海水养殖环境水质实时监测系统的设计

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【摘要】海水养殖环境水质监测通常采用人工采样、实验室分析方法，存在实时性差、实验环境与实际环境有差异等问题。本文提出一种基于无线通信技术的远程水质实时监测方法。采用无线传感器网络作为主要通信手段，实现对养殖环境水质的远程实时监测。实验表明，该系统运行可靠、操作方便。

【关键词】无线传感器网络；远程监测；实时监测

1.引言

海水养殖行业中，水产品产量及安全问题与水质状况密切相关，尤其需要对水质中类如PH值、溶解氧、盐度、温度等要进行周期性定时监测，掌握水质现状及其变化趋势。目前国内海水养殖环境水质监测多数仍采用人工采样、实验室分析的手段，人工定期或不定期的采样监测费时费力，并且难以全面客观地反应水质变化规律，从水质采样、样品运送和保存、实验室检测到数据整理整个过程，任何一步的差错都将影响最终数据的质量，无法满足对水质实时、准确监测的需求。由此可见，对于海水养殖环境的水质实时监测系统的开发的必要性。

本文提出了一种基于无线传感器网络[1]（Wireless Sensor Network，以下简称：WSN）的远程水质实时监测系统的设计方案。由低成本、低功耗的WSN节点通过自组网形式形成分布式网络和GPRS无线通信网络组成。与传统的监测方法相比，具有如下优点：监测环境影响小；网络容量大；监测节点位置灵活可变；电池供电；链接GPRS网络实现数据远传；实时在线监测。

2.系统的整体结构

远程水质监测系统结构框图[2]如图1所示，由大量密集部署在某个监测区域的SN以及sink节点组成，它们之间通过自组织的无线通信方式构成网络。通常由即传感器节点（Sensor Node，以下简称：SN）、中继节点（Relay Node，以下简称：RN）、汇聚节点（Sink Node）组成。

sink节点具有连接外部网络（如互联网、卫星网、移动通信网等）的网关功能。WSN通过sink节点分发感知信息，负责向监测区域内的SN发送监测任务、查询消息和数据请求指令等。SN将监测对象的信息以多跳通信方式传送给sink节点，经其进行简单处理后，由Internet、卫星或移动通信网络等外部传输网络，传送至终端用户所在的管理节点。

SN一般由电池供电，受体积、价格和电源等因素的限制，它的处理能力、存储能力相对较弱，通信距离有限，如果访问通信半径以外的其它节点，需要借助RN转发数据。

相对于SN而言，Sink节点的通信能力较强，它可以是一个增强型SN，也可以是特殊网关设备，该节点负责WSN与外部传输网络的链接，将WSN采集的数据转发到外部传输网络。

3.系统硬件设计

系统硬件部分主要包括SN和sink节点的设计，由无线通信模块和相关的功能模块组成。

3.1 无线通信模块

无线通信模块使用了TI公司的超低功耗CC2430芯片，集成了符合IEEE802.15.4标准的2.4GHzRF收发器、增强工业标准的8051MCU，128KB闪存和8KBRAM，包含模数转换器（ADC）、1个通用的16位计时器和2个8位计时器、AES-128协同处理器、看门狗定时器、32kHz晶振的24位休眠模式定时器、上电复位电路、掉电检测电路，以及21个可编程I/O引脚。采用低功耗的CMOS工艺生产，低电流损耗（接收时：27mA，接收时：25mA），采用7×7mm48脚QLP封装。硬件电路如图2所示，电路使用1个非平衡天线，连接非平衡变压器使接收性能更好，电路中的不平衡变压器由电容C8和电感L1、L2、L3以及1个PCB微波传输线组成，整个结构满足RF输入/输出匹配电阻（50Ω）的要求。内部T/R交换电路完成LNA和PA之间的交换。R4和R5为偏置电阻，R3主要用来为32MHz的晶振提供合适的工作电流。用1个32MHz的石英谐振器（XTAL1）和2个电容（C14和C15）构成32MHz的晶振电路。用1个32.768kHz的石英谐振器（XTAL2）和2个电容（C16和C17）构成32.768kHz的晶振电路。电压调节器为所有要求1.8V电压的引脚和内部电源供电。C8和C12是去耦合电容，用来电源滤波，以提高芯片工作稳定性。

3.2 汇聚节点设计

水质传感器将水质参数的物理量和化学量转换成电信号，这个信号可能是电压信号，也可能是电流信号，但一般是一个较小的信号。信号调理模块就是对采集到的电压信号或者电流信号进行放大处理，使其适合A/D转换，便于单片机运算处理。无线通信模块负责SN与其他节点之间进行无线通信。SN使用电池供电，因而低功耗设计成为主要考虑的问题。本系统SN在不进行数据采集时，进入睡眠模式，此时微处理器工作在32.168kHz晶振的时钟下，电流损耗仅为0.9μA；数据采集模块的电源由微处理器控制，在睡眠模式时将其的供电电源关闭，这样在很大程度上节省系统的功耗，扩展了整个网络的生存周期。

4.系统软件设计

4.1 ZigBee技术

WSN是基于ZigBee[3]技术实现的，ZigBee技术是一种低成本、低复杂度、低功耗、低数据速率的无线通信新技术。主要适合于数据吞吐量小、网络建设投资小、网络安全要求高、低功耗的场合。ZigBee技术作为一种无线链接，可以工作在868MHz（欧洲），915MHz（美国）2.4GHz（全球通用）、915MHz（美国）和868MHz（欧洲）频段，对应传输速率分别为20kbps、40kbps、250kbps，网络节点间的距离可以从标准的75m，到扩展后的几百米，甚至几公里。

ZigBee技术的体系结构通常由层来量化它的各个简化标准，每一层负责完成该层所规定的任务，并且向上层提供服务，各层之间的接口通过所定义的逻辑链路来提供服务，主要由物理层（PHY）、媒体访问控制层（MAC）、网络/安全层以及应用框架层组成。ZigBee技术是建立于IEEE802.15.4协议之上的，IEEE802.15.4工作组主要负责物理层和MAC层协议的制定，上层的应用以及开发均由ZigBee联盟负责。其各层之间分布如表1所示。

物理层（PHY）提供了两种服务：物理层数据服务和物理层管理服务（为物理层管理实体提供接口）。物理层数据服务能通过无线信道发送和接收物理层协议数据单元（PPDU）。物理层的特性是激活和关闭无线收发器、能量检测（ED）、链路质量指示（LQI）、空闲信道评估（CCA）、通过物理媒介接收和发送分组数据。

MAC层提供两种服务：MAC层的数据服务和MAC层的管理服务。MAC层的数据服务能够通过物理层的数据服务来使能MAC层协议数据单元（MPDU）的发送和接收。MAC的功能包括信标管理、信道评估、GTS管理、帧校验、确认帧传递、绑定和移除绑定。除此之外，MAC层还能够为实际应用提供合理的安全机制。

网络层能够提供这样一种功能以确保IEEE 802.15.4的MAC层能正常运行，并向应用层提供适当的服务接口。网络层的功能还包括启动网络、加入和离开网络、网络和设备的管理，分配网络地址机制、邻居表的的发现和管理，路由发现等。网络层使用Cluster-Tree和AODV-jr相结合的混合路由机制，为数据的传输提供可靠的路径。

应用层包括应用支持子层（APS）、应用框架（AF）、ZigBee设备对象（ADO）和制造商定义的应用对象。其中APS子层提供安全绑定、设备绑定、建立和移除组地址以及应用层数据库的管理和在设备之间传输应用层协议数据单元等。应用框架（AF）能够创建ZigBee配置文件、定义设备的描述和簇类型、在配置文件上分配端点号和使能网络发现等。可以为应用对象提供两个服务一个键值对和一个普通的消息服务。ZDO能够定义设备在网络中的角色、发现设备和决定他们提供哪种应用服务、发起和响应绑定请求、在网络设备之间建立安全关联。

4.2 汇聚节点软件设计

sink节点的软件流程如图5所示，上电后进行协议栈的初始化和硬件设备的初始化，然后构建网络。sink节点首先进行能量扫描。能量扫描由MAC完成，依据信道的繁忙程度选择能量损耗低一些的信道作为建立网络的备用信道。然后继续进行激活扫描。激活扫描是检测能量扫描中发现的信道是否已被激活。

在激活扫描中，如果没有发现合适的信道，则终止网络建立；如果找到合适的信道，报告给网络层，由网络层在合适的信道中选定使用的信道，并随机选择1个唯一的16位PANID分配给这个新建的网络，同时随机分配1个16位的网络地址。网络层发给MAC层PAN ID启动请求，收到MAC层的确认后，网络层便可以向应用层报告新的网络建立成功。网络构建成功后，进入监控状态包括监控中心的计算的通过GPRS的控制信号、SN的无线信号和子节点加入网络信号，分别按照指令来执行相应操作。

4.3 传感器软件设计

图6所示，SN上电后，首先进行设备初始化，然后按照检测到的能量强度加入现有网络，并进入睡眠模式。数据采集时间由MCU来分配，如果定时时间到达后，判断是否执行数据采集，采集到数据后进行一定的数据处理并无线发送，发送完毕后立即进入睡眠模式，同时关闭传感器模块的电源，这样很好的节省了SN的功耗[5]。

5.监控中心控制软件设计

监控中心控制软件以LabWindows/CVI作为开发环境，分为用户界面模块、数据库模块、通信模块三部分。

其中用户界面可以实时显示监控区域的水质参数、超限报警、历史数据的记录和分析及报表的打印输出、传感器网络拓扑显示功能。数据库模块实现数据库的创建以及对数据库读写操作、查询等访问操作；通信模块实现与sink节点节点进行GPRS通信，从而实现数据的传输，以及将数据链接Inernet实现远程共享。

数据库采用Access数据库，能够满足系统的要求。访问方式使用NI公司的数据库软件工具包SQLToolkit，该工具包包含数据库操作的各种高级函数，便于使用，且能很好的与LabWindows/CVI软件兼容。

本系统对管理员及游客的权限做了不同的界定，管理员登陆本系统后可以对本系统各参数作出相关的修改，比如：修改监测节点的相对位置，向监测系统发出检测水质的指令，修改报警阈值等等。对于游客，本系统的权限为只读。

6.结束语

本文构建了基于无线传感器网络的远程水质监测系统。选择低功耗、具备休眠模式的芯片完成了无线传感器网络的sink节点和SN的硬软件设计，并实现了SN的低功耗设计。应用先进的WSN技术和覆盖范围广的GPRS技术实现数据的采集和传输，解决了水质监测系统中远程传输等问题，可以对水质进行实时远程监控以及远程数据的共享。

参考文献

[1]刘洋，贾巍，王晓曼.无线传感器网络[J].石家庄铁路职业技术学院学报，2009（4）：50-53.

[2]王军，孙健程，曾静.基于ZigBee的蔬菜大棚无线监控系统设计[J].计算机工程与设计，2013，34（3）：1126-1131.

[3]Baronti P，Pillai P，Chook V W C，et al.Wireless sensor networks：A survey on the state of the art and the 802.15.4 and ZigBee standards[J].Computer communications，2007，30（7）：1655-1695.

[4]Narmada A，Rao P S.Zigbee Based WSN with IP Connectivity[C].//Computational Intelligence，Modelling and Simulation（CIMSiM），2012 Fourth International Conference on.IEEE，2012：178-181.

[5]Kodali R K，Sarma N.Energy efficient routing protocols for WSN's[C].//Computer Communication and Informatics（ICCCI），2013 International Conference on.IEEE，2013：1-4.