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基于无线传感器网络的水产养殖水质监测系统开发与试验
更新时间:2016-07-15 来源:《农业工程学报》 作者:黄建清,王卫星,姜晟,孙道宗,欧国成,卢康榉

摘要:为解决目前水产养殖水质自动监测系统存在布线困难、灵活性差和成本高等问题,该文构建了基于无线传感器网络的水产养殖水质监测系统。该系统的传感器节点负责水质数据采集功能,并通过无线传感器网络将数据发送给汇聚节点,汇聚节点通过RS232串口将数据传送给监测中心。传感器节点的处理器模块采用MSP430F149单片机,无线通信模块由nRF905射频芯片及其外围电路组成,传感器模块以PHG-96FS型pH复合电极和DOG-96DS型溶解氧电极为感知元件,电源模块以LT1129-3.3、LT1129-5和Max660组成的电路提供3.3和±5V。设计了传感器输出信号的调理电路,将测量电极输出的微弱信号放大,满足A/D转换的要求。节点软件以IAR Embedded Workbench为开发环境,采用单片机C语言开发,实现节点数据采集与处理、无线传输和串口通信等功能。监测中心软件采用VB6.0开发,为用户提供形象直观的实时数据监测平台。对系统的性能进行了测试,网络平均丢包率为0.77%,pH值、温度和溶解氧的平均相对误差分别为1.40%、0.27%和1.69%,满足水产养殖水质监测的应用要求,并可对大范围水域实现水质环境参数的实时监测。

0 引言

“养鱼先养水”,养殖水域是养殖鱼类的生活环境,养殖环境的好坏直接关系到养殖鱼类的生长和发育,从而决定着水产品质量和产量的高低[1-2]。近年来,随着水产养殖规模化、集约化程度的不断提高,养殖种类的增多和养殖密度的增加,养殖水域水质环境日趋恶化,病害发生率越来越高,由此引发水产品质量安全问题也日益突出。因此,迫切需要构建一种水产养殖水质环境监测系统,以便及时地了解养殖鱼类生活环境的水质状况,从而采取有效的措施调控水质,保障水产品质量安全,达到安全、高效的生产目的。

传统的水质监测采用仪表结合人工经验操作的方法,存在耗时费力、监测范围小、监测周期长,不能实时反映水环境的动态变化等弊端。采用串行总线、现场总线的水质自动监测系统却需要铺设大量的电缆线,布线困难、施工难度大,且线路易受破坏和腐蚀、维护成本高、监测范围有限[3]。无线传感器网络具有智能化程度高、信息时效强、覆盖区域广、支持多路传感器数据同步采集、可扩展性好等特点[4],将其应用于水质环境监测领域有着广阔的应用前景。目前,国内外已开展了无线传感器网络在水质监测相关方面的应用研究。国外比较典型的代表有美国Heliosware 公司的EMNET 系统和澳大利亚CSIRO 的Fleck 系统,但这2 个系统通信速率低、产品体积较大、功耗较高,仅适合用作研究[5]。王骥等设计了基于无线传感器网络海洋环境监测系统,实现了海洋生态环境监测、各类海洋气象与灾害的数值预报预测等功能[6]。杜治国等提出了基于Zigbee 无线传感器网络与互联网结合的远程实时水质监测系统架构,实现了水质监测参数的获取及传输[7]。但上述监测系统大多数使用水质自动监测仪进行监测,这种仪器是由测量电极、变送器设备和显示设备等构成的一体化装置,具有体积大、价格昂贵,且需要市电供电,不适合对大范围水域进行监测等缺点。本文以水体温度、pH 值和溶解氧浓度为监测目标,设计了基于无线传感器网络的水产养殖水质监测系统。通过设计以电池供电方式的水质传感器信号调理电路,使系统无需市电供电,实现了整个监测过程无线化。该系统使用灵活,能对大范围水域实现水质环境参数的实时采集、无线传输和远程监测等功能。

1 系统总体结构

系统主要由传感器节点、路由节点、汇聚节点、本地监测中心和远程监测中心等组成,其结构如图1 所示。传感器节点和路由节点部署在监测区域内,以自组织的方式构成网络,将采集到的数据以多跳的网络方式传送到汇聚节点,汇聚节点负责接收和处理网络中所有节点的信息,并通过RS232串口将数据传输到本地监测中心,监测中心软件对接收的数据进行分析、处理、存储,图形化显示与报警,实现水质环境参数实时在线监测。汇聚节点也可以通过GPRS 模块接入Internet 网络,将数据传回远程监测中心,或以短信方式将数据传送给用户手机。

版权、出处:《农业工程学报》

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