水產(chǎn)養(yǎng)殖無線監(jiān)控系統(tǒng)

1、水產(chǎn)養(yǎng)殖無線監(jiān)控系統(tǒng)水產(chǎn)養(yǎng)殖無線監(jiān)控系統(tǒng)劉星橋，桂芬(江蘇大學(xué)電氣信息工程學(xué)院鎮(zhèn)江212013)摘要摘要—水產(chǎn)養(yǎng)殖監(jiān)測環(huán)境具有區(qū)域內(nèi)監(jiān)測點(diǎn)數(shù)量多、監(jiān)測時(shí)間長、監(jiān)測情況復(fù)雜等特點(diǎn)，針對(duì)傳統(tǒng)環(huán)境監(jiān)測方案遇到的布線困難、成本高等問題，設(shè)計(jì)了一種基于ZigBee協(xié)議的水產(chǎn)養(yǎng)殖監(jiān)控系統(tǒng)。實(shí)現(xiàn)了對(duì)溶解氧、PH值、溫度等多參數(shù)的采集、處理和顯示，并通過無線網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)了傳感器檢測節(jié)點(diǎn)和協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)之間數(shù)據(jù)快速、準(zhǔn)確的傳輸，進(jìn)而對(duì)多參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)遠(yuǎn)程監(jiān)測。本系

2、統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，數(shù)據(jù)傳輸速度快，功能易擴(kuò)展，網(wǎng)絡(luò)自組織、自愈能力強(qiáng)，適用于工廠化水產(chǎn)養(yǎng)殖、水環(huán)境、智能溫室等諸多領(lǐng)域。關(guān)鍵詞關(guān)鍵詞：溶解氧；PH；溫度；cc2430；ZigBee1.引言引言在現(xiàn)代化水產(chǎn)養(yǎng)殖場中，池塘水的環(huán)境條件不僅極大地影響魚類生長的安全，而且直接影響魚類養(yǎng)殖的產(chǎn)量，因此為了提高水產(chǎn)養(yǎng)殖的自動(dòng)化和智能化程度，對(duì)養(yǎng)殖水體進(jìn)行溫度、溶解氧、透明度、鹽度及PH等參數(shù)進(jìn)行自動(dòng)監(jiān)測和控制是十分必要的[1]。為了提高工廠化養(yǎng)殖水平，自

3、20世紀(jì)90年代以來國內(nèi)一些省市先后從國外引進(jìn)了一批現(xiàn)代化的工廠化養(yǎng)殖設(shè)備及控制系統(tǒng)。但是這些設(shè)備和系統(tǒng)價(jià)格昂貴運(yùn)行成本高在國內(nèi)推廣普及困難[2]。而且，以往的水產(chǎn)養(yǎng)殖監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)通常采用傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)通信網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，不具備開放性和互聯(lián)性[3]。隨著智能監(jiān)控技術(shù)的發(fā)展，為了進(jìn)一步提高水產(chǎn)養(yǎng)殖遠(yuǎn)程在線監(jiān)控系統(tǒng)的可靠性、抗干擾性和靈活性，本文設(shè)計(jì)了一種基于Zigbee協(xié)議[4]的無線多參數(shù)監(jiān)控系統(tǒng)，該系統(tǒng)采用Chipcon公司生產(chǎn)的無線收發(fā)芯片cc2

4、430和利用無線通信技術(shù)構(gòu)建無線網(wǎng)絡(luò)，無需布設(shè)任何線路，自動(dòng)組網(wǎng)，成本低廉，網(wǎng)絡(luò)的自組織和自愈能力強(qiáng)，采集的數(shù)據(jù)可以通過液晶和監(jiān)控畫面實(shí)時(shí)監(jiān)控，有效地實(shí)現(xiàn)了對(duì)水環(huán)境和水產(chǎn)養(yǎng)殖中各種參數(shù)的檢測。2.設(shè)計(jì)方法設(shè)計(jì)方法2.1.ZigBee技術(shù)簡介ZigBee技術(shù)是一種具有低速率、近距離、低功耗、低復(fù)雜度、低成本、通信可靠、網(wǎng)絡(luò)容量大等特點(diǎn)的無線網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)，是針對(duì)小型設(shè)備的無線聯(lián)網(wǎng)和控制而制定的協(xié)議規(guī)范，擁有一套非常完整的協(xié)議層次結(jié)構(gòu)，由IE

5、EE802.15.4和ZigBee聯(lián)盟[5]共同制定完成。它工作于免付費(fèi)和免申請(qǐng)的2.4GHzISM頻段，具有電池壽命長、應(yīng)用簡單、可靠性高及組網(wǎng)能力強(qiáng)等特點(diǎn)?；赯igBee的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)通常由3種節(jié)點(diǎn)設(shè)備組成：協(xié)調(diào)器、路由器和終端設(shè)備。網(wǎng)絡(luò)中只有一個(gè)節(jié)點(diǎn)作為協(xié)調(diào)器，負(fù)責(zé)網(wǎng)絡(luò)的組織和維護(hù)，其他節(jié)點(diǎn)可作為路由器和終端設(shè)備。路由器負(fù)責(zé)網(wǎng)內(nèi)信息的路由，終端設(shè)備是實(shí)現(xiàn)傳感功能的節(jié)點(diǎn)，其中協(xié)調(diào)器和路由器還具有允許設(shè)備加入或離開網(wǎng)絡(luò)的功能[6]

6、。ZigBee網(wǎng)絡(luò)支持3種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)：星型網(wǎng)(star)、樹型網(wǎng)(tree)和網(wǎng)狀網(wǎng)(mesh)，可根據(jù)實(shí)際應(yīng)用選擇不同的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)[7]。2.2.系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)本設(shè)計(jì)中選用了Chipcon公司最新推出的符合IEEE802.15.4標(biāo)準(zhǔn)的SOC系統(tǒng)芯片cc2430，它結(jié)合了一個(gè)高性能射頻收發(fā)器核心CC2420和一顆工業(yè)級(jí)小巧高效的8051控制器[8]。根據(jù)水產(chǎn)養(yǎng)殖監(jiān)測現(xiàn)場的環(huán)境，采用如圖1所示的無線監(jiān)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)總框圖。該監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)由若干

7、協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)、若干傳感器節(jié)點(diǎn)、若干控制節(jié)點(diǎn)和一個(gè)監(jiān)控中心組成。協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)和覆蓋范圍內(nèi)的傳感器節(jié)點(diǎn)采用能量消耗最低的星形網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。其中協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)是傳感器節(jié)點(diǎn)、控制節(jié)點(diǎn)與監(jiān)控中心之間連接的橋梁，所有采集數(shù)據(jù)均通過協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)發(fā)送到監(jiān)控中心，而控制指令則由監(jiān)控中心發(fā)出后通過協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)發(fā)送給控制節(jié)點(diǎn)，驅(qū)動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)執(zhí)行控制任務(wù)。32184IC2ATL082R1AGND12VP1R2R3C2R4R5R6AGNDAGNDC312V12V12V12VC

8、1E132674518IC3CA3140P20.7125V0.7125V0~400uAAgAuDOVout567IC4BTL084D1圖4溶解氧檢測電路2.2.2.PH測量電路本系統(tǒng)采用電位法測量溶液的pH值。pH電極采用上海雷磁公司生產(chǎn)的E201C型pH復(fù)合電極。其中，玻璃電極作為指示電極，也叫測量電極，其電極電位隨溶液中被測量離子濃度的變化而變化，銀氯化銀電極作為參比電極，其電極電位不受溶液中待測離子濃度的影響。在25℃時(shí)，電極輸出

9、電壓與pH值的關(guān)系為59.16mVpH。由于pH測量傳感器的內(nèi)阻大，要求前置放大器有較高的輸入阻抗，本系統(tǒng)選用運(yùn)算放大器CA3140，它具有輸入阻抗高、低偏置電流、低噪聲、高增益等特點(diǎn)，主要用來完成阻抗匹配、降低測量噪聲、提高系統(tǒng)穩(wěn)定性等。其余普通運(yùn)放選用LM741[10]。硬件電路如圖5所示。由于pH信號(hào)比較容易受到外界干擾，其中主要表現(xiàn)為工頻干擾，因此信號(hào)調(diào)理電路中加入了50Hz工頻陷波電路[11]，如圖310中右邊虛線框部分。此外

10、，為減小電路板表面漏電流的影響，在電路板上運(yùn)放CA3140的輸入端放置一個(gè)金屬環(huán)，如圖4中左邊虛線方框所示。在進(jìn)行pH值測量之前應(yīng)該對(duì)調(diào)理電路進(jìn)行調(diào)試，首先對(duì)運(yùn)算放大器CA3140調(diào)零，然后調(diào)試整個(gè)pH信號(hào)調(diào)理電路，其調(diào)試方法為：斷開pH電極的輸入，R3居中，原來接pH值信號(hào)輸入的運(yùn)放輸入端接地，調(diào)節(jié)R7，使得電路輸出為700mv，此時(shí)相當(dāng)于輸出的pH值為7；原來接pH輸入的運(yùn)放輸入端接414.1mv的輸入電壓，調(diào)節(jié)R3，使得電路輸出為

11、1400mv，此時(shí)相對(duì)于輸出的pH值為14，然后pH信號(hào)調(diào)理電路便可以正常工作了。R46.8KR1100KR2100KR5100KR85.1KR6100KD12.5V壓壓壓23467U1CA314023467U2LM741C10.1uFR351K壓壓R750K壓壓5v12v12v12v12vpH壓ADpH壓壓R1015KR96.8KC3220nFC4110nFC2220nFR1115K23467U2LM74112v12v50Hz壓壓壓壓

12、壓壓壓R12圖5PH檢測電路2.3.系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)在實(shí)際應(yīng)用中，傳感器節(jié)點(diǎn)、協(xié)調(diào)器和上位機(jī)的軟件設(shè)計(jì)是最為重要的。傳感器節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)采集采用I2C協(xié)議，節(jié)點(diǎn)之間的無線通信采用Zigbee協(xié)議把傳感器節(jié)點(diǎn)采集的數(shù)據(jù)發(fā)送到協(xié)調(diào)器。此外，我們通過使用VisualBasic6.0編程環(huán)境提供的MSComn控件實(shí)現(xiàn)上位機(jī)和下位機(jī)的通信[12]。2.3.1.協(xié)調(diào)器軟件設(shè)計(jì)協(xié)調(diào)器程序流程圖見圖6。協(xié)調(diào)器在上電初始化狀態(tài)下，觸發(fā)按鍵事件確定設(shè)備為協(xié)調(diào)器，啟動(dòng)

13、一個(gè)Zigbee網(wǎng)絡(luò)，然后進(jìn)入網(wǎng)絡(luò)監(jiān)聽等待狀態(tài)。當(dāng)收到子節(jié)點(diǎn)入網(wǎng)請(qǐng)求后，為其分配網(wǎng)絡(luò)地址，并向子設(shè)備發(fā)送入網(wǎng)確認(rèn)消息，建立綁定連接。隨之，協(xié)調(diào)器等待數(shù)據(jù)請(qǐng)求，當(dāng)接收到傳感器節(jié)點(diǎn)發(fā)送的數(shù)據(jù)信息之后，對(duì)數(shù)據(jù)包進(jìn)行分析，確認(rèn)該信息為數(shù)據(jù)信息后，將數(shù)據(jù)送到液晶和上位機(jī)界面顯示。2.3.2.傳感器節(jié)點(diǎn)軟件設(shè)計(jì)傳感器節(jié)點(diǎn)的程序流程見圖7。傳感器節(jié)點(diǎn)在上電初始化狀態(tài)下，觸發(fā)按鍵事件確定設(shè)備為傳感器節(jié)點(diǎn)，掃描信道嘗試加入合適的網(wǎng)絡(luò)。成功加入網(wǎng)絡(luò)后把16