海洋牧场多参数智能监测系统设计与实现*

石 尧， 李 晖， 杨永钦， 杜文才， 杨亚飞， 李鹏翔

(海南大学 信息科学技术学院，海南 海口 570228)

海洋牧场多参数智能监测系统设计与实现*

石 尧， 李 晖， 杨永钦， 杜文才， 杨亚飞， 李鹏翔

(海南大学 信息科学技术学院，海南 海口 570228)

针对南海水产养殖业特点，设计了一种海洋牧场多参数智能监测系统。选取温度、pH值和浊度作为监测对象，利用单片机收集水下传感器数据，通过低频信号发射模块传输数据，通过ZigBee技术自动组网实现水上数据远程传输，上位机利用LabVIEW图形化编程实现对海水生态参数的实时监测，并提供远程访问功能。外场测试证明：系统具有灵活性好、功耗低、成本低等特点，可以较好地用于海洋牧场水质监测，全面提升海洋牧场的科学化监管和告警等管理。

海洋牧场； 智能监测； 实时性； 单片机； ZigBee； LabVIEW

0 引 言

海洋牧场可确保渔业资源持续稳定增长[1]，保护海洋生态环境[2]。而水质状况对水生生物的分布和生长影响巨大，是决定海洋牧场产量和质量的关键因素。例如，温度影响饵料系数大小，在适宜范围内，温度升高养殖对象摄食量大生长速度加快。通常，pH值介于7.5～8.5的水体适宜水产养殖品种生存。水体浑浊会减弱光合作用，降低溶解氧含量，引起鱼类窒息死亡[3]。国内工业化养殖起步较晚，主要依靠经验，很难做到精细化养殖。随着传感器技术不断发展，依靠信息技术掌握养殖环境数据，科学指导养殖生产势在必行[4]。针对现有监测设备测量周期长、成本高、监测区域小的现实特点，提出了一种多参数无线水质监测系统，实现对养殖水域水质状况的实时监测，推动科学养殖，提高海洋牧场产品产量和质量。

1 系统设计方案

水质监测系统主要由数据采集部分、无线传输部分和上位机监测中心3部分组成，选择具有代表性的温度、pH值和浊度作为监测对象，其结构如图1所示。

图1 系统结构

数据采集设备通过蓄电池供电，悬浮于监测水域中，利用单片机收集各种传感器数据[5]，并将分析处理后的数字信号发送至水面浮标。水面浮标采用光伏太阳能供电，在整个系统中起到数据中继作用，接收采集设备发来的数据并将其传送至上位机。由于光在水中存在折射，且水面浮标和采集设备易受海面风力及洋流影响光孔难以对准，不宜采用光通信[6]。为减小信号衰减程度增大传输距离，选用170 MHz通信模块实现水中通信。海面浮标动态组成ZigBee网络[7,8]，经单跳或多跳的方式数据送抵协调器，由串口将数据传送至上位机。监测中心则利用LabVIEW设计功能完备的监测界面[9]，实时监测海水生态参数，同时，借助其内置的Web服务器将前面板发布到云端，供远程访问。

各部分协调合作，实现了一个集数据采集、无线传输、实时监测、自动报警、历史数据查询等功能于一体的海洋牧场智能监测系统，其成本低、免布线、易维护、灵活性好，可以推动传统海洋牧场向智慧化转变，科学指导养殖生产[10]。

系统海上无线网络由ZigBee协调器、路由节点和终端节点组成，根据实际需要可以形成星型、簇状、网状网3种不同类型的拓扑结构[11～15]，如图2所示。星型网由一个协调器和多个终端节点组成，协调器负责整个网络的启动和维护，该网络的控制比较简单，通常用于小范围通信；簇状网包括一个协调器，多个路由器以及多个终端节点，协调器除了启动网络外，还要选取关键的网络参数，网络覆盖范围较大，延时增加；网状网由多个全功能设备组成骨干网，允许所有路由节点直接通信，可以减小网络传播时延，增加可靠性。

图2 ZigBee网络拓扑类型

2 系统实现

2.1 采集设备的实现

1)温度传感器

采用DS18B20数字温度传感器，其体积小、功耗小、电路简单，只需要按照给定的时序操作高、低电平即可准确地测量温度，适用于各类狭小空间的数字测温和控制领域[16]。输出即为数字信号，不需要调理电路，适应电压宽为3.0～5.5 V，测量范围为-55～+125 ℃，与微处理器只需要一条线连接即可实现双向通信，抗干扰能力强。

2)pH值传感器

采用电位法[17]设计pH值传感器。电位检测是将玻璃电极作为测量电极，Ag/AgCI电极为参比电极组成电池，遵循能斯特(Nernst)定律[18]，依据电势变化测量pH值。测量电极电位、参比电极电位与pH值满足式(1)

Ex=Eθ-2.303RTpH/F

(1)

式中Ex为复合电极电势；Eθ为标准电极电势；R为气体常数8.314 41 J/(K·mol)；T为开氏绝对温度；F为法拉第常数96.487 kJ/(V·mol)。采集数据时将pH传感器放入待测溶液中，两电极之间存在微小电动势，输出信号范围较小，需要设计放大电路来提高输入阻抗，降低测量噪声。

3)浊度传感器

养殖水域水体浑浊度越高，光的通过率越低，光敏电阻器接收光线越弱[19]，利用这一原理设计浊度传感器，光敏电阻将光线强度转换为电流信号，浊度电流信号经电阻转换为0～5 V电压信号，利用A/D转换器进行采样处理后，单片机即可读取当前浊度信息。

4)采集设备软件设计

系统数据采集部分通过对水下传感器以0～5 V直流电压进行模拟信号采集，利用ADC0809转换器进行模/数转换,获取数字信号，经单片机分析处理完成数据采集工作，最终数据由低频发射模块发送，软件流程如图3所示。

图3 采集设备软件设计流程

2.2 水面浮标设计

系统数据传输涉及水上及水下2部分，选取合适的频段保证数据可靠传输尤为重要。为降低设备复杂度，减小电磁波衰减程度，水下选用170 MHz无线通信模块传输数据。海面利用ZigBee节点自动组网，搭建了一个适合于海面短距离、性能可靠、容量大的无线传输网络。水面浮标在整个系统中起到数据中继作用，其结构如图4所示。

图4 水面浮标结构

水面浮标搭载基于CC2530的ZigBee模块与170 MHz无线串口模块，两者通过杜邦线连接传输数据。ZigBee模块底板自带USB转串口功能，并且为170MHz无线串口模块提供3.3 V电源。RXD，TXD分别为串口输入、输出引脚，两模块交叉相连用以传输数据。无线串口模块的M0，M1引脚决定了模块的工作模式，为保证水下数据传输质量，将其电源接地采用透明传输模式。

2.3 上位机监测界面设计

在海洋牧场监测中心上位机界面可以实现数据的采集、处理及显示，并将监测数据保存到数据库中，可根据预设值自动报警，支持远程访问功能，软件流程如图5所示。ZigBee网络协调器和上位机之间采用串口通信，LabVIEW[20]需要运行专用的仪器驱动设备和VISA库函数的安装程序后才可以使用串口函数[21～23]。

图5 上位机软件流程

3 系统测试

选取海南大学东坡湖为测试地点，对ZigBee组网、通信距离以及数据传输进行测试。测试条件如下：2台PC(其中一台作上位机)，1个ZigBee协调器，1个水面浮标，1个数据采集设备。测试结果证明:系统可以实现水面浮标与协调器的正常组网，上位机监测界面正常显示监测数据，支持远程访问，协调器与水面浮标之间的通信距离约50 m，随着距离增加信号接收不稳定。该条件下水上ZigBee网络拓扑为星型结构，节点较少，通信距离取决于单个ZigBee模块的覆盖范围，对于大水域海洋牧场监测可以通过增加ZigBee路由节点个数，改变网络拓扑来实现。在正常通信范围内，系统可以完成对水质参数的实时监测，达到系统设计目的。

4 结束语

针对南海水产养殖业特点，将嵌入式技术、ZigBee技术与虚拟仪器技术融合，设计了一种海洋牧场多参数智能监测系统。详细介绍了系统硬件设计的重要部分及软件的主要流程。系统具有功耗低、成本低、灵活性好、免布线、易维护等优点，可以对养殖水域环境进行实时监测，为生产管理者提供判断依据，转变粗放型渔业生产方式，科学指导养殖生产，提高产品产量和质量，在海洋牧场发展过程中具有广阔的应用前景。

在后续研究中，需要对采集节点分布及数据库存储功能进行优化，借助大数据技术分析养殖数据，在保证低能耗、低延时的前提下增大监测范围，开发专用的APP供客户使用，推动海洋牧场智慧化建设，促进海洋牧场自身扩张繁衍的持续性，为经营者及其所处海域的生态环境带来更好的效益。

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李 晖，通讯作者，博士，教授，从事海洋通信、5G移动通信、海空天信息传输网络研究工作,E—mail:hitlihui1112@163.com。

杜文才，博士，教授，博士生导师，从事海洋通信、E-service等方向研究工作。

Design and implementation of multi-parameter intelligent monitoring system for marine ranching*

SHI Yao, LI Hui, YANG Yong-qin, DU Wen-cai,YANG Ya-fei, LI Peng-xiang

(College of Information Science & Technology,Hainan University,Haikou 570228,China)

Aiming at characteristics of South China Sea aquaculture industry,a multi-parameter intelligent monitoring system for marine pasture is proposed.Temperature,pH and turbidity are selected as monitoring objects.A single-chip microcomputer is used to collect sensor data underwater,and the data is sent out by low frequency signal transmitting module.In order to achieve long-distance data transmission,ZigBee technique is used for automatic networking above the sea.The LabVIEW graphical programming is used to achieve real-time monitoring for marine ecological parameters by upper PC and provide remote accessing function.Field tests show that this system has the characteristics of good flexibility, low power consumption, low cost and so on. It can be well used in marine ranching to monitor water quality and upgrade management level of marine ranching in surveillance and alarming.

marine ranching; intelligent monitoring; real-time; single chip microcomputer; ZigBee; LabVIEW

10.13873/J.1000—9787(2017)09—0070—03

2016—10—15

海南省重点研发计划高新技术项目(ZDYF2016010)；海南省自然科学基金资助项目(20166210)；海南省教育厅高等学校科学研究重点项目(HNKY2016ZD—5)；海南大学科研启动基金资助项目(KYQD1536)；海南省教育厅研究生创新科研课题项目(HYS2016—59)

TP 212

A

1000—9787(2017)09—0070—03

石 尧(1991-)，男，硕士研究生，研究方向为海洋通信与信息系统。