海水养殖环境水质实时监测系统的设计

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1、海水养殖环境水质实时监测系统的设计　　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

2、络[1]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、中继节点、汇聚节点组成。　　sink节点具有连接外部网络的网关功能。WSN通过sink节点分发感知信息，负责向监测

3、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联盟节点。　　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

4、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。　　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，集成了符合标准的收发器、增强工业标准的8051MCU，128KB闪存和8KBRAM，包含模数转换器、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，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

5、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的石英谐振器和2个电容构成32MHz的晶振电路。用1个的石英谐振器和2个电容构成的晶振电路。电压调节器为所有要求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.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

6、，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晶振的时钟下，电流损耗仅为μA；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　　ZigBee技术　　WSN是基于ZigBee[3]技术实现的，ZigBee技术是

7、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，、915MHz和868MHz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、媒体访问控制层、网络/安全层以及应用框架层组

8、成。ZigBee技术是建立于协议之上的