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　　【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

2、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]（WirelessSensor9Network，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

3、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（SensorNode，以下简称：SN）、中继节点（RelayNode，以下简称：RN）、汇聚节点（SinkNode）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Intern

4、et、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。9　　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I

5、EEE802.15.4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R

6、F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。9　　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

7、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