基于无线传感器网络的水产养殖水质监测系统设计_张莹

2016年10月第31卷第19期

渭南师范学院学报

Journal of Weinan Normal University

Oct．2016

Vol．31

No．19

【现代应用技术研究】

基于无线传感器网络的水产养殖水质监测系统设计

张莹，肖令禄

（渭南师范学院数理学院，陕西渭南714099）

摘要：基于无线传感器网络的水产养殖水质监测系统，以S3C2440为控制核心，利用CC2530组建无线通信网络，采用JF－D400A型多参数水质传感器采集水温、pH值、溶氧量和盐度数据，通过网关上的3G模块将监测数据传送到远程监控中心做进一步处理。该系统可有效保障水产养殖安全，减轻人力劳动强度，在提高水产养殖效益方面发挥积极作用。

关键词：CC2530；水产养殖；水质监测

中图分类号：TP274文献标志码：A文章编号：1009－5128（2016）19－0049－05

收稿日期：2016－08－21

基金项目：渭南师范学院特色学科建设项目：电气工程与秦东工业（14TSXK07）；渭南师范学院自然科学基金项目：无线传感器网络在渭南地区水质监测中的应用研究（16YKP005）；渭南师范学院自然科学基金项目：物联网技术在精准农业中的应用研究（16YKS013）

作者简介：张莹（1980—），女，河北沧州人，渭南师范学院数理学院讲师，工学硕士，主要从事工业自动化、智能控制研究。

随着农村劳动力的转移和农业生产方式的转变，我国已进入农业产业结构调整的关键时期，水产养殖业也从传统的粗放式放养向专业化、规模化、集约化方向发展［1］。在水产养殖过程中，水质的好坏直接关系到养殖过程中的安全性和水产品的产量及品质。由于集约化养殖密度大，对水质提出了更为严格的要求，当水质出现问题时，往往会造成无法挽回的经济损失。传统的水质监测通常采用采样化学分析法，存在费时费力、监测周期长、监测范围有限等缺陷，无法实时监测水质的动态变化。采用ＲS485、CAN总线的多参数水质在线监测系统具有成本低、监测范围广、实时性好等特点，但存在布线困难、维护扩展不便且线路易受腐蚀等问题［2］。ZigBee是一种近年来新兴的无线通信协议标准，具有低成本、低功耗、低复杂度、自组网以及双向传输等特性，是一个比较完善的近距离无线通信协议［3］。它利用无线电波以接力的方式将数据从一个节点发送到另一个节点，通信效率高，能量消耗少。目前，已广泛应用于智能家居、工业控制、农业生产和医疗看护等领域。本文提出了一种基于无线传感器网络的水产养殖水质监测系统的设计方案，该系统以S3C2440为控制核心，通过ZigBee构建无线传输网络，实现养殖水体温度、pH值、溶解氧等参数的实时采集、无线传输和远程监测等功能，具有监测点布置灵活、监测范围广、稳定性好等特点。

1系统总体设计方案

整个监测系统由传感器节点、汇聚节点、嵌入式网关和远程监测中心组成，结构如图1所示。传感器节点部署在监测区域内，以自组织方式构建传感器网络，将采集到的数据以无线方式发送到汇聚节点。汇聚节点负责传感器网络的组建和节点信息的管理，并将采集到的数据通过ＲS232串口传输到嵌入式网关。网关负责数据的存储、处理和转发，通过3G模块接入Internet，可将数据传输到远程控制中心进行分析、处理和图形化显示；同时，网关中移植了嵌入式Web服务器，用户可通过计算机或手持终端实现水质实时远程监测。

DOI:10.15924/ki.1009-5128.2016.19.009

张莹，肖令禄：基于无线传感器网络的水产养殖水质监测系统设计第31

卷

图1系统总体设计方案

2

主要硬件选型及电路设计2．1水质监测传感器选型

水产养殖过程中需要对水温、溶解氧、

pH 值和盐度等主要水质指标进行监测。以鲢、鳙、草、鲤、鲫等温水性鱼类养殖为例，其适宜水温为20ħ 32ħ，溶解氧不小于3mg /L ，pH 值介于7．5 8．5之间，盐度不

高于3ɢ［4－5］。目前，国内市场上销售的水质传感器包括单一参数检测传感器和多参数检测传感器两大类。设计中选用上海质晶电子科技有限公司的JF －D400A 型四合一多参数水质传感器，该传感器工作电压+5V /+12V 可选，支持ＲS485和MODBUS 总线通讯协议，采用电极和变送器一体化设计，防水等级IP68，可直接投入水中，通过匹配参数的选择，可实现温度、pH 值、溶解氧和盐度等4种参数的测定，具有测量精度高，响应速度快、重复性好、安装调试方便等特点。

2．2ZigBee 节点设计

ZigBee 无线通信网络中的汇聚节点和终端节点在电路结构上是一样的，设计中选用网蜂科技的Zig-Bee 串口透传模块。该模块采用TI 公司的CC2530F256作为主控芯片，运行Z －stack 2007PＲO 协议栈，工作在免费的ISM 2．4GHz 频段；具有Debug 接口，兼容TI 标准仿真工具，引出了全部的I /O 接口，便于同各种传感器监测电路、继电器控制电路相连接；包含天线接口及巴比伦匹配电路，使用2．4G 全向天线，射频通路指标优良，可靠传输距离最远可达250m ，自动重连距离达110m 。考虑到室外监测的需要，节点采用太阳能板和7V 锂电池供电，通过LM7805和LM1117分别得到5．0V 和3．3V 直流电压，其中5．0V 用于

为水质传感器供电，3．3V 为CC2530供电，具体电路见参考文献［6］。此外，由于ZigBee 节点不支持

ＲS485总线通讯协议，在与传感器连接时，需要设计3．3V TTL 电平与ＲS485信号转换电路［7］，

电路如图2所示

。

图2CC2530与水质传感器ＲS485接口电路

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2016年第19期

渭南师范学院学报图2中，专用集成芯片MAX13487用于完成ＲS485到3．3V TTL 电平的转换，

Ｒ7、Ｒ8、Ｒ9、L1、L2、D1、D2、D3等组成ＲS485总线匹配电路，U1和U2两个光耦用于ＲS485总线和CC2530的隔离，Ｒ2和Ｒ3构成电压采集电路，以分压的方式将电压信息传输至CC2530的P0．0口进行采样。

2．3嵌入式网关设计

网关是水质监测系统的控制核心，负责实现数据的存储、处理和转发，主要由AＲM 微处理器、华为EC12613G 模块、存储单元、电源管理单元和人机交互接口等组成，如图3所示。为降低系统开发难度，设计中选用友善之臂的Micro2440开发板，该开发板的核心处理器采用三星公司的S3C2440，板载64M 的SDＲAM 和256M 的NAND Flash ，一个USB 接口用于连接3G 模块，两个UAＲT 接口分别用于连接汇聚节点和上位机。汇聚节点传送过来的传感器数据经处理后保存到存储单元中，并通过3G 模块传输到远程监控中心。同时，网关中移植了嵌入式Web 服务器Boa ，用户可以通过手持终端或计算机实现监测数据的远程实时访问

。

图3嵌入式网关硬件结构图

3

软件设计3．1ZigBee

无线通信网络软件设计

（a ）协调器程序流程

（b ）终端节点程序流程

图4ZigBee 网络程序流程图·

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