基于WSN的水产养殖环境监测系统设计

卜世杰,王永顺,张红霞,杨旭辉

(1.兰州交通大学 电子与信息工程学院,甘肃 兰州　730070;

2.甘肃省科学院传感技术研究所 甘肃省传感器与传感技术重点实验室,甘肃 兰州　730000)



基于WSN的水产养殖环境监测系统设计

卜世杰1,2,王永顺1,张红霞2,杨旭辉2

(1.兰州交通大学 电子与信息工程学院,甘肃 兰州730070;

2.甘肃省科学院传感技术研究所 甘肃省传感器与传感技术重点实验室,甘肃 兰州730000)

摘要设计了一种基于WSN无线传感器网络技术的水产养殖环境监测系统,用于监测水产养殖环境中pH值、温度、浊度等参数。分析讨论了传感器的选型、传感器调理电路的设计以及系统软件的设计。引进WSN无线传感器网络技术降低了检测成本,并且实现了远程监控。监控中心软件采用Labview开发,为用户提供直观的监控平台。实验结果表明:pH值、温度、浊度参数的相对测量误差均在1.20%以内,可以满足水产养殖环境因子监测的要求,具有较好的市场前景和推广价值。

关键词水产养殖;pH值;远程监控

我国是一个农业大国,而水产养殖是我国农业重要的组成部分。随着我国水产养殖业的快速发展,传统的粗放养殖已经无法满足养殖的需求[1-3]。伴随着国外养殖业的竞争和养殖规模的扩大,以及鱼病问题的多发[4],急需一种可以自动监控水产养殖环境的监测系统,对参数的监测达到较高的精度以及实时的传输,以便及时发现问题,做出反应。研究设计了一种基于WSN无线传感器网络技术的水产养殖环境监测系统,用于监测水产养殖环境中pH值、温度、浊度等参数。

1系统总体架构

1.1WSN技术

无线传感器网络(WSN,wireless sensor networks)是将传感器应用技术、嵌入式技术、无线网络技术、分布式信息处理技术结合在一起的系统。它能够将传感器采集到的数据通过无线网络传送给观察者,具有节点多、自组织、以数据为中心等特点[5]。

无线传感器网络(WSN)技术通过自组网的方法将整个节点连接起来,减少了布线时的困难与成本,节点便于移动,适用于大范围的水产养殖环境。这些都促使其成为一种适用于智能水产养殖水环境监测系统的新技术[6]。利用无线传感器网络技术,使水产养殖业实现无线化、智能化、网络化、数字化,是水产养殖业未来的发展趋势[7]。

1.2系统架构

系统主要由无线传感器网络节点和监控中心两部分构成,如图1所示。部署在鱼塘中的无线传感器节点将各个传感器采集到的数据通过无线射频收发模块发送给路由节点,路由节点在接收到数据后,再转发给协调点。协调点通过RS232串口将数据发送给监控中心,以便用户可以实时远程监控。

2无线传感器节点硬件设计

无线传感器节点主要由传感器模块、电源模块和处理器模块构成,节点的硬件结构如图2所示。传感器模块包括各个传感器的采集电路和传感器的调理电路,负责将pH值、温度、浊度等参数转换为标准电压信号。处理器模块包括A/D转换模块、微控制器和无线收发模块,它负责将传感器模块的输出信号进行A/D转换后,通过无线收发模块发送出去。电源模块负责为整个无线传感器节点供电。

图1　系统结构Fig.1　Structural diagram of system

图2　无线传感器节点结构Fig.2　Structural diagram of nodes of wireless sensor

2.1处理器模块

主控制器选用TI公司出品的CC2430芯片[8],该芯片内置一颗高性能、低功耗的增强型8051单片机,具有2.4 GHz IEEE 802.15.4[9]的RF收发器,功耗低,且发射功率可调,可以满足无线通讯需求,支持8~14位的A/D转换模块,节约了成本。

2.2pH值传感器调理电路

系统采用上海雷磁仪器厂生产的E-201型pH值传感器。该电极由玻璃球泡内的测量电极和玻璃球泡外的参比电极组成原电池,发生电化学反应从而产生电动势,使能量转变为电能。

设计的pH值传感器调理电路如图3所示。由于pH值传感器输出为毫伏级电压,且输出阻抗非常高,为了隔绝前后电路之间的相互影响,前级放大器U1选用阻抗高,失调电流小的静电计级运算放大器OPA128。U2选用双通道的OPA2277,该芯片具有极低的输入失调电压和输入偏置电流。U2A利用滑动变阻器将电压提升,并通过10 nF的电容与U1的输出相连,从而使电压提升至正电压。U2B将电压信号滤波放大,使输出电压为1.6～2.9 V,满足A/D转换器的输入范围。pH值传感器调理电路输出电压计算公式为

(1)

其中:Vin为pH电极输出电压(V);Rs为可变电阻(Ω);R2、R4为固定电阻(Ω)。

2.3浊度传感器调理电路

系统采用青岛昱昌科技有限公司生产的YC-11型浊度传感器。它采用的是90°角散射光原理。在传感器的内部有一个发光二极管,发射出一束光源,遇到水中悬浮颗粒,所反射的90°角的光束被传感器内部的光电检测器接收。由于水中悬浮颗粒的

图3　pH值调理电路Fig.3　pH value conditioning circuit

不同与数量的多少,会导致接收到的光的强弱各不相同,从而引起光电接收器输出电压的变化,由此来判断水的浊度。雷莱公式[10]为

(2)

其中:IO为入射光强度;IS为散射光强度;N为单位溶液微粒数;V为微粒体积;λ为入射光波长;K为系数。在入射光恒定的条件下,散射光强度和溶液的浊度成正比。

将雷莱公式简化为

(3)

其中:K′为常数。根据式(3),可以测量出水样中的浊度。

研究设计的浊度传感器调理电路如图4所示。浊度调理电路采用±5V供电,由OPA277运算放大器构成2级电路。为了防止信号的衰弱与电路对信号的影响,U1采用一个电压跟随器。U2将电压放大并输出,浊度调理电路输出电压为

(4)

其中:Vin为浊度电极输出电压(V);R5、R6为固定电阻(Ω)。

图4　浊度调理电路Fig.4　Turbidity conditioning circuit

2.4电源模块

系统采用1 200 mAh,9 V的大容量锂电池供电,通过LT3581芯片将电压稳压至+9 V,再降压至+5 V、+3.3 V;采用TL7660芯片,将+5 V电压转换为-5 V。满足各个无线传感器节点、路由节点和协调节点的电压需求。实验结果表明,采用该电路后,供电电压稳定,且供电时间可长达7个月以上。电源模块结构如图5所示。

图5　电源模块Fig.5　Power supply module

3软件设计

3.1节点软件设计

节点软件设计采用IAR Embedded Workbench开发环境,这是瑞典IAR Systems公司专门为微处理器开发的一个集成开发环境[11]。

无线传感器节点在启动后,首先会进行初始化,然后与协调点开始同步信息,之后进入待机状态,以减少能源损耗。当收到路由节点发来的采集指令后,会启动内部的定时器开始计时,当采集时间到,便开始采集数据,随后将数据发送出去。之后再一次进入休眠状态,等待下次指令。软件流程如图6所示。

图6　无线传感器节点程序流程Fig.6　Process flow chart of nodes of wireless sensor

3.2监控软件设计

监控软件设计的目的是方便用户进行远程监控,实时了解水产养殖环境参数变化。系统上位机监控软件采用Labview开发[12],监控界面如图7所示。

图7　监控软件界面Fig.7　Interface of monitoring software

监控软件主要由通信测试、数据库服务、实时数据和监测界面四部分构成。其中,用户主要在监测界面进行实时监测。在监测界面中,用户可以选择鱼塘中不同的无线传感器节点来显示此处各参数的数据,以便用户了解鱼塘中各点的参数变化。通过选择不同的特征值,可以显示此节点不同参数的实时曲线。设置报警阈值,可以在此参数超出预设值时发出报警,达到预警的效果。

4测试

在整个系统设计完毕后,在甘肃省某鲑鳟鱼养殖基地进行了测试,测试主要分为两部分:1.通过比对传感器采集的数据与标准缓冲液的误差,以验证传感器的精度是否达到了标准;2.在第1部分完成后,在现场进行24小时不间断测试,以验证数据传输的正确性,以及整个系统的稳定性。

首先用标准缓冲液对pH值传感器、浊度传感器进行校准,以消除偏差。然后分别用pH值为4.01、6.86、9.46的标准缓冲液和浊度为10 NTU、20 NTU、40 NTU的标准缓冲液与传感器实际采集到的数据进行比对,实验结果如表1所列。实验结果表明,本系统的测量值与标准值的相对误差均在1.20%以内。测量的精度完全满足水产养殖环境因子采集的要求。

表1　传感器测试结果

对各个传感器标定完成后,又在此基地进行了24小时的实地测试。测试结果如表2所列。测试结果表明:系统运行非常稳定,各参数变化正常。24小时内pH值误差在±0.3范围内,温度误差在±0.5 ℃范围内,浊度误差1.00 NTU范围内。测试所得的精度满足设计要求,符合实际运行的需要。

表2　水产养殖环境因子监测结果

通过对传感器精度的测试和在水产养殖基地的现场测试,传感器的相对误差在1.25%以内,整个系统运行状况良好,并通过协调点以RS232串口的方式将数据传输到上位机。本地监控中心数据接收稳定,且能实时显示各个节点不同参数的变化,达到了预期的设计目标。

5结论

研究设计了一种基于WSN无线传感器网络技术的水产养殖环境监测系统。该系统相对测量误差均在1.20%以内,可以准确采集水产养殖环境中的参数。在9 V锂电池供电的情况下,系统运行时间长达7个月以上,且无需人为实时监控,最大程度地减少了人工成本,具有提高养殖效率的现实意义。下一步将在监测环境控制、监控软件优化、测量精度提高和能源损耗降低等方面做进一步研究。

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Design of Aquacultural Environment Monitoring System Based on WSN

Bu Shijie1,2,Wang Yongshun1,Zhang Hongxia2,Yang Xuhui2

(1.SchoolofElectronicandInformationEngineering,LanzhouJiaotongUnversity,Lanzhou730070,China;2.KeyLaboratoryofSensorsandSensingTechnologyofGansuProvince,InstituteofSensorTechnology,GansuAcademyofSciences,Lanzhou730000,China)

AbstractAn aquacultural environment monitoring system based on wireless sensor network WSN technology was designed for monitoring the parameters,such as pH value,temperature,turbidity,etc.in the aquacultural environment.The selection of sensor and design of sensor conditioning circuit and design of software of the system were analyzed and discussed.The detecting cost was reduced and remote monitoring was implemented after introducing the wireless sensor network WSN technology to the aquacultural environment monitoring system.The intuitive monitoring platform was offered to the user because of Labview applied to development of software of the monitoring center.The experimental result showed that relative measurement errors of parameters including pH value,temperature and turbidity were controlled within 1.20%.moreover,the aquacultural environment monitoring system can satisfy requirements of monitoring aquacultural environment factors and has excellent market prospect and popularizing value.

Key wordsAquaculture;pH value;Remote monitoring

中图分类号:TP274+.5;S959

文献标志码:A

文章编号:1004-0366(2016)01-0055-06

作者简介:卜世杰(1990-)，男，甘肃天水人，硕士研究生,研究方向为无线传感器网络与电路设计.E-mail:bsjsoso@163.com.通讯作者:杨旭辉.E-mail:yangxh1-2@163.com.

基金项目:甘肃省重点实验室专项项目(145RTSA009)；甘肃省科技支撑计划项目(1204GKCA046)；兰州市科技发展计划项目(2013-4-13)；甘肃省科学院青年科技创新基金项目(2014QN-19)；甘肃省科学院青年科技创新基金项目(2013QN-01).

收稿日期:2015-04-09;修回日期:2015-05-07.

doi:10.16468/j.cnki.issn1004-0366.2016.01.013.

引用格式:Bu Shijie,Wang Yongshun,Zhang Hongxia,etal.Design of Aquacultural Environment Monitoring System Based on WSN[J].Journal of Gansu Sciences,2016,28(1):55-60.[卜世杰,王永顺,张红霞,等.基于WSN的水产养殖环境监测系统设计[J].甘肃科学学报,2016,28(1):55-60.]