基于無線網(wǎng)絡(luò)的魚塘網(wǎng)關(guān)設(shè)計

楊另，陳明，李章榮

（1.畢節(jié)高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)開發(fā)區(qū) 國家能源大規(guī)模物理儲能技術(shù)研發(fā)中心，貴州畢節(jié)，551712；2.貴州省電網(wǎng)公司六盤水分局，貴州六盤水，553600）

0 引言

水是生命之源，沒有水就沒有生命，在人們生活水平不斷提高的今天，對安全無污染的水產(chǎn)品需求與日俱增，但與之相矛盾的是，生活污水、工業(yè)廢水和其他廢棄物有可能進入魚塘，造成水體污染。如何及時、有效地監(jiān)測魚塘溫度、pH 值的參數(shù)，保證水產(chǎn)品的安全，已然成為一個熱點。隨著我國經(jīng)濟的發(fā)展，人們的生活水平也在不斷提高，溫飽問題解決以后，更多地追求綠色健康地生活了。魚塘養(yǎng)殖的水質(zhì)狀況卻不容樂觀，保護水資源，提高魚塘養(yǎng)殖水質(zhì)已經(jīng)成為一項發(fā)展策略了，但就目前來說，我國對魚塘養(yǎng)殖水質(zhì)的監(jiān)測與高度信息化管理還處在初中級階段，從一開始的人工采樣到自動化采樣，魚塘養(yǎng)殖水質(zhì)監(jiān)測朝著及時、準確、自動的方向發(fā)展。

國外在魚塘養(yǎng)殖水質(zhì)監(jiān)測方面，已經(jīng)完善自動采樣參數(shù)監(jiān)測系統(tǒng)，可以對魚塘的水質(zhì)進行自動監(jiān)測，構(gòu)成的自動監(jiān)測網(wǎng)關(guān)系統(tǒng)較國內(nèi)來說，有很大的優(yōu)點，并且比較成熟了。無線網(wǎng)絡(luò)二十一世紀才真正引起了各界人士的極大關(guān)注，最早開始啟動傳感器網(wǎng)絡(luò)研究的是美國，在那以后，國外許多研究機構(gòu)、企業(yè)和大學(xué)也投入其中。國外在完善魚塘養(yǎng)殖水質(zhì)采樣監(jiān)測方法的同時，以ZigBee 技術(shù)作為無線信息傳輸方式，通過在一個水系多點設(shè)置無線傳感器節(jié)點，可以對該區(qū)域的水質(zhì)進行實時監(jiān)測，形成一個完整連續(xù)的網(wǎng)關(guān)系統(tǒng)。

我國在WSN 方面的研究相對于美國及歐洲來說起步較晚，并且主要集中在多所國內(nèi)優(yōu)秀大學(xué)和研究所，清華大學(xué)、中科院自動化所等。相對國外而言，國內(nèi)關(guān)于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的研究成果采用的是外國的無線傳感器技術(shù)，雖然這不是中國自己獨立研究的無線網(wǎng)絡(luò)，但在一定程度上有利于國內(nèi)在這一方面的進步和發(fā)展。現(xiàn)代魚塘養(yǎng)殖業(yè)也引入了無線傳感器技術(shù)，通過在一定區(qū)域內(nèi)的傳感器節(jié)點，實時地對溫度、PH 值、溶解氧等數(shù)據(jù)進行定點、連續(xù)地監(jiān)測。

以往的有線傳感器網(wǎng)絡(luò)已經(jīng)不能適應(yīng)現(xiàn)在的魚塘養(yǎng)殖業(yè)了，有效而且快速的無線方式越來越受到人們的青睞[1]。網(wǎng)關(guān)在整個無線網(wǎng)絡(luò)地位是很重要的，猶如心臟對人體的作用一樣，網(wǎng)關(guān)在魚塘傳感器網(wǎng)絡(luò)監(jiān)測的應(yīng)用中，網(wǎng)關(guān)負責網(wǎng)絡(luò)間協(xié)議轉(zhuǎn)換、數(shù)據(jù)的處理等[2]。由此設(shè)計了基于無線傳感器的魚塘網(wǎng)關(guān)，這將使魚塘養(yǎng)殖業(yè)的成本降低，方便管理，減少勞動力，對我國的魚塘養(yǎng)殖業(yè)的管理得到提高。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計

本文提出一種基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的魚塘網(wǎng)關(guān)設(shè)計，圖1 為系統(tǒng)總體架構(gòu)設(shè)計。無線通訊模塊CC2530 將傳感器采集到的溫度、PH 值數(shù)據(jù)送到發(fā)送緩存器，擴頻之后送到DA 轉(zhuǎn)換器，經(jīng)過低通濾波將RF 信號調(diào)節(jié)為2.4GHz，經(jīng)過天線發(fā)送出去，被協(xié)調(diào)器天線接收到的信號經(jīng)過濾波、AD轉(zhuǎn)換、數(shù)字解調(diào)后得到正確的數(shù)據(jù)，協(xié)調(diào)器再經(jīng)過RS232送到監(jiān)測中心進行分析、存儲[3]。

圖1 系統(tǒng)總體設(shè)計

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計

■2.1 終端節(jié)點設(shè)計

圖2 是終端節(jié)點構(gòu)造框圖，傳感器網(wǎng)絡(luò)采集數(shù)據(jù)的部分叫作終端節(jié)點，也就是傳感器節(jié)點，主要由傳感器模塊、無線射頻模塊、電源模塊、處理器模塊（集成的51 單片機）組成，CC2530 完美地結(jié)合這些模塊[4]。在實際工作環(huán)境當中，提供外接電源不太現(xiàn)實，因此終端節(jié)點一般采用兩節(jié)干電池供電給CC2530 進行數(shù)據(jù)采集。CC2530 適合2.4GHz IEEE 802.15.4RF 收發(fā)器，接收靈敏度很高，抗干擾性能也是極好，外接元件的需求數(shù)量少，體積小，只有6mm×6mm。自動模式的RX 在CPU 空閑情況下只消耗24mA，TX 在CPU 空閑情況下只消耗29mA；睡眠定時器運行時只消耗1μA，當發(fā)生外部中斷時只需0.4μA。

RF_P 和RF_N 連接的是天線，用巴倫電路來優(yōu)化機能，如CC2530 原理圖所示。偶極天線屬于平衡型天線，但是同軸電纜屬于不平衡傳輸線，假如將電纜直接連接天線，那么同軸電纜的外表就有高頻的電流流過，就會影響天線的信號傳輸，因此加入巴倫電路，把流過外皮的電流給截斷，這樣就有利于信號傳輸了。

終端與協(xié)調(diào)器之間的接收和發(fā)送功能是通過天線實現(xiàn)的，將導(dǎo)行波轉(zhuǎn)換成電磁波在空氣中傳播，本文中選擇的是性能最好的棒狀天線，它的安裝比較簡單，增益高，電磁波傳播方向為圓形傳輸。

圖3 為終端節(jié)點硬件圖。工作過程：溫度傳感器、PH 值傳感器采集數(shù)據(jù)后進過A/D 轉(zhuǎn)換以后經(jīng)過處理器之后由天線發(fā)射出去[5]。為了節(jié)約電能，終端在大多數(shù)時間都讓傳感器處于睡眠狀態(tài)，相關(guān)的電路也會關(guān)閉，當設(shè)定的采集周期到來時才會從睡眠模式中醒來，將數(shù)據(jù)采集發(fā)送之后繼續(xù)睡眠，如此循環(huán)往復(fù)，達到降低功耗的目的[5]。

圖3 終端節(jié)點硬件圖

■2.2 路由節(jié)點設(shè)計

圖4 為路由節(jié)點硬件設(shè)計圖。路由節(jié)點處于傳感器節(jié)點和協(xié)調(diào)器節(jié)點的中間，路由節(jié)點的RF 要一直工作，因為它要隨時準備接收協(xié)調(diào)器下達的命令、傳感器節(jié)點采集并發(fā)送上來數(shù)據(jù)[6]。

圖4 路由節(jié)點硬件圖

■2.3 協(xié)調(diào)器節(jié)點設(shè)計

圖5 為協(xié)調(diào)器節(jié)點內(nèi)部構(gòu)造圖。協(xié)調(diào)器是數(shù)據(jù)匯聚中心，因此又叫做匯聚節(jié)點，它是連接監(jiān)測中心和傳感器網(wǎng)絡(luò)的橋梁，還具有通過RS232 把信息發(fā)送到監(jiān)測中心、啟動網(wǎng)絡(luò)的功能。

圖5 協(xié)調(diào)器節(jié)點構(gòu)造框圖

圖6 為協(xié)調(diào)器節(jié)點硬件設(shè)計，協(xié)調(diào)器是負責數(shù)據(jù)的采集和收集，通過一個時鐘控制周期性地收集數(shù)據(jù)。設(shè)計的協(xié)調(diào)器電路主要有CPU 模塊、時鐘模塊、晶振等外部接口組成[7]。

圖6 協(xié)調(diào)器節(jié)點硬件圖

3 軟件設(shè)計

圖7 為網(wǎng)關(guān)節(jié)點入網(wǎng)的程序流程圖，網(wǎng)關(guān)節(jié)點的軟件設(shè)計是實現(xiàn)魚塘水質(zhì)參數(shù)監(jiān)測系統(tǒng)的重要部分。通過編寫程序來實現(xiàn)傳感器的數(shù)據(jù)采集、終端數(shù)據(jù)的發(fā)送、協(xié)調(diào)器節(jié)點的數(shù)據(jù)接收等。

圖7 網(wǎng)關(guān)節(jié)點入網(wǎng)的程序流程圖

實現(xiàn)網(wǎng)關(guān)節(jié)點的軟件設(shè)計，需要軟件開發(fā)環(huán)境，所選用的是IAR Embedded Workbench IDE，它的優(yōu)點是易學(xué)會，還具有強大的代碼繼承能力的開發(fā)環(huán)境、良好的擴展性、高效率、節(jié)約用戶的開發(fā)時間[8]。

4 實驗測試

實驗測試是驗證系統(tǒng)設(shè)計的重要部分，系統(tǒng)由傳感器終端節(jié)點，協(xié)調(diào)器節(jié)點組成，測試的主要內(nèi)容主要是傳感器的數(shù)據(jù)采集，終端節(jié)點與協(xié)調(diào)器節(jié)點的正常通信，觀測無線網(wǎng)關(guān)節(jié)點的運行是否正常和穩(wěn)定。

■4.1 傳感器數(shù)據(jù)采集

為了真實反映所采集的數(shù)據(jù)的真實性，并且節(jié)約CC2530 開發(fā)板的目的，不可能一個CC2530 上就只插一個溫度傳感器，因此在一個開發(fā)板上要能夠采集多項數(shù)據(jù)，才能模擬魚塘水質(zhì)參數(shù)采集的真實情況。串口調(diào)試助手顯示的是溫度傳感器采集到的溫度，二十幾度的水質(zhì)溫度，慢慢加熱水，溫度傳感器采集一段時間的溫度，這時溫度會有一定的上升，說明傳感器能夠?qū)崟r采集數(shù)據(jù)，并不是一個固定值，實驗可靠。

■4.2 組網(wǎng)測試

組網(wǎng)測試目的是判斷協(xié)調(diào)器節(jié)點與終端節(jié)點是不是能夠組建網(wǎng)絡(luò)[9]。選取傳感器節(jié)點、無線網(wǎng)關(guān)節(jié)點、一臺電腦。選擇Collector EB-Pro 作為協(xié)調(diào)器，Sensor EB-Pro 作為終端，將編譯好的程序通過燒錄界面分別燒寫進CC2530 開發(fā)板中，每一次燒寫都要復(fù)位仿真器，將協(xié)調(diào)器、終端分別上電，打開ZigBee Senser Monitor 1.2.0，打開設(shè)備管理器查看串口號，選擇協(xié)調(diào)器連接的串口，點擊左上角的開始按鈕，即可觀測是否組建了網(wǎng)絡(luò)。組網(wǎng)的形式有好幾種，傳感器經(jīng)過路由器再連接協(xié)調(diào)器；傳感器直接與協(xié)調(diào)器通信。終端能夠和協(xié)調(diào)器進行通信，組網(wǎng)成功。黃色為終端，紅色為協(xié)調(diào)器，終端能顯示當前采集到的溫度值以及當時的確切時間，協(xié)調(diào)器與終端沒有連接時，協(xié)調(diào)器的顏色是灰色的。

■4.3 物通信質(zhì)量測試

通信質(zhì)量與通信距離是衡量系統(tǒng)性能的重要指標，采用的依然是TI 公司的Z-Stack2007 協(xié)議棧，它內(nèi)部包含有數(shù)據(jù)的發(fā)送和接收。在有障礙物的環(huán)境下，測量通信距離，了解數(shù)據(jù)的丟包率，從而判斷系統(tǒng)的通信質(zhì)量。

測試的內(nèi)容：傳感器節(jié)點采集溫度，無線網(wǎng)關(guān)節(jié)點接收數(shù)據(jù)，并通過串口調(diào)試助手進行顯示，因為是測量通信距離，數(shù)據(jù)線的長度不夠長，所以使用了兩臺電腦，相當于一臺電腦打開一個串口調(diào)試助手，一臺顯示的是傳感器采集到的溫度，另一臺串口調(diào)試助手顯示的是無線網(wǎng)關(guān)節(jié)點接收到傳感器節(jié)點發(fā)送上來的溫度值。串口號根據(jù)設(shè)備管理器來查看，波特率設(shè)置為9600、數(shù)據(jù)位為8、停止位為1、校驗位為None，每隔1s 發(fā)送一次。

5 結(jié)論

通過實驗的測試，完成了對魚塘水質(zhì)參數(shù)的數(shù)據(jù)采集，通過協(xié)調(diào)器發(fā)送命令給終端收集數(shù)據(jù)。一塊CC2530 終端節(jié)點采集參數(shù)，實現(xiàn)了終端81F3 協(xié)調(diào)器的點對點通信，能夠及時觀察到終端數(shù)據(jù)采集結(jié)果的變化，并且能夠及時發(fā)送至協(xié)調(diào)器，通過串口界面可以實時看到數(shù)據(jù)的變化。