張青春+郁徐來

摘要：為實現對工廠化淡水魚類養(yǎng)殖環(huán)境參數的監(jiān)測，采用ZigBee技術和CC2530核心芯片，利用太陽電池板提供能源，設計了一種將溫度、氧含量、pH測量于一體的智能無線傳感器節(jié)點。通過ZigbemPC網絡平臺，構建了無線傳感器網絡系統(tǒng)，實現了淡水魚類養(yǎng)殖環(huán)境參數實時監(jiān)測。結果表明，無線傳感器網絡能夠準確測量溫度、氧含量、pH等魚類養(yǎng)殖環(huán)境參數，系統(tǒng)性能穩(wěn)定、可靠，具有一定的實用性和推廣應用價值。

關鍵詞：ZigBee;無線傳感器網絡;環(huán)境參數;實時監(jiān)測

中圖分類號：TN92 ? ? ? ?文獻標識碼：A ? ? ? ?文章編號：0439-8114（2014）20-4973-04

DOI：10.14088/j.cnki.issn0439-8114.2014.20.055

Application of WSN in Monitoring Environment Parameters of Freshwater Fish Farming

ZHANG Qing-chun，YU Xu-lai

（Faculty of Electronic and Electrical Engineering， Huaiyin Institute of Technology， Huaian， 223003， Jiangsu， China）

Abstract： To monitor environment parameters of factory freshwater fish farming， ZigBee technology， CC2530 core chip， and solar panels were used to provide energy. An intelligent wireless sensor node was designed to integrate the temperature， oxygen content， pH measurement. Through ZigbemPC network platform， to construct a system of wireless sensor network （WSN） was construded. Real-time monitoring of environment parameters of freshwater fish farming was realized. The results showed that WSN accurately measured environment parameters including temperature， oxygen content， pH of fish farming. System performance was stable， reliable. It will have certain practicability and application.

Key words： ZigBee; WSN; environmental parameters; real-time monitoring

基于ZigBee技術的無線傳感器網絡可以實現水質實時感知節(jié)點的快速組網，并能很好解決水質信息感知節(jié)點的異構性、移動性以及分散性導致的不同類型數據之間的傳輸、融合等問題，從而實現被測區(qū)域中的感知節(jié)點完成數據的采集和傳輸[1，2]。針對無線傳感器網絡在工廠化淡水魚養(yǎng)殖領域應用中存在的問題，設計了一種對溫度、光照、氧含量、pH以及對魚類生長營養(yǎng)物質智能多參數監(jiān)測無線傳感器，并通過無線傳感器網絡平臺，對監(jiān)測數據進行處理并建立魚類生長環(huán)境數據庫信息。該智能多參數無線傳感器采用太陽能電池供電，具有使用壽命長、測量精度高、定位準確等特點，具有一定的實用價值。

1 ?系統(tǒng)方案設計

1.1 ?系統(tǒng)總體結構

無線傳感器網絡水質參數監(jiān)測節(jié)點的數據傳輸采用802.15.4的ZigBee無線傳輸協(xié)議，可以實現點對點的數據傳輸，傳輸結束后返回確認信息，節(jié)點接收數據時可以接收到發(fā)送節(jié)點的發(fā)送信息（源地址、網絡地址、目標地址等）。

系統(tǒng)主要由無線傳感器網絡節(jié)點（負責采集節(jié)點附近水域溫度、溶解氧濃度和pH等數據）、無線網關（以無線的方式連接無線傳感器網絡與管理控制中心）和上位機監(jiān)測中心（對上傳的數據進行數據融合并直觀顯示數據）等部分組成，其中傳感器節(jié)點采用立體式安裝、密集并可控地分布在檢測區(qū)域內?；跓o線傳感器網技術的淡水魚養(yǎng)殖環(huán)境參數監(jiān)測系統(tǒng)能夠實時監(jiān)測魚類養(yǎng)殖環(huán)境參數。由于在水域內安裝無線傳感器網絡時節(jié)點位置可靈活控制，又利用太陽能電池供電，從而保證整個網絡長時間無故障工作[3-5]。

1.2 ?無線傳感器網絡節(jié)點

無線傳感器網絡節(jié)點包括數據采集模塊（含有溫度、溶解氧和pH檢測傳感器、A/D轉換器）、CC2530數據處理模塊（含80C51微處理器、存儲器等）、ZigBee無線通信模塊和電源模塊4個部分。無線傳感器網絡節(jié)點是構成淡水魚養(yǎng)殖環(huán)境參數監(jiān)測系統(tǒng)的基礎，能實現信息采集、數據處理和傳遞等功能[6-9]。無線傳感器網絡節(jié)點原理框圖見圖1。

電源模塊負責節(jié)點的驅動，為各模塊提供所需電源，維持電路的正常運行，是決定網絡生存期的關鍵因素。采用9.0 V太陽能電池供電，使用9.0 V蓄電池存儲電能。使用L7805芯片將電源輸出轉換為5.0 V給傳感器及信號調理電路供電;再通過AMS1117，將5.0 V降為3.3 V給CC2530供電。溫度測量選用TDC數字溫度傳感器DS18B20，其輸出的數字信號與CC2530的P1.7端口相連。溶解氧傳感器選用501針型ORP復合電極，在15～30 ℃時輸出電壓為245～270 mV，信號調理電路設計中采用放大器AD623和電壓跟隨器是LM358，增益最高可達1 000倍，最后輸出與CC530的P0.2口相連。pH傳感器選用E-201-9型pH電極，pH測量范圍為0～14，輸出電壓為± 414.4 mV，信號穩(wěn)定，無需單獨的調理電路，可直接輸出與CC2530的P0.3端口連接。endprint

2 ?系統(tǒng)軟件設計

2.1 ?監(jiān)測系統(tǒng)總體工作流程

以PC機為監(jiān)測系統(tǒng)上位機，使用基于Visual Studio 2005（VS 2005）的ZigbemPC平臺。系統(tǒng)啟動后，先初始化，設定檢測周期。軟件定時結束后，無線發(fā)射采樣信號，無線傳感器節(jié)點接收到上位機指令后進行數據采集，經數據處理后發(fā)送給網關節(jié)點傳到上位機記錄、保存數據。當接收到的數據超出報警上下界限時，監(jiān)控界面發(fā)出報警信號。

2.2 ?傳感器節(jié)點軟件設計

傳感器節(jié)點在不采集數據時處于休眠狀態(tài)，關閉通訊模塊。當節(jié)點被查詢時開始發(fā)送和接收狀態(tài)，采集數據，延時等待發(fā)送命令，收到命令后發(fā)送數據。若延時結束時仍未收到命令，則通訊出現故障，應及時處理，傳感器節(jié)點軟件設計流程圖如圖2所示。傳感器節(jié)點pH參數如下所示：

#if defined （DSY_SENSOR）

uint16 readpH（ void ）

{

volatile unsigned char tmp，n;

signed short adcvalue;

// float voltagevalue_pH;

ADCCON3 = （（0x02 << 6） |

（0x03 << 4） |

0x03）;//（0x01 << 3））;

while （（ADCCON1 & 0x80） ！= 0x80）;

adcvalue = （signed short）ADCL;

adcvalue |= （signed short）（ADCH << 8）;

if（adcvalue < 0） adcvalue = 0;

adcvalue >>= 4;

return （uint16）adcvalue;

………

2.3 ?上位機報警軟件設計

上位機編程、調試采用VS2005應用平臺。根據要求繪制窗體后編寫用戶軟件。編程時，先初始化（包括窗體初始化、數據庫初始化等），再打開串口準備接收數據，并對數據進行處理（包括數據記錄、數據圖表制作等），最后判斷報警條件是否滿足。如果滿足則界面上的“紅燈”開始閃爍并發(fā)出“滴滴”報警聲，同時在窗體上顯示報警的節(jié)點類型、編號和報警參量，延時后繼續(xù)監(jiān)測;若沒有報警，則重新監(jiān)測。上位機部分報警軟件程序如下所示：

if（item.Value >curSensorFieldList[item.Key].ValueMax）

valueFlag=1;sbMessage.AppendFormat（";{0}超過最大值"， valueDescrip）;

for （int j = 1; j < 10; j++）

{System.Media.SoundPlayersimpleSound=newSystem.Media.SoundPlayer（Properties.Resources.msg）;

for （int i = 1; i < 6000000; i++）

{

toolStripLabel1.Enabled = false;

}

for （int i = 1; i < 6000020; i++）

{

toolStripLabel1.Enabled = true;

}

simpleSound.Play（）;

toolStripLabel4.Text=UserResource.Chinese[e.SensorType]+e.OrgNodeID+""+UserResource.Chinese[item.Key];

toolStripLabel4.ForeColor = Color.Red;

}

.......

3 ?網絡測試和數據分析

3.1 ?無線傳感器參數確定

根據淡水魚類適宜生長水環(huán)境，溫度允許范圍為10～30 ℃，溶解氧允許范圍為3～6 mg/L，pH允許范圍為6.5～8.5。為了在監(jiān)測圖中能同時顯示3種數據變化，3條曲線波動都在100以內，易于觀測。因此，在系統(tǒng)參數設置時，輸入的溶解氧、pH參數均擴大了10倍，無線傳感器參數設置界面如圖3所示。

以橫坐標表示上位機測量顯示值x，縱坐標表示傳感器節(jié)點待測量y，則有y=ax2+bx+c。通過對各種傳感器的標定，得到相應的擬合直線或曲線，便可確定a、b和c的值。

溫度傳感器DS18B20為數字型傳感器，上位機測量顯示數據與實際溫度呈線性關系。溫度擬合直線如圖4所示，由此可確定參數b=0.059，c=4.40。

溶解氧傳感器501針型輸入輸出關系為y=bx+c。由于標定存在難度，取白開水和正常水之間的中間值為最低值3 mg/L，為報警下限，對應測量顯示值取1 100;取空氣中和正常水的中間值，為最大值6 mg/L，為報警上限，對應測量數據取1 700。根據上述兩個數據可得b=0.005，c=-2.50。

pH傳感器E-201-9型輸入輸出關系有較好線性，測量數據為未確定參數時上位機界面顯示的數值。pH則為pH緩沖液的比對值。pH擬合直線如圖5所示，由此可確定參數b=-0.172 8，c=29.43。

3.2 ?組網調試endprint

淡水魚養(yǎng)殖環(huán)境參數無線傳感器網絡節(jié)點59253監(jiān)測數據如圖6所示。在測試時，設定30 ℃和10 ℃為水溫度的報警上、下限，6 mg/L和3 mg/L為溶解氧的報警上、下限，8.5和6.5為pH的報警上下限。從圖7中可以看出，先把溫度傳感器放在常溫水中，顯示數據在20～30 ℃之間，然后在水中慢慢加入熱水，當水溫超過30 ℃時，開始報警，紅燈閃爍，并在界面顯示報警無線傳感器節(jié)點編號和報警參數。

3.3 ?誤差分析

以pH為例進行測試系統(tǒng)誤差分析。采用鄰苯二甲酸氫鉀、混合磷酸鹽、硼砂3種標準測試溶液，進行pH測試比較。測量誤差最大值為0.381，平均相對誤差為2.22%。試驗研究證明，溫度測量誤差范圍在-1.58～2.06 ℃，平均相對誤差為3.40%;溶解氧測量誤差最大值為0.50 mg/L，平均相對誤差為4.52%。

本系統(tǒng)3個測量參數平均相對誤差均小于5%，達到了設計要求，可以滿足淡水魚養(yǎng)殖環(huán)境參數監(jiān)測的實際需要。研究表明，傳感器的非線性誤差、測量環(huán)境的不穩(wěn)定性、電磁噪聲的干擾等是造成測量誤差的主要原因。

4 ?結論

采用ZigBee技術、傳感器技術和CC2530芯片，完成了信號傳感、信號調理、數據采集和無線數據收發(fā)等硬件設計，進行了系統(tǒng)軟件、無線傳感器節(jié)點軟件及通信軟件設計與系統(tǒng)調試，實現了淡水魚養(yǎng)殖環(huán)境參數監(jiān)測功能。根據水環(huán)境中各類參數變化等信息，通過傳感器感測信號，綜合分析判斷水質參數對魚類生長的影響。如果有影響，則通過上位機監(jiān)測界面向養(yǎng)殖人員發(fā)出報警信號，以便及時采取處理措施。本系統(tǒng)無線傳輸距離可達100 m，無線傳感器節(jié)點若選配CC2530-CC2591模塊[10]，可將無線傳輸距離增大到1 000 m左右，以擴大網絡監(jiān)測覆蓋范圍。

在數據采集中，采用ZigBee技術構建的低成本、低功耗的無線傳感器網絡克服了有線傳感器網絡的局限性;在監(jiān)測區(qū)域布置多個傳感器節(jié)點，在單一傳感器節(jié)點故障后，可以依據其他正常的傳感器節(jié)點提供信息，保證了整個網絡系統(tǒng)正常工作，延長了系統(tǒng)的使用壽命;在一個無線傳感器節(jié)點上集成溫度、溶解氧、pH 3種類型傳感器監(jiān)測淡水魚類養(yǎng)殖環(huán)境參數，實現了多傳感器信息有效融合，降低了系統(tǒng)硬件成本投入，提高了監(jiān)測數據可靠性，增強了系統(tǒng)決策的科學性。

參考文獻：

[1] 孫玉文，沈明霞，陸明洲，等.無線傳感器網絡在農業(yè)中的應用研究現狀與展望[J].浙江農業(yè)學報，2011，23（3）：639-644.

[2] 李蔚田.物聯(lián)網基礎與應用[M].北京：北京大學出版社，2012.

[3] 高 ?峰，盧尚瓊，徐青香，等.無線傳感器網絡在設施農業(yè)中的應用進展[J].浙江農林學院學報，2010，27（5）：762-769.

[4] 張青春.基于CC2530農作物生長參數監(jiān)測無線傳感器節(jié)點的設計[J].制造業(yè)自動化，2013，（1）：44-47.

[5] 王 ?殊，閻毓杰，胡富平，等.無線傳感器網絡的理論及應用[M].北京：北京航空航天大學出版社，2007.

[6] 王玉田，劉 ?蕊，侯培國.一種新型溶解氧濃度測量儀的設計[J].儀表技術與傳感器，2003（9）：18-19.

[7] EREN H，趙北雁，彭木根.無線傳感器及元器件網絡、設計與應用[M].紀曉東，譯.北京：機械工業(yè)出版社，2008.

[8] 程越巍，羅 ?建，戴善溪，等.基于ZigBee網絡的分布式無線溫濕度測量系統(tǒng)[J].電子測量技術，2009，32（12）：114-146.

[9] 錢裕祿.傳感器技術及應用電路項目化教程[M].北京：北京大學出版社，2013.

[10] 黃玉立，童 ?玲，田 ?雨.基于CC2531+CC2591的WSN節(jié)點通信模塊設計[J].單片機與嵌入式系統(tǒng)應用，2011（1）：71-72.endprint

淡水魚養(yǎng)殖環(huán)境參數無線傳感器網絡節(jié)點59253監(jiān)測數據如圖6所示。在測試時，設定30 ℃和10 ℃為水溫度的報警上、下限，6 mg/L和3 mg/L為溶解氧的報警上、下限，8.5和6.5為pH的報警上下限。從圖7中可以看出，先把溫度傳感器放在常溫水中，顯示數據在20～30 ℃之間，然后在水中慢慢加入熱水，當水溫超過30 ℃時，開始報警，紅燈閃爍，并在界面顯示報警無線傳感器節(jié)點編號和報警參數。

3.3 ?誤差分析

以pH為例進行測試系統(tǒng)誤差分析。采用鄰苯二甲酸氫鉀、混合磷酸鹽、硼砂3種標準測試溶液，進行pH測試比較。測量誤差最大值為0.381，平均相對誤差為2.22%。試驗研究證明，溫度測量誤差范圍在-1.58～2.06 ℃，平均相對誤差為3.40%;溶解氧測量誤差最大值為0.50 mg/L，平均相對誤差為4.52%。

本系統(tǒng)3個測量參數平均相對誤差均小于5%，達到了設計要求，可以滿足淡水魚養(yǎng)殖環(huán)境參數監(jiān)測的實際需要。研究表明，傳感器的非線性誤差、測量環(huán)境的不穩(wěn)定性、電磁噪聲的干擾等是造成測量誤差的主要原因。

4 ?結論

采用ZigBee技術、傳感器技術和CC2530芯片，完成了信號傳感、信號調理、數據采集和無線數據收發(fā)等硬件設計，進行了系統(tǒng)軟件、無線傳感器節(jié)點軟件及通信軟件設計與系統(tǒng)調試，實現了淡水魚養(yǎng)殖環(huán)境參數監(jiān)測功能。根據水環(huán)境中各類參數變化等信息，通過傳感器感測信號，綜合分析判斷水質參數對魚類生長的影響。如果有影響，則通過上位機監(jiān)測界面向養(yǎng)殖人員發(fā)出報警信號，以便及時采取處理措施。本系統(tǒng)無線傳輸距離可達100 m，無線傳感器節(jié)點若選配CC2530-CC2591模塊[10]，可將無線傳輸距離增大到1 000 m左右，以擴大網絡監(jiān)測覆蓋范圍。

在數據采集中，采用ZigBee技術構建的低成本、低功耗的無線傳感器網絡克服了有線傳感器網絡的局限性;在監(jiān)測區(qū)域布置多個傳感器節(jié)點，在單一傳感器節(jié)點故障后，可以依據其他正常的傳感器節(jié)點提供信息，保證了整個網絡系統(tǒng)正常工作，延長了系統(tǒng)的使用壽命;在一個無線傳感器節(jié)點上集成溫度、溶解氧、pH 3種類型傳感器監(jiān)測淡水魚類養(yǎng)殖環(huán)境參數，實現了多傳感器信息有效融合，降低了系統(tǒng)硬件成本投入，提高了監(jiān)測數據可靠性，增強了系統(tǒng)決策的科學性。

參考文獻：

[1] 孫玉文，沈明霞，陸明洲，等.無線傳感器網絡在農業(yè)中的應用研究現狀與展望[J].浙江農業(yè)學報，2011，23（3）：639-644.

[2] 李蔚田.物聯(lián)網基礎與應用[M].北京：北京大學出版社，2012.

[3] 高 ?峰，盧尚瓊，徐青香，等.無線傳感器網絡在設施農業(yè)中的應用進展[J].浙江農林學院學報，2010，27（5）：762-769.

[4] 張青春.基于CC2530農作物生長參數監(jiān)測無線傳感器節(jié)點的設計[J].制造業(yè)自動化，2013，（1）：44-47.

[5] 王 ?殊，閻毓杰，胡富平，等.無線傳感器網絡的理論及應用[M].北京：北京航空航天大學出版社，2007.

[6] 王玉田，劉 ?蕊，侯培國.一種新型溶解氧濃度測量儀的設計[J].儀表技術與傳感器，2003（9）：18-19.

[7] EREN H，趙北雁，彭木根.無線傳感器及元器件網絡、設計與應用[M].紀曉東，譯.北京：機械工業(yè)出版社，2008.

[8] 程越巍，羅 ?建，戴善溪，等.基于ZigBee網絡的分布式無線溫濕度測量系統(tǒng)[J].電子測量技術，2009，32（12）：114-146.

[9] 錢裕祿.傳感器技術及應用電路項目化教程[M].北京：北京大學出版社，2013.

[10] 黃玉立，童 ?玲，田 ?雨.基于CC2531+CC2591的WSN節(jié)點通信模塊設計[J].單片機與嵌入式系統(tǒng)應用，2011（1）：71-72.endprint

淡水魚養(yǎng)殖環(huán)境參數無線傳感器網絡節(jié)點59253監(jiān)測數據如圖6所示。在測試時，設定30 ℃和10 ℃為水溫度的報警上、下限，6 mg/L和3 mg/L為溶解氧的報警上、下限，8.5和6.5為pH的報警上下限。從圖7中可以看出，先把溫度傳感器放在常溫水中，顯示數據在20～30 ℃之間，然后在水中慢慢加入熱水，當水溫超過30 ℃時，開始報警，紅燈閃爍，并在界面顯示報警無線傳感器節(jié)點編號和報警參數。

3.3 ?誤差分析

以pH為例進行測試系統(tǒng)誤差分析。采用鄰苯二甲酸氫鉀、混合磷酸鹽、硼砂3種標準測試溶液，進行pH測試比較。測量誤差最大值為0.381，平均相對誤差為2.22%。試驗研究證明，溫度測量誤差范圍在-1.58～2.06 ℃，平均相對誤差為3.40%;溶解氧測量誤差最大值為0.50 mg/L，平均相對誤差為4.52%。

本系統(tǒng)3個測量參數平均相對誤差均小于5%，達到了設計要求，可以滿足淡水魚養(yǎng)殖環(huán)境參數監(jiān)測的實際需要。研究表明，傳感器的非線性誤差、測量環(huán)境的不穩(wěn)定性、電磁噪聲的干擾等是造成測量誤差的主要原因。

4 ?結論

采用ZigBee技術、傳感器技術和CC2530芯片，完成了信號傳感、信號調理、數據采集和無線數據收發(fā)等硬件設計，進行了系統(tǒng)軟件、無線傳感器節(jié)點軟件及通信軟件設計與系統(tǒng)調試，實現了淡水魚養(yǎng)殖環(huán)境參數監(jiān)測功能。根據水環(huán)境中各類參數變化等信息，通過傳感器感測信號，綜合分析判斷水質參數對魚類生長的影響。如果有影響，則通過上位機監(jiān)測界面向養(yǎng)殖人員發(fā)出報警信號，以便及時采取處理措施。本系統(tǒng)無線傳輸距離可達100 m，無線傳感器節(jié)點若選配CC2530-CC2591模塊[10]，可將無線傳輸距離增大到1 000 m左右，以擴大網絡監(jiān)測覆蓋范圍。

在數據采集中，采用ZigBee技術構建的低成本、低功耗的無線傳感器網絡克服了有線傳感器網絡的局限性;在監(jiān)測區(qū)域布置多個傳感器節(jié)點，在單一傳感器節(jié)點故障后，可以依據其他正常的傳感器節(jié)點提供信息，保證了整個網絡系統(tǒng)正常工作，延長了系統(tǒng)的使用壽命;在一個無線傳感器節(jié)點上集成溫度、溶解氧、pH 3種類型傳感器監(jiān)測淡水魚類養(yǎng)殖環(huán)境參數，實現了多傳感器信息有效融合，降低了系統(tǒng)硬件成本投入，提高了監(jiān)測數據可靠性，增強了系統(tǒng)決策的科學性。

參考文獻：

[1] 孫玉文，沈明霞，陸明洲，等.無線傳感器網絡在農業(yè)中的應用研究現狀與展望[J].浙江農業(yè)學報，2011，23（3）：639-644.

[2] 李蔚田.物聯(lián)網基礎與應用[M].北京：北京大學出版社，2012.

[3] 高 ?峰，盧尚瓊，徐青香，等.無線傳感器網絡在設施農業(yè)中的應用進展[J].浙江農林學院學報，2010，27（5）：762-769.

[4] 張青春.基于CC2530農作物生長參數監(jiān)測無線傳感器節(jié)點的設計[J].制造業(yè)自動化，2013，（1）：44-47.

[5] 王 ?殊，閻毓杰，胡富平，等.無線傳感器網絡的理論及應用[M].北京：北京航空航天大學出版社，2007.

[6] 王玉田，劉 ?蕊，侯培國.一種新型溶解氧濃度測量儀的設計[J].儀表技術與傳感器，2003（9）：18-19.

[7] EREN H，趙北雁，彭木根.無線傳感器及元器件網絡、設計與應用[M].紀曉東，譯.北京：機械工業(yè)出版社，2008.

[8] 程越巍，羅 ?建，戴善溪，等.基于ZigBee網絡的分布式無線溫濕度測量系統(tǒng)[J].電子測量技術，2009，32（12）：114-146.

[9] 錢裕祿.傳感器技術及應用電路項目化教程[M].北京：北京大學出版社，2013.

[10] 黃玉立，童 ?玲，田 ?雨.基于CC2531+CC2591的WSN節(jié)點通信模塊設計[J].單片機與嵌入式系統(tǒng)應用，2011（1）：71-72.endprint