WSN在淡水鱼类养殖环境参数监测中的应用

张青春+郁徐来

摘要：为实现对工厂化淡水鱼类养殖环境参数的监测，采用ZigBee技术和CC2530核心芯片，利用太阳电池板提供能源，设计了一种将温度、氧含量、pH测量于一体的智能无线传感器节点。通过ZigbemPC网络平台，构建了无线传感器网络系统，实现了淡水鱼类养殖环境参数实时监测。结果表明，无线传感器网络能够准确测量温度、氧含量、pH等鱼类养殖环境参数，系统性能稳定、可靠，具有一定的实用性和推广应用价值。

关键词：ZigBee;无线传感器网络;环境参数;实时监测

中图分类号：TN92        文献标识码：A        文章编号：0439-8114（2014）20-4973-04

DOI：10.14088/j.cnki.issn0439-8114.2014.20.055

Application of WSN in Monitoring Environment Parameters of Freshwater Fish Farming

ZHANG Qing-chun，YU Xu-lai

（Faculty of Electronic and Electrical Engineering， Huaiyin Institute of Technology， Huaian， 223003， Jiangsu， China）

Abstract： To monitor environment parameters of factory freshwater fish farming， ZigBee technology， CC2530 core chip， and solar panels were used to provide energy. An intelligent wireless sensor node was designed to integrate the temperature， oxygen content， pH measurement. Through ZigbemPC network platform， to construct a system of wireless sensor network （WSN） was construded. Real-time monitoring of environment parameters of freshwater fish farming was realized. The results showed that WSN accurately measured environment parameters including temperature， oxygen content， pH of fish farming. System performance was stable， reliable. It will have certain practicability and application.

Key words： ZigBee; WSN; environmental parameters; real-time monitoring

基于ZigBee技术的无线传感器网络可以实现水质实时感知节点的快速组网，并能很好解决水质信息感知节点的异构性、移动性以及分散性导致的不同类型数据之间的传输、融合等问题，从而实现被测区域中的感知节点完成数据的采集和传输[1，2]。针对无线传感器网络在工厂化淡水鱼养殖领域应用中存在的问题，设计了一种对温度、光照、氧含量、pH以及对鱼类生长营养物质智能多参数监测无线传感器，并通过无线传感器网络平台，对监测数据进行处理并建立鱼类生长环境数据库信息。该智能多参数无线传感器采用太阳能电池供电，具有使用寿命长、测量精度高、定位准确等特点，具有一定的实用价值。

1  系统方案设计

1.1  系统总体结构

无线传感器网络水质参数监测节点的数据传输采用802.15.4的ZigBee无线传输协议，可以实现点对点的数据传输，传输结束后返回确认信息，节点接收数据时可以接收到发送节点的发送信息（源地址、网络地址、目标地址等）。

系统主要由无线传感器网络节点（负责采集节点附近水域温度、溶解氧浓度和pH等数据）、无线网关（以无线的方式连接无线传感器网络与管理控制中心）和上位机监测中心（对上传的数据进行数据融合并直观显示数据）等部分组成，其中传感器节点采用立体式安装、密集并可控地分布在检测区域内。基于无线传感器网技术的淡水鱼养殖环境参数监测系统能够实时监测鱼类养殖环境参数。由于在水域内安装无线传感器网络时节点位置可灵活控制，又利用太阳能电池供电，从而保证整个网络长时间无故障工作[3-5]。

1.2  无线传感器网络节点

无线传感器网络节点包括数据采集模块（含有温度、溶解氧和pH检测传感器、A/D转换器）、CC2530数据处理模块（含80C51微处理器、存储器等）、ZigBee无线通信模块和电源模块4个部分。无线传感器网络节点是构成淡水鱼养殖环境参数监测系统的基础，能实现信息采集、数据处理和传递等功能[6-9]。无线传感器网络节点原理框图见图1。

电源模块负责节点的驱动，为各模块提供所需电源，维持电路的正常运行，是决定网络生存期的关键因素。采用9.0 V太阳能电池供电，使用9.0 V蓄电池存储电能。使用L7805芯片将电源输出转换为5.0 V给传感器及信号调理电路供电;再通过AMS1117，将5.0 V降为3.3 V给CC2530供电。温度测量选用TDC数字温度传感器DS18B20，其输出的数字信号与CC2530的P1.7端口相连。溶解氧传感器选用501针型ORP复合电极，在15～30 ℃时输出电压为245～270 mV，信号调理电路设计中采用放大器AD623和电压跟随器是LM358，增益最高可达1 000倍，最后输出与CC530的P0.2口相连。pH传感器选用E-201-9型pH电极，pH测量范围为0～14，输出电压为± 414.4 mV，信号稳定，无需单独的调理电路，可直接输出与CC2530的P0.3端口连接。endprint

2  系统软件设计

2.1  监测系统总体工作流程

以PC机为监测系统上位机，使用基于Visual Studio 2005（VS 2005）的ZigbemPC平台。系统启动后，先初始化，设定检测周期。软件定时结束后，无线发射采样信号，无线传感器节点接收到上位机指令后进行数据采集，经数据处理后发送给网关节点传到上位机记录、保存数据。当接收到的数据超出报警上下界限时，监控界面发出报警信号。

2.2  传感器节点软件设计

传感器节点在不采集数据时处于休眠状态，关闭通讯模块。当节点被查询时开始发送和接收状态，采集数据，延时等待发送命令，收到命令后发送数据。若延时结束时仍未收到命令，则通讯出现故障，应及时处理，传感器节点软件设计流程图如图2所示。传感器节点pH参数如下所示：

#if defined （DSY_SENSOR）

uint16 readpH（ void ）

{

volatile unsigned char tmp，n;

signed short adcvalue;

// float voltagevalue_pH;

ADCCON3 = （（0x02 << 6） |

（0x03 << 4） |

0x03）;//（0x01 << 3））;

while （（ADCCON1 & 0x80） ！= 0x80）;

adcvalue = （signed short）ADCL;

adcvalue |= （signed short）（ADCH << 8）;

if（adcvalue < 0） adcvalue = 0;

adcvalue >>= 4;

return （uint16）adcvalue;

………

2.3  上位机报警软件设计

上位机编程、调试采用VS2005应用平台。根据要求绘制窗体后编写用户软件。编程时，先初始化（包括窗体初始化、数据库初始化等），再打开串口准备接收数据，并对数据进行处理（包括数据记录、数据图表制作等），最后判断报警条件是否满足。如果满足则界面上的“红灯”开始闪烁并发出“滴滴”报警声，同时在窗体上显示报警的节点类型、编号和报警参量，延时后继续监测;若没有报警，则重新监测。上位机部分报警软件程序如下所示：

if（item.Value >curSensorFieldList[item.Key].ValueMax）

valueFlag=1;sbMessage.AppendFormat（";{0}超过最大值"， valueDescrip）;

for （int j = 1; j < 10; j++）

{System.Media.SoundPlayersimpleSound=newSystem.Media.SoundPlayer（Properties.Resources.msg）;

for （int i = 1; i < 6000000; i++）

{

toolStripLabel1.Enabled = false;

}

for （int i = 1; i < 6000020; i++）

{

toolStripLabel1.Enabled = true;

}

simpleSound.Play（）;

toolStripLabel4.Text=UserResource.Chinese[e.SensorType]+e.OrgNodeID+""+UserResource.Chinese[item.Key];

toolStripLabel4.ForeColor = Color.Red;

}

.......

3  网络测试和数据分析

3.1  无线传感器参数确定

根据淡水鱼类适宜生长水环境，温度允许范围为10～30 ℃，溶解氧允许范围为3～6 mg/L，pH允许范围为6.5～8.5。为了在监测图中能同时显示3种数据变化，3条曲线波动都在100以内，易于观测。因此，在系统参数设置时，输入的溶解氧、pH参数均扩大了10倍，无线传感器参数设置界面如图3所示。

以横坐标表示上位机测量显示值x，纵坐标表示传感器节点待测量y，则有y=ax2+bx+c。通过对各种传感器的标定，得到相应的拟合直线或曲线，便可确定a、b和c的值。

温度传感器DS18B20为数字型传感器，上位机测量显示数据与实际温度呈线性关系。温度拟合直线如图4所示，由此可确定参数b=0.059，c=4.40。

溶解氧传感器501针型输入输出关系为y=bx+c。由于标定存在难度，取白开水和正常水之间的中间值为最低值3 mg/L，为报警下限，对应测量显示值取1 100;取空气中和正常水的中间值，为最大值6 mg/L，为报警上限，对应测量数据取1 700。根据上述两个数据可得b=0.005，c=-2.50。

pH传感器E-201-9型输入输出关系有较好线性，测量数据为未确定参数时上位机界面显示的数值。pH则为pH缓冲液的比对值。pH拟合直线如图5所示，由此可确定参数b=-0.172 8，c=29.43。

3.2  组网调试endprint

淡水鱼养殖环境参数无线传感器网络节点59253监测数据如图6所示。在测试时，设定30 ℃和10 ℃为水温度的报警上、下限，6 mg/L和3 mg/L为溶解氧的报警上、下限，8.5和6.5为pH的报警上下限。从图7中可以看出，先把温度传感器放在常温水中，显示数据在20～30 ℃之间，然后在水中慢慢加入热水，当水温超过30 ℃时，开始报警，红灯闪烁，并在界面显示报警无线传感器节点编号和报警参数。

3.3  误差分析

以pH为例进行测试系统误差分析。采用邻苯二甲酸氢钾、混合磷酸盐、硼砂3种标准测试溶液，进行pH测试比较。测量误差最大值为0.381，平均相对误差为2.22%。试验研究证明，温度测量误差范围在-1.58～2.06 ℃，平均相对误差为3.40%;溶解氧测量误差最大值为0.50 mg/L，平均相对误差为4.52%。

本系统3个测量参数平均相对误差均小于5%，达到了设计要求，可以满足淡水鱼养殖环境参数监测的实际需要。研究表明，传感器的非线性误差、测量环境的不稳定性、电磁噪声的干扰等是造成测量误差的主要原因。

4  结论

采用ZigBee技术、传感器技术和CC2530芯片，完成了信号传感、信号调理、数据采集和无线数据收发等硬件设计，进行了系统软件、无线传感器节点软件及通信软件设计与系统调试，实现了淡水鱼养殖环境参数监测功能。根据水环境中各类参数变化等信息，通过传感器感测信号，综合分析判断水质参数对鱼类生长的影响。如果有影响，则通过上位机监测界面向养殖人员发出报警信号，以便及时采取处理措施。本系统无线传输距离可达100 m，无线传感器节点若选配CC2530-CC2591模块[10]，可将无线传输距离增大到1 000 m左右，以扩大网络监测覆盖范围。

在数据采集中，采用ZigBee技术构建的低成本、低功耗的无线传感器网络克服了有线传感器网络的局限性;在监测区域布置多个传感器节点，在单一传感器节点故障后，可以依据其他正常的传感器节点提供信息，保证了整个网络系统正常工作，延长了系统的使用寿命;在一个无线传感器节点上集成温度、溶解氧、pH 3种类型传感器监测淡水鱼类养殖环境参数，实现了多传感器信息有效融合，降低了系统硬件成本投入，提高了监测数据可靠性，增强了系统决策的科学性。

参考文献：

[1] 孙玉文，沈明霞，陆明洲，等.无线传感器网络在农业中的应用研究现状与展望[J].浙江农业学报，2011，23（3）：639-644.

[2] 李蔚田.物联网基础与应用[M].北京：北京大学出版社，2012.

[3] 高  峰，卢尚琼，徐青香，等.无线传感器网络在设施农业中的应用进展[J].浙江农林学院学报，2010，27（5）：762-769.

[4] 张青春.基于CC2530农作物生长参数监测无线传感器节点的设计[J].制造业自动化，2013，（1）：44-47.

[5] 王  殊，阎毓杰，胡富平，等.无线传感器网络的理论及应用[M].北京：北京航空航天大学出版社，2007.

[6] 王玉田，刘  蕊，侯培国.一种新型溶解氧浓度测量仪的设计[J].仪表技术与传感器，2003（9）：18-19.

[7] EREN H，赵北雁，彭木根.无线传感器及元器件网络、设计与应用[M].纪晓东，译.北京：机械工业出版社，2008.

[8] 程越巍，罗  建，戴善溪，等.基于ZigBee网络的分布式无线温湿度测量系统[J].电子测量技术，2009，32（12）：114-146.

[9] 钱裕禄.传感器技术及应用电路项目化教程[M].北京：北京大学出版社，2013.

[10] 黄玉立，童  玲，田  雨.基于CC2531+CC2591的WSN节点通信模块设计[J].单片机与嵌入式系统应用，2011（1）：71-72.endprint

淡水鱼养殖环境参数无线传感器网络节点59253监测数据如图6所示。在测试时，设定30 ℃和10 ℃为水温度的报警上、下限，6 mg/L和3 mg/L为溶解氧的报警上、下限，8.5和6.5为pH的报警上下限。从图7中可以看出，先把温度传感器放在常温水中，显示数据在20～30 ℃之间，然后在水中慢慢加入热水，当水温超过30 ℃时，开始报警，红灯闪烁，并在界面显示报警无线传感器节点编号和报警参数。

3.3  误差分析

以pH为例进行测试系统误差分析。采用邻苯二甲酸氢钾、混合磷酸盐、硼砂3种标准测试溶液，进行pH测试比较。测量误差最大值为0.381，平均相对误差为2.22%。试验研究证明，温度测量误差范围在-1.58～2.06 ℃，平均相对误差为3.40%;溶解氧测量误差最大值为0.50 mg/L，平均相对误差为4.52%。

本系统3个测量参数平均相对误差均小于5%，达到了设计要求，可以满足淡水鱼养殖环境参数监测的实际需要。研究表明，传感器的非线性误差、测量环境的不稳定性、电磁噪声的干扰等是造成测量误差的主要原因。

4  结论

采用ZigBee技术、传感器技术和CC2530芯片，完成了信号传感、信号调理、数据采集和无线数据收发等硬件设计，进行了系统软件、无线传感器节点软件及通信软件设计与系统调试，实现了淡水鱼养殖环境参数监测功能。根据水环境中各类参数变化等信息，通过传感器感测信号，综合分析判断水质参数对鱼类生长的影响。如果有影响，则通过上位机监测界面向养殖人员发出报警信号，以便及时采取处理措施。本系统无线传输距离可达100 m，无线传感器节点若选配CC2530-CC2591模块[10]，可将无线传输距离增大到1 000 m左右，以扩大网络监测覆盖范围。

在数据采集中，采用ZigBee技术构建的低成本、低功耗的无线传感器网络克服了有线传感器网络的局限性;在监测区域布置多个传感器节点，在单一传感器节点故障后，可以依据其他正常的传感器节点提供信息，保证了整个网络系统正常工作，延长了系统的使用寿命;在一个无线传感器节点上集成温度、溶解氧、pH 3种类型传感器监测淡水鱼类养殖环境参数，实现了多传感器信息有效融合，降低了系统硬件成本投入，提高了监测数据可靠性，增强了系统决策的科学性。

参考文献：

[1] 孙玉文，沈明霞，陆明洲，等.无线传感器网络在农业中的应用研究现状与展望[J].浙江农业学报，2011，23（3）：639-644.

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[3] 高  峰，卢尚琼，徐青香，等.无线传感器网络在设施农业中的应用进展[J].浙江农林学院学报，2010，27（5）：762-769.

[4] 张青春.基于CC2530农作物生长参数监测无线传感器节点的设计[J].制造业自动化，2013，（1）：44-47.

[5] 王  殊，阎毓杰，胡富平，等.无线传感器网络的理论及应用[M].北京：北京航空航天大学出版社，2007.

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[9] 钱裕禄.传感器技术及应用电路项目化教程[M].北京：北京大学出版社，2013.

[10] 黄玉立，童  玲，田  雨.基于CC2531+CC2591的WSN节点通信模块设计[J].单片机与嵌入式系统应用，2011（1）：71-72.endprint

淡水鱼养殖环境参数无线传感器网络节点59253监测数据如图6所示。在测试时，设定30 ℃和10 ℃为水温度的报警上、下限，6 mg/L和3 mg/L为溶解氧的报警上、下限，8.5和6.5为pH的报警上下限。从图7中可以看出，先把温度传感器放在常温水中，显示数据在20～30 ℃之间，然后在水中慢慢加入热水，当水温超过30 ℃时，开始报警，红灯闪烁，并在界面显示报警无线传感器节点编号和报警参数。

3.3  误差分析

以pH为例进行测试系统误差分析。采用邻苯二甲酸氢钾、混合磷酸盐、硼砂3种标准测试溶液，进行pH测试比较。测量误差最大值为0.381，平均相对误差为2.22%。试验研究证明，温度测量误差范围在-1.58～2.06 ℃，平均相对误差为3.40%;溶解氧测量误差最大值为0.50 mg/L，平均相对误差为4.52%。

本系统3个测量参数平均相对误差均小于5%，达到了设计要求，可以满足淡水鱼养殖环境参数监测的实际需要。研究表明，传感器的非线性误差、测量环境的不稳定性、电磁噪声的干扰等是造成测量误差的主要原因。

4  结论

采用ZigBee技术、传感器技术和CC2530芯片，完成了信号传感、信号调理、数据采集和无线数据收发等硬件设计，进行了系统软件、无线传感器节点软件及通信软件设计与系统调试，实现了淡水鱼养殖环境参数监测功能。根据水环境中各类参数变化等信息，通过传感器感测信号，综合分析判断水质参数对鱼类生长的影响。如果有影响，则通过上位机监测界面向养殖人员发出报警信号，以便及时采取处理措施。本系统无线传输距离可达100 m，无线传感器节点若选配CC2530-CC2591模块[10]，可将无线传输距离增大到1 000 m左右，以扩大网络监测覆盖范围。

在数据采集中，采用ZigBee技术构建的低成本、低功耗的无线传感器网络克服了有线传感器网络的局限性;在监测区域布置多个传感器节点，在单一传感器节点故障后，可以依据其他正常的传感器节点提供信息，保证了整个网络系统正常工作，延长了系统的使用寿命;在一个无线传感器节点上集成温度、溶解氧、pH 3种类型传感器监测淡水鱼类养殖环境参数，实现了多传感器信息有效融合，降低了系统硬件成本投入，提高了监测数据可靠性，增强了系统决策的科学性。

参考文献：

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[3] 高  峰，卢尚琼，徐青香，等.无线传感器网络在设施农业中的应用进展[J].浙江农林学院学报，2010，27（5）：762-769.

[4] 张青春.基于CC2530农作物生长参数监测无线传感器节点的设计[J].制造业自动化，2013，（1）：44-47.

[5] 王  殊，阎毓杰，胡富平，等.无线传感器网络的理论及应用[M].北京：北京航空航天大学出版社，2007.

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[7] EREN H，赵北雁，彭木根.无线传感器及元器件网络、设计与应用[M].纪晓东，译.北京：机械工业出版社，2008.

[8] 程越巍，罗  建，戴善溪，等.基于ZigBee网络的分布式无线温湿度测量系统[J].电子测量技术，2009，32（12）：114-146.

[9] 钱裕禄.传感器技术及应用电路项目化教程[M].北京：北京大学出版社，2013.

[10] 黄玉立，童  玲，田  雨.基于CC2531+CC2591的WSN节点通信模块设计[J].单片机与嵌入式系统应用，2011（1）：71-72.endprint