文献标识码： A
文章编号： 0258-7998(2015)03-0075-03
0 引言
水中溶解氧浓度是水生物生长环境所需要控制的一个重要参数，对水中溶解氧浓度的监控对渔业养殖来说具有重要的意义。而传统的采集方法由于渔业养殖水中需要监测的范围广，采样点分散，导致目前的监控设备安装布线繁琐、成本高而难于有效地推广应用，而最新发展起来的ZigBee无线通信技术具有网络容量大、架构简单、低功耗等特点，十分适合用来组建水中溶解氧浓度无线传感器网络，为该问题的解决提供了一种有效的途径。
1 ZigBee无线网络
ZigBee是一种基于IEEE 802.15.4标准的无线通信协议，其发射输出功率可达3.7 dBm，通信距离为30～100 m，具有信标能量检测和链路质量指示能力[1]。在组网架构上，ZigBee可以构造为星形网络拓扑结构或者点对点树状拓扑网络[2]。点对点树状拓扑网络中，任何网络节点都可以充当PAN coordinator的角色。系统启动组网功能时，所有网络节点都参与转发组网信息，都是FFD设备，但不能保证 PAN coordinator角色唯一性。在星型拓扑中，每一个无线检测节点（FFD）设备都只能和协调器（PAN coordiantor）通信，系统启动组网功能时，协调器首先选择一个在其射频覆盖范围内没有被其他网络占用的地址（PAN）标识符，在该射频覆盖范围内无线电之间可以成功地进行相互通信，该功能也保证了PAN标识符不会被其他相邻的网络占用，保证了PAN coordinator角色唯一性。
本系统采用星型拓扑结构，溶解氧浓度采样节点和增氧机控制器节点作为其中的网络子节点，与协调器父节点自动组成无线数据传输网络，进而实现该系统无线网络节点的自组网功能。
2 系统硬件设计
系统协调器节点和各个数据采集节点均采用单片机CC2530为核心部件,该芯片是TI公司的一款符合 IEEE802.15.4标准的片上ZigBee产品，除了包括RF收发器外，还集成了单片机805l核、8 KB的RAM、ADC、DMA和看门狗等功能。 CC2530无线功能的实现只需要天线、晶振等少量的外围电路元器件就能在2.4 GHz的频段上工作。CC2530内部使用1.8 V工作电压，内集成的直流稳压器，能够把外界提供的3.3 V的电压转化为1.8 V电压。因此适合用于电池供电的设备，且功耗很低，使用小型电池寿命可以长达1年[3-4]。片节点通过ZigBee协议与增氧机控制节点、协调器节点以及其他采集节点自动组成无线网络。通过该无线网络，该节点将溶解氧浓度信号实时地发送给协调器节点，再由协调器节点通过MAX485转网口后传输给PC。同时，如果溶解氧浓度低于预警值，其向增氧机控制节点发出增氧机控制信号，增氧机启动，系统开始调节水中溶解氧浓度。其系统硬件设计框图如图1所示。
本系统溶解氧传感器采用极谱式电极DOG-98P型溶解氧传感器，该传感器输出的电流信号，经下拉电阻转化为电压信号，该电压信号经LMC6042放大器放大后接入CC2530的P0.1(AD1)口进行AD处理转化为数字信号，CC2530对该数字信号处理后再进行相应的无线收发控制。增氧机的控制由CC2530控制，该节点根据CC2530接收的控制指令对其进行相应的开关控制。协调器节点对传感器节点发出的数据实时接收处理，处理后再经485总线传给PC微机进行后台处理并实时显示。另外，如需对池塘补水，协调器可对抽水机进行控制，进行补水控制。其中，CC2530增氧机和抽水机的控制电路均采用光电隔离，以增强系统的抗干扰能力。
3 系统软件设计
ZigBee标准仅仅定义了协议的网络层、应用层和安全层，并采用IEEE 802.15.4的物理层（PHY）和数据链路层（MAC）作为其部分协议[5]。而IEEE 802.15.4是独立于ZigBee标准而开发的，系统只需要在IEEE 802.15.4的PHY层和MAC层之上开发相应的网络层和应用层。IEEE 802.15.4中有两种数据传输方式适用于该系统的星型拓扑结构：从一个网络节点设备（device）传送到一个协调器（coordinator）；从一个协调器传送到一个节点设备。
本系统软件包含三部分：溶解氧浓度采集节点程序、增氧机控制节点程序和协调器节点程序。三个子程序即相互独立又相互联系，其相互联系之处就是其自组网络时采用核心模块CC2530支持的ZigBee协议栈软件Z-Stack，在其通用模板的基础上,通过改动应用层APP 程序来完成网络的建立和功能的实现：网络组建、节点加入、数据收发等功能[6]。
3.1 协调器程序设计
在星型拓扑结构中，协调器主要功能：网络的建立和维护、与上位机进行通信以及和所有的终端设备直接通信（包括向上位机发送数据和接收上位机的数据并无线转发给下面各个节点）。其程序编写主要调用Z-Stack的一些API，其程序流程图见图2。
3.2 传感器程序设计
传感器终端设备主要根据协调器发送的命令来执行数据采集或控制被控对象。本系统采用极谱式传感器，流过溶解氧电极的电流与氧分压成正比，在温度不变的情况下氧浓度与电流之间呈线性关系，检测此电流并经运算变换成氧浓度[2]。通过硬件电路处理，电流信号转化为电压信号，溶解氧的溶度C和电压信号的关系为下式表示：
C=K×Vout+B(1)
其中Vout表示溶解氧传感器模拟信号放大后的电压信号。该信号经A/D转换成数字信号进行运算处理，即可实现溶解氧浓度信号采集。K和B为不同传感器标校后的模型系数。传感器作为终端设备，在系统网络中有接受控制指令和发送溶解氧浓度信号功能，其接收和发送数据程序流程图见图3。
4 测试与实验分析
4.1 发射功率测试
设定发射频率为2 475 MHz时，使用频谱仪测量出对应的发射功率，测试结果如图4所示，捕捉到的最大输出功率为-25 dBm。
4.2 功耗测试
核心模块CC2530工作于电压2.0 V～3.6 V，本测试是要测量在不同电压供电情况下的功耗情况，见图5，可见模块CC2530能耗很低，最大电流为40 mA。
4.3 功能测试
选中测试功能，选择曲线显示命令，点击“确定”开始当前值曲线显示，一段时间后，可得如图6所示各参数测试值曲线，横坐标为时间周期，纵坐标为各项参数浓度值。
5 结论
本系统利用CC2530无线传输特性，设计编写了溶解氧浓度采集节点、增氧机控制节点和协调器节点的硬件及软件，通过测试验证，实现了水中溶解氧浓度检测和增氧机无线智能控制，进而实现水中溶解氧浓度的智能监控。实践证明，以ZigBee无线通信方式实现溶解氧浓度的采集和控制，是一种经济、方便、可行的方法，适合渔业养殖业的发展需要，易于推广应用。
参考文献
[1] ZigBee Standards Organized.ZigBee specification document 053474r13[Z].2004.
[2] 蒋挺，赵成林.紫蜂技术及其应用[M].北京：北京邮电大学出版社，2006.
[3] Texas Instruments.CC2530 data sheet[EB/OL].[2011-05].http：//www.ti.com.
[4] 李文仲，段朝玉.ZigBee无线网络技术入门与实战[M].北京：北京航空航天大学出版社，2007.
[5] 陈凯，韩焱，张丕状.基于SPI总线的无线传感网络节点设计[J].仪表技术与传感器，2008(12)：90-92.
[6] 姜仲，刘丹.基于CC2530的无线传感网技术[M].北京：清华大学出版社，2014.