网箱养殖无线远程监控系统节点设计

摘 要：网箱养殖投资少、效益高，应用极广。文中针对网箱养殖网箱露天分布，相互之间间距大、现场环境极其复杂的特点，提出了一套基于无线监控的系统节点设计方案。重点阐述了系统中底层传感器节点的设计，该节点以STM8L为微处理器，以SI4463为无线通信模块，实现了对现场水环境参数的有效监测，从而解决了节点低功耗及数据实时远距离有效传输的问题。实验证明，该节点设计性能稳定，运行良好。

关键词：网箱养殖；传感器节点；低功耗；远程监控

中图分类号：TP311 文献标识码：A 文章编号：2095-1302（2016）01-00-03

0 引 言

目前，网箱养殖水质环境监测主要采用以下三种方式：

（1）凭靠养殖户的经验，对水体环境进行评判，这不仅需要养殖人员不间断地看管，而且也不准确容易出错；

（2）使用专业仪器取样检测的方法，需要较长的检测周期和较高的检测成本，不仅付出很多的人力物力，还不能实时获取水质环境的状态；

（3）通过架设监控系统实现，但由于现场环境复杂、分布广泛、网箱数目众多等难点问题，使得现场布线施工困难，成本较高，线路容易老化、腐蚀，维护成本高，难以得到大范围的推广[1-3]。

而基于无线通信技术的智能远程监控系统不存在上述问题，能够有效减少网箱养殖的人力、物力投入，因此论文提出了一种基于无线远程监控技术的网箱养殖系统，并重点阐述了此系统的底层传感器节点设计。

1 系统总体框架设计

系统通过引入无线网络，构建了三层复合网络，分别为底层、中继层、顶层。底层是由传感器节点构成，传感器节点采集网箱水环境参数，打包和发送数据以及响应远程控制指令等功能，并对执行机构进行控制；中继层具备汇集和上传各种传感器节点数据、转发远程控制指令等功能，将各个网箱水环境参数整合，通过GPRS移动网络发送到Web服务器，存储到相应的数据库中；顶层通过python结合数据库设计专用软件对英特网数据进行获取和解析，实现对网箱养殖现场监测的分析、决策等功能。

系统总体设计框图如图1所示。

图1 系统总体框图

2 底层传感器节点硬件的实现

2.1 传感器节点硬件总体架构设计

传感器节点由MCU模块、无线通信模块、传感器模块、远程控制模块和电源模块五部分组成。传感器节点主要采集网箱水环境参数，实现对网箱水环境状态的监测和控制功能。其硬件结构图如图2所示。

图2 传感器节点硬件结构图

2.2 MCU模块

节点选用意法半导体的STM8L151C6T6低功耗处理器作为主控制器，因为采用ST独有的泄漏电流工艺和优化架构，STM8L系列表现出异乎寻常的功耗性能，具有多种电源管理模式且待机功耗低，能有效降低运行功耗，并自带SPI、UART、ADC和多个定时器，传感器节点大部分时间工作在低功耗待机HALT模式。

2.3 无线通信模块

目前无线通信大多采用ZigBee技术，但2.4 G频段绕射性能差且传播距离受限，通常用于室内环境；有的采用GPRS或GSM方式，缺点在于无公共网络信号时无法正常工作，并且其功耗高、费用大。而433 M频段下的无线通信能克服以上缺点，较为适合室外远距离场合，论文综合考察433 M下各种无线收发芯片方案，最终选定Silicon Laboratories的SI4463[4]。这款芯片穿透能力强，传输距离较远（可达1.5 km以上），其工作频率范围为119～1 050 MHz，输出功率最大可达20 Bm，接收灵敏度为-126 dbBm，数据速率最高位1Mb/s，在保证超低功耗的同时，SPI接口使得电路设计简单、可靠，与所选的主芯片能完美配合。

2.4 电源模块

考虑到室外对电源的高效率、低功耗、短时驱动执行元件需要大电流的需求，论文采用NCP1529电源方案，该芯片采用同步整流技术，具有PWM/PFM模式自动切换技术，该芯片还具有过流保护、过热保护、软启动、使能关断等功能。该芯片关键特性如下：

（1）高达96%的转换率；

（2）输入电压范围为2.7 V～5.5 V；

（3）输出电源可调：0.9 V～3.9 V；

（4）最大输出电流为1 A；

（5）关断电流为0.3 μA，静态电流为28 μA；

（6）开关频率为1.7 Hz；

（7）集成短路、过流及ESD保护。

可使用小型外部电容电感，采用SOT-23-5封装，非常适合传感器节点单节18650锂电池供电的设备前端电源处理，电池容量为5 800 mAh，NCP1529详细电路原理图如图3所示[5]。

图3 传感器节点硬件结构图

R1、R2是反馈电阻，为了降低功耗和输出电压噪声干扰，反馈电阻R2阻值应该在100～600 kΩ之间选取。输出电压计算公式为：

Vout=0.6 V×（1+R1/R2）

2.5 传感器模块

传感器模块可以测量环境的温度、光照强度、水体的pH值、溶解氧。控制模块主要包括充氧泵等驱动设备，为实现以传感器、充氧泵等设备为主体的闭环自动控制系统，可依据养殖需求，对充氧泵等驱动设备进行自动调控。

2.5.1 pH传感器信号调理电路

系统采用基于复合电极制成的pH传感器，pH值检测模块选用雷磁E-201-C，图4所示是pH传感器的信号调理电路。当被测溶液为中性时，其输出电压理论值为0，碱性为负压，酸性为正压。而负压对控制器的AD来说是无法实现信号采集的[6]，所以根据其输出信号相对于参比电极的电压差值，设计了TL431基准电压发生器，并将该电压叠加于参比电极，以保证信号电极电压恒为正值，再经放大使输出电压稳定在AD工作电压范围内。

图4 pH复合电极检测电路

2.5.2 溶解氧传感器信号调理电路

系统采用基于极谱式电极制成的电流式溶解氧传感器，图5所示是溶解氧传感器的调理电路，主要完成将传感器输出的4～20 mA的电流信号转成STM32F103RC微控制器可接受的电压信号，电路中R7电阻要求精度高、温漂小，其作用是将输入的电流信号转变成相应的电压值[7]，经TLC27L2进行放大与恒压处理，即可完成溶解氧的输出与采集。

图5 溶解氧信号调理电路

2.5.3 温度、光照传感器信号调理电路

针对网箱养殖水温的检测，本系统选用防水性DS18B20，这是款常用的数字温度传感器，具有体积小、接线方便、抗干扰能力强、精度高、可防水的特点，图6所示是信号调理电路。

针对养殖水环境的光照检测，文中选取光照检测模块BPW34，它是一种高速、高灵敏度的光电二极管，具有大辐射敏感区，响应时间短等特点，适合于可见光和近红外线辐射，图7所示是其信号调理电路。

图6 温度信号调理电路 图7 光照信号调理电路

3 传感器节点软件设计

节点软件程序的开发平台采用的是IAR for STM8，开发语言为C语言。在传感器节点程序设计上，由于节点安装在野外需要电池供电，低功耗应是重点考虑的部分，通过合适的设计模式，使得单片机充分发挥低功耗和响应及时的特点[8]。

故而这里选择了STM8L151C6T6单片机作为主控制器，用以实现数据采集与处理、控制测量等功能。程序流程如图8所示。

图8 传感器节点从低功耗唤醒流程图

系统上电后，进入休眠状态，等待单片机RTC唤醒。唤醒时间到，节点处理器被激活后，先将SI4463接收到的指令与本机地址做比较，如果跟本节点的地址相同，再判断相应的指令类别；如果是控制指令，则控制电磁阀的开合；如果是查询命令，则将传感器采集到的数据通过SI4463直接发送出去；如果地址与本机不符合，单片机立即进入休眠状态；如果单片机被激活等待50 ms仍然无命令，则系统自动进入休眠状态[9，10]。

4 节点测试与分析

虽然SI4463发射时电流为42 mA，接收电流为20 mA，但是对于STM8L这类低功耗芯片，多数时候应该工作在停止或者等待状态，全速运行功耗意义不大，所以一般节点的功耗主要取决于系统休眠时的功耗。节点运行时RTC一直工作，约500 ms唤醒一次，电源芯片静态功耗为28 μA，MCU和SI4463休眠时功耗为13 μA，由此推断一天最多消耗能量大约15 mAh，所以采用5 800 mAh 3.7 V的锂电池，理论上节点可以运行大约一年的时间。

5 结 语

本文提出了一种无线传感器节点设计的方法，充分利用STM8L丰富的外设和高速处理能力，解决了无线传输距离短以及STM8L和SI4463低功耗处理等问题，并且有效提高了测量精度，实现了对多个网箱养殖水环境的实时监测和控制。此技术的应用能够有效减少网箱养殖的人力、物力投入，有较高的实用与推广价值。

参考文献

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