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

2、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]（CU，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77mm48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

3、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

4、.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

5、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　　4.1ZigBee技术　　Hz（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

6、/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

7、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IEEE802.15.4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

8、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