网箱养殖无线远程监控系统节点设计

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。

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。

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 2.4G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 433M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 433M下各种无线收发芯片方案， 最终选定 SiliconLaboratories的SI4463[4]。这款芯片穿透能力强，传输距离较远（可达 1.5km以上），其工作频率范围为 119 ～1050MHz，输出功率最大可达 20Bm，接收灵敏度为－ 126dbBm，数据速率最高位1 Mb/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：

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]。

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。

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。

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。

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。

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。