網(wǎng)箱養(yǎng)殖無線遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)

引 言

目前，網(wǎng)箱養(yǎng)殖水質(zhì)環(huán)境監(jiān)測主要采用以下三種方式：

(1) 憑靠養(yǎng)殖戶的經(jīng)驗(yàn)，對(duì)水體環(huán)境進(jìn)行評(píng)判，這不僅需要養(yǎng)殖人員不間斷地看管，而且也不準(zhǔn)確容易出錯(cuò) ；

(2) 使用專業(yè)儀器取樣檢測的方法，需要較長的檢測周期和較高的檢測成本，不僅付出很多的人力物力，還不能實(shí)時(shí)獲取水質(zhì)環(huán)境的狀態(tài)；

(3) 通過架設(shè)監(jiān)控系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)，但由于現(xiàn)場環(huán)境復(fù)雜、分布廣泛、網(wǎng)箱數(shù)目眾多等難點(diǎn)問題，使得現(xiàn)場布線施工困難， 成本較高，線路容易老化、腐蝕，維護(hù)成本高，難以得到大范圍的推廣[1-3]。

而基于無線通信技術(shù)的智能遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)不存在上述問題，能夠有效減少網(wǎng)箱養(yǎng)殖的人力、物力投入，因此論文提出了一種基于無線遠(yuǎn)程監(jiān)控技術(shù)的網(wǎng)箱養(yǎng)殖系統(tǒng)，并重點(diǎn)闡述了此系統(tǒng)的底層傳感器節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)。

1 系統(tǒng)總體框架設(shè)計(jì)

系統(tǒng)通過引入無線網(wǎng)絡(luò)，構(gòu)建了三層復(fù)合網(wǎng)絡(luò)，分別為底層、中繼層、頂層。底層是由傳感器節(jié)點(diǎn)構(gòu)成，傳感器節(jié)點(diǎn)采集網(wǎng)箱水環(huán)境參數(shù)，打包和發(fā)送數(shù)據(jù)以及響應(yīng)遠(yuǎn)程控制指令等功能，并對(duì)執(zhí)行機(jī)構(gòu)進(jìn)行控制 ；中繼層具備匯集和上傳各種傳感器節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)、轉(zhuǎn)發(fā)遠(yuǎn)程控制指令等功能，將各個(gè)網(wǎng)箱水環(huán)境參數(shù)整合，通過 GPRS移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)發(fā)送到Web服務(wù)器， 存儲(chǔ)到相應(yīng)的數(shù)據(jù)庫中；頂層通過 python結(jié)合數(shù)據(jù)庫設(shè)計(jì)專用軟件對(duì)英特網(wǎng)數(shù)據(jù)進(jìn)行獲取和解析，實(shí)現(xiàn)對(duì)網(wǎng)箱養(yǎng)殖現(xiàn)場監(jiān)測的分析、決策等功能。

系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)框圖如圖 1 所示。

2 底層傳感器節(jié)點(diǎn)硬件的實(shí)現(xiàn)

2.1 傳感器節(jié)點(diǎn)硬件總體架構(gòu)設(shè)計(jì)

傳感器節(jié)點(diǎn)由MCU 模塊、無線通信模塊、傳感器模塊、遠(yuǎn)程控制模塊和電源模塊五部分組成。傳感器節(jié)點(diǎn)主要采集網(wǎng)箱水環(huán)境參數(shù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)網(wǎng)箱水環(huán)境狀態(tài)的監(jiān)測和控制功能。其硬件結(jié)構(gòu)圖如圖 2 所示。

2.2 MCU模塊

節(jié)點(diǎn)選用意法半導(dǎo)體的 STM8L151C6T6 低功耗處理器作為主控制器，因?yàn)椴捎肧T 獨(dú)有的泄漏電流工藝和優(yōu)化架構(gòu)，STM8L 系列表現(xiàn)出異乎尋常的功耗性能，具有多種電源管理模式且待機(jī)功耗低，能有效降低運(yùn)行功耗，并自帶 SPI、UART、ADC 和多個(gè)定時(shí)器，傳感器節(jié)點(diǎn)大部分時(shí)間工作在低功耗待機(jī) HALT 模式。

2.3 無線通信模塊

目前無線通信大多采用ZigBee技術(shù)，但 2.4G頻段繞射性能差且傳播距離受限，通常用于室內(nèi)環(huán)境 ；有的采用 GPRS 或GSM方式，缺點(diǎn)在于無公共網(wǎng)絡(luò)信號(hào)時(shí)無法正常工作，并且其功耗高、費(fèi)用大。而 433M頻段下的無線通信能克服以上缺點(diǎn)，較為適合室外遠(yuǎn)距離場合，論文綜合考察 433M下各種無線收發(fā)芯片方案， 最終選定 SiliconLaboratories的SI4463[4]。這款芯片穿透能力強(qiáng)，傳輸距離較遠(yuǎn)（可達(dá) 1.5km以上），其工作頻率范圍為 119 ～1050MHz，輸出功率最大可達(dá) 20Bm，接收靈敏度為－ 126dbBm，數(shù)據(jù)速率最高位1 Mb/s，在保證超低功耗的同時(shí)，SPI 接口使得電路設(shè)計(jì)簡單、可靠，與所選的主芯片能完美配合。

2.4 電源模塊

考慮到室外對(duì)電源的高效率、低功耗、短時(shí)驅(qū)動(dòng)執(zhí)行元件需要大電流的需求，論文采用NCP1529 電源方案，該芯片采用同步整流技術(shù)，具有 PWM/PFM 模式自動(dòng)切換技術(shù)，該芯片還具有過流保護(hù)、過熱保護(hù)、軟啟動(dòng)、使能關(guān)斷等功能。該芯片關(guān)鍵特性如下：

可使用小型外部電容電感，采用SOT-23-5 封裝，非常適合傳感器節(jié)點(diǎn)單節(jié) 18650 鋰電池供電的設(shè)備前端電源處理，電池容量為 5 800 mAh，NCP1529詳細(xì)電路原理圖如圖 3所示[5]。

R1、R2 是反饋電阻，為了降低功耗和輸出電壓噪聲干擾， 反饋電阻 R2 阻值應(yīng)該在 100 ～ 600 kΩ之間選取。輸出電壓計(jì)算公式為：

Vout=0.6 V×（1+R1/R2）

2.5 傳感器模塊 

傳感器模塊可以測量環(huán)境的溫度、光照強(qiáng)度、水體的 pH 值、溶解氧。控制模塊主要包括充氧泵等驅(qū)動(dòng)設(shè)備，為實(shí)現(xiàn)以 傳感器、充氧泵等設(shè)備為主體的閉環(huán)自動(dòng)控制系統(tǒng)，可依據(jù)養(yǎng) 殖需求，對(duì)充氧泵等驅(qū)動(dòng)設(shè)備進(jìn)行自動(dòng)調(diào)控。 

2.5.1 pH 傳感器信號(hào)調(diào)理電路 

系統(tǒng)采用基于復(fù)合電極制成的 pH 傳感器，pH 值檢測模 塊選用雷磁 E-201-C，圖 4 所示是 pH 傳感器的信號(hào)調(diào)理電 路。當(dāng)被測溶液為中性時(shí)，其輸出電壓理論值為 0，堿性為負(fù) 壓，酸性為正壓。而負(fù)壓對(duì)控制器的 AD 來說是無法實(shí)現(xiàn)信 號(hào)采集的[6]，所以根據(jù)其輸出信號(hào)相對(duì)于參比電極的電壓差值， 設(shè)計(jì)了 TL431 基準(zhǔn)電壓發(fā)生器，并將該電壓疊加于參比電極， 以保證信號(hào)電極電壓恒為正值，再經(jīng)放大使輸出電壓穩(wěn)定在 AD工作電壓范圍內(nèi)。

2.5.2 溶解氧傳感器信號(hào)調(diào)理電路 

系統(tǒng)采用基于極譜式電極制成的電流式溶解氧傳感器， 圖 5 所示是溶解氧傳感器的調(diào)理電路，主要完成將傳感器輸出 的 4 ～ 20 mA 的電流信號(hào)轉(zhuǎn)成 STM32F103RC 微控制器可接 受的電壓信號(hào)，電路中 R7 電阻要求精度高、溫漂小，其作用 是將輸入的電流信號(hào)轉(zhuǎn)變成相應(yīng)的電壓值 [7]，經(jīng) TLC27L2 進(jìn) 行放大與恒壓處理，即可完成溶解氧的輸出與采集。

2.5.3 溫度、光照傳感器信號(hào)調(diào)理電路

針對(duì)網(wǎng)箱養(yǎng)殖水溫的檢測，本系統(tǒng)選用防水性DS18B20， 這是款常用的數(shù)字溫度傳感器，具有體積小、接線方便、抗干擾能力強(qiáng)、精度高、可防水的特點(diǎn)，圖 6 所示是信號(hào)調(diào)理電路。

針對(duì)養(yǎng)殖水環(huán)境的光照檢測，文中選取光照檢測模塊BPW34，它是一種高速、高靈敏度的光電二極管，具有大輻射敏感區(qū)，響應(yīng)時(shí)間短等特點(diǎn)，適合于可見光和近紅外線輻射， 圖 7 所示是其信號(hào)調(diào)理電路。

3 傳感器節(jié)點(diǎn)軟件設(shè)計(jì) 

節(jié)點(diǎn)軟件程序的開發(fā)平臺(tái)采用的是 IAR for STM8，開發(fā) 語言為 C 語言。在傳感器節(jié)點(diǎn)程序設(shè)計(jì)上，由于節(jié)點(diǎn)安裝在野 外需要電池供電，低功耗應(yīng)是重點(diǎn)考慮的部分，通過合適的 設(shè)計(jì)模式，使得單片機(jī)充分發(fā)揮低功耗和響應(yīng)及時(shí)的特點(diǎn) [8]。

 故而這里選擇了 STM8L151C6T6 單片機(jī)作為主控制器， 用以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集與處理、控制測量等功能。程序流程如圖 8 所示。

系統(tǒng)上電后，進(jìn)入休眠狀態(tài)，等待單片機(jī) RTC 喚醒。喚醒時(shí)間到，節(jié)點(diǎn)處理器被激活后，先將SI4463 接收到的指令與本機(jī)地址做比較，如果跟本節(jié)點(diǎn)的地址相同，再判斷相應(yīng)的指令類別 ；如果是控制指令，則控制電磁閥的開合；如果是查詢命令，則將傳感器采集到的數(shù)據(jù)通過 SI4463 直接發(fā)送出去 ；如果地址與本機(jī)不符合，單片機(jī)立即進(jìn)入休眠狀態(tài) ；如果單片機(jī)被激活等待 50 ms 仍然無命令，則系統(tǒng)自動(dòng)進(jìn)入休眠狀態(tài)[9,10]。

4 節(jié)點(diǎn)測試與分析 

雖然 SI4463 發(fā)射時(shí)電流為 42 mA，接收電流為 20 mA， 但是對(duì)于 STM8L 這類低功耗芯片，多數(shù)時(shí)候應(yīng)該工作在停止 或者等待狀態(tài)，全速運(yùn)行功耗意義不大，所以一般節(jié)點(diǎn)的功 耗主要取決于系統(tǒng)休眠時(shí)的功耗。節(jié)點(diǎn)運(yùn)行時(shí) RTC 一直工作， 約 500 ms 喚醒一次，電源芯片靜態(tài)功耗為 28 μA，MCU 和 SI4463 休眠時(shí)功耗為 13 μA，由此推斷一天最多消耗能量大 約 15 mAh，所以采用 5 800 mAh 3.7 V 的鋰電池，理論上節(jié) 點(diǎn)可以運(yùn)行大約一年的時(shí)間。 

5 結(jié) 語

本文提出了一種無線傳感器節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)的方法，充分利用 STM8L 豐富的外設(shè)和高速處理能力，解決了無線傳輸距離短 以及 STM8L 和 SI4463 低功耗處理等問題，并且有效提高了 測量精度，實(shí)現(xiàn)了對(duì)多個(gè)網(wǎng)箱養(yǎng)殖水環(huán)境的實(shí)時(shí)監(jiān)測和控制。 此技術(shù)的應(yīng)用能夠有效減少網(wǎng)箱養(yǎng)殖的人力、物力投入，有 較高的實(shí)用與推廣價(jià)值。