趙　軍，陳　棟，孔　明，郭天太

(中國計量大學(xué) 計量測試工程學(xué)院，浙江 杭州 310018)

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無線通訊水產(chǎn)養(yǎng)殖監(jiān)測系統(tǒng)的研制

趙軍，陳棟，孔明，郭天太

(中國計量大學(xué) 計量測試工程學(xué)院，浙江 杭州 310018)

【摘要】目前，傳統(tǒng)的水產(chǎn)養(yǎng)殖業(yè)依然采用人工管理方式，這種模式存在著效率低下、監(jiān)測周期長等種種弊端.針對這一問題，采用STC15型單片機(jī)為控制器，CC1101無線模塊作為數(shù)據(jù)傳輸載體，設(shè)計并研發(fā)了一種水產(chǎn)養(yǎng)殖水質(zhì)監(jiān)測系統(tǒng)，從而實現(xiàn)了水質(zhì)信息在傳感器節(jié)點、路由節(jié)點以及匯聚節(jié)點之間的交換.匯聚節(jié)點通過RS232串口與上位機(jī)進(jìn)行通信，并利用GPRS模塊傳送至云服務(wù)器，用戶能夠?qū)崟r查詢分析數(shù)據(jù).實地測試結(jié)果表明，系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)平均丟包率為0.34%，pH、電導(dǎo)、溶解氧的平均誤差分別為0.53%、1.27%和0.48%，系統(tǒng)具有良好的準(zhǔn)確性和重復(fù)性，能滿足水產(chǎn)養(yǎng)殖水質(zhì)監(jiān)測的應(yīng)用要求.

【關(guān)鍵詞】水質(zhì)監(jiān)測；無線通信；CC1101芯片；水產(chǎn)養(yǎng)殖

在水產(chǎn)養(yǎng)殖業(yè)中，水質(zhì)情況的好壞決定了水產(chǎn)品的質(zhì)量的高低[1].在傳統(tǒng)的養(yǎng)殖模式中，水質(zhì)檢查采用人工結(jié)合儀表的形式開展，但這樣存在著時效性和準(zhǔn)確性等種種問題，不能實時反映水環(huán)境的動態(tài)變化.因此，每當(dāng)水體環(huán)境發(fā)生突變時，管理者往往來不及采取措施，造成養(yǎng)殖戶的巨大損失.

采用現(xiàn)場總線方式的水質(zhì)監(jiān)測系統(tǒng)存在著布線困難、耗費量大、不易維護(hù)等眾多問題.特別是在我國眾多臨海的養(yǎng)殖區(qū)域，海水的腐蝕性和惡劣天氣對電纜設(shè)備和設(shè)備維護(hù)也是一種巨大的考驗[2].而利用無線傳感器構(gòu)成的網(wǎng)絡(luò)則恰恰避免了這些缺陷，同時還具有智能化程度高、覆蓋區(qū)域廣等優(yōu)點[3]，因此其在水質(zhì)監(jiān)測領(lǐng)域的應(yīng)用日益受到關(guān)注.黃建清利用nRF905射頻芯片實現(xiàn)了數(shù)據(jù)的無線傳輸，構(gòu)建了對水質(zhì)環(huán)境的實時監(jiān)測系統(tǒng)[4]；梁承美利用ZigBee無線傳感技術(shù)實現(xiàn)了湖泊水質(zhì)信息的多點采集，并采用本體技術(shù)實現(xiàn)湖泊水質(zhì)的智能分析診斷[5]；郭敏通過GPRS DTU技術(shù)將采集到的數(shù)據(jù)傳送到服務(wù)器，完成了嵌入式終端接入網(wǎng)絡(luò)[6].

上述文獻(xiàn)提及的無線傳輸頻率大都工作于2.4GHz頻段，雖然此頻段數(shù)據(jù)傳輸速率較高，但是傳輸距離短，衰減大，繞射能力弱.但是臨海養(yǎng)殖區(qū)域?qū)嶋H工作環(huán)境中天氣環(huán)境惡劣、障礙物較多.而CC1101可工作于433MHz頻段，具有長距離數(shù)據(jù)傳輸能力，繞過障礙物能力更強(qiáng)，數(shù)據(jù)傳輸速率雖然相對較慢，但已能滿足使用要求.據(jù)此，本文設(shè)計了基于CC1101的水質(zhì)監(jiān)測系統(tǒng)，并為傳感器節(jié)點增加了保護(hù)措施.

1系統(tǒng)總體方案設(shè)計

基于現(xiàn)場情況，系統(tǒng)根據(jù)數(shù)據(jù)傳輸?shù)倪壿嬳樞騽澐譃樗膫€部分.如圖1，整個系統(tǒng)主要由傳感器節(jié)點、路由節(jié)點、匯聚節(jié)點以及上位機(jī)管理系統(tǒng)構(gòu)成.傳感器節(jié)點位于被測水域，每個傳感器節(jié)點包含溫度(水下溫度)、pH、電導(dǎo)、溶解氧四種類型的傳感器。傳感器節(jié)點每隔一段時間從休眠模式中醒來，采集水質(zhì)信息，傳輸給路由節(jié)點，然后再度進(jìn)入休眠模式以節(jié)省電能.路由節(jié)點也位于監(jiān)測現(xiàn)場，負(fù)責(zé)將傳感器節(jié)點采集到的數(shù)據(jù)傳送到匯聚節(jié)點.匯聚節(jié)點通過RS232串口與上位機(jī)進(jìn)行通信.對于多個子節(jié)點和路由節(jié)點的通信，可以采取時分復(fù)用(TDMA)技術(shù)，避免數(shù)據(jù)同時傳輸時引發(fā)的數(shù)據(jù)包丟失或混亂[7].上位機(jī)軟件對接收的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析、存儲和顯示.同時匯聚節(jié)點通過GPRS模塊接入網(wǎng)絡(luò)，將數(shù)據(jù)發(fā)送至云服務(wù)器,用戶可以通過電腦等終端設(shè)備實時查詢數(shù)據(jù).

圖1　系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)Figure 1　Structure of the system

2硬件電路設(shè)計

2.1硬件組成模塊

無線系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點包括傳感器節(jié)點、路由節(jié)點和匯聚節(jié)點.傳感器節(jié)點如圖2所示，主要由電源模塊、處理器模塊、無線通信模塊和傳感器模塊組成.和傳感器節(jié)點相比，路由節(jié)點只是減少了傳感器模塊，匯聚節(jié)點增加了串口通信模塊.圖3則是節(jié)點的電路實物圖.

圖2　傳感器節(jié)點電路模塊Figure 2　Hardware architecture of WSN node

圖3　節(jié)點實物圖Figure 3　Real WSN node and PCB

2.2電源模塊

由于養(yǎng)殖地點位于臨海區(qū)域，在電源模塊設(shè)計方面，除了傳統(tǒng)的鋰電池供電外，還額外增加了太陽能供電功能。當(dāng)太陽能電池板的電壓超過鋰電池電壓時，將轉(zhuǎn)換為太陽能電池板供電，并同時為鋰電池充電，這樣將有效地延長系統(tǒng)運行時間.

2.3傳感器模塊

傳感器模塊使用兩種方式進(jìn)行數(shù)據(jù)采集：溫度是模擬電壓輸入，通過A/D采集送至單片機(jī).pH值、電導(dǎo)率和溶解氧三種傳感器是通過RS-485信號進(jìn)行通信，傳感器的主要性能指標(biāo)如表1.

表1　傳感器指標(biāo)

這三種傳感器是集成化傳感器，無需再設(shè)計信號調(diào)理電路.傳感器工作時，數(shù)據(jù)將通過串口發(fā)送針(TXD)、串口接收針(RXD)進(jìn)行傳輸.電路中采用SP3485芯片作為低功耗半雙工RS485的收發(fā)器，與變送器相連接.變送器的接口定義如圖4.

2.4無線通信模塊

本系統(tǒng)的無線通信模塊采用CC1101芯片.CC1101是一款工作頻率低于1GHz的超低功耗無線收發(fā)器，工作于433 MHz頻段.如圖5，CC1101通過SPI口與單片機(jī)相連接.

1～2—電源正極；3—電極溫補(bǔ)接口；4～6—電極測量接口；7～8—485口；14—RXD；15—TXD；16—數(shù)字地GND圖4　變送器接口的定義Figure 4　Interface of transmitter

圖5　單主機(jī)單從機(jī)配置Figure 5　Configuration of SPI

其中，單片機(jī)設(shè)為主機(jī)，CC1101為從機(jī).通過控制CC1101的CSN引腳、SCK引腳、MOSI引腳和MISO引腳來完成片選及SPI時序控制以及數(shù)據(jù)交換[8].

2.5處理器模塊

處理器模塊采用STC15W4K56S4系列的單片機(jī)為控制器，它采用增強(qiáng)型8051CPU，具有單時鐘/機(jī)器周期(1T)特性，因此運行速度比普通8051快8～12倍.其片上集成了可工作于主/從模式的SPI串行口，可以便捷地與無線模塊實現(xiàn)通信.此外，它還具有低功耗、高可靠、抗干擾等眾多特點[9].

3軟件設(shè)計

3.1傳感器通信協(xié)議

為了保證傳感器的準(zhǔn)確性和可靠性，pH、電導(dǎo)、溶解氧三個傳感器采用集成化方式，只需要讀取測量值即可.傳感器和控制器之間采用了標(biāo)準(zhǔn)ModBus-RTU協(xié)議進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸.以電導(dǎo)傳感器為例，發(fā)送命令格式如表2，正確返回格式如表3，如果發(fā)生錯誤響應(yīng)，將返回表4所示的錯誤格式.

表2　命令格式

表3　正確返回格式

注 ：Data,高字節(jié)在前，低字節(jié)在后

表4　錯誤返回格式

注：1)COM：接收到的功能碼； 2)CODE：01—功能碼,03—數(shù)據(jù)錯

3.2CC1101通信協(xié)議

CC1101數(shù)據(jù)傳輸?shù)臄?shù)據(jù)包格式如表5.

表5　數(shù)據(jù)包格式

數(shù)據(jù)包中的前導(dǎo)碼和同步字節(jié)由硬件自動添加和去除，數(shù)據(jù)包長度和目標(biāo)地址都是可選的，數(shù)據(jù)區(qū)中還可以包含2個狀態(tài)字節(jié)，分別為RSSI(信號質(zhì)量)、LQI(鏈路質(zhì)量)以及CRC標(biāo)志位.

CC1101接收或發(fā)送數(shù)據(jù)時，F(xiàn)IFO中的字節(jié)數(shù)等于或大于程序設(shè)置門限字節(jié)數(shù)時，GDO0腳的電壓將會產(chǎn)生變化.此時，控制器可以通過查詢GDO引腳的電平發(fā)送或讀取FIFO存儲器中數(shù)據(jù)[10].

3.3節(jié)點軟件設(shè)計

根據(jù)實地傳感器節(jié)點到本地監(jiān)測中心上位機(jī)的距離，系統(tǒng)中設(shè)置了2個路由節(jié)點，稱為路由節(jié)點1和路由節(jié)點2.路由節(jié)點1首先接收傳感器節(jié)點數(shù)據(jù)，然后將數(shù)據(jù)發(fā)往路由節(jié)點2，節(jié)點2再將數(shù)據(jù)發(fā)往匯聚節(jié)點.匯聚節(jié)點通過串口通信將數(shù)據(jù)傳送給上位機(jī)軟件，此外利用GPRS模塊，數(shù)據(jù)還能傳輸?shù)皆品?wù)器上，用戶通過APP等終端可以遠(yuǎn)程查詢實時情況.為降低系統(tǒng)功耗，傳感器節(jié)點在發(fā)送完數(shù)據(jù)后，將立即關(guān)閉傳感器電源；路由節(jié)點則在每次采集完數(shù)據(jù)之后也進(jìn)入休眠狀態(tài)，等待下次數(shù)據(jù)采集時刻再喚醒.傳感器節(jié)點數(shù)據(jù)發(fā)送流程如圖6.

圖6　傳感器節(jié)點程序流程圖Figure 6　Flowchart of sensor node software

路由節(jié)點的軟件運行流程如圖7.傳感器節(jié)點每隔10 min發(fā)送一個數(shù)據(jù)包.為防止接收不到數(shù)據(jù)包，可以將路由節(jié)點的接收時間提前20 ms，每次傳輸完數(shù)據(jù)后，各節(jié)點均進(jìn)行計時校準(zhǔn)，防止累計偏差.當(dāng)傳感器節(jié)點由于某些原因丟包時，路由節(jié)點將在下次接收時自動拉長接收時間，將接收時間設(shè)置為超過一個周期.如此時仍然接收不到數(shù)據(jù)，則認(rèn)為傳感器節(jié)點工作失效或傳輸距離超過閾值，此時從接收列表中刪除該終端.

當(dāng)存在多個傳感器節(jié)點發(fā)送數(shù)據(jù)時，為防止節(jié)點同時傳輸數(shù)據(jù)引起數(shù)據(jù)包丟失或混亂，系統(tǒng)采用時分復(fù)用(TDMA)技術(shù)，如圖8.通過這種技術(shù)，路由節(jié)點能夠在同樣的頻率信道上，將提供給整個信道的傳輸時間劃分成不同的時隙，時隙分配給每一個信號源使用.由此不同傳感器節(jié)點發(fā)送出來的信號將會在時間軸上互不重疊，確保信號的有序地接收.

圖7　路由節(jié)點程序流程圖Figure 7　Flow chart of route node software

圖8　TDMA通信示意圖Figure 8　Schematic diagram of TDMA

3.4上位機(jī)軟件設(shè)計

上位機(jī)管理界面采用C#語言進(jìn)行開發(fā)，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的采集和顯示.如圖9，利用C#自帶的serialport控件可以方便地對串口中緩存的數(shù)據(jù)進(jìn)行讀取.而利用ADO.net技術(shù)，可以將接收的數(shù)據(jù)寫入MySQL數(shù)據(jù)庫中進(jìn)行保存，便于之后的數(shù)據(jù)查詢和建模分析[11].

圖9　實時監(jiān)控界面Figure 9　Real-time monitoring interface

4外觀結(jié)構(gòu)設(shè)計

由于測試地點是在臨海地區(qū)，環(huán)境的惡劣程度和海水的腐蝕性遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過淡水區(qū)域，因此有必要對傳感器節(jié)點設(shè)計一套完整的保護(hù)結(jié)構(gòu).

傳感器節(jié)點外觀結(jié)構(gòu)如圖10.傳感器的外形如同一個球型，風(fēng)浪不會使其顛覆或者沉沒.上半球為透明塑料，便于太陽能電池采光和無線信號發(fā)射.下半球采用鋁材加工，以減緩海水腐蝕，中間用O型圈密封.球體內(nèi)部放置電木板，電木板上固定住電池和PCB板.球體底部開孔，并采用防水插件連接傳感器.在球體底部可以掛配重物以保持結(jié)構(gòu)穩(wěn)定.該結(jié)構(gòu)移動方便，結(jié)構(gòu)簡單，信號傳輸穩(wěn)定，防水密封性能好.

圖10　傳感器節(jié)點外觀結(jié)構(gòu)圖Figure 10　Shape of sensor node

5系統(tǒng)測試

為了驗證系統(tǒng)的穩(wěn)定性和準(zhǔn)確性，在寧波象山的梭子蟹養(yǎng)殖基地進(jìn)行了實地測試.測試期為3個月，在海水腐蝕與臺風(fēng)等惡劣環(huán)境下，系統(tǒng)的各個節(jié)點均能在無人照看的情況下長時間正常工作.測試期間的網(wǎng)絡(luò)平均丟包率如表6.利用OMEGA公司的PHh122型pH計、DOH-SD1型溶解氧以及CDh121型電導(dǎo)率測量儀,分別對系統(tǒng)的pH、溶解氧、電導(dǎo)率傳感器的相對誤差做了測定，結(jié)果分別如表6和表7.

表6　丟包率和pH相對誤差

表7　溶解氧和電導(dǎo)率相對誤差

測試結(jié)果顯示，無線數(shù)據(jù)的實際傳輸距離能夠穩(wěn)定在1 000 m左右，網(wǎng)絡(luò)的平均丟包率為0.34%，pH、溶解氧、電導(dǎo)率傳感器的相對誤差分別為0.53%、1.27%和0.48%.這表明這套系統(tǒng)能夠有效地取代人工管理模式，具有較好的推廣前景.

6結(jié)語

開發(fā)了一種水產(chǎn)養(yǎng)殖水質(zhì)監(jiān)測系統(tǒng)，利用CC1101構(gòu)成無線傳感網(wǎng)絡(luò)，通過STC15型單片機(jī)進(jìn)行控制，其中傳感器節(jié)點采集溫度、pH、溶解氧等數(shù)據(jù)，通過路由節(jié)點中轉(zhuǎn)，匯聚節(jié)點能夠通過RS232串口將數(shù)據(jù)送至上位機(jī)進(jìn)行實時顯示，也能利用GPRS模塊接入網(wǎng)絡(luò)，利用云服務(wù)器儲存.

目前系統(tǒng)設(shè)計還存在不足之處，在現(xiàn)有研究的基礎(chǔ)上，將對結(jié)構(gòu)設(shè)計、用戶終端如APP開發(fā)等方面做出進(jìn)一步的擴(kuò)展和改善.

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【文章編號】1004-1540(2016)02-0125-06

DOI:10.3969/j.issn.1004-1540.2016.02.001

【收稿日期】2016-01-28《中國計量學(xué)院學(xué)報》網(wǎng)址：zgjl.cbpt.cnki.net

【基金項目】國家自然科學(xué)基金資助項目(No.51375467).

【作者簡介】趙軍(1960-)，男，黑龍江省哈爾濱人，教授，主要研究方向為機(jī)械振動噪聲控制與信號處理等. E-mail:zhaojun@cjlu.edu.cn

【中圖分類號】S969.38;X832;TN919.72

【文獻(xiàn)標(biāo)志碼】A

Development of an aquacultural monitoring system based on wireless communication

ZHAO Jun, CHEN Dong, KONG Ming, GUO Tiantai

(College of Metrology and Measurement Engineering, China Jiliang University, Hangzhou 310018, China)

Abstract:The traditional aquaculture still uses manual management which has many disadvantages such as low efficiency, long monitoring period and so on. To solve these problems, a water quality monitoring system was developed. The main controller was an STC15 microchip and the communication carrier was a wireless chip CC110. The data were exchanged among sensor nodes, routing nodes and sink nodes. The sink node communicated with the host computer through the RS232 serial port. The data could also be transferred to the cloud server by using the GPRS module so that users could inquire the information in real-time. The field-testing results showed that the average packet loss rate of the system was 0.34%; and the mean errors of pH, conductivity and the dissolved oxygen sensors were 0.53%, 1.27% and 0.48% respectively. With good accuracy and repeatability, the system can satisfy the application requirements of aquaculture monitoring.

Key words:water quality monitoring; wireless communication; CC1101 chip; aquaculture