用于水产养殖场水质连续监测的无线传感器网络外文翻译资料

 2023-01-19 09:48:35

用于水产养殖场水质连续监测的无线传感器网络

开发了基于IEEE802.15.4标准和ZigBee的水产连续监测数字无线监控系统，设计并实现了多参数水质节点、温度链节点、路由节点和现场监测中心。建立了多参数的水质节点用于测量养殖场中的DO、EC、水位和温度。设计了一个温度链节点来监测温度场的变化。使用三种能源供应方式，满足了水产养殖场室内外应用的需求。多参数水质节点和温度链节点都是发送测量数据到路由节点的简化功能设备。路由节点用于扩大水产养殖场的连续监测范围。由6个多参数水质节点、2个温度链节点、3个路由节点和1个现场监测中心组成的水产连续监测数字无线监控系统在中国山东省东营市海洋养殖示范中心进行了综合评测。连续监测数据表明，这个系统基于WSN是低成本、使用方便和可靠。

关键词：水产养殖，水质测量，WSN,ZigBee

1.介绍

水质监测在现代集成化养殖管理中心中起着重要作用，例如lissolved oxygen(DO)、electrical conductivity(EC)、pH、水位和总氮。一个便携式的水质测量仪器经常用于养殖场的，但测量是罕见的、耗费体力的和耗费时间的。基于网络和传感器技术的实时水质监测系统是有很大提升的。在过去10年，全世界的科学家、政府机构和企业开发了综合水质远程监控系统用于获取环境和地理数据。在同一时间，一些研究人员也开始关注数据采集和控制终端的实时通讯。然而只有很少低成本且使用的技术能够协助生产者监控养殖水域的水质。因此，构建一个基于自动化和实时通讯平台的价格实惠、易于使用、远程的水质监测系统来诊断污水对现代水产养殖业来说是迫在眉睫的。在微型电子设备和无线通信中技术的持续发展已经导致电子设备与传感网络使用无线电网络互联的无线传感网络（WSN）的出现。WSN被认为是能够实现上述目标的潜在技术而快速的发展和广泛的使用着。本次研究的目标是开发一个原型实时无线传感网络以连续监测水产养殖场的水质。该系统在水产养殖场安装大量水质传感器，向本地和远程的监控中心无线地提供数据。本文主要介绍了适合水产养殖业使用的无线传感网络和节点的框架，并对其水质连续变化的连续监测进行了可行性评估。

  1. 材料和方法

2.1框架和实现

采用和评估了多种技术进行来构建WSN来对多个目标进行监测，如：IEEE 802.15.1(Bluetooth)标准，IEEE802.11(WIFI)标准和IEEE 802.15.4(ZigBee)标准。众所周知IEEE802.11系列标准能够处理非常高的数据速率，这意味着需要更低的设备。IEEE 802.15.1(Bluetooth)标准，虽然能够支持个人区域网络（PAN），但其主要用于替代电缆解决方案。ZigBee网络已专门开发解决传感网络的要求，包括处理大量节点的需求。这是一个系统的解决方案用以处理这几个限制高度创新技术在水产养殖业应用的方面，例如能量的有效管理、系统可以轻松部署在开放领域。

这个无线系统基于ZigBee和IEEE 802.15.4标准，实现了对水产养殖水域的水质的连续监测。IEEE 802.15.4的目的是以极低的成本为在低速率（250kbps）个人网络内（LR-WPAN）运行的设备提供超低功耗和极短唤醒时间的能力。为此，IEEE 802.15.4假设传输数据是短的，而且传输发生在低占空比（活动/睡眠时间比），降低整体的能量需求并使电池供电的嵌入式系统得以应用。ZigBee建立在IEEE 802.15.4标准定义的物理（PHY）和介质访问控制（MAC）的层面上。支持最多65536个设备建立复杂的特定网络。ZigBee标准定义了网络层规范，允许形成三种网络拓扑：星型拓扑、树型拓扑和对等拓扑。

图1 数字无线监控系统框架

本研究开发并评估了数字无线监控系统（DWMS）。DWMS的框架如图1所示，由路由器节点、端节点、协调器（现场监控中心）和远程监控中心四部分组成。描述如下：

  1. 终端节点是只允许与其路由器或协调器进行通信的简化功能设备，其主要功能是测量室内外养殖场池塘的水质，并向路由节点发送数据。每个节点包括电源单元、数据记录仪、无线模块、浮标和水质传感器。采用浮标作为电子元器件的搭建平台。根据接口和功能终端节点可以分为三种，一种是室外多参数测量节点，由太阳能电池板供电，部署在室外池塘中测量DO、EC、pH和水位（WL），如图2(a)所示。数据记录仪与传感器的接口为RS485。第二种为室内多参数测量节点由5.0DCV和3-1.5V之一电池供电。温度链节点仅由2-1.5V电池供电和测量四个温度节点，如图2(b)所示。
  2. 路由节点是全功能设备(FFD)，可以从终端节点接收和存储水质数据。同时，路由节点负责其子网络中所有的终端节点。路由节点通常由电线杆方便地组成，并由太阳能板供电，如图2(c)所示。
  3. 协调器在DWMS中是唯一的，负责管理所有的WSN功能，称为现场监控中心，如图2(d)所示。现场监控中心详见图3，由WSN单元、TPC、GPRS单元和能量供给组成。WSN单元是ZigBee无线模块。TPC是以DWMS为核心，采用ARM技术开发的嵌入式系统。TPC通过WSN单元与终端节点和路由器节点通信，从ZigBee网络中检索所有相关数据和状态。同时，TPC公司通过中国移动网络提供的GPRS单元与远程数据中心进行通信。
  4. 远程数据中心通过互联网接入DWMS，可以下载历史数据，查询电池电压、无线通信质量等系统状态。必要时，远程数据中心可以重新配置无线节点的参数。

图2 四种节点。(A)多参数水质节点；(B)温度链节点；(C)路由节点；(D)现场监测中心

图3 现场监测中心的结构

2.2初步的测试

咸水养殖示范中心位于中国山东省东营市，靠近黄河入海口。养殖产品为海参，面积约150公顷，其中海参养殖基地4个，海参成虫养殖室外池塘60个（长约200米，宽约90米）。温度和水位是影响海参生长的主要因素。

实际的DWMS系统会集成在这个养殖场进行实践。DWMS部署的设计和描述如图4所示。包含四个室外多参数水质节点，室内水质节点两个，温度链节点两个，路由节点3个，现场监测中心1个。多参数水质监测采用智能传感器测量DO、EC和水位。该传感器集成了温度传感器用于补偿温度的变化。多参数节点的详细设计与评价已在另一篇文章中发表。采用4探针温度链节点测量温度剖面变化，测量深度分别为35、85、135、185cm.该系统于6月底安装完毕，并于2009年7月进行了该进。测量和存储一次水质需要半个小时。

图4 DWMS在海参水养殖示范中心的部署

  1. 结果与讨论

3.1.能源数据和系统状态

同类型节点具有相似的性能和能量曲线。不同类型节点自2009年8月1日以来的能量变化如图5所示，能量测量的分辨率为0.1Vdc，间隔为半小时。室内多参数水质节点于16日之前5.0Vdc供电，8月以后3-1.5Vdc电池供电，下降缓慢。温度链节点的电压是最低的因为其仅有2-1.5Vdc供电。温度链节点下降最慢表明其能量消耗最小。太阳能户外多参数节点的能量变化呈日变化趋势，其平均值稳定。能量测试结果表明了系统的稳定性。

图5 四种类型节点的能量变化

3.2水质数据分析

水体更新是改善室外海参池水质的重要手段。图6显示了一个常见的水更新期间的水质变化。水位曲线验证了8月9日的水更新事件。第一步排水池塘的水位从105厘米下降到85厘米。积水后水位升高至115厘米。由于蒸发，水位缓慢下降。水的EC和温度每天都有变化，并且在水更新后DO相对增加。

图6 室外池塘水更新期间水质的变化

温度链节点的测量结果如图7所示。最重要的发现是不同剖面深度的水温不一致，在85-135cm之间出现明显的温度突变。在上表面的水温每天都在变化，而深处的水温变化不大。

图7 绘制室外池塘水温变化曲线

  1. 结论

开发了基于IEEE802.15.4标准和ZigBee的水质养殖水质连续监测数字无线监控系统。设计并实现了多参数水质节点、温度链节点、路由节点和现场监控中心。主要的水质参数是DO、CE、海参池塘的温度。为满足水产养殖场室内外应用的需要，采用了三种能源供应方式。DWMS在中国山东省东营市海水养殖示范中心进行了评价。连续监测数据结果表明，基于无线传感器网络的系统成本低、使用方便、可靠。要验证DWMS的能量，需要集成更多的节点，并具有一定的实用性。

致谢：本研究获得国家高技术研究与发展加护(2007AA10Z238)、北京自然科学基金(4092024)、教育部博士点基金(20070019047)资助。作者感谢东营市海洋养殖技术示范中心的工作人员的热情接待和帮助。

一种基于太阳能供电和无线传感器网络的新型水质监测系统

阮悦，唐颖

浙江树人大学信息科学与技术学院，浙江杭州

摘要

介绍了一种利用太阳能电池供电的无线传感器网络(WSN)水质监测系统。为了实现对不同现场水质的实时监测，提出了一种由多个分布式传感器节点和一个基站组成的系统结构。采用无线传感网络技术实现节点与基站的连接。设计并实现了一个基于太阳能电池和无线传感器网络技术的单节点原型系统。节点侧各传感器采集的pH、浊度、氧密度等数据通过WSN发送到基站。该系统具有低碳排放、低功耗、部署灵活等特点。

关键词：水质监测；环境友好；WSN；太阳能发电；实时

  1. 介绍

现在，世界上20%的人口没有安全的饮用水。在一些发展中国家，情况甚至更糟，在那里，肮脏或者受污染的水被用于引用，而没有得到适当的处理。造成这种情况的原因之一就是水质监测系统。利用不同的传感器，这些系统可以收集水的各种环境参数，如温度、pH、氧密度、浊度等。无线传感器网络技术的迅速发展为实时数据采集、传输和处理提供了一种新的途径。用户可以从很远的地方获得实时水质数据。在这种系统中，有几个节点和一个基站组成。每个节点包含一组传感器，节点分布在不同的水体中。传感器采集的数据通过WSN信道发送到基站。基站通常是带有图形用户界面(GUI)的PC机，用于用户分析水质数据或在检测到水质低于预设标准时自动报警。

在一个实际的水质监测系统中传感器节点分布在遥远的位置，供电成为一个及其重要的问题，有时甚至成为系统的瓶颈。使用电线将节点连接到附近的电力线是不现实的，因为节点通常分布在偏远的地方，连接所有节点的总费用是无法接受的。另一种方法是只用电池。他的优点是显而易见的，但是电池的寿命不长，不能长时间使用。定期更换用完的电池不方便。为避免不必要的工作，使系统部署更灵活，本系统采用太阳能电池板为传感器节点供电，当太阳能不足时（如夜间），使用蓄电池进行供电。该系统具有低碳排放、低功耗、部署灵活、智能化等优点，代表了下一代水监测的发展趋势。

  1. 系统整体设计

提出的水质监测系统由一个基站和多个传感器节点组成。传感器节点位于我们需要监控水质的不同位置。基站包括一个无线接收器和一台PC机，用户可以从传感器节点接收数据并进行分析。基站仍然可以连接到以太网，这样用户就可以登陆到很远的地方获取数据。节点与基站通过WSN技术进行连接。下面的图1显示了监视系统的总体结构。

图1 系统的总体结构

为了满足太阳能供电和多传感器的特点，系统中每个传感器节点由太阳能模块、传感器、接口电路和SunSPOT四个模块构成。。第一个是太阳能模块，他利用太阳能电池为其他模块提供能量。在传感器模块中，使用了三种类型的传感器：浊度传感器、氧化还原探针和pH探针。接口电路模块将太阳能模块( 12V)的输出电压分别转换为 9V和plusmn;5V，浊度传感器OBS-3 采用 9V供电，其他传感器采用 5V供电。有些运算放大器使用plusmn;5V双电源。接口电路也接收传感器获得的数据，并将其发送到SunSPOT，一个由 5V供电的无线模块SunSPOT(Sun Small Programmable Object Technology)是一种基于IEEE 802.15.4标准的无线传感网络收发器。它是由太阳微系统公司开发的。在该系统中，利用SunSPOT通过无线传感器网络向基站传输数据。这样用户可以在基站上接收和分析数据。下面图2给出了传感器节点的详细框图。

图2 传感器节点的详细框图

  1. 详细的硬件设计

详细讨论了部分模块的硬件设计，特别是太阳能模块和接口电路模块。太阳能模块包括一个太阳能电池板，一个调节器和一个蓄电池。太阳能电池板的额定输出电压和功率为13.5V，1.5W，但是传感器节点的总功耗要小的多。太阳能电池板的输出电压随着外界光强的不同而变化，通常小于13.5V。由于日照的昼夜变化，需要一个输出为12V的蓄电池来稳定太阳能模块的输出电压。太阳能电池板和蓄电池之间连接有一个调节器。当太阳光

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