基于无线传感网络的多参数水质监测系统研究

杜翠 于安国 赵凯

摘要：为了实现远程实时监测，建立了基于无线传感网络的多参数水质监测系统，以提高水产养殖产品质量，解决目前监控系统中，布线复杂，成本高等问题。该系统使用太阳能电池和锂电池作为电源。采用YCS-2000溶解氧传感器、pH电极、Pt1000温度传感器和氨氮传感器进行检测监测水产养殖水质参数;数据处理采用STM32F103芯片;Zigbee与GPRS模块用于将数据传输到远程监控中心，实现溶解氧浓度的自动控制。测试结果表明数据传输的高置信度，丢包率为0.3%。因此，该系统能够满足对水产养殖水质进行远程监测的实时性要求，对减轻劳动强度、提高养殖质量具有重要的现实意义。

关键词：水产养殖;实时监测;无线传感器网络

我国水产养殖总产量居世界首位，产品连续多年在世界上畅销。随着水产养殖业集约化、规模化程度的不断发展，造成水产养殖的水质不断恶化，这不仅使水产品变质，也造成了巨大的经济损失，同时，也严重污染了水体环境，因此，要实现水产养殖水质实时监测技术在水产养殖中的应用，实时检测水质，调节和控制水质，防止其质量进一步恶化，及时采取有效措施具有重大意义[1-3]。

近年来，一些研究针对水产养殖水质无线监测系统，Theofanis等人设计了一个低成本的实时系统饮用水水质的实时监测，基于选定参数为模拟电路开发了传感器阵列信号调节、处理、记录和远程控制数据。Helmi等人使用移动浮标通过GSM监测水质，可访问由用户命令协调的任何位置。Muhammad等人描述了一种无线通信方法应用传感器网络进行实时数据采集在淡水处。Zhou等人提出了一种使用无线传感器网络的质量监控系统，它以GS1011M为核心实现实时监控水产养殖。蒋等人设计了一个系统，并对协议进行了优化集中式低功耗分层集群（LEACH-C）用于无线传感器网络通信和基于单片机的变频曝气系统采用可编程逻辑控制器（PLC）。锂等人介绍了一种基于Internet的Android监控系统平台水产养殖遥控器，使用具有多個传感器节点的系统，信息可以通过多种方式远程收集传感器。但他们中的大多数人只监控一个参数，影响鱼类生长的环境的多个参数不能同时进行监控。鉴于无线通信距离短，成本高，无法对水质进行自动控制等实时监控系统，本设计集成了水产养殖中的多个参数，采用太阳能电池和锂电池联合供电。该系统可以实现实时监测溶解氧、pH、，温度和水中氨氮含量。监测数据以无线方式传输，自动保存和显示，以便水中的氧气可以自动控制。这个整个系统采用模块化设计，方便用户使用安装、调试和维护[4-6]。

1.总体框架

该系统由电源、传感器、检测三部分组成部分，传感器检测部分包括溶解氧、pH值，温度和氨氮浓度。这个控制器由STM32F103及其外围设备组成电路，并负责处理参数传感器采集的水质数据及其控制整个系统正常工作。数据传输部分由Zigbee无线数据组成传输模块和GPRS模块，用于将传感器检测到的参数发送到远程控制模块监控中心。 远程监控中心是由上位机组成，可实现实时监控显示、保存、分析监测的水质数据。如果控制器检测到溶解氧浓度低于预设的下限，则发送启动曝气器的说明。当它检测到溶解氧浓度高于正常值预设上限，关闭曝气器。

2.硬件设计

2.1电源模块

电源模块由锂电池组成，太阳能电池板、锂电池充电管理电路和AC/DC升压/降压转换器电路。聚合物锂电池（标称电压：3.7 V，电池容量：3.6 A·h）由新能源制造使用了科技有限公司。为了实现各模块工作电压要求，PT1301采用了升压和TPS62007降压变换器来实现改变锂电池的输出电压。

2.2水质参数检测模块

设计了水质数据采集模块由传感器和单片机组成STM32F103芯片，具有高效的Cortex-M3核心，工作频率为72 MHz，工作频率为2.0-3.6 V工作电压，工作温度为400C至850C，内置高速存储器。单片机具有功耗低，电压低，适用范围广的特点。这是我们的核心系统，用于数据采集、A/D转换对采集的信号进行分析，并控制信号的正常工作元素按顺序排列。YCS-2000传感器（测量范围：0-20 mg/L，精度：0.1 mg/L，温度补偿：0-40°C）青岛裕昌科技有限公司制造。用于检测溶解氧浓度。它的信号输出端与PA5端口相连单片机。pH复合电极（测量范围：0-14，精度：0.02）制造由东莞豪斯仪器有限公司负责检测pH值。其信号输出端已连接具有单片机PA2接口。氨氮传感器（测量范围：0-1000 mg/L，准确度：0.1 mg/L），由上海青苗制造光电科技有限公司被用来检测氨氮浓度。其输出端为信号与PA6端口相连。温度检测传感器由Pt1000s和测量精度为0.10C，信号输出一端与单片机的PA1端口连接微型计算机[7-8]。

2.3数据传输模块

数据传输系统由Zigbee组成模块、GPRS模块和远程监控中. 监控数据被传输到接收器通过Zigbee模块，然后通过GPRS模块。上位机读出数据并实时显示、保存和分析时间Zigbee模块由深圳德科电子有限公司制造，如果模块配备外接天线，其传输距离可达1600米。模块的工作温度为−400C至800C，灵敏度为−110dbm和频率为2.4GHz。GPRS模块（工作电压：5 V，工作温度：–25°C至75°C）济南美瑞物联网技术有限公司。

2.4曝气器模块

曝气器模块由曝气器和继电器组成。上海银霸叶轮式曝气机采用工贸有限公司，即工作电压约为220 V，功率约为1.5 kW。光电耦合器用作继电器隔离输入和输出信号。当控制器检测到溶解氧浓度低于下限，低电平从光电传感器的输入端输入0063耦合器、LED和继电器导电，则充气机开始工作。当溶解氧浓度高于预设上限，5 V电压从光电传感器的输入端输入耦合器，其输出端打开，曝气器停止工作这样，溶解氧浓度受到控制[9-10]。

3系统的软件设计

3.1传感器节点的软件设计

用软件开发传感器节点程序基于Keil环境的C语言。整个系统采用模块化设计编程过程，包括系统的各个模块水质的初始化、检测和处理数据、无线数据传输和曝气器控制。系统通电并复位后，系统初始化计时器启动了。系统收集数据水质数据每12小时一次，然后保存将数据收集到控制器中。数据采集后完成后，传感器断电，控制器分析和处理水的数据并通过数据传输模块发送。这个控制器控制曝气器的启动或关闭根据溶解氧浓度水平（低于或高于阈值）。

3.2远程监控中心

开发远程监控中心程序，数据被传送到远程计算机通过Zigbee和GPRS模块的监控中心，Labview从串口读取数据，并采集，处理、分析、保存和显示它们。

4现场试验和性能分析

在一个水产养殖区进行了现场试验，水产养殖面积约为2平方千米，分为16个文化区。在测试中，一个传感器在每个培养区设置检测单元，并进行路由选择，节点设置在四个相邻文化区的中心，所以一共设置了四个节点。厨房里放了一个水槽四个路由节点的中心。合理的检测单元的位置布置，最大网络中数据传输节点之间的距离养殖面积为70米，因此Zigbee模块可以满足传输要求。

5.結论

开发了一个基于ZigBee和GPRS传输技术的检测温度、pH、溶解氧和温度传感器氨氮的水产养殖区水质实时监测系统，该系统已部署在水产养殖中面积为2平方千米的水中，并对其性能进行了测试。网络中的平均丢包率为0.3%，这意味着数据传输稳定可靠可靠。多参数水质监测系统质量与曝气器连接，实现自动化溶解氧浓度的控制。但它可以未实现pH和氨氮在水中的自动控制，这将在未来进一步研究。

参考资料

[1]基于无线网络的便携式水质重金属检测系统的研究[J]. 谢虎成，李洋，高成耀，佟建华，边超，夏善红.仪表技术与传感器. 2018（12）.

[2]qPCR和荧光光谱：有毒蓝藻实时定量监测技术的应用分析[J]. Charles CC Lee，Joep Appels，Zhang Xianchao.净水技术. 2018（03）.

[3]2005-2017年北部太湖水体叶绿素a和营养盐变化及影响因素[J]. 朱广伟，秦伯强，张运林，许海，朱梦圆，杨宏伟，李宽意，闵屾，沈睿杰，钟春妮.湖泊科学. ;2018（02）.

[4]水质在线自动监测仪的设计[J]. 杨贵，蔡启忡，杨敏，季中生.化工自动化及仪表. 2017（05）.

[5]基于物联网的水产养殖水质监控系统设计[J]. 吴滨，黄庆展，毛力，杨弘，肖炜.传感器与微系统. 2016（11）.

[6]基于ZigBee的大水域水质环境监测系统设计[J]. 王士明，俞阿龙，杨维卫.传感器与微系统. 2014（11）.

[7]浙江省重点大中型供水水库水质现状评价[J]. 何锡君，刘定国，吕振平.水利发展研究. 2011（03）.

[8]河南省水库型饮用水水源地水土保持现状及防治对策[J]. 屈建钢，徐建昭.河南水利与南水北调. 2010（11）.

[9]用于环境监测的生物传感器[J]. 李宗义，邵强，郭伟云，李文强，姚朝阳.生物技术. 2005（04）.

[10]辽宁省大中型水库富营养化现状分析及防治对策[J]. 张峥.辽宁城乡环境科技. 2005（01）.

作者简介

杜翠，1983.10.26，女，吉林省农安，研究生，讲师，研究方向：思想政治教育。