基于WSN的水产养殖水质监测系统设计

2016-09-18欧国成

安康学院学报 2016年4期

关键词：数据包无线水质

欧国成

（罗定职业技术学院电子信息系，广东　罗定 527200）

基于WSN的水产养殖水质监测系统设计

欧国成

（罗定职业技术学院电子信息系，广东罗定 527200）

养殖环境水质参数采集的智能化与信息化是保障养殖安全、提高养殖质量的关键技术之一，本文设计了一款适于水质参数监测的无线传感器网络节点及其网络系统。节点以MSP430F149为处理器，nRF905射频芯片及其外围电路为无线通信模块，BQ2057W充电管理芯片及其外围电路为太阳能充电模块，DOG-96DS溶解氧电极和PHG-96FS pH电极及其信号调理电路为传感器模块，并以该节点为硬件平台编写了通信协议、应用程序和数据监控中心软件，测试了节点功耗、通信距离以及锂电池充电时间。实验结果表明，该系统可实现水质参数的实时监测、实时显示和数据预警，具有远程数据管理功能。

无线传感器网络；水质监测；节点设计；低功耗；数据监控中心软件

养殖环境水质参数采集的智能化和信息化是保障养殖安全、提高养殖质量的关键技术之一[1]。国内外已有科研人员将无线传感器网络（wireless sensor network，WSN）技术应用于水质参数采集与监测。为满足水质参数采集实时性高，周期性强的需求，研究人员结合不同的应用场合，设计了多种专用的无线传感器网络节点[2-3]。

张珏等[4]采用MSP430F149+CC2420设计了一款监测水温和pH值的无线传感器网络节点及其网络系统，其传感器采用了美国Global Water公司的WQ系列水质参数检测传感器。但由于WQ系列传感器价格较高，工作电压要求10V以上，因此限制了其推广和应用。

夏宏博等[5]采用MSP430F1611+CC2430设计了一款在线监测水体pH、溶解氧和温度参数的无线传感器网络节点及其网络系统，但由于其节点通信距离短，网络丢包率和误包率较高（通信距离为80米时丢包率和误包率分别为22.8%和2.2%），节点缺乏长时间持续工作的能力，很难满足实际应用的要求。

美国Heliosware公司设计了一款用于监测水体的水压、pH值、电导率以及溶解氧参数的无线传感器网络系统（EmNet）[6]，并将其应用于湖泊水环境监测。该系统的传感器节点采用了ATmega103单片机和TinyOS操作系统，采用锂电池供电方式，无线通信频段为900MHz。但EmNet主要应用于废水监测和饮用水监测，而且功耗较高，仅适用于作研究使用。

水产养殖面积通常较大，要求无线传感器网络节点必须拥有较远的通信距离。因此，在尽可能延长节点生命周期的基础上，笔者通过合理的硬件系统和软件系统设计，有效提高了节点的通信距离。同时为了满足水质参数采集实时性高，周期性强的需求，结合网络编程技术、数据库技术，设计了一款基于WEB模式的数据监控中心软件系统。

1　硬件系统

节点通过自组网的形式将采集的信息发送至监控中心，实现对养殖环境水温、pH值和溶解氧浓度的采集。传感器节点由处理器模块、无线通信模块、传感器模块、串口通信模块以及电源与太阳能充电模块组成。节点硬件结构框图如图1所示，节点实物图如下页图2所示。

图1　无线传感器网络节点硬件结构框图

图2　节点实物图

选用TI公司的MSP430F149单片机作为节点的微控制器。该单片机具有低电源电压范围（1.8～3.6V）、超低功耗（等待方式：1.3μ A，RAM保持关闭方式：0.15μ A）、集成度高、外围模块丰富等特点。无线通信模块采用了nRF905射频模块。nRF905是挪威Nordic公司推出的单片无线收发器，工作电压为1.9～3.6V，工作于3个ISM频道（433/868/915MHz，可以免费使用），能耗非常低，发射功率为10dBm时，发射电流为30mA，接收电流为12.5mA，掉电模式下电流仅为2.5μ A，方便进行节能设计。

综合考虑养殖环境水温、pH值和溶解氧浓度的变化范围以及传感器的价格因素，选择上海火飞实业有限公司的DOG-96DS溶解氧电极和PHG-96FSpH电极对养殖环境水温、pH值和溶解氧浓度进行测量。DOG-96DS溶解氧电极的测量范围为0～20.00mg/L，分辨率为0.01mg/L；PHG-96FS pH电极的测量范围为-1.00～15.00pH，分辨率为0.01pH。传感器模块与节点核心模块独立设计，通过接口连接，使节点具有灵活的可扩展性和适用性。

节点采用2节锂电池串联供电。因MSP430F149的工作电压为1.8～3.6V，nRF905射频模块的工作电压为1.9～3.6V，而传感器模块需要5V电源供电，故供电电源需经过LT1129-3.3和LT1129-5降压至3.3V 和5V。3.3V电压为处理器模块和无线通信模块供电，5V电压为传感器模块和串口通信模块供电。为实现低功耗设计，利用继电器控制5V电压输出，当执行数据采集任务时导通继电器，为传感器模块上电；节点进入休眠时则断开继电器，传感器模块掉电。

节点生命周期短是无线传感器网络面临的一个重要问题[7-8]。本系统采用TI公司生产的先进锂电池充电管理芯片BQ2057W，结合太阳能电池板对2节锂电池进行太阳能充电管理。BQ2057W具有自动重新充电、最小电流终止充电、低功耗休眠等特性，可以动态补偿锂电池组的内阻以减少充电时间。BQ2057W的充电分为三个阶段：预充状态、恒流充电和恒压充电阶段。

2　软件系统

软件系统包括通信协议设计、应用程序设计以及数据监控中心软件设计。

2.1通信协议设计

通信协议设计的好坏直接影响节点的性能和整个网络的稳定性。本设计通过路由算法、休眠唤醒机制和时间同步算法等策略，达到了降低节点能耗和保证网络稳定性的目的。

2.1.1路由协议设计

对Flooding协议存在的内爆问题，笔者做了部分改进：为源节点数据包加上序列号，序列号递增，并为转发节点建立转发记录表，登记转发信息（源节点号和数据包序列号）。转发节点接收到数据包后，先检查转发记录表，若转发信息无记录则登记转发信息并转发数据包，若转发信息已登记则丢弃本次数据包。由于养殖面积大，需要较多的转发节点，这种利用数据包序列号的方法有效缓解了Flooding协议存在的内爆问题，可以使网络数据传输更通畅。

2.1.2休眠唤醒机制

针对水质参数采集周期性强的特点，设计了“采集—发送—休眠”模式的周期性休眠唤醒机制。由于节点休眠时，能耗最低，所以要尽量延长节点的休眠时间，以达到降低节点能耗、延长节点生命周期的目的。结合养殖环境水质参数变化缓慢的特点，实际中可以适当增大采集周期，减少采集次数，尽量使节点的休眠时间变长。

2.1.3时间同步算法

由于节点晶振的差异性，当节点经过若干次休眠唤醒循环后，节点间可能会出现唤醒不同步的情况，从而导致数据包丢失，甚至导致整个网络瘫痪。为了避免节点间唤醒不同步，本设计加入了时间同步算法。汇集节点（或网关）在进入休眠前，把本地定时参数做成时间同步数据包，并广播发送。各节点接收到同步数据包后取出同步信息并转发，根据同步信息调整自身的定时参数，达到与汇集节点（或网关）基本同步。这样，源节点的睡眠唤醒机制变成了“采集—发送—同步—休眠”模式。时间同步算法有效抑制了时间误差的叠加，避免了节点间唤醒不同步，大大提高了网络的稳定性。

2.1.4网络维护

节点因死亡而退出网络以及新节点加入网络是网络维护的主要内容。当新节点需要加入网络时，节点上电后进入接收状态，等待同步数据包，接收到同步数据包后取出同步信息并转发数据包，调整本地定时参数，达到与汇集节点（或网关）基本同步，这样新节点就成功加入了网络。当某个节点死亡后，包含该节点的转发路径消失，其他节点以自组网多跳的方式自动形成新的转发路径，保障了网络的通畅性。

2.2应用程序设计

应用程序设计包括底层驱动程序、数据采集、射频发送、射频接收、进入休眠等任务。设计思路如下：节点上电后，各模块进行初始化，然后进入接收状态，等待同步数据包，同步后进入休眠状态，直到定时唤醒，唤醒后进行数据采集，发送数据包等任务，然后进入接收状态，等待新一轮的同步，同步后再次进入休眠状态。

2.3数据监控中心软件设计

数据监控中心软件包括数据接收上位机和数据管理网站。以Microsoft Visual Studio 2008为开发平台，SQL Server 2000为数据库软件，结合 ASP.NET、HTML语言以及C#语言开发了数据接收上位机和数据管理网站。数据接收上位机实现数据的实时接收和保存，数据管理网站实现数据实时显示、历史数据波形图查看、水质安全指标查看、实时数据预警、后台数据管理五大功能。

2.3.1数据接收上位机

节点通过自组网的形式将采集的信息发送到GPRS网关，再由GPRS网关以TCP协议发送数据到PC机终端。GPRS网关与PC机终端之间的通信是通过Socket进行的。所谓Socket，通常也称作“套接字”，应用程序通常通过“套接字”向网络发出请求或者应答网络请求。“套接字”之间的连接过程可分为三个步骤：服务器监听，客户端请求，连接确认。本文以Microsoft Visual Studio 2010为开发环境，SQL Server 2008为数据库软件，用C#语言开发了PC机终端接收GPRS网关数据的上位机。上位机监听连接，GPRS网关发送连接请求，两者建立连接后，上位机就可以接收GPRS网关数据。上位机接收数据经过处理后，实时存入数据库，避免数据的损坏或丢失。数据存入数据库后，用户登录数据管理网站就能对数据进行各项操作。

2.3.2数据管理网站

近十年来，随着社会科技、文化和经济的发展，特别是计算机网络技术和通信技术的大发展，Internet用户已经遍及全球，有几亿人在使用Internet。为了方便用户查看和管理数据，本文设计了基于WEB模式的数据管理网站。用户通过连接Internet的任何一台计算机或者通过连接Wap网络的手机都可以方便地查看和管理数据。数据管理网站的主要功能包括：数据实时显示、水质安全指标查看、实时数据预警、历史数据波形图查看、后台数据管理等。用户通过点击相应的链接就能进入对应功能的页面，操作简单方便。

3　测试及结果分析

3.1节点通信距离测试

水产养殖面积通常较大，要求无线传感器网络节点必须拥有较远的通信距离。节点的通信距离与发射功率密切相关，发射功率越大，通信距离越远，功耗也越大。设置节点天线距离地面高度为1.5m，射频频率为433MHz，发射功率设置为6dBm，然后进行测试。发送节点每隔5s发送一次数据，接收节点接收到数据后点亮接收数据指示灯。逐渐增加收发距离，当接收节点刚好接收不到数据时，用激光测距仪测量收发节点间的距离并做记录，调整方向测试3次，取平均值。测量的节点通信距离如表1所示。

表1　节点通信距离测试　（m）

3.2节点功耗测试

利用高精度电流表接入节点电路，测量不同工作状态的节点电流，测试结果见表2。由表2可知，节点处于休眠状态时的工作电流最低，仅为86.90μ A。结合养殖环境水质参数变化缓慢的特点，实际中可以适当增大采集周期，使节点的休眠时间尽量长，可以有效降低节点功耗，延长节点的生命周期。

表2　节点工作电流测试

根据节点在一个采集周期t（h）内各个状态的工作时间，可以计算出节点在一个采集周期内消耗的总能量X1（mAh）。设2节锂电池由满状态电压下降至5.4V（系统最低电压要求）所消耗的电池容量为X2（mAh），就可以计算出节点的生命周期T，计算公式为T=X2/X1*t（h）。

经测试，2节锂电池由满状态电压降至5.4V所消耗的电池容量约为1000mAh。每个采集周期内节点的数据采集时间为15s，数据接收发送时间为10s，其余时间节点处于休眠状态，计算出工作周期为1h和2h的节点生命周期（不考虑太阳能充电）分别为121天和194天。

3.3网络丢包率测试

丢包率是指测试中丢失数据包数量占发送数据包数量的比率。对本文设计的节点系统，进行了WSN组网实验，实时测量养殖环境水温、pH值和溶解氧浓度三种水质参数。组网共采用10个节点，节点编号分别为Node_1～Node_10，其中Node_1为网关，Node_2～Node_6为采集节点，Node_7～Node_10为路由节点，其中，采集节点也具有路由转发功能。实验时采集周期设为30min，实验共进行25天。测试结果如表3所示，其中Node_Num代表采集节点号；Node_Packet代表采集节点产生的数据包个数；Rec_Packet代表网关收到的各采集节点的数据包个数；Packet_LR代表各采集节点的丢包率。整个网络平均丢包率为1.80%。

表3　网络丢包率统计表

3.4太阳能充电时间测试

由于水产养殖环境大部分在户外，阳光充足，本文利用太阳能电池板对2节锂电池进行充电管理。经测试，在阳光充足时，2节锂电池由5.4V（系统最低电压要求）自动充电至8.4V（充电完毕时的最高电压）仅需172分钟。可见，在太阳能资源充足的地区，节点的生命周期理论上可以无限长。

4　结论

针对水产养殖水质参数采集实时性高、周期性强、节点部署位置可固定等特点，笔者设计了一款适合水质参数采集的无线传感器网络节点及其网络系统。节点在空旷地带和有障碍物情况下，最大有效通信距离分别达到195m和116m，节点休眠时电流为86.90μ A，晴天时2节锂电池由5.4V充电至8.4V仅需172分钟，组网测试的网络平均丢包率为1.80%。由于传感器模块与节点核心模块独立设计，通过接口连接，使节点具有灵活的可扩展性和适用性。另外，本文设计的数据接收上位机和数据管理网站于一体的数据监控中心软件，实现了远程数据实时接收和保存、数据实时显示、数据预警、数据管理、数据导出等功能，用户查看和管理数据十分方便。

[1]刘兴国，刘兆普，王鹏祥，等.基于水质监测技术的水产养殖安全保障系统及应用[J].农业工程学报，2009，25（6）：186-191.

[2]邹赛，刘昌明，李法平.基于无线传感器网络的水环境监测系统[J].传感器与微系统，2010，29（9）：104-108.

[3]刘玉梅，张长利，王树文，等.基于ZigBee技术的水产养殖环境监测系统设计[J].自动化技术与应用，2011，30（3）：50-53.

[4]张珏，李波.用于水质监测的无线传感器网络节点设计[J].自动化技术与应用，2011，30（9）：38-41.

[5]夏宏博.面向水环境监测的无线传感器网络监测节点设计[D].杭州：杭州电子科技大学，2009.

[6]EmNetLLC.Technology[EB/OL].(2007-06-10)[2016-03-20]. http：//www.heliosware.com/technology.

[7]吴伶锡，詹杰，李琳.无线传感器网络节点的低功耗研究[J].计算机工程与应用，2009，45（7）：97-99.

[8]张大踪，杨涛，魏东梅.无线传感器网络低功耗设计综述[J].传感器与微系统，2006，25（5）：10-14.

【责任编校李林霞】

TP393；TP274

1674-0092（2016）04-0096-04

10.16858/j.issn.1674-0092.2016.04.020