基于无线传感网的原生态水产养殖监控系统

单正娅

(无锡职业技术学院,江苏 无锡214121)

20世纪80年代以来，我国水产养殖逐步从原生态的池塘养殖走向了工业化养殖。虽然工业化养殖具有稳产、高产、耗水少等优点[1-2]，但在环境保护与食品安全日益重要的今天，原生态养殖又重新获得了重视，而建立完善的数字化水产养殖系统是原生态水产养殖的发展趋势。

本文以江阴某养殖基地的原生态鱼塘为研究对象，开发了一套无线监控系统，实现了养鱼过程的全数字化智能测控，以获取环境和效益的“双赢”。

1 鱼塘设计

鱼塘采用钢板焊接成空心圆柱形，围成一个长方体，在长方体的四周用渔网构造杯状鱼塘，利用空心圆柱的浮力让鱼塘漂浮在江心。为了养殖多种鱼类，将鱼塘分割成多个长方形区域，在安装时让水流方向垂直于网箱长边，使得更多的浮游生物可以通过，实现原生态养殖。

2 控制系统结构

系统以鱼塘为监控对象，由PC机监控中心、无线传感网络单元、控制单元等3部分组成，如图1所示。

3 传感器节点设计

传感器节点是水产养殖控制系统的基本构成单元。节点将鱼塘的实时信息通过无线通信网络传送给PC机，PC机得到相关的数据并对其进行分析处理、信息显示及存储。

传感器节点的设计主要考虑以下几个因素：(1)能够采集水的温度、溶解氧、PH值及盐度等数据；(2)节约电能，延长节点电源的使用时间，并减少系统安装和维护费用；(3)充分利用无线网络、新型传感器等高新技术，实现养殖系统的远程监控和科学管理。

出于低功耗、低成本的考虑,本系统采用8位AVR单片机ATmega16作为主控芯片，同时结合TI公司的CC2530作为ZigBee射频通信收发芯片。传感器节点总体结构框图如图2所示。

3.1 盐度传感器模块电路

本文采用DJS-1型电导电极，用交流分压法测量盐度；采用RC串并联正弦波信号发生器，产生一定频率和幅值的正弦信号作为测量电源。传感器Rx与电阻R8构成分压电路。由于不同浓度的盐溶液导电性不同，电极两端反映的电阻值不同，从而分压电阻两端的分压值不同。分压电阻两端的正弦波电压信号先放大，然后经二极管桥式整流和电容滤波后输出稳定的直流信号，再送入单片机进行处理。测量变换电路如图3所示。

3.2 PH值传感器模块设计

该检测模块使用的电极是PH复合电极YZ-3，PH值测量输入电路如图4所示。由于PH测量传感器的内阻大,要求前置放大器有较高的输入阻抗,因此系统选用运算放大器ICL7650，它具有超低失调、超低漂移、高增益、高输入阻抗的特点。

3.3 溶解氧传感器模块

为了研究温度与溶解氧补偿关系模型，在气压恒定的条件下，对蒸馏水溶氧量进行试验[3]，表1给出了温度T、氧温系数Kt与饱和溶氧的数据关系。由测得的溶氧数据，利用Matlab拟合出氧温系数与温度的关系式：

其中，Vt为调理电路传送来的电压值。

4 电源电路设计

无线传感器网络节点的供电设备由电池负责，但是其存在能量限度的问题，因此在保证系统硬件设备的低功耗前提下，节点的电源管理非常重要。为适应传感器节点体积小的特点,选用CR2032纽扣电池作为电源,用升压转换器MAX856管理电源，如图5所示。MAX856可接收0.8 V～6 V输入电压,即使在电池电量相对不足的情况下仍能驱动该芯片，其输出可选5 V和3 V两种输出电压,本设计选择3 V输出。

本文设计了基于无线传感网络的数字化原生态养殖监控系统,可对环境因子进行全程监控[4]。该系统具有低成本、通用化、维护方便等优点,且系统的设计思想与方法对原生态水产养殖具有重要的参考意义。

表1 溶氧电压与温度的关系

[1]徐赛,赵德安，谢代峰.基于 LON总线的水产养殖多环境参数测控系统[J].农机化研究,2006(4)：117-119.

[2]龚振宇,庞全,李世忠.基于 89C51的水产养殖多环境参数测控系统[J].机电工程,2009,26(4)：71-73.

[3]李成春.基于CC2430无线多参数传感器检测网络的设计[D].江苏：江苏大学,2010.

[4]史兵,赵德安,刘星桥，等.工厂化水产养殖智能监控系统设 计 [J].农 业 机 械 学 报,2011,42(9)：191-196.