基于物聯網的水質監測系統設計

姜 莉，曾寶國

（四川信息職業技術學院 四川 廣元628000）

在水產人工養殖的過程中，為了給魚類創造適宜的生長環境，需要及時、準確地掌握水質參數。傳統的水質檢測方式通過查、品、嗅、試紙測試等形式開展，時效性和準確性都不高。本系統借助物聯網信息化技術手段，實現對對養殖水環境中對魚類生長發育極為重要的4個參數：水溫、酸堿度、溶氧量和水位進行實時監測與控制，從而降低魚類發病率，提高水產養殖效益。

1 工作原理

本設計采用感知控制層、傳輸通信層、應用服務層三層架構設計,如圖1所示。在水源地布置多個水上節點（水質信息采集節點、水面視頻采集節點、水質反饋控制節點、ZigBee無線網關），通過水質信息采集節點實時采集PH值、水溫、水位、溶氧量等水質參數，通過ZigBee終端節點上傳給無線網關，由后者送入PC處理，然后送入服務器；并同時通過IP Camera（網絡攝像機）采集水面視頻信息，由 WiFi方式送入（移動）服務器。運行于服務器上的信息管理系統對數據進行統計、分析，并根據養殖用水管理要求實時預警、告警，并能自動下發控制指令到無線網關，然后由ZigBee網絡下發指令到水質反饋控制節點，啟動增氧機或PH值調節設備、水泵等，實時調節養殖用水參數。管理人員可通過PC、平板電腦或PDA等方式可獲取實時水質數據，并對設備進行遠程控制。

圖1 系統功能框圖Fig.1 System function

2 硬件設計

2.1 無線傳感器網絡通訊模塊設計

本系統無線傳感器網絡通訊模塊以TI公司CC2430為核心，主要包括CC2430最小系統、電源電路、射頻電路和IO口接口電路等部分，其中射頻部分電路原理如圖2所示。

由于本系統工作在2.4 GHz頻段，因此PCB設計需重點考慮分布參數的影響。本模塊PCB參考TI公司DataSheet設計，采用外置SMA天線，以提高傳輸距離。

圖2 射頻電路原理圖Fig.2 Principle of RF circuit

2.2 傳感器選型

以養殖用水為例，一般需要對水環境中的PH值、水位、溶氧量、溫度等基本參數進行監測[1]。本系統選用北京聯創開發的、具有測溫和溫度補償功能的PHl0、TSIO、WLIO、DOIO 4類智能傳感器來對水的PH值、水位、溶氧量、溫度等參數進行監測。4類傳感器均可通過RS485總線接收來自外部MCU的控制指令，然后返回測量參數，因而可以大大簡化感知層的設計工作。

3 軟件設計

3.1 感知層子系統

本系統的無線網絡基于Z-Stack協議棧完成，由于監測點不多、分布范圍較窄，故采用星形網絡拓撲結構。無線傳感器網絡中各終端節點與智能傳感器間通訊的協議幀格式如表 1、2所示。

表1 傳感器通訊協議[下行鏈路]Tab.1 Sensor communication protocol[down-link]

表2 傳感器通訊協議[上行鏈路]Tab.2 Sensor communication protocol[up-link]

3.2 傳輸層子系統

ZigBee無線網關用于完成管理控制、協議轉換以及數據轉發功能，可以支持WSN網絡數據協同和匯聚，并支持ZigBee,GPRS,TCP/IP 接入[2]。

網關的工作流程如圖3所示，系統加電啟動后，首先初始化應用程序。GPRS交互模塊通過發送AT指令啟動GPRS模塊，設定串口的通信速率，建立socket連接準備數據通信；TCP交互模塊后者通過讀取配置信息，建立socket連接,兩者均提供統一接口，主程序選擇啟動其中一項[3]。網關初始化完畢后監聽網絡，等候外部事件中斷的產生，并通過判斷響應的類型進行相應的數據轉發動作。若接收到以太網數據，則判斷是否為管理平臺下達的命令，如果是則對命令進行進一步判斷；若此命令為獲取網關側信息的命令，則調用管理平臺交互模塊發送信息給管理平臺；若此命令為下達給傳感網的傳感網命令，則對命令進行協議解析后，調用串口讀寫模塊將命令發送給匯聚節點。類似的，若通過匯聚節點獲取到了傳感網數據，則對傳感網數據進行協議解析后，調用交互模塊將數據發送給管理平臺[4]。

圖3 網關工作流程Fig.3 Work flow of gateway

3.3 應用層子系統

應用層水質監控信息管理系統采用B/S架構設計，通過WebService提供面向ZigBee/GPRS網關和用戶的服務。應用層數據決策由專家數據庫系統實現，它由知識庫、推理機、解釋器、人機界面、數據庫管理系統等組成[5]。主要子系統包括水質環境監控子系統、專家決策及知識查詢子系統、系統配置子系統、在線技術支持子系統等。

4 結束語

綜上所述，本文首先闡述了基于物聯網的水質監測系統的設計原理，然后從硬件和軟件兩個方面分析了系統的設計。在系統測試過程中，對水質監測系統的準確性和實時性進行測試，測試結果表明該系統能每隔半個小時自動對水質參數測量記錄,實現水質的長時間在線測量,最遠中繼傳輸距離達1.5公里，該系統還可根據實際需要增減終端節點，實現多參數監測及反饋控制,具有良好的擴展性及實用價值。

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