基于Zig Bee的大水域水質(zhì)環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計*

王士明， 俞阿龍， 楊維衛(wèi)

(1.東北師范大學(xué) 物理學(xué)院，吉林 長春 130000；2.淮陰師范學(xué)院 物理與電子電氣工程學(xué)院，江蘇 淮安 223300)

0 引 言

目前，大水域水產(chǎn)養(yǎng)殖已成為商業(yè)化水產(chǎn)養(yǎng)殖的主要方式，在大水域中水質(zhì)環(huán)境具有非線性、時間滯后性和大慣性等特征。因此，及時地獲取水質(zhì)壞境參數(shù)是保證水產(chǎn)養(yǎng)殖高效生產(chǎn)、防止疾病發(fā)生，保障水產(chǎn)品安全的關(guān)鍵環(huán)節(jié)[1]。為了克服傳統(tǒng)的有線監(jiān)測系統(tǒng)具有布線困難，且線路容易受破壞和腐蝕，系統(tǒng)可靠性差，監(jiān)測區(qū)域有限，維護(hù)成本高等問題，萬傳飛等人提出了無線傳感器網(wǎng)絡(luò)(WSNs)的水產(chǎn)環(huán)境監(jiān)測方案[2]，黃健清等人研究設(shè)計了采用MSP430F149單片機(jī)構(gòu)建的溶解氧、pH值和溫度參數(shù)的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)監(jiān)測系統(tǒng)[3]。劉建峰等人提出了基于Zig Bee網(wǎng)絡(luò)的水產(chǎn)養(yǎng)殖檢測系統(tǒng)[4]，以上這些方法在一定條件下滿足了水質(zhì)環(huán)境監(jiān)測的需要，但以上方法多采用水質(zhì)自動檢測儀進(jìn)行監(jiān)測，存在設(shè)備成本高，不利于大水域的水質(zhì)監(jiān)測。

本文采用了Zig Bee協(xié)議的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的水質(zhì)監(jiān)測系統(tǒng)，設(shè)計了以電池方式供電的調(diào)理電路，無需市電供電，實現(xiàn)了真正的無線化。該系統(tǒng)有更大的靈活性，能對大水域水質(zhì)環(huán)境多個參數(shù)實時監(jiān)測。

1 系統(tǒng)整體設(shè)計

整個系統(tǒng)有若干個無線傳感器網(wǎng)絡(luò)終端節(jié)點、路由節(jié)點和網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器、上位機(jī)數(shù)據(jù)中心組成。終端節(jié)點分散地部署在監(jiān)測區(qū)域內(nèi)，采集水質(zhì)環(huán)境信息，路由器負(fù)責(zé)將各終端數(shù)據(jù)路由轉(zhuǎn)發(fā)至網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器，網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器得到匯總數(shù)據(jù)并通過RS—232發(fā)給上位機(jī)或是嵌入式設(shè)備，監(jiān)測設(shè)備實時顯示收集到的各區(qū)域環(huán)境信息，保存到數(shù)據(jù)庫。監(jiān)測系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1。

圖1 監(jiān)測系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計

2.1 測控節(jié)點硬件設(shè)計

測控節(jié)點以CC2530芯片為核心進(jìn)行設(shè)計，其集成了業(yè)界領(lǐng)先的RF收發(fā)器、增強(qiáng)型的8051MCU，8通道12位的高精度A/D轉(zhuǎn)換器，支持IEEE 802.15.4標(biāo)準(zhǔn)，兼容Zig Bee 2007協(xié)議棧等。節(jié)點分測量節(jié)點與路由節(jié)點2種，也可以將兩者結(jié)合在一起，測量節(jié)點主要涉及到pH值、溶解氧、氨氮含量、溫度傳感器和調(diào)理電路構(gòu)成的。控制路由節(jié)點負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)的路由轉(zhuǎn)發(fā)，其結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 無線傳感器節(jié)點圖

2.2 傳感器微弱信號調(diào)理電路

采用上海雷磁公司的E—201—C型pH復(fù)合電極測量溶液的pH值，其測量原理是通過測量電極系統(tǒng)與被測溶液構(gòu)成的測量電極的電動勢，從而獲得被測溶液的氫離子活度。電極測量溶液pH值時采用電位法測量原理，pH復(fù)合電極常用玻璃電極做指示電極，甘汞電極或銀—氧化銀電極做參比電極，在測量溶液的酸堿度時，當(dāng)被測溶液的氫離子濃度發(fā)生變化，玻璃電極和參比電極之間的電動勢也隨之發(fā)生變化，當(dāng)兩電極形成的電勢差等于0時，被測溶液的pH值為7，pH復(fù)合電極電位為0 V。依據(jù)能斯特方程[2]，pH復(fù)合電極電位與溶液pH值之間的關(guān)系可以用以下方程式描述

(1)

式中Ex為pH復(fù)合電極電位，V；E0為標(biāo)準(zhǔn)電極電位，V；R為氣體常數(shù)，為8．314 J/(K·mol)；T為測試溶液的熱力學(xué)溫度，K；F為法拉第常數(shù)，為96 500 C/mol；pH為測試溶液的pH值。pH值測量采用pH復(fù)合電極，被測溶液pH值分布在區(qū)間0～14時，pH復(fù)合電極輸出信號為雙極性模擬信號，由于pH復(fù)合電極受其自身高內(nèi)阻(108～1 010 Ω)影響，輸出信號范圍較小，要求測量電路要有足夠高的輸入阻抗，因此，必須對輸出信號進(jìn)行放大、平移，以滿足A/D轉(zhuǎn)換電路的輸入范圍[2]。根據(jù)實際情況設(shè)計電路如圖3所示。

圖3 pH值調(diào)理電路

第一級為電壓跟隨器，目的是增加輸入內(nèi)阻提高抗干擾能力，第二級為濾波放大，第三級將放大后的信號調(diào)整為0～3.3 V，以滿足CC2530A/D轉(zhuǎn)換器的輸入范圍，pH值調(diào)理電路輸出電壓為VpH(V)

(2)

其中,Vin為pH電極的測量輸出電壓，RP為可調(diào)電阻，R2～R7為定值電阻。

測量氨氮采用上海雷磁的PNH3—1氣敏氨電極。氨氮測量電路，氣敏氨電極的選擇性氣體滲透膜只能通過氨分子，內(nèi)部工作原理類似pH電極，輸出電壓信號，測量電路可參考pH測量電路。

溶解氧監(jiān)測采用極普式薄膜電極法[5]。其中，電極的陰極由4 mm Au片組成，陽極即參比電極為Ag片，兩極之間充以電解液，頂端以聚四氟乙烯薄膜覆蓋。當(dāng)陰陽兩極間加0.7 V左右的極化電壓后，滲透過薄膜的氧在Au陰極上還原，由于電極上發(fā)生氧化—還原反應(yīng)，電子的轉(zhuǎn)換產(chǎn)生了正比于樣品中氧分壓的電流。無氧時，傳感器中無電流；有氧時，電流大小可用公式為

i=K·N·F·A·C·P/L,

(3)

式中K為常數(shù)；N為反應(yīng)過程中的失電子數(shù)；F為法拉第常數(shù)；P為薄膜滲透系數(shù)；L為薄膜的厚度；A為陰極面積；C為樣品中的氧分壓；i為擴(kuò)散電流。其電路為圖4所示，第一級為電壓跟隨器，調(diào)節(jié)電阻Rp分壓電阻，接到溶解氧的陰極，為陰極提供電壓；第二級將溶解氧的陽極接到放大器的反向輸入端，使陽極電壓為0，調(diào)節(jié)RP使傳感器兩極電壓為0.7 V，保證傳感器正常工作，放大器將電流信號轉(zhuǎn)換為電壓信號，第三級放大電壓信號，使其滿足采集需要。輸出電壓為VDO_OUT(V)

(4)

式中VDO_OUT為溶解氧輸出電壓，I為擴(kuò)撒電流，R2,R4,R5為定值電阻。

圖4 溶解氧調(diào)理電路

溫度采集采用Maxim公司的DS18B20傳感器[6]，DS18B20是一種單總線的數(shù)字傳感器,只需接一個4.7 kΩ的上拉電阻就可以正常工作。和其他的溫度傳感器相比,降低了電路的雜程度，提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計

3.1 節(jié)點軟件設(shè)計

節(jié)點軟件基于IAR集成開發(fā)環(huán)境，采用Zig Bee 2007協(xié)議棧基礎(chǔ)設(shè)計的，Zig Bee 2007協(xié)議棧提供了一系列的應(yīng)用程序接口函數(shù)(API),通過調(diào)用API可實現(xiàn)Zig Bee標(biāo)準(zhǔn)中的各層次相應(yīng)的功能:1)協(xié)調(diào)器節(jié)點自動建立網(wǎng)絡(luò);2)傳感器節(jié)點自動發(fā)現(xiàn)協(xié)調(diào)器，而且一旦加入網(wǎng)絡(luò)后，能夠自動與協(xié)調(diào)器節(jié)點建立綁定；3)傳感器節(jié)點能夠周期性地向路由節(jié)點或協(xié)調(diào)器節(jié)點發(fā)送數(shù)據(jù)，并且用端到端確認(rèn)的發(fā)送模式；4)如果傳感器節(jié)點沒有收到采集節(jié)點的確認(rèn)消息，它將解除與該采集節(jié)點的綁定，然后，重新發(fā)現(xiàn)協(xié)調(diào)器節(jié)點并與其建立綁定。協(xié)調(diào)器周期性地通過串口把接收到的數(shù)據(jù)傳給監(jiān)測中心。傳感器節(jié)點流程如圖5所示，協(xié)調(diào)器工作流程如圖6。

圖5 傳感器節(jié)點流程圖

圖6 協(xié)調(diào)器工作流程圖

3.2 監(jiān)測中心軟件設(shè)計

監(jiān)測中心采用上位機(jī)采用LabVIEW設(shè)計[7～10]，LabVIEW作為一個專為測試測量設(shè)計的編程語言,使用了工程師們最熟悉的圖形化的編程方式,能夠幫助用戶高效和快速的開發(fā)測試應(yīng)用。本文通過LabVIEW設(shè)計了人機(jī)交互界面，調(diào)用了VISA Configure Serial Port完成串口參數(shù)的設(shè)置，數(shù)據(jù)訪問工具包LabSQL動態(tài)寫入數(shù)據(jù)庫保存每次采集的數(shù)據(jù)，方便操作者調(diào)用歷史數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。實現(xiàn)了多個參數(shù)的多個參數(shù)的實時顯示，繪制動態(tài)曲線。監(jiān)測中心軟件結(jié)構(gòu)如圖7。

圖7 監(jiān)測中心軟件結(jié)構(gòu)圖

4 測試結(jié)果與分析

為了檢驗本文所設(shè)計系統(tǒng)的正確性，對3個節(jié)點進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)丟包率測試，在不同距離每個節(jié)點發(fā)送2 500個數(shù)據(jù)包，如圖8所示，傳感器節(jié)點監(jiān)測點的距離大約50 m丟包率明顯增加，因此,在淮安楚州區(qū)的養(yǎng)殖水域的相距大約40 m不同水層部署了6個節(jié)點，組成星狀網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行測試，系統(tǒng)連續(xù)運行10 d,采集間隔為15 min。測試結(jié)果如表1所示，pH值、溶解氧氨氮和溫度平均誤差分別為0.52 %,2.7 %,3.58 %和0.79 %，該系統(tǒng)運行可靠，滿足實際運行需求。

5 結(jié) 論

測試結(jié)果表明:本文設(shè)計的系統(tǒng)可以實現(xiàn)較精準(zhǔn)的無線水質(zhì)參數(shù)采集；網(wǎng)絡(luò)自組織、自愈能力強(qiáng)，無需人工干預(yù)。可以對漁業(yè)養(yǎng)殖環(huán)境中的水的溫度、溶解氧等因子進(jìn)行連續(xù)監(jiān)測。由于系統(tǒng)可實現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控，即使業(yè)主或監(jiān)測人員不在監(jiān)測現(xiàn)場，也可以全面了解水環(huán)境情況。本文將無線技術(shù)應(yīng)用在智能水產(chǎn)養(yǎng)殖系統(tǒng)中可以提高智能水產(chǎn)養(yǎng)殖檢測系統(tǒng)的性能，實現(xiàn)水產(chǎn)養(yǎng)殖環(huán)境參數(shù)的自動采集，無線傳輸和實時處理，而且不受地域、時域的限制，在工廠化水產(chǎn)養(yǎng)殖應(yīng)用中具有一定的實際意義。與采用在線水質(zhì)監(jiān)測儀的同類產(chǎn)品相比，這種多參數(shù)監(jiān)測系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單、成本低、測量誤差小、精度滿足測量需求、數(shù)據(jù)通信穩(wěn)定、效率高。該系統(tǒng)克服了有線通信的缺點，可應(yīng)用與水環(huán)境檢測和大水域水產(chǎn)養(yǎng)殖等方面，其應(yīng)用前景廣闊。

圖8 網(wǎng)絡(luò)丟包率測試

表1 參數(shù)的實際值和標(biāo)準(zhǔn)值的比較

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