基于GPRS的可移動式池塘水質無線監測節點的設計

周恒瑞，馬從國，王業琴，陳 萬，金德飛

(淮陰工學院 223001)

在水產養殖中素有“養魚先養水”的說法，魚類養殖水環境的好壞直接影響到所養殖魚類的品質和效益。隨著水產養殖密度的不斷增加，養殖水域水質環境日趨惡化，病害發生率越來越高，由此引發的水產品質量安全問題日益突出。迫切需要應用有效的水質環境監測系統對水產養殖水質進行評估，及時了解水質問題，采取有效的措施調控水質，保障水產品安全、高效生產。目前，在池塘水質檢測的無線監控系統的設計中，大多采用傳感器布點相對固定的分布式多點監測方法[1]。理論上檢測布點越多、布點設置越科學，越有利于全面檢測水質，但所用傳感器也越多，這對成本控制來說是不利的;而目前應用于生產的水質環境監測系統對于節點的能量供應多數采用電池供電，這也限制了節點的使用。鑒此，本研究提出了基于GPRS的可移動式池塘水質無線監測節點設計方案，主要由太陽能供電，較好地解決了上述問題。

1 節點結構與功能設計

節點主要由電源管理、傳感器、行走控制、控制處理器、定位與 GPRS通信五部分構成[2－3]，其結構圖如圖1所示。節點節能的方案是節點設計必需考慮的內容[4]，不論是GPRS通信還是GPS定位能量消耗都較大，傳感器的數據采集和節點的移動也需要比較多的能量，如果采用脈動式運行，那么節點的移動就必然受到限制，且節點的數據采集和定位也不能做到實時[5－8];采用電池直接供電又不能達到長期穩定運行的設計目標[9]。鑒此，采用太陽能電池加蓄電池為節點供電，白天和夜晚采用不同的模式:白天模式下，光照強度良好時僅通過太陽能電池供電，富余的電能可為蓄電池充電，光照弱于一定強度時蓄電池補足太陽能電池供電不足部分;夜晚模式下，整個節點采用定時間歇式供電，每半小時工作1次。

圖1 節點結構組成圖

1.1 節點結構設計

為了使節點能夠在水面上平穩自由地移動，需要考慮浮力機構成:太陽能電池板 (680 mm×540 mm ×28 mm，50 W/18 V，5 kg)、 蓄 電 池(12VDC/5A h，3 kg)、檢測機 (外殼100 mm ×80 mm ×50 mm，200 g)、傳感器、推進電機X2(200 g)。為了使節點可靠地浮在水面上，采用雙體浮船結構 (圖2)。船體的前進由M1電機控制，轉向由M2電機控制。本設計是可以在控制命令下自由移動的節點，對于池塘養殖來說:溶解氧含量、pH值、溫度、氨氮含量這幾個參數是決定水質的主要參數，特別是池塘的底層水體，這幾個參數的含量情況直接影響水產養殖的效益[10－12]。因此，對這幾個參數的監測必然要使用多個傳感器，考慮到池塘環境的特點，要求移動時傳感器能收回，測量時傳感器能被放到一定深度的水中[13]，這就要求傳感器采用總線收集數據并集中在一起，傳感器的收放也需要一個電機來單獨完成，如圖3所示。

圖2 浮力機結構簡圖

圖3 傳感器結構及升降結構簡圖

1.2 節點的硬件選擇

節點由單片機 (處理器)、信號采集處理單元、GPRS無線通信單元、GPS定位及行走控制單元、電壓檢測單元等組成，圖4為節點硬件框圖[14]。節點選用STC89C52單片機作為數據處理核心，根據命令采集各傳感器的數據和GPS坐標信息，并打包經GPRS無線網絡傳給上位機。STC單片機使用方便，指令執行速率、抗干擾能力相較于同檔產品都有優勢。傳感器的選擇在考慮池塘水質檢測要求的同時，也要考慮成本因素。溫度測量選用DS18B20溫度傳感器，pH測量選用SH－101pH值傳感器，溶解氧測量選用WQ401傳感器。節點通信方面采用西門子的MC35i模塊，它支持GPRS無線接入、AT指令集、SIM卡應用，且體積小、重量輕。在定位方面選用GPS模塊和天線一體化的臺灣環天 GPS模塊 (型號為 EM－408)，模塊內有RTC記憶電池，使用方便。行走電機選用信達電機有限公司的XD－3420電機，工作電壓為DC 12 V，功率為20 W。

圖4 節點硬件框圖

1.3 節點的軟件設計

節點上電后首先進行初始化，接著檢測太陽能電池的電壓情況，根據檢測結果確定節點工作模式，如果太陽能電池電壓低于閾值時則判定為夜晚模式 (模式1)，節點停止自主移動，定時檢測水質情況;電壓大于閾值時根據水深情況，節點可以自主移動或按需移動 (模式2)，節點開始定時測量溫度、pH值、溶解氧含量等數據，GPRS無線模塊根據自身內嵌的TCP/IP協議棧將數據先打包成TCP/IP包，然后將其封裝成 GPRS分組數據包，在連網成功后定時傳送到 GPRS網絡[15－16]，模塊還可以接收從監控中心發送的信息，并轉換后通過串口傳送到控制模塊。在確定池塘的四邊頂點的GPS數據后通過上位機傳送到節點控制器上，控制器先把這個坐標范圍內水域以2 m為標準尺度柵格化，然后隨機選取其中10點作為目標點進行檢測，所有檢測點完成后再隨機抽取10點檢測并重復這一過程，當然也可通過上位機發送指令指定檢測點。節點船體在池塘水中由行走變為定點停止，因池塘環境較復雜，水下會有水草、樹枝等雜物，不能使用錨來固定，在沒有其他輔助停止設備的情況下，實現定點停止行走控制單元必須按照一定的控制算法使節點停靠在目標點附近。

為了實現快速接近目標點并準確停止，采用模糊PID控制算法，模糊控制行走單元結構如圖5所示。圖中:θ*為到給定坐標方位角，θ為節點的實際移動的方位角，e為θ*與θ比較的偏差，ec為偏差的變化率。

式中:△t為采樣周期。

圖5 模糊PID控制結構圖

由于模糊控制部分類似于PD控制，具有響應速度快、動態性能好的優點，但穩態精度低，所以在節點行走控制系統中加入PID控制器，當移動誤差在一定范圍內時再采用PID控制來消除移動位置的穩態靜差。圖5中U1、U2分別為模糊控制和PID控制得出的行走電機轉速期望值，E、EC、U分別為模糊控制器的輸入、輸出，ω*為期望節點位移角，ω為位移角，ω*與ω的偏差eω經過轉速調節器產生期望的節點移動的位移角Te*。

本系統采用個人PC機作為上位機，監控中心軟件的設計采用面向對象的程序設計軟件Visual Basic 6.0開發，提供一個可視化的監控界面，可直觀、方便、快捷地掌握終端節點的狀態，及時發現并處理異常情況，實現與GPRS終端的通信。系統的節點主要流程如圖6所示。

圖6 節點主程序流程圖

圖7 上位機監測軟件

2 試運行結果

以淮陰工學院校園內的某一池塘作為對象對系統進行測試，圖7為節點傳感器在24個測量點，其中第23點為當前位置傳回的數據情況。測量點是每隔1 h自動向上位機傳送所采集到的數據，上位機對接收到的數據進行存儲和分析。按下手動輸入位置選擇按鈕，輸入經緯度信息后即可使節點移動到指定位置采集數據。圖7中的柱形圖是指蓄電池和光伏電池的當前電壓情況。測量系統也可根據需要，如節點出現故障不停發送錯誤數據時，對測量點下達休眠指令，故障排除后下達取消休眠指令。試運行結果表明，測量節點運行可靠，數據采集收發正常。

3 討論

本設計是基于GPRS無線技術的監控系統，測量節點運行可靠，數據采集收發正常，可以實現對養殖水域水質環境的實時監控。GPRS作為一種覆蓋面廣的移動通信技術，已得到越來越多的應用，

對實現監控中心與現場節點設備之間數據的無線收發等功能具有獨特的優勢[17－18]。隨著社會工業化進程的加快，特別是在近幾年我國經濟突飛猛進的發展，水污染事件時有發生，進行有效的監測監控顯得尤為重要。由于本節點系統具有實用性和長時效性方面的優點，將有更廣闊的應用前景。

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