前言：尋找寫作靈感？中文期刊網用心挑選的仿真機器魚水質監測系統設計，希望能為您的閱讀和創作帶來靈感，歡迎大家閱讀并分享。
摘要：
工業化和城鎮化的快速發展，給水質帶來了嚴重的影響，水質監測成為當前生態研究的重中之重。常規的水質監測方法是采用人工多點采樣，存在耗時長，廢精力以及實時性差的缺點；使用無線傳感技術對水質進行監測已實施多年，相比于傳統人工方法進步很多，但仍存在布點多、成本高以及改進難的問題。仿真機器魚近年來受到多國學者的研究，用于生態和工業環境的檢測。本文結合無線傳感技術和仿真機器魚的研究，設計了一種基于Zigbee和GPRS技術的仿真機器魚水質監測系統，一方面對仿真魚的結構進行改善，便于游動檢測；另一方面從傳感器節點設計、溶解氧等參數檢測電路以及無線充電方式等進行軟硬件分析；并采用VB6．0設計上位機監測系統。經實驗表明，仿真機器魚具有很好的靈活性，系統組網穩定，實現水質多參數實時檢測，便于水質分析和數據統計，具有很好的實踐價值。
關鍵詞：
無線傳感技術；仿真機器魚；無線充電；水質監測系統
0引言
隨著社會的快速發展和人們環保意識的增強，對水質的要求越來越高。目前對于水質的監測多采用人工多點采樣的方法，該方法雖然在精度上有所保證，但是由于受采樣時間和采樣地點的限制，無法對大面積水域實施全覆蓋的實時監控，而且人力成本、設備成本比較高。鑒于此情況，徐亞峰、馬悅［12］設計了一種基于Zigbee和GPRS技術的水質檢測系統，該系統結合無線傳感網和Internet互聯網技術，改善了人工檢測和有線采樣的不足，但是對于大面積水域，無線檢測系統存在設備布點增加、設備成本提高以及網絡傳輸等一系列問題。楊渭［3］提出一種基于仿真機器魚的水質監測系統，對仿真魚結構的選擇以及采樣電路進行了研究，為水質監測系統提供了一種新的思路。本文綜合上面兩種思路，設計了一種基于Zigbee和GPRS的仿真機器魚水質監測系統，把無線傳輸技術融合到仿真機器魚里，并對仿真機器魚的結構設計、傳感器節點設計和充電方式進行研究，使用VB6．0軟件設計上位機界面。
1整體設計
系統的整體結構系統分為三層，分別是感知層、網絡層和應用層［3］。感知層是由仿真機器魚群為主體的感知設備，魚內嵌入水質基本的溶解氧、溫度、PH值和氨氮含量等參數的采集電路；網絡層是由以ARM或DSP為核心，采集的水質數據經過處理器的解析和傳輸協議轉換，由GPRS模塊經移動網絡傳輸到Internet上；應用層是由數據庫和數據信息管理軟件構成，通過Internet將采集到的數據存入數據庫，再由管理軟件對數據進行統計、分析和挖掘處理，提供數據查詢、報警和控制等功能。用戶也可以通過手機登陸系統實現管理功能［45］。
2機器魚結構設計
對于仿真機器魚的結構研究，目前較為流行的是鯵科魚，其新月形的推進模式比較適合水中的運動控制［3］，通過控制尾鰭和胸鰭分別實現機器魚的前進和上浮、下沉等動作。本文針對目前研究的仿真機器魚在結構上進行了改善，在機器魚的嘴巴、上下、左右側以及尾巴部位都安裝螺旋槳動力葉片，這樣通過單片機來驅動螺旋葉片的動作，方便控制機器魚在游動過程的運動方向。機器魚頭部主要嵌入檢測溶解氧、溫度和PH值等參數的電路和一臺電機螺旋槳葉片，用來控制機器魚的后退；在魚內分別安裝了電源模塊、無線通訊模塊、避障系統、電機驅動模塊和機器魚本身的深度和壓強的檢測裝置以及一臺水箱。其中電源模塊包含了電池和無線充電裝置；避障系統通過傳感器檢測來控制機器魚躲避障礙物；電機驅動模塊控制六臺電機螺旋槳、水箱泵和尾鰭擺動等電機；水箱是除上下側螺旋槳之外的控制機器魚上升和下潛的主要裝置，以及機器魚發生電力不足、器件損害等故障時排空水箱，使得機器魚上升至水面，在實踐操作時，給每條機器魚增加一個浮球，浮球內置太陽能電池板、通信天線和指示燈，太陽能電池板可以拓展機器魚檢測的水域，通信天線安置在水面上，相比于水下大大增加了信號強度，指示燈在遇到電力不足或者故障時方便觀察、尋找和維修。
3硬件設計
3．1傳感器節點設計
傳感器節點安裝在機器魚的頭部，方便參數檢測。傳感器節點由傳感模塊、處理單元、通信模塊和電源部分構成，處理單元是整個傳感器節點的中心部分，主要負責設備分配與調度以及數據傳輸等。傳感器采集的電信號，首先通過前置放大器和抗干擾處理，接著進行A／D轉換成數字信號，再通過單片機處理器進行數據處理，最后將數據傳輸到CC2430射頻模塊的Zigbee節點進行存儲。其中傳感器模塊主要參數包括溫度、溶解氧、PH值、氨氮含量和電導率等指標，對每一項水質指標，都必須設計對應的信號采集電路。以PH值檢測電路為例，PH值采集器選用PH復合玻璃電極，由于其測量內阻比較大，采集的信號必須經過有高輸入阻抗、低偏置電流的放大器，這樣可以與PH的大內阻電極匹配以此降低測量噪聲，提高穩定性。信號采集后還需經過抗干擾處理，才能可靠穩定地保證送入單片機。
3．2網絡協調器硬件設計
為保證仿真機器魚在游動過程中信號的穩定性，在水域周邊每500m安裝一臺網絡協調器。網絡協調器主要包括Zigbee模塊、串口和電源等，Zigbee方案采用CC2430芯片和CC2591芯片；GPRS模塊選用SIM300；微處理器選用STC89C52單片機；電源部分的穩壓電路較為成熟，選擇通用的3．3V供電電路，以此降低仿真機器魚的功耗。
3．3充電電源設計
仿真機器魚長時間在水中游動，常規的采用接口充電需要打開外殼或者開啟充電開關，會影響機器魚的密封性。本設計采用無線充電的方法，在機器魚的內部安裝充電線圈，通過電磁耦合方式進行充電。交流電220V經過整流逆變后，經電磁感應耦合，再經過變壓器和整流成鋰電池充電的直流電壓。實現電磁感應耦合充電的條件是供電線圈的等效電感L1和電容C1與接收線圈的等效電感L2和電容C2的諧振角頻率相等。
4軟件設計
4．1軟件流程設計
系統軟件設計分為網絡組建和數據處理兩個部分，其中網絡組建包括網絡協調器和機器魚組隊。系統上電之后立刻初始化，組建網絡成功后，機器魚群組成，按照程序設定的路徑游動并采集水質相關參數信息；數據采集成功后，存儲至監控中心主機，通過監控主機可以執行運行控制、查詢和配置等命令，如圖7所示。
4．2上位機界面設計
上位機界面采用VB6．0軟件進行開發［6］，可以方便實現無線模塊間的串口通訊程序設計，使用Ac－cess2003模塊存儲機器魚采集的水質參數數據；同時利用其可視化人機界面的優點，設計通訊參數、機器魚路徑等參數；實現溶解氧、PH值等檢測數據的統計和查詢，為水域質量分析提供統計數據；該界面具有手動和自動執行水泵和飼料機的動作，以及機器魚、模塊通訊出現問題的故障報警。
5系統測試
系統設定數據采樣時間為5min／次，可以使用數據和曲線兩種形式查看。溶解氧、溫度等參數，由于系統采用自動運行和調控的方式，魚塘水質參數穩定，溶解氧穩定在6mg／L左右，溫度維持在28℃上下，PH值為6．75左右，電導率為143．5μs／cm左右，數據顯示該水質適合魚類生長，食欲增強較為明顯，餌料系數達到最佳。
6結束語
結合無線水質監控和仿真機器魚的優點，設計了基于無線傳感網的仿真機器魚水質監控系統。該系統克服了無線水質監控布點多的缺點，大大降低了成本；同時改進了仿真機器魚的結構，魚群之間可以相互通訊，參數檢測靈活、覆蓋面廣；采用太陽能和無線充電方式，加大了仿真機器魚監測水域，提高了機器魚密封性；利用VB6．0開發上位機軟件，可以利用手機遠程控制和操作，簡單方便。除此，該系統有很好的通用性，可以在魚塘、湖泊以及一些環境不利的液體中進行監測，具有廣泛的應用前景。
作者：付煥森 曹健 李元貴 單位：泰州學院船舶與機電工程學院
參考文獻
［1］徐亞峰，劉煥強，顧曉峰，等．基于ZigBee和GPRS的遠程水質監測系統的設計與實現［J］．江蘇農業科學，2013，41（3）：328～331．
［2］馬銳，陳光建，賈金玲，等．基于Zigbee和GPRS的多參數水質監測系統設計［J］．自動化與儀表，2014，29（10）：33～36．
［3］楊渭，孔祥洪，錢衛國，等．基于溶氧和酸堿度的水質檢測機器魚設計［J］．漁業現代化，2014，41（1）：10～14．
［5］黃建清，王衛星，姜晟，等．基于無線傳感器網絡的水產養殖水質監測系統開發與試驗［J］．農業工程學報，2013，29（4）：183～190．
［6］潘賀，關久念，李太浩．基于無線傳感器網絡的水產養殖水環境監測系統設計與試驗［J］．中國農機化學報，2014，35（5）：246～250．
［7］孫龍霞，於鋒，陳新華，等．水產養殖水質監測與智能化管理系統的研發［J］．中國農機化，2011，32（3）：115～118．
［8］劉慶，鄒應全，行鴻彥．基于MSP430單片機的溶解氧測量儀［J］．儀表技術與傳感器，2009，（9）：33～35．
［9］朱亞明，丁為民．一種在線檢測溶解氧的方法［J］．電子測量技術，2009，32（7）：122～124．
［10］崇慶峰，劉星橋，宦娟，等．基于Android和GPRS的水產養殖監控系統設計［J］．漁業現代化，2013，（6）：24～28．
［11］宋凱，朱春波，李陽，等．基于磁耦合諧振的自主無線充電機器人系統設計［J］．電工技術學報，2014，29（9）：39～42．
［13］丁恩杰，薛慧，孫志峰，等．基于磁耦合諧振的無線充電系統建模與分析［J］．中國礦業大學學報，2014，43（5）：928～931．
［14］史兵，趙德安，劉星橋，等．基于無線傳感網絡的規?；a養殖智能監控系統［J］．農業工程學報，2011，27（9）：136～139．
［15］李成春．基于CC2430無線多參數傳感器檢測網絡的設計［D］．鎮江：江蘇大學，2010．
