《電子技術應用》
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漁業(yè)養(yǎng)殖水中溶解氧的無線檢測系統(tǒng)研制
2015年電子技術應用第3期
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(jīng)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(yè)衛(wèi)生技術咨詢服務有限公司,，河南 鄭州40042
摘要： 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(tǒng)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(jié)點,、增氧機控制器節(jié)點和協(xié)調(diào)器節(jié)點的硬件和軟件，實現(xiàn)了節(jié)點之間自動組網(wǎng)和數(shù)據(jù)傳輸功能,，以及漁業(yè)養(yǎng)殖水中溶解氧濃度的無線監(jiān)控功能,。
中圖分類號： TP212
文獻標識碼： A
文章編號： 0258-7998(2015)03-0075-03
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
Abstract： 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.
Key words : CC2530；ZigBee,；wireless sensor,；intelligent monitoring

　

0 引言

　　水中溶解氧濃度是水生物生長環(huán)境所需要控制的一個重要參數(shù)，對水中溶解氧濃度的監(jiān)控對漁業(yè)養(yǎng)殖來說具有重要的意義,。而傳統(tǒng)的采集方法由于漁業(yè)養(yǎng)殖水中需要監(jiān)測的范圍廣,，采樣點分散，導致目前的監(jiān)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(fā)展起來的ZigBee無線通信技術具有網(wǎng)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(wǎng)絡，為該問題的解決提供了一種有效的途徑,。

　　1 ZigBee無線網(wǎng)絡

　　ZigBee是一種基于IEEE 802.15.4標準的無線通信協(xié)議,，其發(fā)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(zhì)量指示能力[1],。在組網(wǎng)架構上，ZigBee可以構造為星形網(wǎng)絡拓撲結構或者點對點樹狀拓撲網(wǎng)絡[2],。點對點樹狀拓撲網(wǎng)絡中,，任何網(wǎng)絡節(jié)點都可以充當PAN coordinator的角色,。系統(tǒng)啟動組網(wǎng)功能時，所有網(wǎng)絡節(jié)點都參與轉(zhuǎn)發(fā)組網(wǎng)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(jié)點（FFD）設備都只能和協(xié)調(diào)器（PAN coordiantor）通信,，系統(tǒng)啟動組網(wǎng)功能時，協(xié)調(diào)器首先選擇一個在其射頻覆蓋范圍內(nèi)沒有被其他網(wǎng)絡占用的地址（PAN）標識符,，在該射頻覆蓋范圍內(nèi)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(wǎng)絡占用，保證了PAN coordinator角色唯一性,。

　　本系統(tǒng)采用星型拓撲結構,，溶解氧濃度采樣節(jié)點和增氧機控制器節(jié)點作為其中的網(wǎng)絡子節(jié)點，與協(xié)調(diào)器父節(jié)點自動組成無線數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡,，進而實現(xiàn)該系統(tǒng)無線網(wǎng)絡節(jié)點的自組網(wǎng)功能,。

　　2 系統(tǒng)硬件設計

　　系統(tǒng)協(xié)調(diào)器節(jié)點和各個數(shù)據(jù)采集節(jié)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(chǎn)品，除了包括RF收發(fā)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(xiàn)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(nèi)部使用1.8 V工作電壓,，內(nèi)集成的直流穩(wěn)壓器，能夠把外界提供的3.3 V的電壓轉(zhuǎn)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(jié)點通過ZigBee協(xié)議與增氧機控制節(jié)點,、協(xié)調(diào)器節(jié)點以及其他采集節(jié)點自動組成無線網(wǎng)絡。通過該無線網(wǎng)絡,，該節(jié)點將溶解氧濃度信號實時地發(fā)送給協(xié)調(diào)器節(jié)點，再由協(xié)調(diào)器節(jié)點通過MAX485轉(zhuǎn)網(wǎng)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(jié)點發(fā)出增氧機控制信號,，增氧機啟動,，系統(tǒng)開始調(diào)節(jié)水中溶解氧濃度,。其系統(tǒng)硬件設計框圖如圖1所示。

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　　本系統(tǒng)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(jīng)下拉電阻轉(zhuǎn)化為電壓信號，該電壓信號經(jīng)LMC6042放大器放大后接入CC2530的P0.1(AD1)口進行AD處理轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號,，CC2530對該數(shù)字信號處理后再進行相應的無線收發(fā)控制,。增氧機的控制由CC2530控制，該節(jié)點根據(jù)CC2530接收的控制指令對其進行相應的開關控制,。協(xié)調(diào)器節(jié)點對傳感器節(jié)點發(fā)出的數(shù)據(jù)實時接收處理,，處理后再經(jīng)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(xié)調(diào)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(tǒng)的抗干擾能力,。

3 系統(tǒng)軟件設計

　　ZigBee標準僅僅定義了協(xié)議的網(wǎng)絡層,、應用層和安全層，并采用IEEE 802.15.4的物理層（PHY）和數(shù)據(jù)鏈路層（MAC）作為其部分協(xié)議[5],。而IEEE 802.15.4是獨立于ZigBee標準而開發(fā)的,，系統(tǒng)只需要在IEEE 802.15.4的PHY層和MAC層之上開發(fā)相應的網(wǎng)絡層和應用層。IEEE 802.15.4中有兩種數(shù)據(jù)傳輸方式適用于該系統(tǒng)的星型拓撲結構：從一個網(wǎng)絡節(jié)點設備（device）傳送到一個協(xié)調(diào)器（coordinator）,；從一個協(xié)調(diào)器傳送到一個節(jié)點設備,。

　　本系統(tǒng)軟件包含三部分：溶解氧濃度采集節(jié)點程序、增氧機控制節(jié)點程序和協(xié)調(diào)器節(jié)點程序,。三個子程序即相互獨立又相互聯(lián)系,，其相互聯(lián)系之處就是其自組網(wǎng)絡時采用核心模塊CC2530支持的ZigBee協(xié)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(wǎng)絡的建立和功能的實現(xiàn)：網(wǎng)絡組建,、節(jié)點加入,、數(shù)據(jù)收發(fā)等功能[6]。

　　3.1 協(xié)調(diào)器程序設計

　　在星型拓撲結構中,，協(xié)調(diào)器主要功能：網(wǎng)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(fā)送數(shù)據(jù)和接收上位機的數(shù)據(jù)并無線轉(zhuǎn)發(fā)給下面各個節(jié)點）。其程序編寫主要調(diào)用Z-Stack的一些API,，其程序流程圖見圖2,。

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　　3.2 傳感器程序設計

　　傳感器終端設備主要根據(jù)協(xié)調(diào)器發(fā)送的命令來執(zhí)行數(shù)據(jù)采集或控制被控對象。本系統(tǒng)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(jīng)運算變換成氧濃度[2]。通過硬件電路處理,，電流信號轉(zhuǎn)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：

　　C=K×Vout+B(1)

　　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(jīng)A/D轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號進行運算處理,，即可實現(xiàn)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(shù)。傳感器作為終端設備,，在系統(tǒng)網(wǎng)絡中有接受控制指令和發(fā)送溶解氧濃度信號功能,，其接收和發(fā)送數(shù)據(jù)程序流程圖見圖3。

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4 測試與實驗分析

　　4.1 發(fā)射功率測試

　　設定發(fā)射頻率為2 475 MHz時,，使用頻譜儀測量出對應的發(fā)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,。

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　　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。

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　　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(shù)測試值曲線,，橫坐標為時間周期，縱坐標為各項參數(shù)濃度值,。

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5 結論

　　本系統(tǒng)利用CC2530無線傳輸特性,，設計編寫了溶解氧濃度采集節(jié)點、增氧機控制節(jié)點和協(xié)調(diào)器節(jié)點的硬件及軟件,，通過測試驗證,，實現(xiàn)了水中溶解氧濃度檢測和增氧機無線智能控制，進而實現(xiàn)水中溶解氧濃度的智能監(jiān)控,。實踐證明,，以ZigBee無線通信方式實現(xiàn)溶解氧濃度的采集和控制，是一種經(jīng)濟,、方便,、可行的方法，適合漁業(yè)養(yǎng)殖業(yè)的發(fā)展需要,，易于推廣應用,。

　　參考文獻

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　　[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(wǎng)絡技術入門與實戰(zhàn)[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(wǎng)絡節(jié)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(wǎng)技術[M].北京：清華大學出版社,，2014.


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