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

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。

图1 监测系统结构
Fig.1 Network structureof monitoring system

2 无线传感器网络节点硬件设计

无线传感器网络节点包括传感器节点、路由节点和汇聚节点，路由节点由传感器节点充当，汇聚节点要与监测中心计算机连接，在硬件结构上，只需减少传感器模块和增加串口通信模块，其他模块设计与传感器节点基本相同。

2.1 硬件组成

传感器节点主要由传感器模块、处理器模块、无线通信模块和电源模块组成。传感器模块包括水质传感器和信号调理电路，构成传感器板。处理器模块、无线通信模块和电源模块构成主控板。节点的硬件结构如图2所示，节点实物与电路封装如图3所示。

图2 硬件结构图
Fig.2 Sensor nodehardwarearchitecture

图3 节点实物与电路封装图
Fig.3 Pictureofreal WSNnodeandPCB

处理器模块采用 TI公司的单片机芯片MSP430F149，该单片机最为突出的特点是低电压、低功耗[8]，适合用于低功耗需求的场合。无线通信模块采用功耗低、发射功率可调的nRF905模块，其传输距离远、抗干扰能力强，并且内建空闲模式与关机模式，易于实现节能[9-10]。

考虑室外监测需求，电源模块采用1 200 mAh、3.2 V的磷酸铁锂电池供电[11-12]。2节锂电池串联后通过 LT1129-5、LT1129-3.3组成的电路转换为3.3 V，为处理器模块和无线通信模块供电；通过LT1129-5、Max660组成的电路转换为±5 V，为传感器模块供电。

传感器模块包括传感器和信号调理电路，考虑到应用需求、成本、功耗和可靠性等因素，采用上海力琼公司 pH复合电极和极谱式溶解氧电极来测量水溶液的pH值、溶解氧浓度和温度。pH电极测量范围为 0～14.00，溶解氧电极测量范围为 0～20.00 mg/L，这2种电极都内置热敏电阻，可用于温度测量或温度补偿功能。

2.2 pH值调理电路

pH值复合电极输出为毫伏级电压信号，且内阻很高[13]。在调理电路的设计中，采用±5 V供电的运算放大器构成3级电路，如图4所示，第1级将pH值电极输出与电压跟随器相连，目的是提高测量电路的输入阻抗和隔离前后级电路的影响；第2级将pH值电极输出信号滤波放大；第3级将放大后的信号调整为0～3.3 V，以满足模数转换器输入范围，pH值调理电路输出电压（VpH，V）为

式中，Vin为pH值电极输出电压，V；RP为可调电阻，Ω；R2～R7为固定电阻，Ω。

图4 pH值调理电路
Fig.4 pHvalueconditioningcircuit

2.3 溶解氧调理电路

溶解氧电极输出电流一般很小，最大只有几十μ A，且电极的阴极和阳极两端需施加0.7V左右的极化电压，氧电极才能正常工作[14-15]。在调理电路的设计中，采用±5V供电的运算放大器构成3级电路，如图5所示，第1级为电压跟随器，将可调电阻Rp上的分压接入氧电极的阴极，为阴极提供电压；第2级将氧电极的阳极连接U2的反相端，使阳极电压近似为0，调节Rp阻值可使阴阳两极获得0.7V左右的电压，保证氧电极正常工作，氧电极的输出电流通过第2级电路转换为电压；第3级将前级的输出电压滤波放大，溶解氧调理电路输出电压（Vo2，V）为

式中，I为溶解氧电极输出电流，A；R2、R4、R5为固定电阻，Ω。

2.4 温度调理电路

为减少系统开发成本，本文利用溶解氧传感器内置的热敏电阻Rt来测量温度。在调理电路的设计中，采用±5V供电的电桥与运放构成的电路，如图6所示，调节RP阻值使电桥处于平衡状态，放大器输出为0，温度变化使电桥失去平衡状态，放大器的输出电压(VT，V)为

式中，Rt为溶解氧传感器内置的热敏电阻，Ω；RP为可调电阻，Ω；R1～R4、R6为固定电阻，Ω。

图5 溶解氧调理电路
Fig.5 Dissolved oxygen conditioning circuit

图6 温度调理电路
Fig.6 Temperature conditioningcircuit

3 软件设计

3.1 节点软件设计

节点软件是基于IAR Embedded Workbench集成开发环境，采用面向硬件操作的单片机C语言编程开发。节点软件包括传感器节点、路由节点和汇聚节点软件，路由节点只需要转发数据，其软件设计与传感器节点基本类似。汇聚节点不采集水质数据，但作为控制中心，需要向监测网络发送同步信息，并将收集的数据发送到本地监测中心和远程监测中心。由于篇幅有限，本文以传感器节点为例，介绍软件设计方法。整个编程过程采用模块化设计，主要包括设备初始化、数据采集与处理、串口通信和无线通信等模块。传感器节点程序流程如图7所示，节点周期性地采集数据，采集时间间隔设为30 min，每次采集完毕后立即关闭传感器电源，以减少能耗，同时设置另一个定时器，作为发送本地采集数据的时间，在这段时间内，节点可以接收和转发其他节点的数据。当发送时间到，节点将本地采集数据发送出去。如果接收到汇聚节点发送的同步信息，传感器节点调整本地系统时间，然后进入休眠状态，直到下次采集时间到，再开始新一轮的采集工作。

图7 传感器节点程序流程图
Fig.7 Flow chart ofsensor nodesoftware

3.2 监测中心软件设计

监测中心软件采用VB6.0编程开发，本地监测中心软件通过MSComm控件获取汇聚节点串口发送的监测数据，并调用外部程序嵌入功能，将接收的数据以EXCEL文件进行存储和管理，远程监测中心软件利用 Winsock控件实现与汇聚节点的GPRS模块通信，获取 GPRS模块传输到 internet网络的监测数据。现场工作人员可以实时查看监测区域的采集数据，用户也可以通过 Internet网络远程访问监测区域的采集数据。监测中心软件主要包括参数设置、实时监测、数据处理、数据管理和用户管理等模块，参数设置模块是设置水质参数上下限值和通信参数；实时监测模块是实时采集水质数据，以动态曲线图方式和报表方式显示监测指标的变化，报警显示超限的水质数据；数据处理模块对历史数据进行分析处理，产生水质预测预警模型；数据管理模块对历史数据进行查询、统计和图表显示；用户管理模块为不同用户身份调用特定的操作及访问特定的数据资源，软件结构框图如图8所示。图9为水质参数实时监测界面，界面直观友好，能同时以表格和曲线的方式显示实时数据，并能报警越限数据以及统计每个鱼池水质信息。

图8 监测中心软件结构框图
Fig.8 Structural diagram of monitoring center software

图9 实时监测界面
Fig.9 Real-time monitoring interface

4 传感器标定试验

4.1 pH值传感器的标定

本文使用pH复合电极测量溶液酸碱度，复合电极由甘汞电极和玻璃电极组成，玻璃电极的头部球泡由特殊的敏感薄膜制成，它仅对氢离子敏感，在测量中作为指示电极，甘汞电极作为参考电极，当溶液中氢离子浓度发生变化时，指示电极和参比电极之间的电动势也随着引起变化，依据Nernst方程，指示电极与参比电极之间的电动势与被测溶液酸碱度关系为[16]

式中，E为电极输出电动势，mV；E0为标准电极电势，mV；S为Nernst系数；T为绝对温度，K。pH电极接外电路后电极端输出电压Vin（V）为

式中，RL为外电路等效电阻，Ω；RS为电极内阻，Ω。

由式（1）、（4）、（5）可得pH值调理电路输出电压VpH（V）为

式中，V0为pH值=7时调理电路输出电压，V；KpH是随温度而变化的系数，需要试验标定与温度关系的数学模型。试验方法:将pH值=4.01、pH值=6.86、pH值=9.18的3种标准溶液降温至0℃左右，然后用恒温磁力搅拌器逐步加热到50℃，每隔1℃记录调理电路输出电压的A/D转换值，测量3次取平均值，然后根据式（6）计算出不同温度下的KpH值，用matlab拟合出KpH的标定曲线，如图10所示。图中，T=15℃与 T=35℃处为曲线拐点，此处曲线斜率最大，灵敏度最高，而其他温度区域内KpH与温度呈线性关系，因此采用线性分段方法标定 KpH曲线，以提高拟合精度。

图10 pH值温度系数KpH与温度的关系
Fig.10 Relationship between coefficient KpHof PH value and temperature

4.2 溶解氧传感器的标定

本文使用极谱式薄膜溶氧电极测量溶解氧浓度，极谱式薄膜溶氧电极由铂电极（阴极）和银电极（阳极）组成，两极之间充以电解液，顶端以薄膜覆盖。当在阴极和阳极之间施加 0.7V左右的电压时，溶液中的溶解氧透过薄膜，在阴极上发生还原反应而产生扩散电流，依据阿仑尼乌斯定律，电流的大小为[17-18]

式中，I为电极稳态响应电流，A；I0为氧分压为零时的电极响应电流，一般接近于0， 2OP 为被测溶液中氧分压，以Hg计；Tm为透氧膜工作温度，℃；α和A为与电极材料和结构有关的常数。依据Henry定律，水中的氧分压 2OP 为[19]

式中，C为被测溶液溶解氧浓度，mg/L；H为Henry系数,它是一个随温度而变化的值。将式（8）代入式（7）可得

将式（9）代入式（2）可得溶解氧调理电路输出电压Vo2为

式中，V0为氧分压为0时调理电路输出电压，V；KO2是随温度而变化的系数，需要试验标定与温度关系的数学模型[20]。试验方法:首先用饱和亚硫酸钠溶液标定溶氧电极的零点[21]，测量溶解氧调理电路输出电压V0，然后将饱和蒸馏水降温至零度左右，用恒温磁力搅拌器快速搅拌并逐步加热到50℃，每隔1℃，用YSI550A溶氧仪测量溶液中溶解氧浓度，同时记录溶解氧调理电路和温度调理电路输出电压的AD转换值，测量3次取平均值，根据式（10）计算出不同温度下的KO2值，用matlab拟合出KO2的标定曲线，如图11所示。

图11 溶解氧温度系数KO2与温度的关系
Fig.11 Relationship between coefficient KO2of dissolved oxygen and temperature

4.3 温度传感器的标定

根据溶解氧标定试验获取的数据，拟合出温度调理电路输出电压VT与温度关系的标定曲线，如图12所示。图中，T=25℃处为曲线拐点，此处曲线斜率最大，灵敏度最高，而其它温度区域内VT与温度呈线性关系，因此采用线性分段方法标定VT曲线，以提高拟合精度。

图12 输出电压VT与温度的关系
Fig.12 Relationship between output voltage VTand temperature

5 试验结果与分析

2012年9月，利用本文设计的系统，在广东省珠海市斗门区白蕉镇之山水产公司养殖现场进行试验，试验包括网络丢包率测试和水质参数采集测试，网络丢包率测试是验证系统网络传输的稳定性和可靠性，水质参数采集测试是验证无线传感器网络水质数据采集和传输的正确性。

5.1 网络丢包率测试

试验时部署5个传感器节点，分别放在5个养殖池中，部署1个汇聚节点和5个路由节点，汇聚节点部署在控制室，路由节点部署在传感器节点与汇聚节点之间，负责数据转发任务。设定传感器节点每隔 30 min采集、发送 1次数据，然后节点进入接收模式，接收到时间同步信息后进入休眠状态，连续监测25 d，测试结果如表1所示，该系统通信稳定可靠，整个网络的平均丢包率为0.77%。

表1 网络丢包率统计
Table 1 PLR values of nodes

5.2 水质参数采集测试

pH测试前使用6.86和9.18的标准溶液对pH电极进行校准，以消除其偏差，然后在 25℃条件下，用邻苯二甲酸氢钾和四硼酸钠配制不同的pH值溶液进行测试，测量结果与PHSCAN10酸度计的测量值比较，PHSCAN10酸度计的精度为±0.2pH，试验数据如表2所示。水温和溶解氧取养殖用水进行降温和加热测试，测量结果与YSI550A溶氧仪的温度和溶氧测量值比较，YSI550A溶氧仪在测量前需用5%的无水亚硫酸钠配制的无氧水进行标定，它的溶氧测量精度为±0.3 mg/L、温度测量精度为±0.3℃，试验数据如表3所示。试验结果表明，本系统测量值与标准仪器测量值接近，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%，测量精度可以满足水产养殖水质信息采集的应用要求。图13为1号节点与标准仪器连续24 h监测的数据图，采集时间间隔为30 min。从图13中可以看出，系统运行稳定，数据传输正常，满足实际运行的需要。

表2 pH值测试结果
Table 2 Testing results of pH

表3 水温和溶解氧测试结果
Table 3 Testing results of temperature and dissolved oxygen concentration

图13 水质参数实时监测曲线
Fig.13 Real-time monitoring curves of water quality parameters

6 结论

1）本文利用无线传感器网络技术设计了一套水产养殖水质监测系统。该系统通过传感器节点获取水温、pH值和溶解氧浓度数据，利用汇聚节点收集监测数据，并通过RS232串口将数据传输到本地监测中心，实现水质环境参数实时在线监测，也可以通过GPRS模块接入Internet网络，实现数据的远程监测。

2）系统的传感器节点可以直接使用pH电极和溶解氧电极测量水质参数，避免了使用体积大、价格昂贵的水质自动监测仪，并且系统采用电池供电方式，使整个监测过程无线化，能对大范围水域进行监测。

3）试验结果表明该系统运行稳定、测量准确可靠，网络的平均丢包率为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%。

为实现更多水质参数的精确监测与控制，对系统的软硬件进行长时间测试和完善，提高整个系统的性能，下一步将在现有研究基础上，对系统的功能扩展、通信协议以及水质参数的智能控制方面做进一步的研究。