鱼塘养殖水环境监测系统设计
随着工业的发展，水体污染日趋严重，水质的实时监控变得刻不容缓。本文在坚持低功耗、低成本、操作简单等原则下，设计了一款基于无线传感网络的鱼塘水环境实时监测系统。该系统利用数字型温湿度传感器DHT11，TS型浊度传感器，GY-33颜色传感器对鱼塘中水的温度、浑浊度、颜色度进行测量，以CC2530单片机为控制核心，读取温度、浊度、色度等数据并通过ZigBee无线网络进行数据传输。实现了如下功能安放于鱼塘各处的传感器将水质参数信息通过ZigBee无线传感网络发送至协调器，再由协调器将信息发送给PC端从而达到水质信息实时监测的目的。多次实验证明，这款基于无线传感网络的水质监测系统相对于传统水质监测技术具有准确度高、成本低、功耗小、传输速率快、维护简单等众多优良特性，在未来必然有广泛的应用前景。关键词 水质监测，CC2530，ZigBee，传感器
目 录
1 绪论 1
1.1选题背景及意义 1
1.2 国内外研究状况 1
1.3 发展前景 2
2 系统硬件设计 3
2.1系统方案设计 3
2.2 通信方式选择 4
2.3 ZigBee网络拓扑选择 5
2.4 单片机型号选择 6
2.5 系统电源电路 8
2.6复位及时钟单路 9
2.7 报警电路 9
2.8串口转USB模块 9
2.9温湿度传感器模块 10
2.10 色度传感器模块 12
2.11 浊度传感器模块 13
3 系统软件设计 14
3.1系统主程序设计 15
3.2终端节点和协调器节点的软件设计 15
3.3 温度传感器程序设计 17
3.4 上位机软件设计 21
3.5 数据传输程序设计 21
4 系统调试 22
4.1 PCB板制作 22
4.2 硬件系统调试 23
4.3 软件硬件联合调试 23
4.4调试过程 25
结 论 26
致 谢 27
参 考 文 献 28
附 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: ￥351916072$
录 29
1 绪论
1.1 选题背景及意义
由于人类生活水平的日渐提高，对生活质量要求的逐渐增加，水产养殖业逐渐成了一片新兴产业。但伴随着工业生产的扩大以及人类活动的频繁增加，对天然水的性质带来了很大变化，影响了水资源的使用价值和水产养殖业产品的质量，威胁到人类的健康。水资源的污染及人类对水资源的质量越来越关注对水产养殖业的发展造成了极大的掣肘，因此对水质参数的监测这项工作变得刻不容缓。水质信息的实时检测是水资源保护的重要基础，更是鱼塘生产和发展的重中之重。鱼塘水的温度、色度、浊度、PH值、导电率、悬浮物、溶解氧等特性参数可以反映液体的许多物理化性质。因此，测量液体特性的参数可以有效地检测鱼塘水质。
鱼塘水质检测可以确定水体污染物的种类、数量及分布，分析污染物来源、途径等；评价鱼塘是否有可生产性及如何对其进行防治处理以达到在对人体安全情况下能使得生产发展利益最大化；对周边一带是否可以进行水产业开发进行评估，防止盲目投资开发，浪费人力和财力资源等。
1.2 国内外的研究现状以及发展趋势
1.2.1 水质参数采集技术的发展
二十世纪初，国外的水质检测以化学分析法为基础，主要设备为水质监测车。水质检测车内有许多监测仪器，可视为一个小型流动实验室[1]。二十世纪四十年代，水质分析箱开始出现，许多公司开始研发生产水质分析箱。其中最具代表的是美国的哈希公司[2]。二十世纪五十年代半导体技术迅速发展，这为水质参数采集的实时性奠定了技术基础。1975年，全球第一台数字式水质监测仪被发明出来了[3]。八十年代，由于数值参数监测仪的功能不全面，一些西方国家开始逐步出现以检测浑浊度、温度、溶解氧浓度、二氧化碳浓度、酸碱值等参数的水质测定仪[4]。我国的水质参数采集技术起步相对较晚，技术落后。 我国水质监测仪大多来自进口。大部分的水质检测部门依旧采用现场采集再到实验室人工分析的方法进行参数检测。九十年代中期，我国开始自主研发水质监测仪，目前已取得较大发展。其中比较知名的水质分析仪器生产公司有北京丰杰兴源科技有限公司和江苏电分析仪器厂等等。他们生产的设备一般都具有远程遥控、自动清洗、液晶显示、自动报警等功能。总之，国内外的水质参数采集技术正由现场采样，实验室分析、监测参数单一向远程实时监测、监测参数全面化、多元化发展。
1.2.2 水质参数传输技术的发展
传统的水质监测系统用到的传输技术为有线技术。后来逐步发展为无线技术。在过去很长一段时间，以现场总线技术为代表的有线传输技术占据着主导地位[5]。并且因为其稳定简单的特点而没有被淘汰。二十世纪七十年代初，现场总线技术的概念在欧洲被提出。目前许多设备制造厂商都推出了自主研发的带有通讯接口的现场总线产品以满足市场需求[6]。由于起步晚，技术相对落后导致我国的现场总线技术在二十世纪九十年代后才逐渐受到重视。许多高校开始研究现场总线技术[7]。主要研究方向为基于RS485的现场总线并以MODBUS通信协议完成数据传输。
二十世纪初无线通讯技术逐渐开始普及，其在水环境参数监测中的应用也越来越常见[8]。2009年，Lopez等建立了以测量鱼塘水质如酸碱度、导电率和温度等为主的无线传感网络参数监测系统[9]。2011年，Zhu等在建立了以无线传感为主要技术的远程溶解氧浓度监测系统用于工厂化水产养殖。该系统最大的特点就是可根据水质含氧量进行预警[10]。陆卫忠等研究的水质监控系统应用了GPRS技术实现了在外界干扰较为强烈的情况下的数据远程采集和传输[11]。李道亮等将无线传感技术应用于浙江水产养殖系统中，整个系统包括水质监测中心、控制中心等，并且建立了水产养殖应用平台，实现了一旦水中溶解氧或者其他参数超出预设值控制中心立马控制增氧机等设备进行水质改善的功能[12]。由此可见无线传输技术以其传输稳定、距离远、布置范围广、操作简单、组网容易、维护成本低等优势，将成为未来农业养殖信息传输的发展趋势。
1.3 发展前景
国外的水环境监测技术由于起步早，技术比国内成熟[13]。二十世纪中叶，日本首先将自动监控系统应用于大规模的水产养殖。随后，德国、英国、法国、美国等发达国家也大力引进或者自主研发应用于养殖系统的自动监控技术。达到了相当高的自动化程度。实现了养殖现场信息的采集和传输[14]。日本的鲑鱼人工养殖技术之所以领先全球是因为其很早之前就将无线传输技术应用于养殖中[15]。我国的水产养殖环境水质监控技术的应用研究起步晚，但最近几年政府大力鼓励规模化养殖，这就促进了水质监控技术的迅速发展。中国水科院渔业机械仪器研究所对水产养殖监控系统有多年的研究经验，取得了多项成果并在全国范围内推广应用。
目 录
1 绪论 1
1.1选题背景及意义 1
1.2 国内外研究状况 1
1.3 发展前景 2
2 系统硬件设计 3
2.1系统方案设计 3
2.2 通信方式选择 4
2.3 ZigBee网络拓扑选择 5
2.4 单片机型号选择 6
2.5 系统电源电路 8
2.6复位及时钟单路 9
2.7 报警电路 9
2.8串口转USB模块 9
2.9温湿度传感器模块 10
2.10 色度传感器模块 12
2.11 浊度传感器模块 13
3 系统软件设计 14
3.1系统主程序设计 15
3.2终端节点和协调器节点的软件设计 15
3.3 温度传感器程序设计 17
3.4 上位机软件设计 21
3.5 数据传输程序设计 21
4 系统调试 22
4.1 PCB板制作 22
4.2 硬件系统调试 23
4.3 软件硬件联合调试 23
4.4调试过程 25
结 论 26
致 谢 27
参 考 文 献 28
附 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: ￥351916072$
录 29
1 绪论
1.1 选题背景及意义
由于人类生活水平的日渐提高，对生活质量要求的逐渐增加，水产养殖业逐渐成了一片新兴产业。但伴随着工业生产的扩大以及人类活动的频繁增加，对天然水的性质带来了很大变化，影响了水资源的使用价值和水产养殖业产品的质量，威胁到人类的健康。水资源的污染及人类对水资源的质量越来越关注对水产养殖业的发展造成了极大的掣肘，因此对水质参数的监测这项工作变得刻不容缓。水质信息的实时检测是水资源保护的重要基础，更是鱼塘生产和发展的重中之重。鱼塘水的温度、色度、浊度、PH值、导电率、悬浮物、溶解氧等特性参数可以反映液体的许多物理化性质。因此，测量液体特性的参数可以有效地检测鱼塘水质。
鱼塘水质检测可以确定水体污染物的种类、数量及分布，分析污染物来源、途径等；评价鱼塘是否有可生产性及如何对其进行防治处理以达到在对人体安全情况下能使得生产发展利益最大化；对周边一带是否可以进行水产业开发进行评估，防止盲目投资开发，浪费人力和财力资源等。
1.2 国内外的研究现状以及发展趋势
1.2.1 水质参数采集技术的发展
二十世纪初，国外的水质检测以化学分析法为基础，主要设备为水质监测车。水质检测车内有许多监测仪器，可视为一个小型流动实验室[1]。二十世纪四十年代，水质分析箱开始出现，许多公司开始研发生产水质分析箱。其中最具代表的是美国的哈希公司[2]。二十世纪五十年代半导体技术迅速发展，这为水质参数采集的实时性奠定了技术基础。1975年，全球第一台数字式水质监测仪被发明出来了[3]。八十年代，由于数值参数监测仪的功能不全面，一些西方国家开始逐步出现以检测浑浊度、温度、溶解氧浓度、二氧化碳浓度、酸碱值等参数的水质测定仪[4]。我国的水质参数采集技术起步相对较晚，技术落后。 我国水质监测仪大多来自进口。大部分的水质检测部门依旧采用现场采集再到实验室人工分析的方法进行参数检测。九十年代中期，我国开始自主研发水质监测仪，目前已取得较大发展。其中比较知名的水质分析仪器生产公司有北京丰杰兴源科技有限公司和江苏电分析仪器厂等等。他们生产的设备一般都具有远程遥控、自动清洗、液晶显示、自动报警等功能。总之，国内外的水质参数采集技术正由现场采样，实验室分析、监测参数单一向远程实时监测、监测参数全面化、多元化发展。
1.2.2 水质参数传输技术的发展
传统的水质监测系统用到的传输技术为有线技术。后来逐步发展为无线技术。在过去很长一段时间，以现场总线技术为代表的有线传输技术占据着主导地位[5]。并且因为其稳定简单的特点而没有被淘汰。二十世纪七十年代初，现场总线技术的概念在欧洲被提出。目前许多设备制造厂商都推出了自主研发的带有通讯接口的现场总线产品以满足市场需求[6]。由于起步晚，技术相对落后导致我国的现场总线技术在二十世纪九十年代后才逐渐受到重视。许多高校开始研究现场总线技术[7]。主要研究方向为基于RS485的现场总线并以MODBUS通信协议完成数据传输。
二十世纪初无线通讯技术逐渐开始普及，其在水环境参数监测中的应用也越来越常见[8]。2009年，Lopez等建立了以测量鱼塘水质如酸碱度、导电率和温度等为主的无线传感网络参数监测系统[9]。2011年，Zhu等在建立了以无线传感为主要技术的远程溶解氧浓度监测系统用于工厂化水产养殖。该系统最大的特点就是可根据水质含氧量进行预警[10]。陆卫忠等研究的水质监控系统应用了GPRS技术实现了在外界干扰较为强烈的情况下的数据远程采集和传输[11]。李道亮等将无线传感技术应用于浙江水产养殖系统中，整个系统包括水质监测中心、控制中心等，并且建立了水产养殖应用平台，实现了一旦水中溶解氧或者其他参数超出预设值控制中心立马控制增氧机等设备进行水质改善的功能[12]。由此可见无线传输技术以其传输稳定、距离远、布置范围广、操作简单、组网容易、维护成本低等优势，将成为未来农业养殖信息传输的发展趋势。
1.3 发展前景
国外的水环境监测技术由于起步早，技术比国内成熟[13]。二十世纪中叶，日本首先将自动监控系统应用于大规模的水产养殖。随后，德国、英国、法国、美国等发达国家也大力引进或者自主研发应用于养殖系统的自动监控技术。达到了相当高的自动化程度。实现了养殖现场信息的采集和传输[14]。日本的鲑鱼人工养殖技术之所以领先全球是因为其很早之前就将无线传输技术应用于养殖中[15]。我国的水产养殖环境水质监控技术的应用研究起步晚，但最近几年政府大力鼓励规模化养殖，这就促进了水质监控技术的迅速发展。中国水科院渔业机械仪器研究所对水产养殖监控系统有多年的研究经验，取得了多项成果并在全国范围内推广应用。
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