儀器的研制[J].環(huán)境工程學報，2016，10（7）：3973?3976.

LI Gong， GUO Hui， ZHAO Hui， et al. Development of Android platform based portable water quality detector [J]. Chinese journal of environmental engineering， 2016， 10（7）： 3973?3976.

[3] GAO Demin， LIN Haifeng， LIU Yunfei， et al. Maximum data collection rate in rechargeable wireless sensor networks with multiple sinks [J]. China communications， 2016（2）： 95?108.

[4] 賈建科.基于GPRS和Internet的河流水情實時遠程監(jiān)測系統(tǒng)研究[J].現(xiàn)代電子技術(shù)，2016，39（6）：132?135.

JIA Jianke. Research on river water regimen real?time remote monitoring system based on GPRS and Internet [J]. Modern electronics technique， 2016， 39（6）： 132?135.

[5] 劉軍，張洋，嚴漢宇，等.精通STM32F4（寄存器版）[M].北京：北京航空航天大學出版社，2015.

LIU Jun， ZHANG Yang， YAN Hanyu， et al. Proficient in STM32F4 （register version） [M]. Beijing： Beihang University Press， 2015.

[6] 程聰聰，王曉榮，張進明，等.基于STM32F407和S?MODULE的在線多組分氣體分析儀研制[J].儀表技術(shù)與傳感器，2017（2）：31?34.

CHENG Congcong， WANG Xiaorong， ZHANG Jinming， et al. Design of online multi?gases analyzer based on STM32F407 and S?MODULE [J]. Instrument technique and sensor， 2017（2）： 31?34.

[7] 孫碩，倪建云，陳在平.基于STC15單片機的Modbus I/O模塊的設(shè)計[J].化工自動化及儀表，2016，43（6）：662?664.

SUN Shuo， NI Jianyun， CHEN Zaiping. ModbusI/O module design based on STC15 microcontroller [J]. Control and instruments in chemical industry， 2016， 43（6）： 662?664.

[8] 趙明富，周慧，李成成，等.基于熒光猝滅原理的塑料光纖溶解氧傳感器[J].半導體光電，2017，38（1）：26?29.

ZHAO Mingfu， ZHOU Hui， LI Chengcheng， et al. Plastic optical fiber dissolved oxygen sensor based on fluorescence quenching principle [J]. Semiconductor optoelectronics， 2017， 38（1）： 26?29.

[9] ZHANG K， ZHANG H， WANG Y， et al. High sensitivity and accuracy dissolved oxygen （DO） detection by using PtOEP/poly （MMA?co?TFEMA） sensing film [J]. Spectrochimica Acta， 2017， 170： 242?246.

[10] NAGATA H， ITOH T， BABA Y， et al. Highly sensitive detection of monosaccharides on microchip electrophoresis using pH discontinuous solution system [J]. Analytical sciences， 2010， 26（7）： 731?736.

[11] 余翔.新型電導紗和pH水質(zhì)參數(shù)檢測技術(shù)與實驗研究[D].杭州：浙江大學，2015.

YU Xiang. The detection technology and experimental research of a new type of electrical conductivity and pH of water quality parameters [D]. Hanzhou： Zhejiang University， 2015.

[12] 葉俊明，蘇鵬鑒.單片機C語言程序設(shè)計[M].西安：西安電子科技大學出版社，2016.

YE Junming， SU Pengjian. Microcontroller C programming [M]. Xian： Xidian University Press， 2016.

[13] 李興山，王曉超.基于SI4432和SIM900A的溫室環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計[J].江蘇農(nóng)業(yè)科學，2015，43（7）：426?429.

LI Xingshan， WANG Xiaochao. Design of greenhouse environment monitoring system based on SI4432 and SIM900A [J]. Jiangsu agricultural sciences， 2015， 43（7）： 426?429.

[14] 祁建廣，李寶營，李仁慶.基于ZigBee與LabVIEW的溫濕度檢測系統(tǒng)[J].大連工業(yè)大學學報，2016（5）：383?385.

QI Jianguang， LI Baoying， LI Renqing. Development of temperature and humidity detection system based on ZigBee and LabVIEW [J]. Journal of Dalian Polytechnic University， 2016（5）： 383?385.

[15] 彭倩，李紅巖.單片機和LabVIEW的多數(shù)據(jù)無線監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計[J].實驗室研究與探索，2016，35（7）：127?130.

PENG Qian， LI Hongyan. Design of multiple data wireless monitoring system based on microcontroller and LabVIEW [J]. Research and exploration in laboratory， 2016， 35（7）： 127?130.

[16] 安妮，董俊.基于嵌入式的現(xiàn)場總線和TCP/IP協(xié)議轉(zhuǎn)換的技術(shù)研究[J].現(xiàn)代電子技術(shù)，2016，39（1）：16?19.

AN Ni， DONG Jun. Research on embedded system based conversion technology between field bus and TCP/IP protocol [J]. Modern electronics technique， 2016， 39（1）： 16?19.