随着农村劳动力的转移和农业生产方式的转变，我国已进入农业产业结构调整的关键时期，水产养殖业也从传统的粗放式放养向专业化、规模化、集约化方向发展^[1]。在水产养殖过程中，水质的好坏直接关系到养殖过程中的安全性和水产品的产量及品质。由于集约化养殖密度大，对水质提出了更为严格的要求，当水质出现问题时，往往会造成无法挽回的经济损失。传统的水质监测通常采用采样化学分析法，存在费时费力、监测周期长、监测范围有限等缺陷，无法实时监测水质的动态变化。采用RS485、CAN总线的多参数水质在线监测系统具有成本低、监测范围广、实时性好等特点，但存在布线困难、维护扩展不便且线路易受腐蚀等问题^[2]。ZigBee是一种近年来新兴的无线通信协议标准，具有低成本、低功耗、低复杂度、自组网以及双向传输等特性，是一个比较完善的近距离无线通信协议^[3]。它利用无线电波以接力的方式将数据从一个节点发送到另一个节点，通信效率高，能量消耗少。目前，已广泛应用于智能家居、工业控制、农业生产和医疗看护等领域。本文提出了一种基于无线传感器网络的水产养殖水质监测系统的设计方案，该系统以S3C2440为控制核心，通过ZigBee构建无线传输网络，实现养殖水体温度、pH值、溶解氧等参数的实时采集、无线传输和远程监测等功能，具有监测点布置灵活、监测范围广、稳定性好等特点。

整个监测系统由传感器节点、汇聚节点、嵌入式网关和远程监测中心组成，结构如图 1所示。传感器节点部署在监测区域内，以自组织方式构建传感器网络，将采集到的数据以无线方式发送到汇聚节点。汇聚节点负责传感器网络的组建和节点信息的管理，并将采集到的数据通过RS232串口传输到嵌入式网关。网关负责数据的存储、处理和转发，通过3G模块接入Internet，可将数据传输到远程控制中心进行分析、处理和图形化显示；同时，网关中移植了嵌入式Web服务器，用户可通过计算机或手持终端实现水质实时远程监测。

图 1

图 1 系统总体设计方案

水产养殖过程中需要对水温、溶解氧、pH值和盐度等主要水质指标进行监测。以鲢、鳙、草、鲤、鲫等温水性鱼类养殖为例，其适宜水温为20℃~32℃，溶解氧不小于3 mg/L，pH值介于7.5~8.5之间，盐度不高于3‰^[4-5]。目前，国内市场上销售的水质传感器包括单一参数检测传感器和多参数检测传感器两大类。设计中选用上海质晶电子科技有限公司的JF-D400A型四合一多参数水质传感器，该传感器工作电压+5V/+12V可选，支持RS485和MODBUS总线通讯协议，采用电极和变送器一体化设计，防水等级IP68，可直接投入水中，通过匹配参数的选择，可实现温度、pH值、溶解氧和盐度等4种参数的测定，具有测量精度高，响应速度快、重复性好、安装调试方便等特点。

ZigBee无线通信网络中的汇聚节点和终端节点在电路结构上是一样的，设计中选用网蜂科技的ZigBee串口透传模块。该模块采用TI公司的CC2530F256作为主控芯片，运行Z-stack 2007 PRO协议栈，工作在免费的ISM 2.4 GHz频段；具有Debug接口，兼容TI标准仿真工具，引出了全部的I/O接口，便于同各种传感器监测电路、继电器控制电路相连接；包含天线接口及巴比伦匹配电路，使用2.4 G全向天线，射频通路指标优良，可靠传输距离最远可达250 m，自动重连距离达110 m。考虑到室外监测的需要，节点采用太阳能板和7 V锂电池供电，通过LM7805和LM1117分别得到5.0 V和3.3 V直流电压，其中5.0 V用于为水质传感器供电，3.3 V为CC2530供电，具体电路见参考文献[6]。此外，由于ZigBee节点不支持RS485总线通讯协议，在与传感器连接时，需要设计3.3 V TTL电平与RS485信号转换电路^[7]，电路如图 2所示。

图 2

图 2 CC2530与水质传感器RS485接口电路

图 2中，专用集成芯片MAX13487用于完成RS485到3.3 V TTL电平的转换，R7、R8、R9、L1、L2、D1、D2、D3等组成RS485总线匹配电路，U1和U2两个光耦用于RS485总线和CC2530的隔离，R2和R3构成电压采集电路，以分压的方式将电压信息传输至CC2530的P0.0口进行采样。

网关是水质监测系统的控制核心，负责实现数据的存储、处理和转发，主要由ARM微处理器、华为EC12613G模块、存储单元、电源管理单元和人机交互接口等组成，如图 3所示。为降低系统开发难度，设计中选用友善之臂的Micro2440开发板，该开发板的核心处理器采用三星公司的S3C2440，板载64 M的SDRAM和256 M的NAND Flash，一个USB接口用于连接3G模块，两个UART接口分别用于连接汇聚节点和上位机。汇聚节点传送过来的传感器数据经处理后保存到存储单元中，并通过3G模块传输到远程监控中心。同时，网关中移植了嵌入式Web服务器Boa，用户可以通过手持终端或计算机实现监测数据的远程实时访问。

图 3

图 3 嵌入式网关硬件结构图

设计中ZigBee无线通信网络包含1个网络协调器和4个终端节点，采用星型网络拓扑结构，软件设计在IAR Embedded Workbench环境下完成，用C语言开发，协议栈选用TI公司的ZStack-CC2530-2.3.0.1.4.0，整个设计过程基于SampleApp.eww工程进行。

协调器作为数据汇聚节点不采集水质数据，主要负责网络的建立和管理，侦听并等待终端节点加入网络，对已加入网络的终端节点分配地址，接收来自于节点的传感器数据并通过UART1发送到网关，软件设计流程如图 4(a)所示。终端节点在上电后将自动搜索并加入区域内的ZigBee网络，以30 min时间间隔周期性地采集传感器数据并以无线射频的方式发送给协调器，每次采集完成后关闭传感器电源并进入休眠状态以减少能耗，当下一次采集时间到，节点将自动唤醒并开始新一轮采集工作，流程如图 4(b)所示。

图 4

图 4 ZigBee网络程序流程图

网关软件设计包括操作系统和应用程序两部分^[8]，其体系结构如图 5所示。考虑到Linux内核良好的性能和开源特性，选用嵌入式Linux作为网关的操作系统。主要设计内容包括BootLoader的移植、Linux内核的配置、3G模块及其他外围硬件设备驱动程序的添加、内核的编译及下载等。应用程序主要完成ZigBee网络数据的汇集、数据存储、处理及3G网络数据转发等，同时，通过移植嵌入式Web服务器Boa，便于用户通过网络实现远程监测。

图 5

图 5 嵌入式网关软件体系结构

系统测试于2016年7月中旬在陕西渭南市渭北某鱼塘进行，实验过程中在75 m×52 m大小的鱼塘中部署4个传感器节点，设置每隔30 min采集并发送一次数据，自上午9:00至12:00连续监测3小时，其中，节点1的测试结果如表 1所示。

表 1

表 1 测试结果 水温/℃ pH 溶解氧/mg·L-1 盐度/mg·L-1 T1 23.6 7.52 3.96 5.02 T2 23.6 7.53 3.98 5.04 T3 23.8 7.52 3.95 5.02 T4 24.0 7.51 4.05 5.00 T5 24.3 7.52 4.08 5.02 T6 24.4 7.53 4.05 5.04

表 1 测试结果

实验结果表明，该鱼塘水质符合养殖标准，适宜鲤鱼、草鱼、鲫鱼和白鲢等温水性鱼类的生长。

本文使用无线传感器网络技术ZigBee完成了水产养殖水质监测系统的设计，该系统使用CC2530组建无线数据传输网络，通过分布于养殖水域的传感器探测节点，获取水温、pH值、溶解氧和盐度数据，将汇聚节点收集到的传感器数据通过串口发送到网关，利用网关上的3G模块可将数据传送至远程监控中心作进一步分析处理。同时，通过网关上的嵌入式Web服务器，用户可通过手持终端或计算机实现水质的远程实时监测。该系统可有效保障水产养殖安全，减轻人力劳动强度，在提高水产养殖效益方面将发挥积极作用。