CN103326739B - 一种水产养殖无线传感器网络节点装置及运行方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种水产养殖无线传感器网络节点装置及运行方法，属于水质监测技术领域，适用于包括大闸蟹、鱼、虾、贝类等在内的水产养殖中水质参数在线检测等许多应用场合。用于实时在线采集养殖池塘中的溶解氧含量(mg/L)和水温(℃)参数数据，并对参数数据进行进一步变换、处理和存储后通过433MHz频段无线传感器网络通信方式将数据发送给无线传感器网络网关或无线传感器网络基站和本地终端。

Description

一种水产养殖无线传感器网络节点装置及运行方法

技术领域

本发明涉及一种水产养殖无线传感器网络节点装置及运行方法，属于水质监测技术领域。

背景技术

溶解氧(Dissolved Oxygen，DO)是指空气中的氧溶解于水中分子状态的氧，用每升水里氧气的毫克数(mg/L)表示，它是水生生物最不可或缺的生存条件之一。正常空气中氧气含量高而且稳定，约占整个空气比重的21%左右，陆地生物很少有缺氧的威胁，而水中溶解氧含量较少而且变化频繁，其溶解氧含量不仅与空气中氧的大气压力和水的温度有关，而且与水质状况有密切联系。一般来说，大气压力越大，水中溶解氧含量越高；水温越低，溶解氧含量也越高。同时，当养殖水体受到有机物、无机还原物污染时，会使溶解氧含量迅速降低，当溶解氧消耗速率大于空气中氧气向水中溶入的速率时，溶解氧的含量可能趋近于0，此时厌氧菌繁殖活跃，水质状况恶化。溶解氧含量大小能够反映出水体受到的污染程度，它是水体污染的重要指标之一，也是衡量水质的综合评价指标之一。对于水产养殖业来说，水中溶解氧含量对水产品的生存有着至关重要的影响，当溶解氧含量低于3mg/L时，就会引起水生生物窒息甚至死亡。因此，如何快速有效、准确方便地检测水中溶解氧含量和水温及其他关键参数，对于区域环境监测以及水产养殖业的发展都具有重要意义。然而，目前水产养殖中溶解氧检测的研究重点主要集中于分布式监控系统的建立，多采用有线、人工接入或干预方式，不仅价格昂贵，而且维护极为不便，在分布范围较广、环境较恶劣的养殖水域中难以大面积推广使用。由此可见，设计并开发一种新型的水产养殖中溶解氧和水温参数检测方法和手段已成为现代水产养殖业亟待解决的重大课题之一。

近年来，中国政府越来越注重农业科技发展水平的提高和新兴农业装备技术的应用。2009年8月，温家宝总理在江苏无锡考察时提出“感知中国”理念，并号召在江苏无锡率先建立“感知中国”产业化基地，以引领并推动全国物联网产业及其相关经济格局的形成和发展，以无线传感器网络(Wireless Sensor Networks，WSN)为核心的物联网技术目前已经在我国各行各业，尤其是农业、通信业、交通运输业等基础领域如火如荼的发展起来。WSN是一种无中心节点的全分布式系统，由众多廉价的微型传感器节点组成，被密集部署于监测区域，它能够通过协作实时监测、感知和采集分布区域内的各种环境参数信息，并经过一系列后续信号处理、计算等步骤，通过无线通信方式和分层的网络通信协议，形成一种无线多跳路由自组织的网络系统。同时，为了有效管理硬件资源和分配任务，并提高应用程序的开发效率，通过采用低功耗、开源式的嵌入式操作系统，以突破传感器节点硬件资源少、电源供应有限和通信距离短的限制，合理分配各个任务，减少系统内部能源消耗，提高整个传感器网络的运行效率。这些特性使得WSN的应用范围非常广泛，涉及国防军事、环境监测、医疗监护、智能家居、仓储物流管理、交通控制管理、精细农业、消费电子和救灾等诸多领域。由此可见，将WSN应用于水产养殖领域有着得天独厚的优势：

首先，低功耗、微型化、低成本的无线传感器网络节点装置，被部署在养殖池塘各处，可以实时监测各种水产品的生长环境要素，包括溶解氧含量、水温、pH值、氨氮量和总磷量等。

其次，与传统的传感器采集手段(如有线传感器网等)相比，无线传感器网络节点装置具有自组织、灵活性强、可靠性好等优点，可以全天候无人值守地有效解决水产养殖环境监测现场数据的实时采集、处理、无线传输和无线自组网等关键问题。

再次，利用传感器技术、计算机技术及智能控制技术，集数据采集、无线传输、智能处理和预测预警信息发布、辅助决策等功能于一体，实现现场及远程系统数据获取、报警控制和设备控制，对水产养殖环境进行实时监测并进行相应的处理，能大大改善水产养殖的科技含量，提高水产品的养殖效率。养殖户可以通过手机或Web页面实时了解养殖塘内各项环境参数数据和设备运行情况，真正实现了水产养殖技术的信息化、网络化，使水产品在最适宜的环境下生长，达到智能、节能和增产的目的。

最后，通过WSN技术实现水产养殖方式的集约化、数字化和网络化，对提高未来我国渔业以至整个农业生产的智能化和信息化水平具有长远意义。

无线传感器网络及其关键技术必将成为推动未来高效智能化精准农业迅速发展的重大举措之一，也是水产养殖业提升产业层次，转变养殖方式和积极应对劳动力成本上升的有效手段。在水产养殖业中大力推进信息化技术，实施产学研合作创新工程，以便获得更好的社会效益、生态效益和经济效益，此举具有重大意义。

发明内容

本发明的目的是为了解决现有装置的不足，推出了一种水产养殖无线传感器网络节点装置及运行方法，以无线传感器网络及物联网技术为基础，并融合了智能传感器技术、无线通信技术和嵌入式计算技术，使其具有成本低廉、科技含量高、适用性强的特点。

本发明实现上述目的的技术方案是：

本发明提供一种水产养殖无线传感器网络节点装置，包括传感主板和电源管理板，传感主板与所述电源管理板相连，电源管理板由太阳能电池板提供能源，电源管理板包括依次相连的锂电池充电控制单元、电压隔离单元和电压等级变换单元。传感主板包括微处理器单元、无线通信单元、溶解氧信号调理单元、水温信号调理单元和清洗泵控制单元，溶解氧信号调理单元和水温信号调理单元分别与溶解氧传感器和水温传感器相连。

微处理器单元采用AVR系列微处理器芯片，通过微处理器芯片上A/D口与所述溶解氧信号调理单元相连，将其输出的溶解氧参数电压信号进行A/D变换、计算、解析、校验和存储。微处理器单元与所述水温信号调理单元采用SPI总线相连，将其输出的水温数字量信号进行换算、校验和存储。

无线通信单元由数据传输控制子单元和无线收发接口子单元组成，采用低功耗、超高频单片无线收发通信芯片作为处理芯片，微处理器单元通过SPI总线与无线通信单元的数据接口相连，通过软件编程来控制无线通信单元的数据收发。

清洗泵控制单元与微处理器单元的普通I/O口相连，由光耦隔离电路和场效应管控制电路组成，通过软件编程来实现清洗泵的定时自动启动和关断，给溶解氧传感器覆膜进行清洗。

在本发明中的水产养殖无线传感器网络节点装置，锂电池充电控制单元由锂电池充电管理芯片、晶体管或MOSFET管、充电状态指示灯以及外围电路组成，所述锂电池充电管理芯片通过肖特基势垒整流器与太阳能电池板相连，将太阳能电池板输出的直流电压通过自适应可调充电电路给锂电池组充电，并且锂电池充电管理芯片实现对锂电池组温度的连续监测，对充电电路进行必要的保护和调节。

锂电池组输出端与电压隔离单元相连，电压隔离单元由宽压隔离定压输出(DC－DC)模块组成，并与CMOS模拟开关芯片相连，从CMOS模拟开关芯片输出的电压供溶解氧信号调理单元和水温信号调理单元工作。CMOS模拟开关芯片与微处理器单元的普通I/O口相连，并通过编程来控制CMOS模拟开关芯片的导通和关断，减少非工作状态下溶解氧信号调理单元和水温信号调理单元的电源消耗。

电压等级变换单元与电压隔离单元的输出端相连，并通过升、降压芯片或稳压管及相应外围电路将电压隔离单元输出端电压进行等级变换，为传感主板及其他设备的运行提供所需的供电电压。

锂电池组通过场效应管或可控硅与清洗泵相连，提供清洗泵的运行工作电压，场效应管或可控硅的通断由传感主板上的微处理器单元通过清洗泵控制单元来加以自动控制和管理。

在本发明的水产养殖无线传感器网络节点装置中，溶解氧传感器上设有铂电极和银电极，铂电极和银电极与溶解氧信号调理单元相连；溶解氧信号调理单元由极化电压发生器、信号前置放大器、可编程增益放大器和有源低通滤波器依次连接组成，将从溶解氧传感器输出的nA级微弱电流信号变换成标准电压信号输入到微处理器单元中进行后续变换、处理。水温传感器由负温度系数的热敏电阻构成，所述水温传感器与水温信号调理单元相连，所述水温信号调理单元由热敏电阻－数字转换器和外部固定电阻组成，热敏电阻－数字转换器将水温传感器输出的模拟温度阻值直接转换为数字量输出，并输入到微处理器单元进行水温数据计算和处理。

本发明的水产养殖无线传感器网络节点装置的运行方法，包括如下步骤：

1、传感主板上电，首先完成初始化工作，包括微处理器单元和无线通信单元的初始化；

2、微处理器单元开启清洗泵控制单元定时器，执行步骤3；并等待系统预启动分组，执行步骤5；

3、若定时时间到，则微处理器单元触发清洗泵控制单元中的场效应管或可控硅的门极导通电压，使场效应管或可控硅导通，延迟S1时间后启动清洗泵，同时启动清洗泵的工作定时器，运行S2时间；

4、传感主板等待清洗泵的运行时间，若运行时间到则通过微处理器单元关断清洗泵控制单元中的场效应管或可控硅的门极导通电压，执行步骤5；

5、微处理器单元收到系统预启动分组，转发该数据包，休眠标识位置0，即节点装置不休眠，同时广播路由分组，建立动态路由，并等待系统启动分组；

6、微处理器单元收到系统启动分组，转发该数据包，同时完成网络时间同步，并停止发送路由分组，休眠标识位置1，即数据发送结束后可以休眠；

7、传感主板根据系统启动分组确定数据采集周期：从系统启动分组中读取数据采集时间参数n，周期S=n+(-1)^-c×[(id+c)%N]×m，其中id为节点号，c为数据发送次数，N为网络节点总数，m为偏移量因子，同时启动数据采集定时器；

8、传感主板等待数据采集设定时间，若数据采集时间到，则首先启动溶解氧信号调理单元和水温信号调理单元工作电压，延迟S1时间后启动通用模拟信号处理接口，同时延迟S3时间以响应溶解氧传感器和水温传感器；

9、若溶解氧传感器和水温传感器响应时间到，则首先采集溶解氧参数数据，并在微处理器单元中进行数据加权移动平均滤波处理和数据转换；延迟S2时间后启动热敏电阻－数字转换器，采集水温参数数据并进行数据格式转换，然后延迟S4时间后关断溶解氧信号调理单元和水温信号调理单元的工作电压；

10、参数数据采集完成后，传感主板启动数据发送任务，选择最佳路由发送数据，执行步骤11；

11、若传感主板数据发送收到应答，则数据发送次数加1，更新路由；若传感主板数据发送未收到应答，并且数据重发超过k次，则发送失败，数据发送次数加1，更新路由；

12、若传感主板数据发送次数小于q，则启动休眠准备定时器，向下执行步骤13；若传感主板数据发送次数超过q，则等待系统预启动数据包，转到步骤5；

13、传感主板等待休眠准备设定时间，若休眠准备时间到则设置微处理器单元为休眠状态，关闭溶解氧信号调理单元和水温信号调理单元的工作电压，关闭无线通信单元，使传感主板处于低功耗状态，转到步骤8。

本发明的水产养殖无线传感器网络节点装置的运行方法，溶解氧传感器和水温传感器需要进行相应的标定和温度补偿，标定采用两点法绘制标定曲线，温度补偿采用软件方法实现，具体过程包括下述几个步骤：

1.1初始化变量a、b、c并赋初值；

1.2输入操作命令Operation，包括零点标定，量程标定和温度测量。零点标定是测得溶解氧传感器在5%亚硫酸钠无氧水溶液中的输出电流I₀，保存在变量a中；量程标定是测得溶解氧传感器在氧饱和水中的电流I₁，保存在变量b中；温度测量是指通过水温传感器测得氧饱和水的温度T₁，保存在变量c中，同时查“氧在不同温度纯水中的饱和溶解度表”得到T1温度下的饱和溶解氧含量O₂’；

1.3由零点标定得到的输出电流I₀，记零点(0,I0)，量程标定得到的输出电流I₁，记满量程点(8.3,I₁)，通过两点法确定标定曲线，不同温度下标定曲线的斜率不一样，其他温度下的标定曲线可以通过相同的方法绘制，标定完成，执行步骤1.4；

1.4判断标定操作是否完成，若a、b、c都大于零，则表示标定的各操作已经完成，若标定未完成，转到步骤1.2，继续进行标定操作，直至获得I₀、I₁、T₁的值；

1.5用溶解氧传感器测得在样品液中的输出电流I₂，同时通过水温传感器测得样品液的温度T₂，并记录；

1.6运用公式 $O_2={O_2}^{,}\×[1+4\%(T_1-T_2)]\×\frac{(I_2-I_0)}{(I_1-I_0)}$ 计算样品液中的溶解氧含量；

1.7不同温度所对应的标定曲线斜率不同，温度每升高1℃从溶解氧传感器输出的电流值会升高4%，将在其他温度下测得的电流值转化到25℃温度下的电流值，根据在25℃下确定的标定曲线测量在其他温度下的溶解氧含量。

本发明的有益效果：

1、所开发的装置能实时采集、处理和存储溶解氧和水温参数，并通过433MHz频段无线传感器网络通信方式将其参数数据传输给无线传感器网络网关或无线传感器网络基站和本地终端，其装置的成本低、性价比高、实时性好、环境适用性强、功耗低、寿命长、安全可靠，能完全满足水产养殖用户大规模推广应用。

2、基于组件化/模块化设计思想、事件驱动的执行模型和主动消息通信方式等，在传感主板上运行无线传感器网络操作系统TinyOS，采用组件化编程语言nesC开发水产养殖溶解氧检测节点应用程序，以实现溶解氧检测节点的自组织性，程序代码简洁，执行速度快，便于修改，能够突破无线传感器网络存储资源少的限制，并能提高编程效率和网络信息处理能力。

3、由于水产养殖环境的特殊性，经常遭受潮湿度、酸碱度、暴晒等影响，极容易导致元器件工作的不正常以至失效，从而降低系统的可靠性。本发明采用的各元器件在防水防潮方面采用规格高、密封性能良好的材料，这样可使本发明适合于绝大多数水产养殖环境。

4、本发明安装模具设计和制作上将传感节点和电源节点实现分开安装，采用高密度防水、防潮装置确保电路板免受潮湿侵蚀，并保证足够的物理距离，并且对无线收发模块上的无线收发芯片采用金属壳封装，这样既减少了电源板对无线收发模块的干扰，也增强了无线收发模块的抗干扰能力，从而提高了无线收发的性能。

5、由于ZigBee协议的2.4GHz频段在线监测与控制水产养殖的方法所形成的系统硬件及其加工成本高、无线信号绕射性差、通信距离短等特点，我们采用433MHz频段传输，抗干扰性强，信号绕射性（穿透性）强，并支持各种点对点，一点对多点及无线传感器网络的无线数据通讯方式，具有收发一体、稳定可靠等特点。

附图说明

图1是本发明的结构示意图。

图2是本发明的微处理器单元和无线通信单元电路原理图。

图3是本发明的溶解氧信号调理单元电路原理图。

图4是本发明的水温信号调理单元电路原理图。

图5是本发明清洗泵控制单元电路原理图。

图6是本发明电源管理板电路原理图。

图7是本发明节点装置运行方法中参数数据采集和无线通信工作流程图。

图8是本发明溶解氧和水温传感器标定和软件温度补偿流程图。

图9是本发明溶解氧和水温传感器两点法标定曲线示意图。

具体实施方式

本发明提供的一种水产养殖无线传感器网络节点装置，在传感主板中，微处理器单元1由微处理器芯片U1及其他相应外围电路组成，如图2所示。微处理器芯片U1选用AVR系列微处理器芯片ATmega128、ATmega128A、ATmega128L、ATmega64、ATmega64A或ATmega64L，它主要用于溶解氧和水温参数数据的计算、解析、校验和存储，以及完成水产养殖无线传感器网络节点装置整个数据计算、信号控制、算法处理和无线数据收发控制等任务。JTAG接口为标准DIP10脚调试接口，可以通过AVR仿真器与PC机相连，用于系统程序的调试、仿真和烧录。无线通信单元2由数据传输控制子单元2-1和无线收发接口子单元2-2组成，J6为无线通信单元2的数据控制和传输接口，无线收发芯片选用低功耗、超高频单片无线收发通信芯片CC1000和CC1020中的其中一种。

在传感主板中，本发明所设计的溶解氧参数采集方法是通过溶解氧信号调理单元3将溶解氧传感器输出的nA级微弱电流信号经过下述步骤处理转换成标准电压信号输入到微处理器单元1中进行A/D变换、计算、解析、校验和存储，溶解氧信号调理单元3由极化电压发生器3-1、信号前置放大器3-2、可编程增益放大器3-3和有源低通滤波器3-4组成，该信号处理步骤结合图3加以阐述：

1）溶解氧传感器B1A覆膜电极输出的nA级电流信号通过极化电压发生器3-1和信号前置放大器3-2，将微弱电流信号转换成mV级电压信号并进行第一级信号放大。Q1为NPN晶体管，用来产生极化电压，U5为精密型双运算放大器，用于将电流信号转变为电压信号并进行信号放大。信号前置放大器3-2输出的mV级电压与溶解氧传感器覆膜电极输出的nA级电流之间成正比例关系。

2)信号前置放大器3-2输出的电压信号经过精密电阻分压后与可编程增益放大器3-3相连，将mV级电压信号或差分信号进行精确变换，U6为可编程增益放大器，并通过SPI总线与微处理器芯片U1的普通I/O口相连，共同完成多路选择和可变增益调节。D1为稳压二极管，用来保护意外干扰信号超过芯片U6引脚极限电压造成的芯片损坏。

3)可编程增益放大器3-3输出的电压信号通过有源低通滤波器3-4滤除高频干扰信号，最后输入到微处理器单元1中进行A/D采样。有源低通滤波器由运算放大器U7和外部RC元件组成，构成RC滤波电路，其输入阻抗高，输出阻抗低。

在传感主板中，本发明所设计的水温数据采集过程结合图4所述如下：

水温传感器由负温度系数的热敏电阻PT-100组成，热敏电阻一方面用来测量水温，另一方面用来补偿溶解氧信号调理单元3中晶体管Q1基极和发射极间电压V_be的电压温度系数，使其极化电压不受环境温度的影响，得到稳定的0.7V电压输出。水温数据采集通过热敏电阻－数字转换器U4及外部固定电阻将热敏电阻两端的温度阻值直接转换为数字量输出，并输入到微处理器单元1进行水温数据计算和处理。

在实际的水产养殖应用现场，由于养殖环境的特殊性，受水质浑浊和漂浮着各种微小生物的影响，溶解氧传感器覆膜电极长期置于池塘中，表面会粘覆着各种杂质，不仅会对测量探头产生一定的损伤，而且将大大影响到参数测量的精准性。因此，清洗泵控制单元5通过微处理器芯片U1的定时设置来控制清洗泵(由微型抽水马达组成)给溶解氧传感器覆膜表面进行自动清洗，确保其测量精度并延长使用寿命，电路如图5所示。U2采用光耦隔离芯片将微处理器单元和清洗泵及其控制单元在电气空间上隔离开来，避免了各种电气干扰。清洗泵控制单元中Q5选用功率场效应管或可控硅，微处理器芯片通过控制Q5的通断来启动清洗泵对溶解氧传感器电极进行自动清洗，清洗泵的开启和运行时间都由微处理器芯片通过软件编程来实现，减少了人为的干预。D6为稳压二极管，用于阻止清洗泵反电动势对锂电池组输出电压的干扰。

电源管理板电路如图6所示，U8采用锂电池充电管理芯片，太阳能电池板BT1通过肖特基势垒二极管D3与U8相连，U8通过场效应管Q3来控制其导通和关断，以便实施对锂电池组的充电过程。U8内集成的温度传感器连续检测锂电池内部温度，当温度超出所设定范围时，立刻关闭对锂电池组的充电。充电状态识别通过U8与LED指示灯相连。

锂电池组输出端与电压隔离单元7相连，电压隔离单元7由U9组成，以消除锂电池组输出电压与传感主板供电电压由于共地或共电源线而串入的各种电气干扰。U9输出的隔离后的电压分为两路：一路通过U10将电压下降到+3.3V给微处理器单元1和无线通信单元供电，另一路将微处理器芯片U1连接到CMOS模拟开关Q4的输入脚，从CMOS模拟开关芯片输出的电压供溶解氧信号调理单元3和水温信号调理单元4工作，微处理器芯片U1通过编程来控制CMOS模拟开关芯片的导通和关断，以减少非工作状态下溶解氧信号调理单元3和水温信号调理单元4的电源消耗，对于通过太阳能供电设备来说，有着重要的意义。

一种水产养殖无线传感器网络节点装置及运行方法，其节点装置应用程序包括溶解氧和水温数据采集程序、节点装置间通信程序和清洗泵控制程序，如图7所示，程序运行包括下列步骤：

1.1传感主板上电，首先完成初始化工作，包括微处理器单元1和无线通信单元2的初始化；

1.2微处理器单元1开启清洗泵控制单元5定时器，执行步骤1.3；并等待系统预启动分组，执行步骤1.5；

1.3若定时时间到，则微处理器单元1触发清洗泵控制单元5中的场效应管或可控硅的门极导通电压，使场效应管或可控硅导通，延迟S₁时间(10ms)后启动清洗泵，同时启动清洗泵的工作定时器，运行S₂(30s)时间；

1.4传感主板等待清洗泵的运行时间，若运行时间到则通过微处理器单元1关断清洗泵控制单元5中的场效应管或可控硅的门极导通电压，执行步骤1.5；

1.5微处理器单元1收到系统预启动分组，转发该数据包，休眠标识位置0，即节点装置不休眠，同时广播路由分组，建立动态路由，并等待系统启动分组；

1.6微处理器单元1收到系统启动分组，转发该数据包，同时完成网络时间同步，并停止发送路由分组，休眠标识位置1，即数据发送结束后可以休眠；

1.7传感主板根据系统启动分组确定数据采集周期：从系统启动分组中读取数据采集时间参数n，周期S=n+(-1)^-c×[(id+c)%N]×m，其中id为节点号，c为数据发送次数，N为网络节点总数，m为偏移量因子(约为5～10毫秒)，同时启动数据采集定时器；

1.8传感主板等待数据采集设定时间，若数据采集时间到，则首先启动溶解氧信号调理单元3和水温信号调理单元4工作电压，延迟S₁时间(10ms)后启动通用模拟信号处理接口3-2，同时延迟S₃时间(2min)以响应溶解氧传感器；

1.9若溶解氧传感器响应时间到，则采集溶解氧参数数据，并在微处理器单元1中进行数据加权移动平均滤波处理和数据转换。延迟S₂时间(30s)后启动热敏电阻－数字转换器，采集水温参数数据并进行数据格式转换，然后延迟S₄时间(10s)后关断溶解氧信号调理单元3和水温信号调理单元4的工作电压；

1.10参数数据采集完成后，传感主板启动数据发送任务，选择最佳路由发送数据，执行步骤1.11；

1.11若传感主板数据发送收到应答，则数据发送次数加1，更新路由；若传感主板数据发送未收到应答，并且数据重发超过k（3)次，则发送失败，数据发送次数加1，更新路由；

1.12若传感主板数据发送次数小于q(取48次)，则启动休眠准备定时器，向下执行步骤1.13；若传感主板数据发送次数超过q(取48次)，则等待系统预启动数据包，转到步骤1.5；

1.13传感主板等待休眠准备设定时间，若休眠准备时间到则设置微处理器单元1为休眠状态，关闭溶解氧信号调理单元3和水温信号调理单元4的工作电压，关闭无线通信单元2，使传感主板处于低功耗状态，转到步骤1.8。

溶解氧传感器和水温传感器需要进行相应的标定和温度补偿，标定采用两点法绘制标定曲线，温度补偿采用软件方法实现，如图8和图9所示，具体过程包括下述几个步骤：

2.1初始化变量a、b、c并赋初值；

2.2输入操作命令Operation，包括零点标定，量程标定和温度测量。零点标定是测得溶解氧传感器在无氧水(5%亚硫酸钠溶液)中的输出电流I₀，保存在变量a中。量程标定是测得溶解氧传感器在氧饱和水中的电流I₁，保存在变量b中。温度测量是指通过水温传感器测得氧饱和水的温度T₁，保存在变量c中，同时查“氧在不同温度纯水中的饱和溶解度表”得到T₁温度下的饱和溶解氧含量O₂；

2.3由零点标定得到的输出电流I₀，记零点(0,I₀)，量程标定得到的输出电流I₁，记满量程点(8.3,I₁)，通过两点法确定标定曲线，不同温度下标定曲线的斜率不一样，其他温度下的标定曲线可以通过相同的方法绘制，标定完成，执行步骤2.4；

2.4判断标定操作是否完成，若a、b、c都大于零，则表示标定的各操作已经完成，若标定未完成，转到步骤2.2，继续进行标定操作，直至获得I₀、I₁、T₁的值；

2.5用溶解氧传感器测得在样品液中的输出电流I₂，同时通过水温传感器测得样品液的温度T₂，并记录；

2.6运用公式 $O_2={O_2}^{,}\×[1+4\%(T_1-T_2)]\×\frac{(I_2-I_0)}{(I_1-I_0)}$ 计算样品液中的溶解氧含量。其中，O₂’为氧饱和水在温度T1时的含氧量；4%为溶解氧覆膜电极的温度系数；T₁、T₂分别为氧饱和水和样品液的温度；I₀、I₁、I₂分别为残余电流，氧饱和水中的电流和样品液的电流。

2.7不同温度所对应的标定曲线斜率不同，温度每升高1℃从溶解氧传感器输出的电流值会升高4%，将在其他温度下测得的电流值转化到某一温度下(如25℃)，根据在25℃下确定的标定曲线测量在其他温度下的溶解氧含量。

实施例一：

上述微处理器单元1中微处理器芯片U1选用ATMEL公司生产的低功耗、高性能的8位CMOS处理器ATmega128L，如图2所示。ATmega128L具有基于AVR RISC结构，数据吞吐率高达1MIPS/MHz，从而可以缓减系统在功耗和处理速度之间的矛盾。微处理器单元1中的JTAG接口的数据线经过上拉电阻“R1-R4”后与ATmega128L微处理器芯片的“54～57”引脚相连。LED1-LED3为ATmega128L微处理器芯片的工作状态指示灯和无线通信单元2数据收发指示灯，在系统调试阶段根据其指示灯的状态判断程序的运行情况，状态指示LED1-LED3灯与ATmega128L的“49、50、51”引脚相连。R₉与C₁₁构成软件复位电路。Y1、Y2为晶体振荡器，Y1为低频晶振，振荡频率为32.768kHz，可以在处理器运行于低功耗模式时使用。Y2为高频晶振，振荡频率为7.3728MHz，为系统时钟源。SO、SI、SCK1、SCK2、CS1、CS2为用普通I/O口来模拟SPI总线接口，它可以使ATmega128L微处理器芯片与各种外围设备以串行方式进行通信以交换信息，通过编写相应程序可实现U4和U6与ATmega128L之间的数据传输。无线收发芯片选用Chipcon公司生产的低功耗、超高频无线数据收发芯片CC1000，采用先进的SmartRF技术，工作于315MHz、433MHz、868MHz或915MHz ISM/SRD频段，可通过SPI总线接口灵活编程。ATmega128L微处理器芯片通过第“11、12、29、31、32、61”引脚与CC1000相连接，CC1000可通过简单的三条串行数据接口(PDATA、PCLK和PALE)进行编程。

实施例二：

上述溶解氧信号调理单元3中，极化电压发生器3-1由NPN晶体管S8050和外部电阻R₁₈组成，以得到稳定的0.7V极化电压输出，如图3所示。U5为精密型双运算放大器TLC277ID，具有广泛的低失调电压输入和漂移、高输入阻抗、低噪音等特点。采用双电源供电方式，通过CMOS电压反相器将工作电压反向后给TLC277ID供电，信号前置放大器3-2输出的电压与溶解氧信号调理单元3输入的电流之间成正比例关系，放大倍数通过调节外部电阻R₂₅的阻值得到。信号前置放大器3-2输出的电压信号经过精密电阻R₂₈和R₂₉分压后，产生标准电压信号输入到可编程增益放大器3-3中，U6为可编程增益放大器MCP6S21，并通过SPI总线与微处理器单元1普通I/O口相连，共同完成多路选择和可变增益调节。可编程增益放大器MCP6S21的串行时钟输入引脚SCK1、串行数据输入脚引SI、芯片选择输入引脚CS1分别与微处理器单元1中的第“25”引脚、第“3”引脚和第“35”引脚相连，微处理器单元1通过编程来控制可编程增益放大器3-3的工作。有源低通滤波器由运算放大器U7和外部RC元件组成，构成RC滤波电路，其输入阻抗高，输出阻抗低。U7采用Microchip公司生产的5MHz单电源运放MCP6281芯片，并设计Sallen-Key或Butterworth低通滤波器，截止频率为20Hz，U7与微处理器芯片U1的第“58”引脚ADC3相连。

上述水温信号调理单元4中，水温数据采集通过U4及外部固定电阻R₁₉将热敏电阻两端的温度阻值直接转换为数字量输出，并输入到微处理器单元1进行水温数据计算和处理，如图4所示。U4选用高精度热敏电阻－数字转换器MAX6682，热敏电阻和外部固定电阻R₁₉构成一个分压器，由MAX6682的内部基准驱动，MAX6682测量R₁₉两端电压，并根据该电压产生10位+符号位输出代码，在所测量的温度范围内，只要选择合适的热敏电阻和外部固定电阻阻值，MAX6682就可以按照8LSB/℃(0.125℃分辨率)的比例输出数据。MAX6682是一个只读器件，通过三线SPI总线与微处理器芯片U1相连。热敏电阻－数字转换器MAX6682的串行时钟输入引脚SCK2、串行数据输出脚引SO、芯片选择输入引脚CS2分别与微处理器芯片U1中的第“26”引脚、第“2”引脚、第“36”引脚相连。MAX6682使用10位的ADC通过外部固定电阻R₁₉将电压的下降转换成数字量输出，当使用负温度系数热敏电阻时，通过测量电压R₁₉两端电压，其输出的代码直接和温度数值有关。尽管热敏电阻和温度是非线性的，但是，R₁₉两端电压在有限的温度范围内可以近似认为是线性的，10位数字量输出和R₁₉两端电压按照如下公式换算：

$D_{\mathrm{OUT}}=\frac{(\frac{V_{R19}}{V_{R+}}-0.174387\}\×8}{0.010404}---\left(1\right)$

其中V_R19为R₁₉两端电压，采用的热敏电阻为精密型NTC温度传感器。

实施例三：

上述清洗泵控制单元5中，微处理器芯片U1中的“48”引脚通过限流电阻R₁₆与U2的“3”引脚相连，U2采用光耦隔离芯片6N137，将数字电路和模拟电路在电气空间上隔离开来，避免了各种电气干扰，如图5所示。微处理器芯片U1的“48”引脚连到电源管理板上场效应管Q5的门极G引脚上，Q5选用功率场效应管IRF7832，微处理器芯片通过控制“Q5”的通断来启动清洗泵对溶解氧传感器电极进行自动清洗，清洗泵的开启和运行时间都由微处理器芯片通过软件编程来实现，减少了人为的干预。

实施例四：

在图6中，U8采用先进锂电池充电管理芯片BQ2057WSN，其广泛适用于锂电池组(Li-lon)和锂聚合物电池组(Li-Pol)的充电需要。太阳能电池板BT1通过肖特基势垒二极管D3与先进锂电池充电管理芯片BQ2057WSN相连，BQ2057WSN通过引脚“7”与P沟道场效应管Q3的门极G引脚相连，来控制其导通和关断，以便实施对锂电池组的充电过程，Q3选用P沟道场效应管SI6475DQ。BQ2057WSN内集成的温度传感器通过引脚“4”连续检测锂电池内部温度。当温度超出所设定范围时，立刻关闭对锂电池组的充电。充电状态识别通过BQ2057WSN上的引脚“5”与LED指示灯“D4、D5”相连，D4绿灯表示充满，D5红灯表示正在充电。

锂电池组输出端与电压隔离单元7相连，电压隔离单元7由U9组成，以消除锂电池组输出电压与传感主板供电电压由于共地或共电源线而串入的各种电气干扰。U9选用WRS05S05-2W宽压隔离定压输出模块，U9引脚“6”输出的隔离后的电压分为两路：一路通过U10(采用SPX1117-3.3V稳压芯片)将电压下降到+3.3V给微处理器单元1和无线通信单元2)供电，另一路将微处理器芯片U1的引脚“47”连接到CMOS模拟开关Q4的输入脚，Q4采用CMOS模拟开关MAX4561芯片，从MAX4561输出的电压供溶解氧信号调理单元3和水温信号调理单元4工作，微处理器芯片U1通过编程来控制MAX4561的导通和关断，以减少非工作状态下溶解氧信号调理单元3和水温信号调理单元4的电源消耗，对于通过太阳能供电的便携式设备来说，有着重要的意义。

如上，尽管参照特定的优选实施例已经表示和表述了本发明，但其不得解释为对本发明自身的限制。在不脱离所附权利要求定义的本发明的精神和范围前提下，可对其在形式上和细节上作出各种变化。

Claims (5)

1.一种水产养殖无线传感器网络节点装置，包括传感主板和电源管理板，所述传感主板与所述电源管理板相连，所述电源管理板由太阳能电池板提供能源，所述电源管理板包括依次相连的锂电池充电控制单元(6)、电压隔离单元(7)和电压等级变换单元(8)；传感主板包括微处理器单元(1)、无线通信单元(2)、溶解氧信号调理单元(3)、水温信号调理单元(4)和清洗泵控制单元(5)，所述溶解氧信号调理单元(3)和水温信号调理单元(4)分别与溶解氧传感器和水温传感器相连，其特征在于：

所述微处理器单元(1)采用AVR系列微处理器芯片，通过微处理器芯片上A/D口与所述溶解氧信号调理单元(3)相连，将其输出的溶解氧参数电压信号进行A/D变换、计算、解析、校验和存储；所述微处理器单元(1)与所述水温信号调理单元(4)采用SPI总线相连，将其输出的水温数字量信号进行换算、校验和存储；

所述无线通信单元(2)由数据传输控制子单元(2-1)和无线收发接口子单元(2-2)组成，采用低功耗、超高频单片无线收发通信芯片CC1000或CC1020作为处理芯片，所述微处理器单元(1)采用SPI总线与无线通信单元(2)的数据接口相连，通过软件编程来控制无线通信单元(2)的数据收发；

所述清洗泵控制单元(5)与微处理器单元(1)的普通I/O口相连，由光耦隔离电路(5-1)和场效应管控制电路(5-2)组成，通过软件编程来实现清洗泵的定时自动启动和关断，给溶解氧传感器覆膜进行清洗；

所述溶解氧传感器上设有铂电极和银电极，所述铂电极和银电极与溶解氧信号调理单元(3)相连；所述溶解氧信号调理单元(3)由极化电压发生器(3-1)、信号前置放大器(3-2)、可编程增益放大器(3-3)和有源低通滤波器(3-4)依次连接组成，将从溶解氧传感器电极输出的nA级微弱电流信号变换成标准电压信号输入到微处理器单元(1)中进行后续变换、处理。

2.根据权利要求1所述的水产养殖无线传感器网络节点装置，其特征在于：所述锂电池充电控制单元(6)由锂电池充电管理芯片、晶体管或MOSFET管、充电状态指示灯以及外围电路组成，所述锂电池充电管理芯片通过肖特基势垒整流器与太阳能电池板相连，将太阳能电池板输出的直流电压通过自适应可调充电电路给锂电池组充电，并且先进锂电池充电管理芯片实现对锂电池组温度的连续监测，对充电电路进行必要的保护和调节；

锂电池组输出端与电压隔离单元(7)相连，电压隔离单元(7)由宽压隔离定压输出(DC－DC)模块组成，并与CMOS模拟开关芯片相连，从CMOS模拟开关芯片输出的电压供溶解氧信号调理单元(3)和水温信号调理单元(4)工作，CMOS模拟开关芯片与微处理器单元(1)的普通I/O口相连，并通过编程来控制CMOS模拟开关芯片的导通和关断，减少非工作状态下溶解氧信号调理单元(3)和水温信号调理单元(4)的电源消耗；

电压等级变换单元(8)与电压隔离单元(7)的输出端相连，并通过升、降压芯片或稳压管及相应外围电路将电压隔离单元(7)输出端电压进行等级变换，为传感主板及其他设备的运行提供所需的供电电压等级；

锂电池组通过场效应管或可控硅与清洗泵相连，提供清洗泵的运行工作电压，场效应管或可控硅的通断由传感主板上的微处理器单元(1)通过清洗泵控制单元(5)来加以自动控制和管理。

3.根据权利要求1所述的水产养殖无线传感器网络节点装置，其特征在于：所述水温传感器由负温度系数的热敏电阻构成，所述水温传感器与水温信号调理单元(4)相连，所述水温信号调理单元(4)由热敏电阻－数字转换器和外部固定电阻组成，热敏电阻－数字转换器将水温传感器输出的模拟温度阻值直接转换为数字量输出，并输入到微处理器单元(1)进行水温数据计算和处理。

4.根据权利要求1所述的水产养殖无线传感器网络节点装置的运行方法，其特征在于包括如下步骤：

5.1传感主板上电，首先完成初始化工作，包括微处理器单元(1)和无线通信单元(2)的初始化；

5.2微处理器单元(1)开启清洗泵控制单元(5)定时器，执行步骤5.3；并等待系统预启动分组，执行步骤5.5；

5.3若定时时间到，则微处理器单元(1)触发清洗泵控制单元(5)中的场效应管或可控硅的门极导通电压，使场效应管或可控硅导通，延迟S1时间后启动清洗泵，同时启动清洗泵的工作定时器，运行S2时间；

5.4传感主板等待清洗泵的运行时间，若运行时间到则通过微处理器单元(1)关断清洗泵控制单元(5)中的场效应管或可控硅的门极导通电压，执行步骤5.5；

5.5微处理器单元(1)收到系统预启动分组，转发收到的数据包，休眠标识位置0，即节点装置不休眠，同时广播路由分组，建立动态路由，并等待系统启动分组；

5.6微处理器单元(1)收到系统启动分组，转发收到的数据包，同时完成网络时间同步，并停止发送路由分组，休眠标识位置1，即数据发送结束后休眠；

5.7传感主板根据系统启动分组确定数据采集周期：从系统启动分组中读取数据采集时间参数n，周期S＝n+(-1)^-c×[(id+c)％N]×m，其中id为节点号，c为数据发送次数，N为网络节点总数，m为偏移量因子，同时启动数据采集定时器；

5.8传感主板等待数据采集设定时间，若数据采集时间到，则首先启动溶解氧信号调理单元(3)和水温信号调理单元(4)工作电压，延迟S1时间后启动通用模拟信号处理接口(3-2)，同时延迟S3时间以响应溶解氧传感器和水温传感器；

5.9若溶解氧传感器和水温传感器响应时间到，则首先采集溶解氧参数数据，并在微处理器单元(1)中进行数据加权移动平均滤波处理和数据转换；延迟S2时间后启动热敏电阻－数字转换器(4-2)，采集水温参数数据并进行数据格式转换，然后延迟S4时间后关断溶解氧信号调理单元(3)和水温信号调理单元(4)的工作电压；

5.10参数数据采集完成后，传感主板启动数据发送任务，选择最佳路由发送数据，执行步骤5.11；

5.11若传感主板数据发送收到应答，则数据发送次数加1，更新路由；若传感主板数据发送未收到应答，并且数据重发超过k次，则发送失败，数据发送次数加1，更新路由；

5.12若传感主板数据发送次数小于q，则启动休眠准备定时器，向下执行步骤5.13；若传感主板数据发送次数超过q，则等待系统预启动数据包，转到步骤5.5；

5.13传感主板等待休眠准备设定时间，若休眠准备时间到则设置微处理器单元(1)为休眠状态，关闭溶解氧信号调理单元(3)和水温信号调理单元(4)的工作电压，关闭无线通信单元(2)，使传感主板处于低功耗状态，转到步骤5.8。

5.根据权利要求4所述的水产养殖无线传感器网络节点装置的运行方法，其特征在于：所述溶解氧传感器和水温传感器需要进行相应的标定和温度补偿，标定采用两点法绘制标定曲线，温度补偿采用软件方法实现，具体过程包括下述几个步骤：

6.1初始化变量a、b、c并赋初值；

6.2输入操作命令Operation，包括零点标定，量程标定和温度测量；零点标定是测得溶解氧传感器在5％亚硫酸钠的无氧水溶液中的输出电流I₀，保存在变量a中；量程标定是测得溶解氧传感器在氧饱和水中的电流I₁，保存在变量b中；温度测量是指通过水温传感器测得氧饱和水的温度T₁，保存在变量c中，同时查“氧在不同温度纯水中的饱和溶解度表”得到T₁温度下的饱和溶解氧含量O₂’；

6.3由零点标定得到的输出电流I₀，记零点(0,I₀)，量程标定得到的输出电流I₁，记满量程点(8.3,I₁)，通过两点法确定标定曲线，不同温度下标定曲线的斜率不一样，其他温度下的标定曲线通过相同的方法绘制，标定完成，执行步骤6.4；

6.4判断标定操作是否完成，若a、b、c都大于零，则表示标定的各操作已经完成，若标定未完成，转到步骤6.2，继续进行标定操作，直至获得I₀、I₁、T₁的值；

6.5用溶解氧传感器测得在样品液中的输出电流I₂，同时通过水温传感器测得样品液的温度T₂，并记录；

6.6运用公式 $O_2={O_2}^{,}\×[1+4\%(T_1-T_2)]\×\frac{(I_2-I_0)}{(I_1-I_0)}$ 计算样品液中的溶解氧含量；

6.7不同温度所对应的标定曲线斜率不同，温度每升高1℃从溶解氧传感器输出的电流值会升高4％，将在其他温度下测得的电流值转化到25℃温度下的电流值，根据在25℃下确定的标定曲线测量在其他温度下的溶解氧含量。