基于无线传感器网络的水产养殖水质监测系统设计-张莹

3/3基于无线传感器网络的水产养殖水质监测系统设计_张莹2016年10月第31卷第19期

渭南师范学院学报

JournalofWeinanNormalUniversity

Oct．2016

Vol．31

No．19

【现代应用技术研究】

基于无线传感器网络的水产养殖水质监测系统设计

张莹，肖令禄

（渭南师范学院数理学院，陕西渭南714099）

张莹，肖令禄：基于无线传感器网络的水产养殖水质监测系统设计第31

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图1系统总体设计方案

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主要硬件选型及电路设计2．1水质监测传感器选型

水产养殖过程中需要对水温、溶解氧、

pH值和盐度等主要水质指标进行监测。以鲢、鳙、草、鲤、鲫等温水性鱼类养殖为例，其适宜水温为20?32?，溶解氧不小于3mg/L，pH值介于7．58．5之间，盐度不

高于3?［4－5］。目前，国内市场上销售的水质传感器包括单一参数检测传感器和多参数检测传感器两大类。设计中选用上海质晶电子科技有限公司的JF－D400A型四合一多参数水质传感器，该传感器工作电压+5V/+12V可选，支持ＲS485和MODBUS总线通讯协议，采用电极和变送器一体化设计，防水等级IP68，可直接投入水中，通过匹配参数的选择，可实现温度、pH值、溶解氧和盐度等4种参数的测定，具有测量精度高，响应速度快、重复性好、安装调试方便等特点。

2．2ZigBee节点设计

ZigBee无线通信网络中的汇聚节点和终端节点在电路结构上是一样的，设计中选用网蜂科技的Zig-Bee串口透传模块。该模块采用TI公司的CC2530F256作为主控芯片，运行Z－stack2007PＲO协议栈，工作在免费的ISM2．4GHz频段；具有Debug接口，兼容TI标准仿真工具，引出了全部的I/O接口，便于同各种传感器监测电路、继电器控制电路相连接；包含天线接口及巴比伦匹配电路，使用2．4G全向天线，射频通路指标优良，可靠传输距离最远可达250m，自动重连距离达110m。考虑到室外监测的需要，节点采用太阳能板和7V锂电池供电，通过LM7805和LM1117分别得到5．0V和3．3V直流电压，其中5．0V用于

为水质传感器供电，3．3V为CC2530供电，具体电路见

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渭南师范学院学报图2中，专用集成芯片MAX13487用于完成ＲS485到3．3VTTL电平的转换，

Ｒ7、Ｒ8、Ｒ9、L1、L2、D1、D2、D3等组成ＲS485总线匹配电路，U1和U2两个光耦用于ＲS485总线和CC2530的隔离，Ｒ2和Ｒ3构成电压采集电路，以分压的方式将电压信息传输至CC2530的P0．0口进行采样。

2．3嵌入式网关设计

网关是水质监测系统的控制核心，负责实现数据的存储、处理和转发，主要由AＲM微处理器、华为EC12613G模块、存储单元、电源管理单元和人机交互接口等组成，如图3所示。为降低系统开发难度，设计中选用友善之臂的Micro2440开发板，该开发板的核心处理器采用三星公司的S3C2440，板载64M的SDＲAM和256M的NANDFlash，一个USB接口用于连接3G模块，两个UAＲT接口分别用于连接汇聚节点和上位机。汇聚节点传送过来的传感器数据经处理后保存到存储单元中，并通过3G模块传输到远程监控中心。同时，网关中移植了嵌入式Web服务器Boa，用户可以通过手持终端或计算机实现监测数据的远程实时访问

。

图3嵌入式网关硬件结构图

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软件设计3．1ZigBee

无线通信网络软件设计

（a）协调器程序流程

（b）终端节点程序流程

图4ZigBee网络程序流程图·

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设计中ZigBee无线通信网络包含1个网络协调器和4个终端节点，采用星型网络拓扑结构，软件设计在IAＲEmbeddedWorkbench环境下完成，用C语言开发，协议栈选用TI公司的ZStack－CC2530－2．3．0．

1．4．0，整个设计过程基于SampleApp．eww工程进行。

协调器作为数据汇聚节点不采集水质数据，主要负责网络的建立和管理，侦听并等待终端节点加入网络，对已加入网络的终端节点分配地址，接收来自于节点的传感器数据并通过UAＲT1发送到网关，软件设计流程如图4（a）所示。终端节点在上电后将自动搜索并加入区域内的ZigBee网络，以30min时间间隔周期性地采集传感器数据并以无线射频的方式发送给协调器，每次采集完成后关闭传感器电源并进入休眠状态以减少能耗，当下一次采集时间到，节点将自动唤醒并开始新一轮采集工作，流程如图4（b）所示。

3．2网关软件设计

网关软件设计包括操作系统和应用程序两部分［8］，

其体系结构如图5所示。考虑到Linux内核良好的性能和开源特性，选用嵌入式Linux作为网关的操作系统。主要设计内容包括BootLoader的移植、

Linux内核的配置、3G模块及其他外围硬件设备驱动程序的添加、内核的编译及下载等。应用程序主要完成

ZigBee网络数据的汇集、数据存储、处理及3G网络数据转发等，同时，通过移植嵌入式Web服务器Boa，便于用户通过网络实现远程监测

。

图5嵌入式网关软件体系结构

4实验结果

系统测试于2016年7月中旬在陕西渭南市渭北某鱼塘进行，

实验过程中在75m?52m大小的鱼塘中部署4个传感器节点，设置每隔30min采集并发送一次数据，自上午9?00至12?00连续监测3小时，其中，节点1的测试结果如表1所示。

表1

测试结果水温/?

pH溶解氧/mg·L－1盐度/mg·L－1

T1

23．67．523．965．02T2

23．67．533．985．04T3

23．87．523．955．02T4

24．07．514．055．00T5

24．37．524．085．02T624．47．534．055．04实验结果表明，该鱼塘水质符合养殖标准，适宜鲤鱼、草鱼、鲫鱼和白鲢等温水性鱼类的生长。

5结语

本文使用无线传感器网络技术ZigBee完成了水产养殖水质监测系统的设计，该系统使用CC2530组

建无线数据传输网络，通过分布于养殖水域的传感器探测节点，获取水温、pH值、溶解氧和盐度数据，将汇

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