ZigBee無線網(wǎng)在魚塘水質(zhì)監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用

李 進(jìn) ，徐小龍 ，曾 閔

（1.西南科技大學(xué) 工程技術(shù)中心，綿陽 621010；2.西南科技大學(xué) 信息工程學(xué)院，綿陽 621010）

魚塘水質(zhì)與魚類生長(zhǎng)繁殖息息相關(guān)，因此準(zhǔn)確、快速、便捷地獲得水質(zhì)參數(shù)顯得尤為重要。一般水質(zhì)測(cè)定的項(xiàng)目因各地自然環(huán)境不同而有所區(qū)別，按照我國(guó)的漁業(yè)水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)（GB11607—89），pH值和溶氧量是漁業(yè)生產(chǎn)管理中的必測(cè)項(xiàng)目[1-2]。水質(zhì)pH呈酸性，魚類容易感染傳染性魚病，影響生長(zhǎng)速度；pH過高，堿性太強(qiáng)，NH4+轉(zhuǎn)為NH3，增加水體毒性會(huì)導(dǎo)致魚類鰓組織被腐蝕，還會(huì)影響微生物的生命力。水體缺氧會(huì)使魚類呼吸急促，煩躁不安，甚至窒息死亡，如果溶氧太飽和可能會(huì)在培育魚苗時(shí)造成氣泡病。

水環(huán)境監(jiān)測(cè)主要有4種方法，分別為人工采樣監(jiān)測(cè)法、水質(zhì)監(jiān)測(cè)站檢測(cè)法[3]、水生物檢測(cè)法[4]、無線遙感檢測(cè)法[5]。隨著自動(dòng)化和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展，使用無線傳感網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行水體監(jiān)測(cè)已經(jīng)成為新型環(huán)境檢測(cè)手段之一，該方法克服了傳統(tǒng)方式成本高、環(huán)境適應(yīng)性差等缺點(diǎn)。

1 系統(tǒng)的總體方案

基于ZigBee技術(shù)的魚塘水質(zhì)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，所構(gòu)建的魚塘水質(zhì)監(jiān)測(cè)無線傳感網(wǎng)絡(luò)由數(shù)據(jù)采集層、傳輸層、分析控制層3部分組成。采集層主要由傳感器節(jié)點(diǎn)、路由節(jié)點(diǎn)和協(xié)調(diào)器組成[6-8]，采集層通過pH值、溶氧傳感器感知水質(zhì)參數(shù)，通過ZigBee網(wǎng)絡(luò)將數(shù)據(jù)發(fā)送到協(xié)調(diào)器；在傳輸層，ZigBee/GPRS網(wǎng)關(guān)負(fù)責(zé)把采集層數(shù)據(jù)發(fā)送到人機(jī)交互中心，并將人機(jī)交互中心的控制命令發(fā)送到采集網(wǎng)絡(luò)；分析控制層就是人機(jī)交互中心，主要負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)的管理和設(shè)備的控制。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

2 硬件設(shè)計(jì)

2.1 ZigBee模塊設(shè)計(jì)

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)Fig.1 System structure

該監(jiān)測(cè)系統(tǒng)以CC2530F256為核心組建無線網(wǎng)絡(luò)，內(nèi)置高性能、低功耗的8051微控制器，具有8路8～14位ADC輸入；體積小，重量輕，工作頻段2.4 GHz，無線傳輸速率250 kb/s，可靠傳輸距離達(dá)250 m。CC2530芯片內(nèi)置2.4 GHz IEEE 802.15.4的RF收發(fā)器，F(xiàn)R-N和RF-P為無線收發(fā)引腳；芯片可通過軟件設(shè)置工作在協(xié)調(diào)器模式和終端模式。該系統(tǒng)專門設(shè)計(jì)了巴倫匹配電路作為外擴(kuò)天線接口，由AMS1117提供3.3 V的穩(wěn)定電壓。無線收發(fā)模塊電路如圖2所示。

2.2 pH值檢測(cè)電路設(shè)計(jì)

pH值是水質(zhì)檢測(cè)的一項(xiàng)重要指標(biāo)，在此選用上海雷磁公司E-201-C的pH電極，精度高，穩(wěn)定性好，測(cè)量范圍0～14。該電極輸出為模擬量，可補(bǔ)充電解液，適合長(zhǎng)期連續(xù)檢測(cè)，而且傳感器內(nèi)阻大，輸出信號(hào)微弱，需要專門的信號(hào)調(diào)理電路。由于CC2530處理器A/D口能識(shí)別的電壓值為0～3.3 V，所以檢測(cè)電路由AD620組成前置放大電路、雙T型濾波電路和LM741穩(wěn)壓電路等3部分構(gòu)成，使pH傳感器輸出信號(hào)穩(wěn)定在0～3 V。具體電路參數(shù)如圖3所示。

圖2 CC2530無線收發(fā)電路Fig.2 CC2530 wireless communication circuit

圖3 pH值檢測(cè)電路Fig.3 pH detection circuit

2.3 溶氧量檢測(cè)電路

溶氧量是反映水體自凈能力的關(guān)鍵指標(biāo)。系統(tǒng)選用北京大華融源環(huán)保公司的、具有自動(dòng)溫度補(bǔ)償功能的RY952傳感器。該傳感器輸出電壓為15～21 mV，故設(shè)計(jì)了增益為143的信號(hào)調(diào)理電路，電路與pH值檢測(cè)電路相似，如圖4所示。氨氮檢測(cè)選用低濃度的氨氮檢測(cè)傳感器NH6-7，調(diào)理電路由電壓跟隨器和儀表差分放大電路組成。

圖4 溶氧量檢測(cè)電路Fig.4 Dissolved oxygen detection circuit

3 通信協(xié)議與軟件設(shè)計(jì)

3.1 無線通信協(xié)議

ZigBee是基于IEEE 802.15.4標(biāo)準(zhǔn)的近距離無線通信技術(shù)[9-10]，非常適合周期性和間斷性數(shù)據(jù)類型的傳輸。ZigBee技術(shù)可以使用2.4 GHz，868 MHz以及915 MHz的頻段。國(guó)內(nèi)采用2.4 GHz的ISM頻段，在2.4 GHz的頻段上具有16個(gè)信道，帶寬為250 kb/s。ZigBee技術(shù)具有強(qiáng)大的組網(wǎng)能力，可以形成星型、樹型和網(wǎng)狀型3種網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。考慮應(yīng)用場(chǎng)景的通信距離相對(duì)較近，而且要求節(jié)點(diǎn)易于擴(kuò)展，故選擇樹形網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，具體拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖5所示。

圖5 樹形結(jié)構(gòu)Fig.5 Tree structure

由于要實(shí)現(xiàn)ZigBee無線傳感網(wǎng)絡(luò)與外部網(wǎng)絡(luò)的通信，設(shè)計(jì)了ZigBee/GPRS網(wǎng)關(guān)來完成不同網(wǎng)絡(luò)之間的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)和協(xié)議轉(zhuǎn)換。ZigBee負(fù)責(zé)傳感網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)入網(wǎng)并將傳感器數(shù)據(jù)發(fā)送到3G網(wǎng)關(guān)，3G網(wǎng)關(guān)實(shí)現(xiàn)ZigBee數(shù)據(jù)的接收、解析、重新封裝，并發(fā)送到以太網(wǎng)。無線網(wǎng)完成傳感器數(shù)據(jù)正確發(fā)送到人機(jī)交互中心，人機(jī)交互中心的控制命令及時(shí)送達(dá)節(jié)點(diǎn)。ZigBee協(xié)調(diào)器與GPRS模塊之間通過TX和RX端口進(jìn)行通信。

3.2 ZigBee工作流程

工作在協(xié)調(diào)器模式的CC2530是ZigBee網(wǎng)絡(luò)的核心，終端節(jié)點(diǎn)負(fù)責(zé)采集魚塘水質(zhì)的pH和溶氧量等信息。軟件完成以下工作：上電完成硬件及ZigBee協(xié)議棧初始化、信道掃描；按照PAN ID號(hào)組建ZigBee網(wǎng)絡(luò)，等待和響應(yīng)節(jié)點(diǎn)入網(wǎng)請(qǐng)求，決定是否進(jìn)入睡眠狀態(tài)；接收和發(fā)送數(shù)據(jù)到節(jié)點(diǎn)，通過串口接收和發(fā)送數(shù)據(jù)到3G網(wǎng)。當(dāng)收到遠(yuǎn)程監(jiān)控中心的工作命令后被喚醒，執(zhí)行采集數(shù)據(jù)的程序。ZigBee工作流程如圖6所示。

3.3 人機(jī)交互中心

圖6 ZigBee工作流程Fig.6 ZigBee work flow chart

整個(gè)魚塘水環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)采用C++語言開發(fā)上位機(jī)遠(yuǎn)程監(jiān)控中心，負(fù)責(zé)系統(tǒng)參數(shù)配置和數(shù)據(jù)的分析處理，包括節(jié)點(diǎn)選擇、數(shù)據(jù)發(fā)送周期設(shè)置、傳感器數(shù)據(jù)的動(dòng)態(tài)顯示、歷史數(shù)據(jù)導(dǎo)出、預(yù)警閥值設(shè)置等功能。人機(jī)交互中心如圖7所示。

圖7 人機(jī)交互界面Fig.7 Human-computer interaction interface

4 測(cè)試與數(shù)據(jù)分析

4.1 系統(tǒng)性能測(cè)試

為了測(cè)試系統(tǒng)的通信距離和通信丟包率，選擇校園足球場(chǎng)為測(cè)試地點(diǎn)，設(shè)置CC2530發(fā)送功率為-3 dBm，選擇第 13個(gè)信道（頻率 2415 MHz），天線與地面高度30 cm；將通信距離隨機(jī)設(shè)置為4，16，25，35，52，60，80 m，測(cè)試點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的丟包率。 軟件設(shè)置發(fā)送5個(gè)數(shù)據(jù)包每秒，每個(gè)間距共檢測(cè)2000個(gè)數(shù)據(jù)包的收發(fā)成功率。傳感器節(jié)點(diǎn)直接向協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)發(fā)送128 B的數(shù)據(jù)包，使用TI SmartRF Studio 7軟件測(cè)得ZigBee不同通信距離下的傳輸丟包率，測(cè)試數(shù)據(jù)見表1。

表1 通信距離與丟包率的測(cè)試Tab.1 Communication distance and packet loss rate test

測(cè)試結(jié)果表明，傳輸距離變大的趨勢(shì)與丟包率增加的趨勢(shì)基本保持一致，但是在37 m附近出現(xiàn)較嚴(yán)重的丟包率，在54 m處降低，68 m處又增加。分析認(rèn)為，37 m正處于通信鏈路質(zhì)量的過渡區(qū)，信號(hào)不夠穩(wěn)定。經(jīng)過測(cè)試可知，數(shù)據(jù)包在80 m范圍內(nèi)，ZigBee組網(wǎng)的發(fā)送成功率都在95.2%以上，符合設(shè)計(jì)要求。

4.2 自適應(yīng)加權(quán)融合算法的水環(huán)境數(shù)據(jù)分析

該檢測(cè)系統(tǒng)是涉及pH傳感器、溶解氧傳感器等（其他傳感器根據(jù)需要可擴(kuò)展）的多傳感器系統(tǒng)，采集的信息具有多樣性和復(fù)雜性。要獲得檢測(cè)水域全面、完整的信息，融合算法的選擇非常關(guān)鍵。系統(tǒng)原始數(shù)據(jù)采用更直觀、更成熟的自適應(yīng)加權(quán)融合數(shù)學(xué)模型進(jìn)行濾波去噪[11-13]。該算法以均方誤差為評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)一種檢測(cè)對(duì)象用同種傳感器采集多個(gè)數(shù)據(jù)，通過數(shù)據(jù)融合消除冗余信息，降低數(shù)據(jù)的不確定性。自適應(yīng)加權(quán)融合算法的的具體實(shí)施步驟如下：

步驟1計(jì)算每個(gè)獨(dú)立傳感器在不同時(shí)刻下的測(cè)量值平均數(shù)

步驟2計(jì)算每個(gè)采集點(diǎn)所有測(cè)量值的均方誤差

步驟3計(jì)算最優(yōu)權(quán)值

步驟4最后按照公式計(jì)算出融合結(jié)果。

試驗(yàn)以四川某高校中心湖為測(cè)試現(xiàn)場(chǎng)。中心湖近似橢圓，總面積約為6000 m2，水深近2 m，年均產(chǎn)魚量約1500 kg，是集觀賞、養(yǎng)殖為一體的多功能生態(tài)湖泊。分別在湖中心、距離湖中心50 m的環(huán)形區(qū)域安置5個(gè)采集點(diǎn)對(duì)湖水pH值進(jìn)行監(jiān)測(cè)，采集時(shí)間為上午9點(diǎn)左右。5個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的數(shù)據(jù)發(fā)送周期在10～90 s之間隨機(jī)選擇，共獲得5組pH原始數(shù)據(jù)，見表2。采用自適應(yīng)加權(quán)融合算法獲得的融合數(shù)據(jù)見表3。

表2 pH值原始數(shù)據(jù)Tab.2 Raw pH data

表3 pH值融合結(jié)果Tab.3 Fusion pH data

由

代入表3數(shù)據(jù)，可得

由此可知，傳感器采集的數(shù)據(jù)越多，權(quán)值就越大，這與實(shí)際的情況相符合。故適當(dāng)提高傳感器的采集次數(shù)，可以增強(qiáng)數(shù)據(jù)的可靠性。系統(tǒng)測(cè)試湖水pH值為7.5492，按照相同的測(cè)量方法和數(shù)據(jù)融合步驟獲得湖水溶氧量為5.9 mg/L。測(cè)試季節(jié)是冬季，正是捕魚的最佳時(shí)機(jī)，也是成年魚最多的時(shí)候。《漁業(yè)水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)》規(guī)定淡水魚適宜生活在弱堿性環(huán)境下，pH值最佳范圍是6.5～8.5，成魚安全生長(zhǎng)最適pH值為7～8.5。養(yǎng)殖水域的氧溶解量應(yīng)在5～8 mg/L，一般不得低于4 mg/L。可見，測(cè)試結(jié)果表明該校中心湖水質(zhì)優(yōu)良，滿足水產(chǎn)養(yǎng)殖質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)。

5 結(jié)語

文中所提出的基于ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)的魚塘水環(huán)境檢測(cè)裝置，能夠?qū)崿F(xiàn)魚塘水質(zhì)參數(shù)的監(jiān)測(cè)，達(dá)到實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和數(shù)據(jù)可靠分析的要求。該系統(tǒng)包括采集節(jié)點(diǎn)、ZigBee網(wǎng)絡(luò)、GPRS網(wǎng)關(guān)、上位機(jī)監(jiān)控和數(shù)據(jù)融合等部分，組網(wǎng)迅速，硬件成本低，人機(jī)交互方便，節(jié)點(diǎn)易布局易擴(kuò)展，不僅可應(yīng)用在魚塘水質(zhì)監(jiān)測(cè)，而且在河流、湖泊或水庫等其他地表水的監(jiān)測(cè)同樣具有廣闊的應(yīng)用前景。