基于無線傳感網的原生態水產養殖監控系統

單正婭

(無錫職業技術學院,江蘇 無錫214121)

20世紀80年代以來，我國水產養殖逐步從原生態的池塘養殖走向了工業化養殖。雖然工業化養殖具有穩產、高產、耗水少等優點[1-2]，但在環境保護與食品安全日益重要的今天，原生態養殖又重新獲得了重視，而建立完善的數字化水產養殖系統是原生態水產養殖的發展趨勢。

本文以江陰某養殖基地的原生態魚塘為研究對象，開發了一套無線監控系統，實現了養魚過程的全數字化智能測控，以獲取環境和效益的“雙贏”。

1 魚塘設計

魚塘采用鋼板焊接成空心圓柱形，圍成一個長方體，在長方體的四周用漁網構造杯狀魚塘，利用空心圓柱的浮力讓魚塘漂浮在江心。為了養殖多種魚類，將魚塘分割成多個長方形區域，在安裝時讓水流方向垂直于網箱長邊，使得更多的浮游生物可以通過，實現原生態養殖。

2 控制系統結構

系統以魚塘為監控對象，由PC機監控中心、無線傳感網絡單元、控制單元等3部分組成，如圖1所示。

3 傳感器節點設計

傳感器節點是水產養殖控制系統的基本構成單元。節點將魚塘的實時信息通過無線通信網絡傳送給PC機，PC機得到相關的數據并對其進行分析處理、信息顯示及存儲。

傳感器節點的設計主要考慮以下幾個因素：(1)能夠采集水的溫度、溶解氧、PH值及鹽度等數據；(2)節約電能，延長節點電源的使用時間，并減少系統安裝和維護費用；(3)充分利用無線網絡、新型傳感器等高新技術，實現養殖系統的遠程監控和科學管理。

出于低功耗、低成本的考慮,本系統采用8位AVR單片機ATmega16作為主控芯片，同時結合TI公司的CC2530作為ZigBee射頻通信收發芯片。傳感器節點總體結構框圖如圖2所示。

3.1 鹽度傳感器模塊電路

本文采用DJS-1型電導電極，用交流分壓法測量鹽度；采用RC串并聯正弦波信號發生器，產生一定頻率和幅值的正弦信號作為測量電源。傳感器Rx與電阻R8構成分壓電路。由于不同濃度的鹽溶液導電性不同，電極兩端反映的電阻值不同，從而分壓電阻兩端的分壓值不同。分壓電阻兩端的正弦波電壓信號先放大，然后經二極管橋式整流和電容濾波后輸出穩定的直流信號，再送入單片機進行處理。測量變換電路如圖3所示。

3.2 PH值傳感器模塊設計

該檢測模塊使用的電極是PH復合電極YZ-3，PH值測量輸入電路如圖4所示。由于PH測量傳感器的內阻大,要求前置放大器有較高的輸入阻抗,因此系統選用運算放大器ICL7650，它具有超低失調、超低漂移、高增益、高輸入阻抗的特點。

3.3 溶解氧傳感器模塊

為了研究溫度與溶解氧補償關系模型，在氣壓恒定的條件下，對蒸餾水溶氧量進行試驗[3]，表1給出了溫度T、氧溫系數Kt與飽和溶氧的數據關系。由測得的溶氧數據，利用Matlab擬合出氧溫系數與溫度的關系式：

其中，Vt為調理電路傳送來的電壓值。

4 電源電路設計

無線傳感器網絡節點的供電設備由電池負責，但是其存在能量限度的問題，因此在保證系統硬件設備的低功耗前提下，節點的電源管理非常重要。為適應傳感器節點體積小的特點,選用CR2032紐扣電池作為電源,用升壓轉換器MAX856管理電源，如圖5所示。MAX856可接收0.8 V～6 V輸入電壓,即使在電池電量相對不足的情況下仍能驅動該芯片，其輸出可選5 V和3 V兩種輸出電壓,本設計選擇3 V輸出。

本文設計了基于無線傳感網絡的數字化原生態養殖監控系統,可對環境因子進行全程監控[4]。該系統具有低成本、通用化、維護方便等優點,且系統的設計思想與方法對原生態水產養殖具有重要的參考意義。

表1 溶氧電壓與溫度的關系

[1]徐賽,趙德安，謝代峰.基于 LON總線的水產養殖多環境參數測控系統[J].農機化研究,2006(4)：117-119.

[2]龔振宇,龐全,李世忠.基于 89C51的水產養殖多環境參數測控系統[J].機電工程,2009,26(4)：71-73.

[3]李成春.基于CC2430無線多參數傳感器檢測網絡的設計[D].江蘇：江蘇大學,2010.

[4]史兵,趙德安,劉星橋，等.工廠化水產養殖智能監控系統設 計 [J].農 業 機 械 學 報,2011,42(9)：191-196.