基于无线网络的鱼塘网关设计

2023-09-17杨另陈明李章荣

电子制作 2023年16期

杨另，陈明，李章荣

（1.毕节高新技术产业开发区国家能源大规模物理储能技术研发中心，贵州毕节，551712；2.贵州省电网公司六盘水分局，贵州六盘水，553600）

0 引言

水是生命之源，没有水就没有生命，在人们生活水平不断提高的今天，对安全无污染的水产品需求与日俱增，但与之相矛盾的是，生活污水、工业废水和其他废弃物有可能进入鱼塘，造成水体污染。如何及时、有效地监测鱼塘温度、pH 值的参数，保证水产品的安全，已然成为一个热点。随着我国经济的发展，人们的生活水平也在不断提高，温饱问题解决以后，更多地追求绿色健康地生活了。鱼塘养殖的水质状况却不容乐观，保护水资源，提高鱼塘养殖水质已经成为一项发展策略了，但就目前来说，我国对鱼塘养殖水质的监测与高度信息化管理还处在初中级阶段，从一开始的人工采样到自动化采样，鱼塘养殖水质监测朝着及时、准确、自动的方向发展。

国外在鱼塘养殖水质监测方面，已经完善自动采样参数监测系统，可以对鱼塘的水质进行自动监测，构成的自动监测网关系统较国内来说，有很大的优点，并且比较成熟了。无线网络二十一世纪才真正引起了各界人士的极大关注，最早开始启动传感器网络研究的是美国，在那以后，国外许多研究机构、企业和大学也投入其中。国外在完善鱼塘养殖水质采样监测方法的同时，以ZigBee 技术作为无线信息传输方式，通过在一个水系多点设置无线传感器节点，可以对该区域的水质进行实时监测，形成一个完整连续的网关系统。

我国在WSN 方面的研究相对于美国及欧洲来说起步较晚，并且主要集中在多所国内优秀大学和研究所，清华大学、中科院自动化所等。相对国外而言，国内关于无线传感器网络的研究成果采用的是外国的无线传感器技术，虽然这不是中国自己独立研究的无线网络，但在一定程度上有利于国内在这一方面的进步和发展。现代鱼塘养殖业也引入了无线传感器技术，通过在一定区域内的传感器节点，实时地对温度、PH 值、溶解氧等数据进行定点、连续地监测。

以往的有线传感器网络已经不能适应现在的鱼塘养殖业了，有效而且快速的无线方式越来越受到人们的青睐[1]。网关在整个无线网络地位是很重要的，犹如心脏对人体的作用一样，网关在鱼塘传感器网络监测的应用中，网关负责网络间协议转换、数据的处理等[2]。由此设计了基于无线传感器的鱼塘网关，这将使鱼塘养殖业的成本降低，方便管理，减少劳动力，对我国的鱼塘养殖业的管理得到提高。

1 系统总体设计

本文提出一种基于无线传感器网络的鱼塘网关设计，图1 为系统总体架构设计。无线通讯模块CC2530 将传感器采集到的温度、PH 值数据送到发送缓存器，扩频之后送到DA 转换器，经过低通滤波将RF 信号调节为2.4GHz，经过天线发送出去，被协调器天线接收到的信号经过滤波、AD转换、数字解调后得到正确的数据，协调器再经过RS232送到监测中心进行分析、存储[3]。

图1 系统总体设计

2 系统硬件设计

■2.1 终端节点设计

图2 是终端节点构造框图，传感器网络采集数据的部分叫作终端节点，也就是传感器节点，主要由传感器模块、无线射频模块、电源模块、处理器模块（集成的51 单片机）组成，CC2530 完美地结合这些模块[4]。在实际工作环境当中，提供外接电源不太现实，因此终端节点一般采用两节干电池供电给CC2530 进行数据采集。CC2530 适合2.4GHz IEEE 802.15.4RF 收发器，接收灵敏度很高，抗干扰性能也是极好，外接元件的需求数量少，体积小，只有6mm×6mm。自动模式的RX 在CPU 空闲情况下只消耗24mA，TX 在CPU 空闲情况下只消耗29mA；睡眠定时器运行时只消耗1μA，当发生外部中断时只需0.4μA。

RF_P 和RF_N 连接的是天线，用巴伦电路来优化机能，如CC2530 原理图所示。偶极天线属于平衡型天线，但是同轴电缆属于不平衡传输线，假如将电缆直接连接天线，那么同轴电缆的外表就有高频的电流流过，就会影响天线的信号传输，因此加入巴伦电路，把流过外皮的电流给截断，这样就有利于信号传输了。

终端与协调器之间的接收和发送功能是通过天线实现的，将导行波转换成电磁波在空气中传播，本文中选择的是性能最好的棒状天线，它的安装比较简单，增益高，电磁波传播方向为圆形传输。

图3 为终端节点硬件图。工作过程：温度传感器、PH 值传感器采集数据后进过A/D 转换以后经过处理器之后由天线发射出去[5]。为了节约电能，终端在大多数时间都让传感器处于睡眠状态，相关的电路也会关闭，当设定的采集周期到来时才会从睡眠模式中醒来，将数据采集发送之后继续睡眠，如此循环往复，达到降低功耗的目的[5]。

图3 终端节点硬件图

■2.2 路由节点设计

图4 为路由节点硬件设计图。路由节点处于传感器节点和协调器节点的中间，路由节点的RF 要一直工作，因为它要随时准备接收协调器下达的命令、传感器节点采集并发送上来数据[6]。

图4 路由节点硬件图

■2.3 协调器节点设计

图5 为协调器节点内部构造图。协调器是数据汇聚中心，因此又叫做汇聚节点，它是连接监测中心和传感器网络的桥梁，还具有通过RS232 把信息发送到监测中心、启动网络的功能。

图5 协调器节点构造框图

图6 为协调器节点硬件设计，协调器是负责数据的采集和收集，通过一个时钟控制周期性地收集数据。设计的协调器电路主要有CPU 模块、时钟模块、晶振等外部接口组成[7]。

图6 协调器节点硬件图

3 软件设计

图7 为网关节点入网的程序流程图，网关节点的软件设计是实现鱼塘水质参数监测系统的重要部分。通过编写程序来实现传感器的数据采集、终端数据的发送、协调器节点的数据接收等。

图7 网关节点入网的程序流程图

实现网关节点的软件设计，需要软件开发环境，所选用的是IAR Embedded Workbench IDE，它的优点是易学会，还具有强大的代码继承能力的开发环境、良好的扩展性、高效率、节约用户的开发时间[8]。

4 实验测试

实验测试是验证系统设计的重要部分，系统由传感器终端节点，协调器节点组成，测试的主要内容主要是传感器的数据采集，终端节点与协调器节点的正常通信，观测无线网关节点的运行是否正常和稳定。

■4.1 传感器数据采集

为了真实反映所采集的数据的真实性，并且节约CC2530 开发板的目的，不可能一个CC2530 上就只插一个温度传感器，因此在一个开发板上要能够采集多项数据，才能模拟鱼塘水质参数采集的真实情况。串口调试助手显示的是温度传感器采集到的温度，二十几度的水质温度，慢慢加热水，温度传感器采集一段时间的温度，这时温度会有一定的上升，说明传感器能够实时采集数据，并不是一个固定值，实验可靠。

■4.2 组网测试

组网测试目的是判断协调器节点与终端节点是不是能够组建网络[9]。选取传感器节点、无线网关节点、一台电脑。选择Collector EB-Pro 作为协调器，Sensor EB-Pro 作为终端，将编译好的程序通过烧录界面分别烧写进CC2530 开发板中，每一次烧写都要复位仿真器，将协调器、终端分别上电，打开ZigBee Senser Monitor 1.2.0，打开设备管理器查看串口号，选择协调器连接的串口，点击左上角的开始按钮，即可观测是否组建了网络。组网的形式有好几种，传感器经过路由器再连接协调器；传感器直接与协调器通信。终端能够和协调器进行通信，组网成功。黄色为终端，红色为协调器，终端能显示当前采集到的温度值以及当时的确切时间，协调器与终端没有连接时，协调器的颜色是灰色的。

■4.3 物通信质量测试

通信质量与通信距离是衡量系统性能的重要指标，采用的依然是TI 公司的Z-Stack2007 协议栈，它内部包含有数据的发送和接收。在有障碍物的环境下，测量通信距离，了解数据的丢包率，从而判断系统的通信质量。

测试的内容：传感器节点采集温度，无线网关节点接收数据，并通过串口调试助手进行显示，因为是测量通信距离，数据线的长度不够长，所以使用了两台电脑，相当于一台电脑打开一个串口调试助手，一台显示的是传感器采集到的温度，另一台串口调试助手显示的是无线网关节点接收到传感器节点发送上来的温度值。串口号根据设备管理器来查看，波特率设置为9600、数据位为8、停止位为1、校验位为None，每隔1s 发送一次。