0 引言

　　水中溶解氧濃度是水生物生長(zhǎng)環(huán)境所需要控制的一個(gè)重要參數(shù)，對(duì)水中溶解氧濃度的監(jiān)控對(duì)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(cè)的范圍廣，采樣點(diǎn)分散，導(dǎo)致目前的監(jiān)控設(shè)備安裝布線繁瑣、成本高而難于有效地推廣應(yīng)用，而最新發(fā)展起來的ZigBee無線通信技術(shù)具有網(wǎng)絡(luò)容量大、架構(gòu)簡(jiǎn)單、低功耗等特點(diǎn)，十分適合用來組建水中溶解氧濃度無線傳感器網(wǎng)絡(luò)，為該問題的解決提供了一種有效的途徑。

　　1 ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)

　　ZigBee是一種基于IEEE 802.15.4標(biāo)準(zhǔn)的無線通信協(xié)議，其發(fā)射輸出功率可達(dá)3.7 dBm，通信距離為30～100 m，具有信標(biāo)能量檢測(cè)和鏈路質(zhì)量指示能力[1]。在組網(wǎng)架構(gòu)上，ZigBee可以構(gòu)造為星形網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)或者點(diǎn)對(duì)點(diǎn)樹狀拓?fù)渚W(wǎng)絡(luò)[2]。點(diǎn)對(duì)點(diǎn)樹狀拓?fù)渚W(wǎng)絡(luò)中，任何網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)都可以充當(dāng)PAN coordinator的角色。系統(tǒng)啟動(dòng)組網(wǎng)功能時(shí)，所有網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)都參與轉(zhuǎn)發(fā)組網(wǎng)信息，都是FFD設(shè)備，但不能保證 PAN coordinator角色唯一性。在星型拓?fù)渲?，每一個(gè)無線檢測(cè)節(jié)點(diǎn)（FFD）設(shè)備都只能和協(xié)調(diào)器（PAN coordiantor）通信，系統(tǒng)啟動(dòng)組網(wǎng)功能時(shí)，協(xié)調(diào)器首先選擇一個(gè)在其射頻覆蓋范圍內(nèi)沒有被其他網(wǎng)絡(luò)占用的地址（PAN）標(biāo)識(shí)符，在該射頻覆蓋范圍內(nèi)無線電之間可以成功地進(jìn)行相互通信，該功能也保證了PAN標(biāo)識(shí)符不會(huì)被其他相鄰的網(wǎng)絡(luò)占用，保證了PAN coordinator角色唯一性。

　　本系統(tǒng)采用星型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，溶解氧濃度采樣節(jié)點(diǎn)和增氧機(jī)控制器節(jié)點(diǎn)作為其中的網(wǎng)絡(luò)子節(jié)點(diǎn)，與協(xié)調(diào)器父節(jié)點(diǎn)自動(dòng)組成無線數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡(luò)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)該系統(tǒng)無線網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的自組網(wǎng)功能。

　　2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

　　系統(tǒng)協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)和各個(gè)數(shù)據(jù)采集節(jié)點(diǎn)均采用單片機(jī)CC2530為核心部件,該芯片是TI公司的一款符合 IEEE802.15.4標(biāo)準(zhǔn)的片上ZigBee產(chǎn)品，除了包括RF收發(fā)器外，還集成了單片機(jī)805l核、8 KB的RAM、ADC、DMA和看門狗等功能。 CC2530無線功能的實(shí)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(shè)備，且功耗很低，使用小型電池壽命可以長(zhǎng)達(dá)1年[3-4]。片節(jié)點(diǎn)通過ZigBee協(xié)議與增氧機(jī)控制節(jié)點(diǎn)、協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)以及其他采集節(jié)點(diǎn)自動(dòng)組成無線網(wǎng)絡(luò)。通過該無線網(wǎng)絡(luò)，該節(jié)點(diǎn)將溶解氧濃度信號(hào)實(shí)時(shí)地發(fā)送給協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)，再由協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)通過MAX485轉(zhuǎn)網(wǎng)口后傳輸給PC。同時(shí)，如果溶解氧濃度低于預(yù)警值，其向增氧機(jī)控制節(jié)點(diǎn)發(fā)出增氧機(jī)控制信號(hào)，增氧機(jī)啟動(dòng)，系統(tǒng)開始調(diào)節(jié)水中溶解氧濃度。其系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)框圖如圖1所示。

　　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(hào)，經(jīng)下拉電阻轉(zhuǎn)化為電壓信號(hào)，該電壓信號(hào)經(jīng)LMC6042放大器放大后接入CC2530的P0.1(AD1)口進(jìn)行AD處理轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號(hào)，CC2530對(duì)該數(shù)字信號(hào)處理后再進(jìn)行相應(yīng)的無線收發(fā)控制。增氧機(jī)的控制由CC2530控制，該節(jié)點(diǎn)根據(jù)CC2530接收的控制指令對(duì)其進(jìn)行相應(yīng)的開關(guān)控制。協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)對(duì)傳感器節(jié)點(diǎn)發(fā)出的數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)接收處理，處理后再經(jīng)485總線傳給PC微機(jī)進(jìn)行后臺(tái)處理并實(shí)時(shí)顯示。另外，如需對(duì)池塘補(bǔ)水，協(xié)調(diào)器可對(duì)抽水機(jī)進(jìn)行控制，進(jìn)行補(bǔ)水控制。其中，CC2530增氧機(jī)和抽水機(jī)的控制電路均采用光電隔離，以增強(qiáng)系統(tǒng)的抗干擾能力。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

　　ZigBee標(biāo)準(zhǔn)僅僅定義了協(xié)議的網(wǎng)絡(luò)層、應(yīng)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(dú)立于ZigBee標(biāo)準(zhǔn)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(yīng)的網(wǎng)絡(luò)層和應(yīng)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?fù)浣Y(jié)構(gòu)：從一個(gè)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)設(shè)備（device）傳送到一個(gè)協(xié)調(diào)器（coordinator）；從一個(gè)協(xié)調(diào)器傳送到一個(gè)節(jié)點(diǎn)設(shè)備。

　　本系統(tǒng)軟件包含三部分：溶解氧濃度采集節(jié)點(diǎn)程序、增氧機(jī)控制節(jié)點(diǎn)程序和協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)程序。三個(gè)子程序即相互獨(dú)立又相互聯(lián)系，其相互聯(lián)系之處就是其自組網(wǎng)絡(luò)時(shí)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(chǔ)上,通過改動(dòng)應(yīng)用層APP 程序來完成網(wǎng)絡(luò)的建立和功能的實(shí)現(xiàn)：網(wǎng)絡(luò)組建、節(jié)點(diǎn)加入、數(shù)據(jù)收發(fā)等功能[6]。

　　3.1 協(xié)調(diào)器程序設(shè)計(jì)

　　在星型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中，協(xié)調(diào)器主要功能：網(wǎng)絡(luò)的建立和維護(hù)、與上位機(jī)進(jìn)行通信以及和所有的終端設(shè)備直接通信（包括向上位機(jī)發(fā)送數(shù)據(jù)和接收上位機(jī)的數(shù)據(jù)并無線轉(zhuǎn)發(fā)給下面各個(gè)節(jié)點(diǎn)）。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。

　　3.2 傳感器程序設(shè)計(jì)

　　傳感器終端設(shè)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(duì)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(guān)系，檢測(cè)此電流并經(jīng)運(yùn)算變換成氧濃度[2]。通過硬件電路處理，電流信號(hào)轉(zhuǎn)化為電壓信號(hào)，溶解氧的溶度C和電壓信號(hào)的關(guān)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(hào)放大后的電壓信號(hào)。該信號(hào)經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)進(jìn)行運(yùn)算處理，即可實(shí)現(xiàn)溶解氧濃度信號(hào)采集。K和B為不同傳感器標(biāo)校后的模型系數(shù)。傳感器作為終端設(shè)備，在系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)中有接受控制指令和發(fā)送溶解氧濃度信號(hào)功能，其接收和發(fā)送數(shù)據(jù)程序流程圖見圖3。

4 測(cè)試與實(shí)驗(yàn)分析

　　4.1 發(fā)射功率測(cè)試

　　設(shè)定發(fā)射頻率為2 475 MHz時(shí)，使用頻譜儀測(cè)量出對(duì)應(yīng)的發(fā)射功率，測(cè)試結(jié)果如圖4所示，捕捉到的最大輸出功率為-25 dBm。

　　4.2 功耗測(cè)試

　　核心模塊CC2530工作于電壓2.0 V～3.6 V，本測(cè)試是要測(cè)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(cè)試

　　選中測(cè)試功能，選擇曲線顯示命令，點(diǎn)擊“確定”開始當(dāng)前值曲線顯示，一段時(shí)間后，可得如圖6所示各參數(shù)測(cè)試值曲線，橫坐標(biāo)為時(shí)間周期，縱坐標(biāo)為各項(xiàng)參數(shù)濃度值。

5 結(jié)論

　　本系統(tǒng)利用CC2530無線傳輸特性，設(shè)計(jì)編寫了溶解氧濃度采集節(jié)點(diǎn)、增氧機(jī)控制節(jié)點(diǎn)和協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)的硬件及軟件，通過測(cè)試驗(yàn)證，實(shí)現(xiàn)了水中溶解氧濃度檢測(cè)和增氧機(jī)無線智能控制，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)水中溶解氧濃度的智能監(jiān)控。實(shí)踐證明，以ZigBee無線通信方式實(shí)現(xiàn)溶解氧濃度的采集和控制，是一種經(jīng)濟(jì)、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(yīng)用。

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