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摘要：
工业化和城镇化的快速发展，给水质带来了严重的影响，水质监测成为当前生态研究的重中之重。常规的水质监测方法是采用人工多点采样，存在耗时长，废精力以及实时性差的缺点；使用无线传感技术对水质进行监测已实施多年，相比于传统人工方法进步很多，但仍存在布点多、成本高以及改进难的问题。仿真机器鱼近年来受到多国学者的研究，用于生态和工业环境的检测。本文结合无线传感技术和仿真机器鱼的研究，设计了一种基于Zigbee和GPRS技术的仿真机器鱼水质监测系统，一方面对仿真鱼的结构进行改善，便于游动检测；另一方面从传感器节点设计、溶解氧等参数检测电路以及无线充电方式等进行软硬件分析；并采用VB6．0设计上位机监测系统。经实验表明，仿真机器鱼具有很好的灵活性，系统组网稳定，实现水质多参数实时检测，便于水质分析和数据统计，具有很好的实践价值。
关键词：
无线传感技术；仿真机器鱼；无线充电；水质监测系统
0引言
随着社会的快速发展和人们环保意识的增强，对水质的要求越来越高。目前对于水质的监测多采用人工多点采样的方法，该方法虽然在精度上有所保证，但是由于受采样时间和采样地点的限制，无法对大面积水域实施全覆盖的实时监控，而且人力成本、设备成本比较高。鉴于此情况，徐亚峰、马悦［12］设计了一种基于Zigbee和GPRS技术的水质检测系统，该系统结合无线传感网和Internet互联网技术，改善了人工检测和有线采样的不足，但是对于大面积水域，无线检测系统存在设备布点增加、设备成本提高以及网络传输等一系列问题。杨渭［3］提出一种基于仿真机器鱼的水质监测系统，对仿真鱼结构的选择以及采样电路进行了研究，为水质监测系统提供了一种新的思路。本文综合上面两种思路，设计了一种基于Zigbee和GPRS的仿真机器鱼水质监测系统，把无线传输技术融合到仿真机器鱼里，并对仿真机器鱼的结构设计、传感器节点设计和充电方式进行研究，使用VB6．0软件设计上位机界面。
1整体设计
系统的整体结构系统分为三层，分别是感知层、网络层和应用层［3］。感知层是由仿真机器鱼群为主体的感知设备，鱼内嵌入水质基本的溶解氧、温度、PH值和氨氮含量等参数的采集电路；网络层是由以ARM或DSP为核心，采集的水质数据经过处理器的解析和传输协议转换，由GPRS模块经移动网络传输到Internet上；应用层是由数据库和数据信息管理软件构成，通过Internet将采集到的数据存入数据库，再由管理软件对数据进行统计、分析和挖掘处理，提供数据查询、报警和控制等功能。用户也可以通过手机登陆系统实现管理功能［45］。
2机器鱼结构设计
对于仿真机器鱼的结构研究，目前较为流行的是鯵科鱼，其新月形的推进模式比较适合水中的运动控制［3］，通过控制尾鳍和胸鳍分别实现机器鱼的前进和上浮、下沉等动作。本文针对目前研究的仿真机器鱼在结构上进行了改善，在机器鱼的嘴巴、上下、左右侧以及尾巴部位都安装螺旋桨动力叶片，这样通过单片机来驱动螺旋叶片的动作，方便控制机器鱼在游动过程的运动方向。机器鱼头部主要嵌入检测溶解氧、温度和PH值等参数的电路和一台电机螺旋桨叶片，用来控制机器鱼的后退；在鱼内分别安装了电源模块、无线通讯模块、避障系统、电机驱动模块和机器鱼本身的深度和压强的检测装置以及一台水箱。其中电源模块包含了电池和无线充电装置；避障系统通过传感器检测来控制机器鱼躲避障碍物；电机驱动模块控制六台电机螺旋桨、水箱泵和尾鳍摆动等电机；水箱是除上下侧螺旋桨之外的控制机器鱼上升和下潜的主要装置，以及机器鱼发生电力不足、器件损害等故障时排空水箱，使得机器鱼上升至水面，在实践操作时，给每条机器鱼增加一个浮球，浮球内置太阳能电池板、通信天线和指示灯，太阳能电池板可以拓展机器鱼检测的水域，通信天线安置在水面上，相比于水下大大增加了信号强度，指示灯在遇到电力不足或者故障时方便观察、寻找和维修。
3硬件设计
3．1传感器节点设计
传感器节点安装在机器鱼的头部，方便参数检测。传感器节点由传感模块、处理单元、通信模块和电源部分构成，处理单元是整个传感器节点的中心部分，主要负责设备分配与调度以及数据传输等。传感器采集的电信号，首先通过前置放大器和抗干扰处理，接着进行A／D转换成数字信号，再通过单片机处理器进行数据处理，最后将数据传输到CC2430射频模块的Zigbee节点进行存储。其中传感器模块主要参数包括温度、溶解氧、PH值、氨氮含量和电导率等指标，对每一项水质指标，都必须设计对应的信号采集电路。以PH值检测电路为例，PH值采集器选用PH复合玻璃电极，由于其测量内阻比较大，采集的信号必须经过有高输入阻抗、低偏置电流的放大器，这样可以与PH的大内阻电极匹配以此降低测量噪声，提高稳定性。信号采集后还需经过抗干扰处理，才能可靠稳定地保证送入单片机。
3．2网络协调器硬件设计
为保证仿真机器鱼在游动过程中信号的稳定性，在水域周边每500m安装一台网络协调器。网络协调器主要包括Zigbee模块、串口和电源等，Zigbee方案采用CC2430芯片和CC2591芯片；GPRS模块选用SIM300；微处理器选用STC89C52单片机；电源部分的稳压电路较为成熟，选择通用的3．3V供电电路，以此降低仿真机器鱼的功耗。
3．3充电电源设计
仿真机器鱼长时间在水中游动，常规的采用接口充电需要打开外壳或者开启充电开关，会影响机器鱼的密封性。本设计采用无线充电的方法，在机器鱼的内部安装充电线圈，通过电磁耦合方式进行充电。交流电220V经过整流逆变后，经电磁感应耦合，再经过变压器和整流成锂电池充电的直流电压。实现电磁感应耦合充电的条件是供电线圈的等效电感L1和电容C1与接收线圈的等效电感L2和电容C2的谐振角频率相等。
4软件设计
4．1软件流程设计
系统软件设计分为网络组建和数据处理两个部分，其中网络组建包括网络协调器和机器鱼组队。系统上电之后立刻初始化，组建网络成功后，机器鱼群组成，按照程序设定的路径游动并采集水质相关参数信息；数据采集成功后，存储至监控中心主机，通过监控主机可以执行运行控制、查询和配置等命令，如图7所示。
4．2上位机界面设计
上位机界面采用VB6．0软件进行开发［6］，可以方便实现无线模块间的串口通讯程序设计，使用Ac－cess2003模块存储机器鱼采集的水质参数数据；同时利用其可视化人机界面的优点，设计通讯参数、机器鱼路径等参数；实现溶解氧、PH值等检测数据的统计和查询，为水域质量分析提供统计数据；该界面具有手动和自动执行水泵和饲料机的动作，以及机器鱼、模块通讯出现问题的故障报警。
5系统测试
系统设定数据采样时间为5min／次，可以使用数据和曲线两种形式查看。溶解氧、温度等参数，由于系统采用自动运行和调控的方式，鱼塘水质参数稳定，溶解氧稳定在6mg／L左右，温度维持在28℃上下，PH值为6．75左右，电导率为143．5μs／cm左右，数据显示该水质适合鱼类生长，食欲增强较为明显，饵料系数达到最佳。
6结束语
结合无线水质监控和仿真机器鱼的优点，设计了基于无线传感网的仿真机器鱼水质监控系统。该系统克服了无线水质监控布点多的缺点，大大降低了成本；同时改进了仿真机器鱼的结构，鱼群之间可以相互通讯，参数检测灵活、覆盖面广；采用太阳能和无线充电方式，加大了仿真机器鱼监测水域，提高了机器鱼密封性；利用VB6．0开发上位机软件，可以利用手机远程控制和操作，简单方便。除此，该系统有很好的通用性，可以在鱼塘、湖泊以及一些环境不利的液体中进行监测，具有广泛的应用前景。
作者：付焕森 曹健 李元贵 单位：泰州学院船舶与机电工程学院
参考文献
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