水环境监测 开题报告2.doc

南京邮电大学通达学院毕业设计(论文)开题报告题目水产养殖环境监测系统的设计学生姓名班级学号专业通信工程（嵌入式系统开发）1 对课题任务的学习理解 本次任务需要设计一个针对水产养殖环境（溶解氧浓度、PH值、透光度、无机盐含量、水温）的监测系统。1、 实时监测池塘内水温、溶解氧浓度、PH值、透明度等参数，要求采用低功耗方案，各个节点与岸上节点一起，构成无线传感器网络；采用基于Si1000芯片的短距离无线通信模块，各个节点具有防水功能；2、 系统中配有渔用自动增氧机，当监测到溶解氧浓度低于设定门限值时，可以自动开启设备；高于设定门限值时，可以自动关闭；3、 系统中配有自动投饵设备，到设定时间点，可以进行鱼饵的自动投放；4、 系统中配有带3G通信接口的无线传感器网关，该网关一方面与各个传感器节点通信，同时通过3G无线通信接口与外部网络相连，管理者通过手机或网络，可以查询到系统的状况（被监测参数、设备状况等）；5、 设计无线节点间的路由方式、通信协议和系统的主要工作流程。6、 预留WiFi接口、视频监控接口。 类型是系统设计。其主要任务是通过对网关和节点的功能、工作流程、节点间通信方式等，还有系统的低功耗供电方式等的设计来完成满足设计要求的水产养殖环境监测系统设计方案。经分析本课题有如下步骤：1、 了解该系统的功能2、 设计出详细的系统图3、 模块与模块间调试其中重点为 第二部分 系统图设计和 第三部分 模块与模块间调试；难点为 第二部分 系统图设计。 经学习，该系统应具有如下功能：能够实行对溶解氧浓度、PH值、水温、透明度等参数的监测与改善，能够自动定时对鱼塘实施投饵，用户能够通过登录网页查看到实地搜集到的参数，观看时实录像，实施各项具体的远程操作，来改善水质，该系统还自带报警保障机制，在超过预警线时会向用户报警，超过警戒线时，会自动反馈消息开启机器，直到水环境重新回到正常。2 文献资料调研综述对于本课题，我进行了如下调研：网上进行国内、外期刊论文检索和阅读，了解当前国内、外发展现状。主要登陆了百度文科，IEEE, CNKI中国知识资源总库网站和导师提供一些参考文献。由于水产养殖对水环境稳定正常的依赖，一个稳定、低耗、高效的多功能水产养殖环境监测系统适应了市场的需求，前景明朗。在这基础上，我设计了该系统，系统图如图1。图1 水产养殖环境监测系统作为一个监测系统，水质监测是其最最基本的功能。经过各种资料的查看，监测系统最终决定采用Si1000芯片来完成设计。Si1000 工作电压为1 8 3 6V，使用单节电压为3V 的纽扣电池即可工作; 有5 种电源管理模式( 正常模式、休眠模式、空闲模式、关闭模式和暂停模式) ，正常模式下，Si1000 的省电架构能将工作电流减小到160A/MHz; 典型休眠模式下电流仅为315nA; 对于深度休眠模式，在保存完整RAM 数据的情况下，可在低至25nA 的情况下正常运行。此外，Si1000 支持快速唤醒功能; 内部集成了2 个分别适用于休眠和正常模式的欠压检测器; 包含1 个DC /DC 升压转换器，RF 接收和发射周期内的效率为90%，效率较高。图2 Si1000 芯片内部结构图Si1000 内部结构如图2 所示。其中的微处理器MCU 兼容8051 指令系统，采用流水线指令， 70% 的指令的执行时间为一个或两个时钟周期，最高速度达25MIPS; 有4 KB 的RAM; 64 KB 可在线编程的Flash，可用于非易失性数据存储，并允许现场更新8051 固件; 片上集成的外围接口和器件有UART、SPI、SMBus /I2C、4 个通用定时/计数器、PCA、WDT、电压比较器和10bitA/D 转换器等，以及具有非侵入式全速在线系统调试的C2 开发接口; 可以满足不同应用对微控制器的不同要求。收发模块EZRadio-PRO Transceiver 内部集成分集式天线功率放大器、唤醒定时器、数字调制解调器、常用的A/D 转换、64字节的发送和接收数据缓冲寄存器( FIFO) ，以及可配置的GPIO、自动频率校准及可编程包处理等。Si1000 的接收灵敏度为 121dBm，可提供较佳的链路质量，在不加功率放大器时的最大输出功率达+20dBm，设计良好时收发距离最远达2km; 具有FSK、GFSK 和OOK 三种调制模式，最高数据传输速率256kbit /s，适应了系统的硬性要求。Si1000 可以通过对寄存器75h、76h、77h 的设置在240 960 MHz 范围内灵活选择所需频段，这里选用的中心频率为915MHz，此时寄存器75h、76h、77h 对应的初始化值为75h、BBh、80h。通过1Ch、1Dh、6Eh、6Fh 等寄存器，可对RF 控制字( 主要是频率、传输速度、传输方式等) 进行设定。无线发送程序流程如图3 所示。Si1000 初始化完成后，配置寄存器写入相应的初始化RF 控制字。接下来，通过配置Si1000 的寄存器3Eh 来设置包的长度，通过连续写寄存器7Fh，向TX FIFO 写入所要发送的数据。然后打开 发送完中断允许 标志，将其他中断都禁止。当有数据包发送完时，引脚nIRQ被拉低产生一个低电平，通知微处理器数据包已发送完毕。中断使能完成后，启动发送功能，开始发送数据。等待nIRQ 引脚因产生中断而拉低，当nIRQ引脚变为低时读取中断状态并拉高nIRQ，否则继续等待。如果数据发送成功，LED2 指示灯亮。一次数据发送成功后，进入等待下一次数据发送状态。图3 无线发送程序流程图无线接收程序流程如图4 所示。程序完成Si1000 初始化后，配置寄存器写入相应的初始化RF控制字。通过访问寄存器7Fh 从RX FIFO 中读取接收到的数据。相应的控制字设置好之后，若引脚nIRQ 变成低电平，表示Si1000 准备好接收数据。完成这些初始化配置后，通过读寄存器4Bh 读取包长度信息。然后，打开 有效包中断 和 同步字检测中断 ，将其他中断都禁止。引脚nIRQ 用来检测是否有有效包被检测到，若引脚nIRQ 变为低电平，表示有效数据包被检测到。接收模块通过检测同步字来同步接收数据。最后，使能接收功能开始接收数据。等到nIRQ 引脚电平因产生中断而被拉低时，读取中断标志位并复位nIRQ 引脚信号，使nIRQ恢复至初始的高电平状态以准备检测下一次中断触发。数据接收完后，微处理器进行相应处理，将数据转发或通过调试接口显示在PC 机上的调试软件上，随后进入下一次数据接收状态。图4 接收程序流程 该系统的另一项主要功能是改善水质，水质受多重方面因素的影响，其主要是：溶解氧浓度、水温、PH值、透光度等。本系统着重多溶解氧浓度、水温、PH值的改善。1、对溶解氧浓度的改善控制系统利用增氧机对氧浓度进行改善对此可以设置一个门限电路，将门限值设置成最佳浓度A，预警浓度B，危险浓度C。浓度在A时正常，浓度在B时预警，将消息传给用户，由用户做出处理，浓度在C时自动开启保障机制，启动增氧机，直到浓度再次打到A。2、对PH值的改善对于PH值的改善，控制系统同样要设置一个门限电路，门限值设置成最佳值A值，过酸型B值，过碱型C值。PH值在A处正常，当PH值达到B或者C时则开启抽水机进行抽水，同时再从附近水域注入新水。直到浓度再次达到A则停止机器。3、对水温的改善设置一个控制电路，由温度传感器发来的信息作为基础，对于不同的温度选择抽水或注水，依然设置三个门限，最佳温度A，过热温度B，过冷温度C，当水温达到B或者C时，都进行注水，知道水温重新达到A。该系统还有自动定时喂养饲料的功能： 利用一个固态继电器电路作为投饵机的开关，同时设置一个定时电路，将固态继电器接入，实现定时开关，另外设置一个门限电路，另投饵机仓库内饲料的重量值为门限值，门限为满饵重量A，缺饵重量B，当投饵机仓库内饲料的重量下降到B时，向用户发出提示信息，同时自动开启饲料库与投饵机自带的仓库间的通道自动增饵，当数值达到A时，自动关闭通道。该系统能够正常运行需要一个完整运行的信息传递网络，对于这个网络的设计，我准备将一个接入ADSL网络的无线AP作为主控制中心，建立一个无线传感器网络（简称WSN，其结构如图5），一个完整的 WSN 由大量具有数据采集功能的传感器网络节点（简称Node），一个或多个网关节点（简称SINK）及监控中心组成，将各个传感器通过直接接入网络（距离无线AP较近的）或者通过中继器接入网络（距离无线AP较远的），中继器通过并联的方式安置在增氧机，投饵机，抽水机这样的强电电路上，并且和传感器同时运行。同时，将服务器连入WSN。图5 WSN 的体系结构如图6 所示，SINK 主要由控制模块、WSN 协议处理模块、TCP/IP 协议处理模块、PPP 协议处理、WSN 无线模块和CDMA 通信模块组成。SINK 包括WSN协议栈和无线模块的协议栈，其中WSN协议栈采用了IEEE802.11n 定义的物理层和MAC 层。如图7，PDSN 是指分组数据服务节点，从互联网的角度来看，它是一个路由器，并根据移动网的特性进行了增强。Um 为SINK与RN 的空中接口，它由物理链路、MAC（媒体访问控制）、LAC（链路访问控制）组成。RN 和PSDN 间的接口，即R-P接口，在CDMA2000 系统中被看作A 接口的一部分，叫作A10 和A11。PPP 协议（点到点协议）是IP 协议集中的一个重要组成部分，它完成拨号功能，建立SINK 与无线模块核心网的点对点链路。图6 SINK结构图图7 SINK协议栈模型图所有的基础硬件设施完成后，需要一个信息汇总中心（即用户平台）来设计其客户应用软件，在服务器上运用HTML语言设计一个网页，将信息都做到网页上，并且将它共享到WEB网上，并且设置权限（可以为帐户密码制登录）。为了使使用纽扣电池的控制电路可以控制运行大型机器（如增氧机、投饵机、抽水机）的强点电路，即实现弱电控制强电，就需要设置一个固态继电器电路，由于固态继电器具有隔离的功能，可以实现强弱电的互不影响，从而精确的实现弱点控制强电。该系统还有一些其他辅助功能，例如：1、 远程查景功能摄像头连入到无线网络中，接入定时电路，与传感器同时开启。将拍到的录像超链接到网页专门的模块上，供用户点击观看。2、 资料存档功能采用数据库软件SQL sever建立一个数据库将采集到的数据进行存档统计，并且超链接到网页专门的模块上，供用户点击查看。3 实施方案和进度计划1）第1周第3周：熟悉各种被监测对象的传感原理、Si1000无线收发模块的工作原理，了解设计需求，完成开题报告。2）第4周第5周：确定各个节点的功能、组网方式、低功耗方式、通信协议； 3）第6周第7周：设计出满足功能要求的网关功能、网关主要功能工作流程；4）第6周第7周：编制各种系统功能的工作流程；5）第8周第11周：设计各个系统部件的低功耗供电方式；6）第12周第13周：整理测试数据，撰写毕业论文；7）第14周：准备答辩。4 参考文献 1 周育辉等，基于ZigBee技术的水产养殖环境监测系统，安徽农业科学，2012年第6期。2 朱明瑞等，工厂化水产养殖中的水体参数监测与控制，水产学杂志，Vol.19，No.2，Nov. 2006。3 袁琦等，基于AT89C51水产养殖环境参数自动监测系统设计与实现，农业网络信息，2012年，第4期。4位闯， 水产养殖环境因子监测系统研究，西北农林科技大学，2011年硕士论文。5 Si1000_Technical.pdf ..6 Si1000.pdf. .7 EZM