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(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(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)或者點對點樹狀拓?fù)渚W(wǎng)絡(luò)[2],。點對點樹狀拓?fù)渚W(wǎng)絡(luò)中，任何網(wǎng)絡(luò)節(jié)點都可以充當(dāng)PAN coordinator的角色,。系統(tǒng)啟動組網(wǎng)功能時,，所有網(wǎng)絡(luò)節(jié)點都參與轉(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)渲校恳粋€無線檢測節(jié)點（FFD）設(shè)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(luò)占用的地址（PAN）標(biāo)識符，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)識符不會被其他相鄰的網(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)點和增氧機(jī)控制器節(jié)點作為其中的網(wǎng)絡(luò)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(luò)，進(jìn)而實現(xiàn)該系統(tǒng)無線網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的自組網(wǎng)功能,。

　　2 系統(tǒng)硬件設(shè)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(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達(dá)1年[3-4],。片節(jié)點通過ZigBee協(xié)議與增氧機(jī)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(luò)。通過該無線網(wǎng)絡(luò),，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(yù)警值,，其向增氧機(jī)控制節(jié)點發(fā)出增氧機(jī)控制信號,，增氧機(jī)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(shè)計框圖如圖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,，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(jìn)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(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)點根據(jù)CC2530接收的控制指令對其進(jìn)行相應(yīng)的開關(guān)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(jī)進(jìn)行后臺處理并實時顯示,。另外，如需對池塘補(bǔ)水,，協(xié)調(diào)器可對抽水機(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

　　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)：從一個網(wǎng)絡(luò)節(jié)點設(shè)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(shè)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(jī)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(luò)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(chǔ)上,通過改動應(yīng)用層APP 程序來完成網(wǎng)絡(luò)的建立和功能的實現(xiàn)：網(wǎng)絡(luò)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(shè)計

　　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。

　　3.2 傳感器程序設(shè)計

　　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(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(jìn)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(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)送溶解氧濃度信號功能,，其接收和發(fā)送數(shù)據(jù)程序流程圖見圖3,。

4 測試與實驗分析

　　4.1 發(fā)射功率測試

　　設(shè)定發(fā)射頻率為2 475 MHz時，使用頻譜儀測量出對應(yīng)的發(fā)射功率,，測試結(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,。

　　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(dāng)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(biāo)為時間周期,，縱坐標(biāo)為各項參數(shù)濃度值。

5 結(jié)論

　　本系統(tǒng)利用CC2530無線傳輸特性,，設(shè)計編寫了溶解氧濃度采集節(jié)點,、增氧機(jī)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(jī)無線智能控制，進(jìn)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(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,。

　　參考文獻(xiàn)

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　　[5] 陳凱，韓焱,，張丕狀.基于SPI總線的無線傳感網(wǎng)絡(luò)節(jié)點設(shè)計[J].儀表技術(shù)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(shù)[M].北京：清華大學(xué)出版社,，2014.