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水产养殖无线监控系统
刘星桥， 桂芬
(江苏大学电气信息工程学院, 镇江 212013)

摘要—水产养殖监测环境具有区域内监测点数量多、监测时间长、监测情况复杂等特点，针对传统环境监测方案遇到的布线困难、成本高等问题，设计了一种基于ZigBee协议的水产养殖监控系统。实现了对溶解氧、PH值、温度等多参数的采集、处理和显示，并通过无线网络实现了传感器检测节点和协调器节点之间数据快速、准确的传输，进而对多参数进行实时远程监测。本系统结构简单，数据传输速度快，功能易扩展，网络自组织、自愈能力强，适用于工厂化水产养殖、水环境、智能温室等诸多领域。
关键词：溶解氧；PH；温度；cc2430；ZigBee
1. 引言
在现代化水产养殖场中，池塘水的环境条件不仅极大地影响鱼类生长的安全， 而且直接影响鱼类养殖的产量，因此为了提高水产养殖的自动化和智能化程度，对养殖水体进行温度、 溶解氧、透明度、 盐度及PH等参数进行自动监测和控制是十分必要的[1]。为了提高工厂化养殖水平，自 20 世纪 90 年代以来, 国内一些省市先后从国外引进了一批现代化的工厂化养殖设备及控制系统。但是这些设备和系统价格昂贵, 运行成本高, 在国内推广普及困难[2]。而且， 以往的水产养殖监控网络通常采用传统的数据通信网络系统， 不具备开放性和互联性[3]。 随着智能监控技术的发展，为了进一步提高水产养殖远程在线监控系统的可靠性、 抗干扰性和灵活性，本文设计了一种基于Zigbee协议[4]的无线多参数监控系统，该系统采用Chipcon公司生产的无线收发芯片cc2430和利用无线通信技术构建无线网络，无需布设任何线路，自动组网， 成本低廉，网络的自组织和自愈能力强，采集的数据可以通过液晶和监控画面实时监控，有效地实现了对水环境和水产养殖中各种参数的检测。
2. 设计方法
2.1. ZigBee 技术简介
ZigBee技术是一种具有低速率、 近距离、 低功耗、 低复杂度、 低成本、 通信可靠、 网络容量大等特点的无线网络通信技术，是针对小型设备的无线联网和控制而制定的协议规范，拥有一套非常完整的协议层次结构，由 IEEE 802.15.4和 ZigBee 联盟[5]共同制定完成。它工作于免付费和免申请的 2.4 GHz ISM 频段，具有电池寿命长、应用简单、可靠性高及组网能力强等特点。基于ZigBee的无线传感器网络通常由 3种节点设备组成：协调器、路由器和终端设备。网络中只有一个节点作为协调器，负责网络的组织和维护，其他节点可作为路由器和终端设备。路由器负责网内信息的路由，终端设备是实现传感功能的节点，其中协调器和路由器还具有允许设备加入或离开网络的功能[6]。ZigBee网络支持 3种拓扑结构：星型网 ( star)、 树型网 ( tree)和网状网(mesh) ，可根据实际应用选择不同的网络拓扑结构[7]。
2.2. 系统硬件电路设计
本设计中选用了Chipcon公司最新推出的符合IEEE802.15.4标准的SOC系统芯片cc2430，它结合了一个高性能射频收发器核心CC2420和一颗工业级小巧高效的 8051 控制器[8]。根据水产养殖监测现场的环境，采用如图1所示的无线监控系统结构总框图。该监控网络由若干协调器节点、若干传感器节点、若干控制节点和一个监控中心组成。协调器节点和覆盖范围内的传感器节点采用能量消耗最低的星形网络拓扑结构。其中协调器节点是传感器节点、控制节点与监控中心之间连接的桥梁，所有采集数据均通过协调器节点发送到监控中心，而控制指令则由监控中心发出后通过协调器节点发送给控制节点，驱动执行机构执行控制任务。

图1 无线监控系统框图
在该无线监控系统中，传感器节点将采集到的水环境参数模拟信号送到的CC2430的微控制器部分进行A/D转换（cc2430具有 8 路输入8～14位 ADC），转换后的数字信号再经过计算处理，得到实际参数值，通过CC2430的无线射频部分发送出去，工作原理如图2所示。协调器节点的无线收发部分接收到数据后送到LCD和上位机监控软件显示，工作原理如图3所示。

图2 传感器节点系统框图

图3 协调器节点系统框图
2.2.1. 溶解氧测量电路
本系统采用极谱式薄膜电极法测量溶解氧，传感器采用DO-952型溶解氧电极。其中，电极的阴极由 4mm 黄金片组成，阳极即参比电极为银片，两极之间充以电解液， 顶端以聚四氟乙烯薄膜覆盖。当阴阳两极间加 0.7V 左右的极化电压后， 渗透过薄膜的氧在黄金阴极上还原，由于电极上发生氧化―还原反应，电子的转换产生了正比于样品中氧分压的电流。无氧时，传感器中无电流；有氧时，溶解氧浓度以电流的形式被送入调理电路[9]。
溶解氧调理电路如图4所示。激励源电路采用正12V供电，D1为2.5V稳压，通过调节P1来获得极谱式覆膜电极所需的0.7V左右的电压（Ag极输出）。传感器信号采用两级放大调理电路，由于该传感器的内阻大，要求前置放大器有较高的输入阻抗，所以第一级采用高输入阻抗的CA3140直流运算放大器匹配进行信号采集，以防止信号衰减并进行电流的第一级放大。Au极输入微安级电流，由于 A/D 转换的输入是电压信号，第二级采用TL082进行I/V(电流/电压)转换及第一级程控可变倍数放大，调整到单片机能够进行A/D转换的电压范围0-5v。

图4 溶解氧检测电路
2.2.2. PH测量电路
本系统采用电位法测量溶液的pH值。pH电极采用上海雷磁公司生产的E-201-C型pH复合电极。其中，玻璃电极作为指示电极，也叫测量电极，其电极电位随溶液中被测量离子浓度的变化而变化，银-氯化银电极作为参比电极，其电极电位不受溶液中待测离子浓度的影响。在25℃时，电极输出电压与pH值的关系为59.16mV/pH。
由于pH测量传感器的内阻大，要求前置放大器有较高的输入阻抗，本系统选用运算放大器CA3140，它具有输入阻抗高、低偏置电流、低噪声、高增益等特点，主要用来完成阻抗匹配、降低测量噪声、提高系统稳定性等。其余普通运放选用LM741[10]。硬件电路如图5所示。由于pH信号比较容易受到外界干扰，其中主要表现为工频干扰，因此信号调理电路中加入了50Hz工频陷波电路[11]，如图3-10中右边虚线框部分。此外，为减小电路板表面漏电流的影响，在电路板上运放CA3140的输入端放置一个金属环，如图4中左边虚线方框所示。
在进行pH值测量之前应该对调理电路进行调试，首先对运算放大器CA3140调零，然后调试整个pH信号调理电路，其调试方法为：断开pH电极的输入，R3居中，原来接pH值信号输入的运放输入端接地，调节R7，使得电路输出为700mv，此时相当于输出的pH值为7；原来接pH输入的运放输入端接-414.1mv的输入电压，调节R3，使得电路输出为1400mv，此时相对于输出的pH值为14，然后pH信号调理电路便可以正常工作了。
图5 PH检测电路
2.3. 系统软件设计
在实际应用中，传感器节点、协调器和上位机的软件设计是最为重要的。传感器节点数据采集采用I2C协议，节点之间的无线通信采用Zigbee协议把传感器节点采集的数据发送到协调器。此外，我们通过使用Visual Basic 6.0编程环境提供的M SComn控件实现上位机和下位机的通信[12]。
2.3.1. 协调器软件设计
协调器程序流程图见图6。协调器在上电初始化状态下，触发按键事件确定设备为协调器，启动一个Zigbee网络，然后进入网络监听等待状态。当收到子节点入网请求后，为其分配网络地址，并向子设备发送入网确认消息，建立绑定连接。随之，协调器等待数据请求，当接收到传感器节点发送的数据信息之后，对数据包进行分析，确认该信息为数据信息后，将数据送到液晶和上位机界面显示。
2.3.2. 传感器节点软件设计
传感器节点的程序流程见图7。传感器节点在上电初始化状态下，触发按键事件确定设备为传感器节点，扫描信道尝试加入合适的网络。成功加入网络后把16位网络地址发送给协调器。若接收到采集数据的信息，则程序开始进入应用层，调用任务处理函数zb_HandleOsalEvent（），触发相应的任务事件函数，例如MY_REPORT_TEMP_EVT事件、MY_REPORT_PH_EVT事件，随之启动A/D采样采集各个参数值。cc2430具有 8 路输入 8～14位 ADC，首先选择采集的输入通道，设置相关的端口和配置寄存器。采集的数据存放到ADCH和ADCL寄存器，等待发送到协调器。

图6 协调器程序流程

图7 传感器节点程序流程
采集温度的部分A/D采样程序如下：
uint8 myApp_ReadTemperature( void )
{ uint16 value;
ADCIF = 0; // Clear ADC interrupt flag
ADCCON1=0x3f;
ADCCON3 =0x32; //choose channel AIN2
while ( !ADCIF ); // Wait for the conversion to finish
value = ADCL;
value |= ((uint16) ADCH) << 8; //Get the result
}
2.3.3. 监控软件设计
协调器通过RS-232串口和上位机相连。Microsoft Visual Basic 6.0作为开发工具，被用在开发上位机的通信程序中，它提供了实现串行通信的多种方法。系统采用Windows系统提供的 MSComm控件来开发串行通信程序，其操作简单，功能强大。使用控件的属性进行串口的设置，控件的事件驱动进行串口响应，控件的方法完成串行口接收和发送数据。我们采用 VB语言编写监控画面，实时监测采集的数据，实现了可视化的人机界面，极大地方便了系统的调试与网络监测。此外，该系统选择SQL server 2000作为数据库，保存每次采集的数据，方便操作者调用历史数据进行分析。图8是参数的历史数据界面，这里给出的是溶解氧和温度的历史数据。由图可见，我们可以自由的选择需要的参数的某时间段的历史数据，同时可以看到该时间段的最大值、最小值和平均值。图9是某时刻采集的参数数据的画面。
串口通信协议的主要程序：
Void init UART(void) // Setup for UART0
{ IO_PER_LOC_UART0_AT_PORT0_PIN2345();
SET_MAIN_CLOCK_SOURCE(CRYSTAL);
UART_SETUP(0, 57600, HIGH_STOP);
U0CSR = 0xC5;//allow receiving
UTX0IF=1;
URX0IF=1;
}
#pragmavector=URX0_VECTOR__interrupt
void URX0_IRQ(void)//URX0_VECTOR
{char c ;
while(!URX0IF);
c=U0DBUF;
putchar(c);
URX0IF=0;
}

图8历史数据界面

图9 数据实时曲线
3. 实验结果
本文通过比较标准数据和观察的数据来测试系统。三个参数的实验数据被列举在表1中。与标准数据相比，传感器节点测量值的相对误差小于1%。经过幅值稳定，滤波和温度补偿的过程，错误被限制在要求的范围内。
表1参数的实际值和标准值的比较

参数
标准值
传感器节点数据
协调器节点数据
主机数据
实际值
相对误差
实际值
相对误差
实际值
相对误差
PH
4.00
3.98‰
-0.50%
3.98‰
-0.50%
3.98‰
-0.50%
6.86
6.88‰
0.30%
6.88‰
0.30%
6.88‰
0.30%
9.18
9.22‰
0.40%
9.22‰
0.40%
9.22‰
0.40%
溶解氧
8.1
7.90
-2.5%
7.90
-2.5%
7.90
-2.5%
8.0
7.88
-1.5%
7.88
-1.5%
7.88
-1.5%
7.8
8.01
+2.7%
8.01
+2.7%
8.01
+2.7%
7.0
7.21
+3%
7.21
+3%
7.21
+3%
6.5
6.75
+3.8%
6.75
+3.8%
6.75
+3.8%
温度
22.0
22.15
0.6%
22.15
0.6%
22.15
0.6%
25.2
25.32
0.5%
25.32
0.5%
25.32
0.5%
28.1
28.19
0.3%
28.19
0.3%
28.19
0.3%
30.3
30.45
0.49%
30.45
0.49%
30.45
0.49%
32.1
32.3
0.62%
32.3
0.62%
32.3
0.62%

在该系统中，对于PH和溶氧的测量均考虑到了温度补偿，测量精度和控制精度都能控制在技术指标范围内。同时，在数据通信过程采用了无线方式，克服了有线通信的缺点。由上表可得，通信错误接近于零，这表明网络通信稳定和可以满足设计要求。该系统还在江苏省镇江市扬中的水环境养殖场进行了应用试验，其无线监控系统如图10所示，对水环境参数进行检测控制，溶解氧，PH和温度的日变化量被列举在表2中。由数据可见，各个参数变化非常的稳定，温度变化在+0.5℃范围内，溶解氧变化量稳定在+0.4mg/L，PH变化很小。系统在现场环境下运行稳定，实现了对溶解氧、PH和温度等水产养殖环境参数的准确检测控制和无线传感器网络通信功能。另外, 还可明显节约能源和降低养殖成本。

图10 水产养殖无线系统
表2 参数值的日变化

参数
时间
0
2:00
4:00
6:00
8:00
10:00
12:00
14:00
16:00
18:00
20:00
22:00
温度(℃)
25..2
24.9
24.6
24.4
24.8
25.0
25.3
25.4
25.5
25.3
25.2
25.1
溶解氧 (mg·L-1)
7.2
7.3
6.9
6.8
6.6
6.7
7.0
7.1
7.3
7.2
6.9
7.1
PH
6.35
6.36
6.37
6.38
6.37
6.38
6.39
6.40
6.41
6.40
6.39
6.38

由数据可见，各个参数变化非常的稳定，温度变化在+0.5℃范围内，溶解氧变化量稳定在+0.4mg/L，PH变化很小。系统在现场环境下运行稳定，实现了对溶解氧、PH和温度等水产养殖环境参数的准确检测控制和无线传感器网络通信功能。另外, 还可明显节约能源和降低养殖成本。
4. 讨论
4.1. 实验1：点对点有效传输距离
由于本系统涉及的应用领域是水环境多参数监测，无线模块之间的有效通信距离对整个监测系统至关重要，因此本文设计了点对点有效传输距离的测试实验。由于外部环境等诸多因素对无线通信的影响都很大，所以为了准确测试无线模块的性能，测试实验选在较晴朗的天气，地点选在相对较空旷的学校操场进行。测试设定要求丢包率小于2%，天线类型为杆状天线，接收灵敏度为-94dBm，发射功率设为0dbm(1mW)，发射频率为2.450GHz。图11所示为点对点无线通信模块传输距离和丢包率的关系图。

图11 传输距离和丢包率的关系图
根据以上图表实验结果分析，通信距离主要受以下几个因素影响：接收灵敏度，工作频率和传输损耗。接收灵敏度用dBm来表示，它是以1mW功率为基础的绝对功率，是接收功率的量纲。定义为：在保证所要求的误比特率的条件下，接收设备所需要的最小输入功率。
（5-1）
其中：PR为接收灵敏度，Pmin是在给定误比特率的条件下，接收设备能接收的最小平均功率。
自由空间传播时的无线通信距离的计算公式为：
（5-2）
式中Lfs为传输损耗，d为传输距离，频率的单位为MHz。
自由空间传播指天线周围为无限大真空时的电波传播，它是理想传播条件。电波在自由空间传播时，其能量既不会被障碍物所吸收，也不会产生反射或散射。
在本系统中，由于发射功率为0dBm，接收灵敏度为-94dBm，所以最大的传输损耗为94dBm，f =2450MHz，可计算出理论最大传输距离为498.6m。假定大气、遮挡等造成的损耗为15dBm，可以计算出通信距离为88.7m。实际测试的结果和理论计算值也比较符合。
4.2. 实验2： 基于有效传输距离的最小发射功率
在无线传感器网络的监测系统中，传感器节点一般都由电池供电，因此能耗对无线传感器网络来说是个至关重要的因素。在整个系统的设计中都必须考虑到能耗的问题。所以本文设计了基于有效传输距离的最小发送功率的测试实验，这个实验的目的一方面是测试无线通信模块的性能，另一方面是在当检测区域已知的情况下，根据无线模块之间有效的点对点传输距离来确定模块的最小发射功率，从而进一步减小功耗，延长整个传感器网络的寿命。实验设定在有效的传输距离内，丢包率应小于2%，天线类型为杆状天线，接收灵敏度为-94dBm，发射频率为2.450GHz。实验结果如图12所示。

图12最小发射功率比较图
根据实验结果，可以分析得出当两个节点间距离小于20m时，图中所示五种发射功率都能够实现可靠的数据传输；当节点间距离小于40m时，有四种发射功率能够实现可靠的数据传输。由于节点能耗会随着发射功率的增大而增大，因此根据上述原理，在有效的传输范围内，可以设置尽可能小的发射功率来节约能耗，延长无线传感器网络网络的寿命。
4.3. 其他考虑
该系统克服了有线通信的缺点，不仅满足可监控需要，而且可以满足水环境监测、工厂化养殖的进一步发展要求。能耗对无线传感器网络来说是个至关重要的因素。为了延长无线传感器网络寿命，一方面我们需要继续降低硬件设备的能耗和软件层的开销，另一方面可以另辟蹊径，例如利用太阳能持续供电，解决能耗问题。此外，需要进一步研究无线传感器网络的通信协议和接口协议，使之能够与Wi-Fi，Internet等主干网相连。
5. 结论
大量测试证明本文设计的系统可以实现高精度的自动温度补偿；具有很强的网络自组织、自愈能力。可以对渔业养殖环境中的水的温度，溶解氧等因子进行24小时的连续监测。由于系统可实现远程监控，即使业主或监测人员不在监测现场，也可以全面了解水环境情况。本文将无线技术应用在智能水产养殖系统中可以提高智能水产养殖检测系统的性能，实现水产养殖环境参数的自动采集，无线传输和实时处理，而且不受地域、 时域的限制，在工厂化水产养殖应用中具有一定的实际意义。与同类产品相比，这种新型多参数监控系统结构简单，精度高，在有效的范围内，数据通信稳定，效率高。该系统克服了有线通信的缺点，可以广泛用于生物发酵工程，水环境检测和水产养殖等方面，其应用前景广阔。
Acknowledgment
该项目来自江苏省自然基金（BK2008228）和江苏省工业攻关项目（BE2006090）），本文作者感谢项目的支持。
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