WSN在淡水魚類養(yǎng)殖環(huán)境參數(shù)監(jiān)測中的應(yīng)用

2014-12-12 07:04:55張青春郁徐來

湖北農(nóng)業(yè)科學(xué) 2014年20期

關(guān)鍵詞：實(shí)時(shí)監(jiān)測環(huán)境參數(shù)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)

張青春+郁徐來

摘要：為實(shí)現(xiàn)對(duì)工廠化淡水魚類養(yǎng)殖環(huán)境參數(shù)的監(jiān)測，采用ZigBee技術(shù)和CC2530核心芯片，利用太陽電池板提供能源，設(shè)計(jì)了一種將溫度、氧含量、pH測量于一體的智能無線傳感器節(jié)點(diǎn)。通過ZigbemPC網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)，構(gòu)建了無線傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了淡水魚類養(yǎng)殖環(huán)境參數(shù)實(shí)時(shí)監(jiān)測。結(jié)果表明，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)能夠準(zhǔn)確測量溫度、氧含量、pH等魚類養(yǎng)殖環(huán)境參數(shù)，系統(tǒng)性能穩(wěn)定、可靠，具有一定的實(shí)用性和推廣應(yīng)用價(jià)值。

關(guān)鍵詞：ZigBee;無線傳感器網(wǎng)絡(luò);環(huán)境參數(shù);實(shí)時(shí)監(jiān)測

中圖分類號(hào)：TN92 ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A ? ? ? ?文章編號(hào)：0439-8114（2014）20-4973-04

DOI：10.14088/j.cnki.issn0439-8114.2014.20.055

Application of WSN in Monitoring Environment Parameters of Freshwater Fish Farming

ZHANG Qing-chun，YU Xu-lai

（Faculty of Electronic and Electrical Engineering， Huaiyin Institute of Technology， Huaian， 223003， Jiangsu， China）

Abstract： To monitor environment parameters of factory freshwater fish farming， ZigBee technology， CC2530 core chip， and solar panels were used to provide energy. An intelligent wireless sensor node was designed to integrate the temperature， oxygen content， pH measurement. Through ZigbemPC network platform， to construct a system of wireless sensor network （WSN） was construded. Real-time monitoring of environment parameters of freshwater fish farming was realized. The results showed that WSN accurately measured environment parameters including temperature， oxygen content， pH of fish farming. System performance was stable， reliable. It will have certain practicability and application.

Key words： ZigBee; WSN; environmental parameters; real-time monitoring

基于ZigBee技術(shù)的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)可以實(shí)現(xiàn)水質(zhì)實(shí)時(shí)感知節(jié)點(diǎn)的快速組網(wǎng)，并能很好解決水質(zhì)信息感知節(jié)點(diǎn)的異構(gòu)性、移動(dòng)性以及分散性導(dǎo)致的不同類型數(shù)據(jù)之間的傳輸、融合等問題，從而實(shí)現(xiàn)被測區(qū)域中的感知節(jié)點(diǎn)完成數(shù)據(jù)的采集和傳輸[1，2]。針對(duì)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)在工廠化淡水魚養(yǎng)殖領(lǐng)域應(yīng)用中存在的問題，設(shè)計(jì)了一種對(duì)溫度、光照、氧含量、pH以及對(duì)魚類生長營養(yǎng)物質(zhì)智能多參數(shù)監(jiān)測無線傳感器，并通過無線傳感器網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)，對(duì)監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行處理并建立魚類生長環(huán)境數(shù)據(jù)庫信息。該智能多參數(shù)無線傳感器采用太陽能電池供電，具有使用壽命長、測量精度高、定位準(zhǔn)確等特點(diǎn)，具有一定的實(shí)用價(jià)值。

1 ?系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)

1.1 ?系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)水質(zhì)參數(shù)監(jiān)測節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)傳輸采用802.15.4的ZigBee無線傳輸協(xié)議，可以實(shí)現(xiàn)點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的數(shù)據(jù)傳輸，傳輸結(jié)束后返回確認(rèn)信息，節(jié)點(diǎn)接收數(shù)據(jù)時(shí)可以接收到發(fā)送節(jié)點(diǎn)的發(fā)送信息（源地址、網(wǎng)絡(luò)地址、目標(biāo)地址等）。

系統(tǒng)主要由無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)（負(fù)責(zé)采集節(jié)點(diǎn)附近水域溫度、溶解氧濃度和pH等數(shù)據(jù)）、無線網(wǎng)關(guān)（以無線的方式連接無線傳感器網(wǎng)絡(luò)與管理控制中心）和上位機(jī)監(jiān)測中心（對(duì)上傳的數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)融合并直觀顯示數(shù)據(jù)）等部分組成，其中傳感器節(jié)點(diǎn)采用立體式安裝、密集并可控地分布在檢測區(qū)域內(nèi)?；跓o線傳感器網(wǎng)技術(shù)的淡水魚養(yǎng)殖環(huán)境參數(shù)監(jiān)測系統(tǒng)能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)測魚類養(yǎng)殖環(huán)境參數(shù)。由于在水域內(nèi)安裝無線傳感器網(wǎng)絡(luò)時(shí)節(jié)點(diǎn)位置可靈活控制，又利用太陽能電池供電，從而保證整個(gè)網(wǎng)絡(luò)長時(shí)間無故障工作[3-5]。

1.2 ?無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)包括數(shù)據(jù)采集模塊（含有溫度、溶解氧和pH檢測傳感器、A/D轉(zhuǎn)換器）、CC2530數(shù)據(jù)處理模塊（含80C51微處理器、存儲(chǔ)器等）、ZigBee無線通信模塊和電源模塊4個(gè)部分。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)是構(gòu)成淡水魚養(yǎng)殖環(huán)境參數(shù)監(jiān)測系統(tǒng)的基礎(chǔ)，能實(shí)現(xiàn)信息采集、數(shù)據(jù)處理和傳遞等功能[6-9]。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)原理框圖見圖1。

電源模塊負(fù)責(zé)節(jié)點(diǎn)的驅(qū)動(dòng)，為各模塊提供所需電源，維持電路的正常運(yùn)行，是決定網(wǎng)絡(luò)生存期的關(guān)鍵因素。采用9.0 V太陽能電池供電，使用9.0 V蓄電池存儲(chǔ)電能。使用L7805芯片將電源輸出轉(zhuǎn)換為5.0 V給傳感器及信號(hào)調(diào)理電路供電;再通過AMS1117，將5.0 V降為3.3 V給CC2530供電。溫度測量選用TDC數(shù)字溫度傳感器DS18B20，其輸出的數(shù)字信號(hào)與CC2530的P1.7端口相連。溶解氧傳感器選用501針型ORP復(fù)合電極，在15～30 ℃時(shí)輸出電壓為245～270 mV，信號(hào)調(diào)理電路設(shè)計(jì)中采用放大器AD623和電壓跟隨器是LM358，增益最高可達(dá)1 000倍，最后輸出與CC530的P0.2口相連。pH傳感器選用E-201-9型pH電極，pH測量范圍為0～14，輸出電壓為± 414.4 mV，信號(hào)穩(wěn)定，無需單獨(dú)的調(diào)理電路，可直接輸出與CC2530的P0.3端口連接。endprint

2 ?系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

2.1 ?監(jiān)測系統(tǒng)總體工作流程

以PC機(jī)為監(jiān)測系統(tǒng)上位機(jī)，使用基于Visual Studio 2005（VS 2005）的ZigbemPC平臺(tái)。系統(tǒng)啟動(dòng)后，先初始化，設(shè)定檢測周期。軟件定時(shí)結(jié)束后，無線發(fā)射采樣信號(hào)，無線傳感器節(jié)點(diǎn)接收到上位機(jī)指令后進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，經(jīng)數(shù)據(jù)處理后發(fā)送給網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)傳到上位機(jī)記錄、保存數(shù)據(jù)。當(dāng)接收到的數(shù)據(jù)超出報(bào)警上下界限時(shí)，監(jiān)控界面發(fā)出報(bào)警信號(hào)。

2.2 ?傳感器節(jié)點(diǎn)軟件設(shè)計(jì)

傳感器節(jié)點(diǎn)在不采集數(shù)據(jù)時(shí)處于休眠狀態(tài)，關(guān)閉通訊模塊。當(dāng)節(jié)點(diǎn)被查詢時(shí)開始發(fā)送和接收狀態(tài)，采集數(shù)據(jù)，延時(shí)等待發(fā)送命令，收到命令后發(fā)送數(shù)據(jù)。若延時(shí)結(jié)束時(shí)仍未收到命令，則通訊出現(xiàn)故障，應(yīng)及時(shí)處理，傳感器節(jié)點(diǎn)軟件設(shè)計(jì)流程圖如圖2所示。傳感器節(jié)點(diǎn)pH參數(shù)如下所示：

#if defined （DSY_SENSOR）

uint16 readpH（ void ）

{

volatile unsigned char tmp，n;

signed short adcvalue;

// float voltagevalue_pH;

ADCCON3 = （（0x02 << 6） |

（0x03 << 4） |

0x03）;//（0x01 << 3））;

while （（ADCCON1 & 0x80）！= 0x80）;

adcvalue = （signed short）ADCL;

adcvalue |= （signed short）（ADCH << 8）;

if（adcvalue < 0） adcvalue = 0;

adcvalue >>= 4;

return （uint16）adcvalue;

………

2.3 ?上位機(jī)報(bào)警軟件設(shè)計(jì)

上位機(jī)編程、調(diào)試采用VS2005應(yīng)用平臺(tái)。根據(jù)要求繪制窗體后編寫用戶軟件。編程時(shí)，先初始化（包括窗體初始化、數(shù)據(jù)庫初始化等），再打開串口準(zhǔn)備接收數(shù)據(jù)，并對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理（包括數(shù)據(jù)記錄、數(shù)據(jù)圖表制作等），最后判斷報(bào)警條件是否滿足。如果滿足則界面上的“紅燈”開始閃爍并發(fā)出“滴滴”報(bào)警聲，同時(shí)在窗體上顯示報(bào)警的節(jié)點(diǎn)類型、編號(hào)和報(bào)警參量，延時(shí)后繼續(xù)監(jiān)測;若沒有報(bào)警，則重新監(jiān)測。上位機(jī)部分報(bào)警軟件程序如下所示：

if（item.Value >curSensorFieldList[item.Key].ValueMax）

valueFlag=1;sbMessage.AppendFormat（";{0}超過最大值"， valueDescrip）;

for （int j = 1; j < 10; j++）

{System.Media.SoundPlayersimpleSound=newSystem.Media.SoundPlayer（Properties.Resources.msg）;

for （int i = 1; i < 6000000; i++）

{

toolStripLabel1.Enabled = false;

}

for （int i = 1; i < 6000020; i++）

{

toolStripLabel1.Enabled = true;

}

simpleSound.Play（）;

toolStripLabel4.Text=UserResource.Chinese[e.SensorType]+e.OrgNodeID+""+UserResource.Chinese[item.Key];

toolStripLabel4.ForeColor = Color.Red;

}

.......

3 ?網(wǎng)絡(luò)測試和數(shù)據(jù)分析

3.1 ?無線傳感器參數(shù)確定

根據(jù)淡水魚類適宜生長水環(huán)境，溫度允許范圍為10～30 ℃，溶解氧允許范圍為3～6 mg/L，pH允許范圍為6.5～8.5。為了在監(jiān)測圖中能同時(shí)顯示3種數(shù)據(jù)變化，3條曲線波動(dòng)都在100以內(nèi)，易于觀測。因此，在系統(tǒng)參數(shù)設(shè)置時(shí)，輸入的溶解氧、pH參數(shù)均擴(kuò)大了10倍，無線傳感器參數(shù)設(shè)置界面如圖3所示。

以橫坐標(biāo)表示上位機(jī)測量顯示值x，縱坐標(biāo)表示傳感器節(jié)點(diǎn)待測量y，則有y=ax2+bx+c。通過對(duì)各種傳感器的標(biāo)定，得到相應(yīng)的擬合直線或曲線，便可確定a、b和c的值。

溫度傳感器DS18B20為數(shù)字型傳感器，上位機(jī)測量顯示數(shù)據(jù)與實(shí)際溫度呈線性關(guān)系。溫度擬合直線如圖4所示，由此可確定參數(shù)b=0.059，c=4.40。

溶解氧傳感器501針型輸入輸出關(guān)系為y=bx+c。由于標(biāo)定存在難度，取白開水和正常水之間的中間值為最低值3 mg/L，為報(bào)警下限，對(duì)應(yīng)測量顯示值取1 100;取空氣中和正常水的中間值，為最大值6 mg/L，為報(bào)警上限，對(duì)應(yīng)測量數(shù)據(jù)取1 700。根據(jù)上述兩個(gè)數(shù)據(jù)可得b=0.005，c=-2.50。

pH傳感器E-201-9型輸入輸出關(guān)系有較好線性，測量數(shù)據(jù)為未確定參數(shù)時(shí)上位機(jī)界面顯示的數(shù)值。pH則為pH緩沖液的比對(duì)值。pH擬合直線如圖5所示，由此可確定參數(shù)b=-0.172 8，c=29.43。

3.2 ?組網(wǎng)調(diào)試endprint

淡水魚養(yǎng)殖環(huán)境參數(shù)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)59253監(jiān)測數(shù)據(jù)如圖6所示。在測試時(shí)，設(shè)定30 ℃和10 ℃為水溫度的報(bào)警上、下限，6 mg/L和3 mg/L為溶解氧的報(bào)警上、下限，8.5和6.5為pH的報(bào)警上下限。從圖7中可以看出，先把溫度傳感器放在常溫水中，顯示數(shù)據(jù)在20～30 ℃之間，然后在水中慢慢加入熱水，當(dāng)水溫超過30 ℃時(shí)，開始報(bào)警，紅燈閃爍，并在界面顯示報(bào)警無線傳感器節(jié)點(diǎn)編號(hào)和報(bào)警參數(shù)。

3.3 ?誤差分析

以pH為例進(jìn)行測試系統(tǒng)誤差分析。采用鄰苯二甲酸氫鉀、混合磷酸鹽、硼砂3種標(biāo)準(zhǔn)測試溶液，進(jìn)行pH測試比較。測量誤差最大值為0.381，平均相對(duì)誤差為2.22%。試驗(yàn)研究證明，溫度測量誤差范圍在-1.58～2.06 ℃，平均相對(duì)誤差為3.40%;溶解氧測量誤差最大值為0.50 mg/L，平均相對(duì)誤差為4.52%。

本系統(tǒng)3個(gè)測量參數(shù)平均相對(duì)誤差均小于5%，達(dá)到了設(shè)計(jì)要求，可以滿足淡水魚養(yǎng)殖環(huán)境參數(shù)監(jiān)測的實(shí)際需要。研究表明，傳感器的非線性誤差、測量環(huán)境的不穩(wěn)定性、電磁噪聲的干擾等是造成測量誤差的主要原因。

4 ?結(jié)論

采用ZigBee技術(shù)、傳感器技術(shù)和CC2530芯片，完成了信號(hào)傳感、信號(hào)調(diào)理、數(shù)據(jù)采集和無線數(shù)據(jù)收發(fā)等硬件設(shè)計(jì)，進(jìn)行了系統(tǒng)軟件、無線傳感器節(jié)點(diǎn)軟件及通信軟件設(shè)計(jì)與系統(tǒng)調(diào)試，實(shí)現(xiàn)了淡水魚養(yǎng)殖環(huán)境參數(shù)監(jiān)測功能。根據(jù)水環(huán)境中各類參數(shù)變化等信息，通過傳感器感測信號(hào)，綜合分析判斷水質(zhì)參數(shù)對(duì)魚類生長的影響。如果有影響，則通過上位機(jī)監(jiān)測界面向養(yǎng)殖人員發(fā)出報(bào)警信號(hào)，以便及時(shí)采取處理措施。本系統(tǒng)無線傳輸距離可達(dá)100 m，無線傳感器節(jié)點(diǎn)若選配CC2530-CC2591模塊[10]，可將無線傳輸距離增大到1 000 m左右，以擴(kuò)大網(wǎng)絡(luò)監(jiān)測覆蓋范圍。

在數(shù)據(jù)采集中，采用ZigBee技術(shù)構(gòu)建的低成本、低功耗的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)克服了有線傳感器網(wǎng)絡(luò)的局限性;在監(jiān)測區(qū)域布置多個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)，在單一傳感器節(jié)點(diǎn)故障后，可以依據(jù)其他正常的傳感器節(jié)點(diǎn)提供信息，保證了整個(gè)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)正常工作，延長了系統(tǒng)的使用壽命;在一個(gè)無線傳感器節(jié)點(diǎn)上集成溫度、溶解氧、pH 3種類型傳感器監(jiān)測淡水魚類養(yǎng)殖環(huán)境參數(shù)，實(shí)現(xiàn)了多傳感器信息有效融合，降低了系統(tǒng)硬件成本投入，提高了監(jiān)測數(shù)據(jù)可靠性，增強(qiáng)了系統(tǒng)決策的科學(xué)性。

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