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水产养殖水质实时远程监控系统
罗红平1，李广林1*，彭伟峰2，宋杰1，白秋伟1
(1. 西南大学，工程技术学院，重庆 400715；
2. 重庆水利电力职业技术学院 电气工程系，重庆 402160)
摘要: 建立了基于无线网络的多参数监测系统，实现对水产养殖水质的远程实时监测，提高水产养殖产品质量，解决目前监测系统布线困难，成本高的问题。在该系统中使用太阳能电池和锂电池供电。采用YCS-2000型溶解氧传感器，pH电极，Pt1000温度传感器和氨氮传感器监测养殖水质参数；STM32F103芯片用于数据处理；Zigbee和GPRS模块被用于数据传输到远程监控中心，数据被存储和显示。系统与增氧机连接，实现溶氧浓度的自动控制。测试结果表明数据传输的置信度高，丢包率为0.43％。因此，该系统可以实现对养殖水质的实时远程监测，对减轻劳动强度，提高水产品质量，保护水环境具有重要的现实意义。
关键词：水产养殖，水质，实时监测，无线传感器网络，增氧机
DOI: 10.3965/j.ijabe.20150806.1486
引用本文: 罗红平，李广林， 彭伟峰， 宋杰，白秋伟. 水产养殖水质实时远程监控系统. Int J Agric amp; Biol Eng，2015；8(6): 136－143.
Introduction
中国连续几年名列全球水产品总产量榜首。随着水产养殖业的不断发展，水产养殖越来越密集，规模越来越大，品种不断增加，养殖水质不断恶化，养殖疾病发生率也越来越高。这种状况不仅使水产品恶化，给养殖业带来巨大的经济损失，而且严重污染了水环境。
收稿日期：2014-10-11 接受日期：2015-10-21
简历：罗红平，硕士，研究兴趣：智能检测。
Email: luohongpin89@sina.com；彭伟峰，硕士，研究方向：机电一体化。Email: pwf123456@126.com；宋杰，硕士，研究方向：智能检测。Email: 379262495@qq.com；白秋伟，硕士，研究方向：智能检测。Email: qiutiandeluweihua@163.com.
*通讯作者：李光林博士，教授。研究方向：智能检测与机电一体化技术；西南大学，工程技术学院，重庆 400715
Email：liguanglin@swu.edu.cn，Tel: 86-13883605913.
因此，实现对养殖水质实时监测的要求，及时发现水质，及时调整和治理退化地区的水质，对于保证水产品质量安全，提高养殖效益，保护水环境[1，2]具有重要意义。
近年来，Theofanis等人[3]对水产养殖水质无线监测系统进行了一些研究，设计了一个低成本的饮用水水质实时监测系统，并根据选定的参数开发了一个模拟传感器阵列信号调理，处理，记录和远程数据展示。Helmi等人[4] 使用移动浮标通过GSM监测水质，其可以通过用户指令调整到任何位置。Muhammad等人[5] 描述了无线传感器网络应用在淡水上进行实时数据采集的方法。Zhou等人[6] 提出了一种使用无线传感器网络的水质监测系统，
其以GS1011M为核心，实现了水产养殖实时监测的功能。Jiang等人[7]设计了一个系统，并采用了基于可编程控制器（PLC）的无线传感器网络通信和变频控制增氧系统的集中式低功耗分层聚类（LEACH-C）优化协议。Li等人 [8]设计了一种基于Internet Android平台的水产养殖远程监控系统，采用多传感器节点的系统，可以通过多种传感器远程采集信息。但其中大部分系统都只监测一个参数[9-11]，这意味着影响鱼类生长的多个水环境参数不能得到同时监测。同时，这些系统也存在着无线通信距离短，成本高，无法自动控制水质等缺点。因此我们研究了集成多种养殖水质参数的实时监测系统，将太阳能电池和锂电池组合在一起供电。该系统可实现对水中溶解氧，pH值，温度和氨氮含量的实时监测。监测数据采用无线方式传输，自动保存并显示，自动控制水中溶解氧。整个系统的模块化设计便于安装，调试和维护。
系统的总体结构
系统由电源，传感器检测部分，控制器，数据传输部分，远程监控中心，增氧机等[12，13]组成. 传感器检测部分包括溶解氧传感器，pH值传感器，温度和氨氮浓度传感器。该控制器由STM32F103及其外围电路组成，负责处理传感器获取的水质参数，并控制整个系统正常工作。数据传输部分由Zigbee无线数据传输模块和GPRS模块组成，将传感器检测到的参数传送给远端监控中心[14]。远端监控中心
由上位机组成，可以实现监控水质数据的实时显示，保存和分析。如果控制器检测到溶解氧浓度低于预设的下限阈值，则会发出启动增氧机的指令。当检测到溶解氧浓度高于预设上限阈值时，关闭增氧机。系统硬件配置如图1所示，实际传感器节点图如图2所示。
图 1 硬件配置框图
图 2 水质多参数无线检测系统的实际传感器节点
监控系统的硬件设计
电源模块
电源模块由锂电池，太阳能电池板，锂电池充电管理电路和DC / DC升压/降压转换器电路组成。
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- 锂电池供电
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使用由New Energy Technology Co.，Ltd制造的聚合物锂电池（标称电压：3.7V，电池容量：3.6A·h）。为了满足每个模块的工作电压要求，使用PT1301升压和TPS62007降压转换器来改变锂电池[15，16]的输出电压。
电源结构图如图3所示。
图 3 电源系统框图
系统的最大功耗：
Psys Psen Pzig PGPRS Pmcu
(1)
取 1.2)，所以一个 3.4 A·h 电池可以维持914小时的系统运行。
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- 太阳能电池板
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多晶硅太阳能电池(最大电流：0.34 A，最大电压： 9 V) 由广东昭天公司制造，用作太阳能电池板。太阳能电池板输出的电能在充电管理电路的控制下充入锂电池。该电路如图4所示。
其中，Psys 是系统的最大功耗，用W表示；Psen是温度传感器的最大功率，用W表示；Pzig 是Zigbee模块的最大功率，用W表示；PGPRS 是GPRS模块的最大功率，用W表示；Pmcu 控制器的最大功率，用W表示。由于温度传感器的工作电压为 3.3 V，工作电流为 1 mA， Psen = 3.3 mW。当Zigbee模块正常工作时，其工作电压为 3.3 V，最大工作电流为 120 mA，所以 Pzig=396 mW. 当GPRS模块正常工作时，其工作电压为5V，最大工作电流为500mA，因此PGPRS = 2.5 W。当控制器工作正常时，其工作电压为 3.3 V，工作电流为 15 mA，所以 Pmcu = 49.5 mW. 假设 3.3 V稳压模块的效率为 80%，5 V模块的效率为 70%，可以得出：
图 4 锂电池充电管理电路
控制器实时监控锂电池的电压。当锂电池的放电电压低于3.6 V时，太阳能电池板开始充电。当电压达到 4.2 V时，充电停止。太阳能电池板输出的平均充电电流为 0.13 A. 根据相关性计算表达式
Psys (3.3 396 49.5) / 80% 2500 / 70%
4132 (mW)
(2)
C=Itimes;ttimes;lambda;，以0.8作为充电时间的安全系数， 其中，锂电池的平均充电时间为35小时，并随天气条件而变化。
系统的平均功率是睡眠状态下最大功率和功率的加权平均值。如果增氧机运行时，系统的所有部分每天工作两次，如果增氧机每运行一次，则工作一次；每次工作持续10秒。这样，温度传感器，Zigbee模块，GPRS模块和控制器的平均功率分别为 0.0091 mW，1.375 mW，9.917 mW 和 0.1719 mW。该系统的平均总功率为 11.473 mW. 基于 3.7 V 的锂电池电压，系统的平均负载电流计算为 3.1 mA. 负载电流与工作持续时间的关系可表示为 C=Itimes;ttimes;lambda; (其中C为电池容量，lambda;为电池使用时间的安全系数，即
水质参数检测模块
水质数据采集模块由STM32F103芯片的传感器和单片机组成，其具有高效的Cortex-M3内核，工作频率为72 MHz，工作电压2.0-3.6 V，工作温度为minus;40°C to 85°C，内置高速存储器。单片机的功耗低，电压低，应用广泛。它是整个系统的核心，用于数据采集，采集信号的A/D转换，依时序控制元件的正常工作。其控制电路如图5所示。
图 5 检测单元的控制电路
使用青岛宇昌科技有限公司生产的YCS-2000型传感器 (测量范围：0-20 mg/L，精度： 0.1 mg/L，温度补偿：0-40°C) 测定溶解氧浓度。其信号输出端与单片机的PA5口连接。使用东莞仪器仪器有限公司生产的pH复合电极 (测量范围：0-14，精度：0.02) 检测pH值。其信号输出端与单片机的PA2口连接。使用上海青苗光电科技有限公司生产的氨氮传感器(测量范围：0-1000 mg/L，精度： 0.1 mg/L) 检测氨氮浓度。信号输出端与PA6端口连接。温度检测传感器由Pt1000s 组织，测量精度为 0.1°C，信号输出端与单片机的PA1口连接。其外围电路如图6所示。
图 6 温度检测电路
数据传输模块
数据传输系统由Zigbee模块，GPRS模块和远程监控中心[17，18]组成。被监控的数据通过ZigBee模块传输到接收器，然后通过GPRS模块传输到远程监控中心。上位机从串口读取数据并实时显示，保存和分析。
Zigbee模块由深圳DTK Electronics Co.，Ltd.制造。
如果模块配有外部天线，则其传输距离可达1600米。模块的工作温度为minus;40°C 至 80°C，灵敏度为 minus;110 dBm，频率为 2.4 GHz。GPRS模块 (工作电压：5 V，工作温度：–25°C 至 75°C) ，由济南华瑞物联科技有限公司生产。
2.4 增氧机模块
增氧机模块由增氧机和继电器组成。采用上海银霸工贸有限公司生产的叶轮式增氧机工作电压~220 V 功率 1.5 kW。光电耦合器被用作继电器来隔离输入和输出信号。当控制器检测到溶解氧浓度低于下限时，从光电0063耦合器输入端输入低电平，LED和继电器导通，增氧机开始工作。当溶解氧浓度高于预设上限阈值时，光电耦合器输入端输入5 V电压，输出端开路，增氧机停止工作。以这种方式，控制溶解氧浓度[19] 。增氧机的控制电路如图7所示。
图 7 增氧机控制电路
系统的软件设计
传感器节点的软件设计
使用基于Keil环境的C语言开发了传感器节点程序。整个规划过程采用模块化设计，包括系统初始化，水质数据检测处理，无线数据传输，增氧机控制等模块。系统上电复位后，初始化，定时器启动。系统每隔12 小时收集一次水质数据，并将采集到的数据存入控制器。数据采集完成后，传感器断电，
控制器对水质数据进行分析处理，并通过数据传输模块发送出去。控制器根据溶解氧浓度的水平 (低于或高于阈值)来控制增氧机的启动或关闭。
图8为养殖水质远程监测系统软件流程图。.
图 8 养殖水质远程监测系统软件流程图<!--
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