漁業養殖水中溶解氧的無線檢測系統研制*

王玉慶，胡慧敏，石建華

(1.河南廣播電視大學 機電工程系，河南 鄭州450046；2.河南財經政法大學 計算機與信息工程學院，河南 鄭州450046；3.河南德信職業衛生技術咨詢服務有限公司，河南 鄭州40042)

漁業養殖水中溶解氧的無線檢測系統研制*

王玉慶1，胡慧敏2，石建華3

(1.河南廣播電視大學 機電工程系，河南 鄭州450046；2.河南財經政法大學 計算機與信息工程學院，河南 鄭州450046；3.河南德信職業衛生技術咨詢服務有限公司，河南 鄭州40042)

在研究極譜式溶解氧濃度傳感器的物理結構和測定原理的基礎上，系統以CC2530為核心模塊，基于ZigBee無線通信技術，設計了溶解氧濃度采樣節點、增氧機控制器節點和協調器節點的硬件和軟件，實現了節點之間自動組網和數據傳輸功能，以及漁業養殖水中溶解氧濃度的無線監控功能。

CC2530；ZigBee；無線傳感器；智能檢測

0 引言

水中溶解氧濃度是水生物生長環境所需要控制的一個重要參數，對水中溶解氧濃度的監控對漁業養殖來說具有重要的意義。而傳統的采集方法由于漁業養殖水中需要監測的范圍廣，采樣點分散，導致目前的監控設備安裝布線繁瑣、成本高而難于有效地推廣應用，而最新發展起來的ZigBee無線通信技術具有網絡容量大、架構簡單、低功耗等特點，十分適合用來組建水中溶解氧濃度無線傳感器網絡，為該問題的解決提供了一種有效的途徑。

1 ZigBee無線網絡

ZigBee是一種基于 IEEE 802.15.4標準的無線通信協議，其發射輸出功率可達 3.7 dBm，通信距離為 30～100 m，具有信標能量檢測和鏈路質量指示能力[1]。在組網架構上，ZigBee可以構造為星形網絡拓撲結構或者點對點樹狀拓撲網絡[2]。點對點樹狀拓撲網絡中，任何網絡節點都可以充當PAN coordinator的角色。系統啟動組網功能時，所有網絡節點都參與轉發組網信息，都是FFD設備，但不能保證 PAN coordinator角色唯一性。在星型拓撲中，每一個無線檢測節點（FFD）設備都只能和協調器（PAN coordiantor）通信，系統啟動組網功能時，協調器首先選擇一個在其射頻覆蓋范圍內沒有被其他網絡占用的地址（PAN）標識符，在該射頻覆蓋范圍內無線電之間可以成功地進行相互通信，該功能也保證了PAN標識符不會被其他相鄰的網絡占用，保證了PAN coordinator角色唯一性。

本系統采用星型拓撲結構，溶解氧濃度采樣節點和增氧機控制器節點作為其中的網絡子節點，與協調器父節點自動組成無線數據傳輸網絡，進而實現該系統無線網絡節點的自組網功能。

2 系統硬件設計

系統協調器節點和各個數據采集節點均采用單片機CC2530為核心部件,該芯片是 TI公司的一款符合IEEE802.15.4標準的片上ZigBee產品，除了包括RF收發器外，還集成了單片機805l核、8 KB的RAM、ADC、DMA和看門狗等功能。 CC2530無線功能的實現只需要天線、晶振等少量的外圍電路元器件就能在 2.4 GHz的頻段上工作。CC2530內部使用1.8 V工作電壓，內集成的直流穩壓器，能夠把外界提供的3.3 V的電壓轉化為1.8 V電壓。因此適合用于電池供電的設備，且功耗很低，使用小型電池壽命可以長達 1年[3-4]。片節點通過ZigBee協議與增氧機控制節點、協調器節點以及其他采集節點自動組成無線網絡。通過該無線網絡，該節點將溶解氧濃度信號實時地發送給協調器節點，再由協調器節點通過MAX485轉網口后傳輸給PC。同時，如果溶解氧濃度低于預警值，其向增氧機控制節點發出增氧機控制信號，增氧機啟動，系統開始調節水中溶解氧濃度。其系統硬件設計框圖如圖1所示。

圖1 無線監控系統結構框圖

本系統溶解氧傳感器采用極譜式電極 DOG-98P型溶解氧傳感器，該傳感器輸出的電流信號，經下拉電阻轉化為電壓信號，該電壓信號經LMC6042放大器放大后接入CC2530的P0.1(AD1)口進行AD處理轉化為數字信號，CC2530對該數字信號處理后再進行相應的無線收發控制。增氧機的控制由 CC2530控制，該節點根據 CC2530接收的控制指令對其進行相應的開關控制。協調器節點對傳感器節點發出的數據實時接收處理，處理后再經485總線傳給PC微機進行后臺處理并實時顯示。另外，如需對池塘補水，協調器可對抽水機進行控制，進行補水控制。其中，CC2530增氧機和抽水機的控制電路均采用光電隔離，以增強系統的抗干擾能力。

3 系統軟件設計

ZigBee標準僅僅定義了協議的網絡層、應用層和安全層，并采用 IEEE 802.15.4的物理層（PHY）和數據鏈路層（MAC）作為其部分協議[5]。而IEEE 802.15.4是獨立于ZigBee標準而開發的，系統只需要在IEEE 802.15.4的PHY層和MAC層之上開發相應的網絡層和應用層。IEEE 802.15.4中有兩種數據傳輸方式適用于該系統的星型拓撲結構：從一個網絡節點設備（device）傳送到一個協調器（coordinator）；從一個協調器傳送到一個節點設備。

本系統軟件包含三部分：溶解氧濃度采集節點程序、增氧機控制節點程序和協調器節點程序。三個子程序即相互獨立又相互聯系，其相互聯系之處就是其自組網絡時采用核心模塊CC2530支持的ZigBee協議棧軟件Z-Stack，在其通用模板的基礎上,通過改動應用層 APP程序來完成網絡的建立和功能的實現：網絡組建、節點加入、數據收發等功能[6]。

3.1 協調器程序設計

在星型拓撲結構中，協調器主要功能：網絡的建立和維護、與上位機進行通信以及和所有的終端設備直接通信（包括向上位機發送數據和接收上位機的數據并無線轉發給下面各個節點）。其程序編寫主要調用 Z-Stack的一些API，其程序流程圖見圖2。

圖2 協調器節點組網流程圖

3.2 傳感器程序設計

傳感器終端設備主要根據協調器發送的命令來執行數據采集或控制被控對象。本系統采用極譜式傳感器，流過溶解氧電極的電流與氧分壓成正比，在溫度不變的情況下氧濃度與電流之間呈線性關系，檢測此電流并經運算變換成氧濃度[2]。通過硬件電路處理，電流信號轉化為電壓信號，溶解氧的溶度C和電壓信號的關系為下式表示：

其中Vout表示溶解氧傳感器模擬信號放大后的電壓信號。該信號經A/D轉換成數字信號進行運算處理，即可實現溶解氧濃度信號采集。K和B為不同傳感器標校后的模型系數。傳感器作為終端設備，在系統網絡中有接受控制指令和發送溶解氧濃度信號功能，其接收和發送數據程序流程圖見圖3。

圖3 收發程序流程圖

4 測試與實驗分析

4.1 發射功率測試

設定發射頻率為2 475 MHz時，使用頻譜儀測量出對應的發射功率，測試結果如圖4所示，捕捉到的最大輸出功率為-25 dBm。

圖4 發射功率頻譜儀顯示

4.2 功耗測試

核心模塊 CC2530工作于電壓 2.0 V～3.6 V，本測試是要測量在不同電壓供電情況下的功耗情況，見圖5，可見模塊CC2530能耗很低，最大電流為40 mA。

4.3 功能測試

選中測試功能，選擇曲線顯示命令，點擊“確定”開始當前值曲線顯示，一段時間后，可得如圖6所示各參數測試值曲線，橫坐標為時間周期，縱坐標為各項參數濃度值。

圖5 發射功率頻譜儀顯示

圖6 測試值曲線圖

5 結論

本系統利用 CC2530無線傳輸特性，設計編寫了溶解氧濃度采集節點、增氧機控制節點和協調器節點的硬件及軟件，通過測試驗證，實現了水中溶解氧濃度檢測和增氧機無線智能控制，進而實現水中溶解氧濃度的智能監控。實踐證明，以ZigBee無線通信方式實現溶解氧濃度的采集和控制，是一種經濟、方便、可行的方法，適合漁業養殖業的發展需要，易于推廣應用。

[1]ZigBee Standards Organized.ZigBee specification document 053474r13[Z].2004.

[2]蔣挺，趙成林.紫蜂技術及其應用[M].北京：北京郵電大學出版社，2006.

[3]Texas Instruments.CC2530 data sheet[EB/OL].[2011-05]. http：//www.ti.com.

[4]李文仲，段朝玉.ZigBee無線網絡技術入門與實戰[M].北京：北京航空航天大學出版社，2007.

[5]陳凱，韓焱，張丕狀.基于SPI總線的無線傳感網絡節點設計[J].儀表技術與傳感器，2008(12)：90-92.

[6]姜仲，劉丹.基于CC2530的無線傳感網技術[M].北京：清華大學出版社，2014.

The design of wireless determining system of dissolved oxygen of water in aquiculture

Wang Yuqing1，Hu Huimin2，Shi Jianhua3
(1.Mechanical and Electrical Engineering，Henan Radio and Television University，Zhengzhou 450046，China；2.College of Computer and Information Engineering，Henan University of Economics and Law，Zhengzhou 450046，China；3.Henan Dickson Occupational Health Technical Advisory Services LTD.，Zhengzhou 450042，China)

Based on the studies on physical structures and determination principles of polar graphic dissolved oxygen concentration sensor,the hardware and software were designed,with CC2530 as the core modules and application of ZigBee wireless communications technology,which included sample nodes of dissolved oxygen concentration,aquaculture aerators controller and coordinator. Automatic network between the nodes and data transmission capabilities were enabled.It could complete wireless monitoring of dissolved oxygen in the water of aquaculture.

CC2530；ZigBee；wireless sensor；intelligent monitoring

TP212

：A

：0258-7998(2015)03-0075-03

10.16157/j.issn.0258-7998.2015.03.019

2014-10-20)

王玉慶(1978-)，男，碩士研究生，主要研究方向：信號智能檢測與處理。

河南省科技廳資助項目（142102210415）