Water Quality Monitoring and Control for Aquaculture Based on Wireless Sensor Networks
Daudi S. Simbeye* and Shi Feng Yang
College of Electronic Information and Automation, Tianjin University of Science and Technology, 1038 Dagu South
Road, Hexi District, Tianjin 300222, P. R. China
*Corresponding author, Email: daudi.simbeye@gmail.com; yangsf@tust.edu.cn
Abstract—We have designed and presented a wireless sensor network monitoring and control system for aquaculture. The system can detect and control water quality parameters of temperature, dissolved oxygen content, pH value, and water level in real-time. The sensor nodes collect the water quality parameters and transmit them to the base station host computer through ZigBee wireless communication standard. The host computer is used for data analysis, processing and presentation using LabVIEW software platform. The water quality parameters will be sent to owners through short messages from the base station via the Global System for Mobile (GSM) module for notification. The experimental evaluation of the network performance metrics of quality of communication link, battery performance and data aggregation was presented. The experimental results show that the system has great prospect and can be used to operate in real world environment for optimum control of aquaculture environment.
Index Terms—Water Quality Monitoring; Wireless Sensor Network; Aquaculture; ZigBee; LabVIEW; GSM
I. Introduction
Aquaculture is increasingly considered as an integral component in the search for global world food security and economic development. The vast majority of aquaculture production takes place in China. The automation of aquaculture systems will allow the industry to improve environmental control, reduce catastrophic losses, reduce production cost, and improve product quality [1]. The most important parameters to be monitored and controlled in an aquaculture system include temperature, dissolved oxygen, pH, ammonia, nitrates, salinity, and alkalinity, since they directly affect animal health, feed utilization, growth rates and carrying capacities [2].
Water temperature affects the feeding pattern and growth of fish. Fish generally experience stress and disease breakout when temperature is chronically near their maximum tolerance or fluctuates suddenly. Warm water holds less dissolved oxygen than cool water. Oxygen consumption is directly linked to size of fish, feeding rate, activity level and pond temperature. The amount of dissolved oxygen in water increases as temperature reduces, and decreases when salinity increases. Low dissolved oxygen concentration is recognized as a major cause of stress, poor appetite, slow growth, disease susceptibility and mortality in aquaculture animals [3]. It is generally accepted that the minimum daily dissolved-oxygen concentration in pond culture systems is of greatest concern. Not only is dissolved oxygen important for fish respiration, it is also important for the survival of phytoplankton, the organism which breaks down toxic ammonia into harmless forms. The acceptable range of pH for fish culture is usually between pH 6.5 to pH 9.0. When water is very alkaline (gt; pH 9), ammonium in water is converted to toxic ammonia, which can kill fish. On the other hand, acidic water (lt; pH 5) leaches metals from rocks and sediments. These metals have an adverse effect on the fishrsquo;s metabolism rates and ability to take in water through their gills, and can be fatal as well [4]. Since failure of any component can cause catastrophic losses within a short period of time, the system must be reliable and constantly monitored. Thus, precise measurements and controls are necessary for the success of an intensive aquaculture system [5]-[6].
However, there are few applications of systems which could carry out real-time water quality monitoring continuously in China. According to the conventional methods of water quality monitoring, samples of water are taken and transported to a chemical laboratory to analyze the hazardous substances. On the other hand, the maintenance of the measurements and control process is manual influenced by the personal experience [7].
How to realize real-time data collection in a secure, robust, manageable and low-cost manner without longdistance cable connections is still a bottleneck in the development of information monitoring in fish culture. Modern aquaculture environment detection and control technology achieves high-quality, high yield, improves the basic environmental conditions and is one of the key means to promote fish production through the integrated application of bio engineering and computer technology to make the appropriate adjustments, according to the variation of indicators, increase production, and guarantee reliable income [8]-[9]. A properly-controlled system will also be energy efficient since production can be optimized with respect to the various inputs. So a sustainable development of aquaculture environmental factors monitoring and control system for intensive fish farming is inevitable.
Wireless sensor network (WSN) is an important and exciting new technology with great potential for improving current applications in intensive aquaculture [10]. In contrast to wired sensors, the obstacle has been to develop hardware that is capable of transmitting data under difficult circumstances and developing low-cost, long-term energy sources for the sensor nodes. WSN are in intimate connection with the immediate physical environment allowing each sensor to provide detailed information on environment of material that is otherwise difficult to obtain by means of traditional wired instrumentation [11]. In this work, ZigBee wireless communication technology (IEEE 802.15.4) is pr
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基于无线传感器网络的水产养殖水质监测与控制
Daudi S. Simbeye*和Shi Feng Yang。
天津科技大学电子信息与自动化学院，1038 Dagu South。
天津市河西区路，300222，中国。
*通讯作者、电子邮件:daudi.simbeye@gmail.com;yangsf@tust.edu.cn
摘要——我们设计并提出了一种用于水产养殖的无线传感器网络监控系统。该系统可实时检测和控制温度、溶解氧含量、pH值、水位等水质参数。传感器节点采集水质参数，通过ZigBee无线通信标准将其传输到基站主机。主计算机用LabVIEW软件平台的数据分析、处理和演示。水质参数将通过来自基站的短信发送给业主，通过全球移动(GSM)模块通知。同时给出了通信链路质量、电池性能和数据聚集性能指标的实验评价。实验结果表明，该系统具有良好的应用前景，可用于实际环境中对水产养殖环境的最佳控制。
关键词——水质量监控;无线传感器网络;水产养殖;无线个域网;虚拟仪器;GSM
1、介绍
水产养殖被认为是寻求全球粮食安全和经济发展的重要组成部分。绝大多数的水产养殖都发生在中国。水产养殖系统的自动化将使工业能够改善环境控制，减少灾难性损失，降低生产成本，提高产品质量[1]。在水产养殖系统中监测和控制的最重要参数包括温度、溶解氧、pH、氨、硝酸盐、盐度和碱度，因为它们直接影响动物的健康、饲料利用率、生长速率和承载能力[2]。
水温影响鱼的进食方式和生长。当温度长期接近最大耐受性或突然波动时，鱼通常会经历压力和疾病爆发。温水的溶解氧比冷水的少。氧消耗与鱼的大小、摄食率、活动水平和池塘温度直接相关。随着温度的降低，水中溶解氧含量增加，而当盐度增加时，溶解氧含量会降低。低溶解氧浓度被认为是造成压力、食欲不振、生长缓慢、疾病易感性和养殖动物死亡率的主要原因[3]。人们普遍认为，在池塘培养系统中，每天最低的氧气浓度是最令人担忧的。溶解氧不仅对鱼的呼吸至关重要，对浮游植物的生存也很重要。浮游植物是一种将有毒的氨分解成无害的形式的生物。鱼的pH值通常在pH值6.5到9.0之间。当水非常碱性时(gt; pH 9)，水中的铵离子转化为有毒的氨，可以杀死鱼。另一方面，酸性水(lt; pH 5)从岩石和沉积物中提取金属。这些金属对鱼的代谢率和通过鳃吸收水分的能力有不利的影响[4]。由于任何组件的故障都可能在短时间内造成灾难性的损失，系统必须是可靠的，并且要持续监控。因此，精确的测量和控制对于集约化养殖系统的成功是必要的[5]-[6]。
然而，在中国，可以持续进行实时水质监测系统的应用很少。传统的水质监测方法，是将水样带进化学实验室，对有害物质进行分析。另一方面，测量和控制过程的维护是由个人经验手册的影响[7]。
如何实现在一个安全的、健壮的、可管理的、低成本的方式没有长距离电缆连接实时数据收集，仍然处在一个发展的瓶颈信期。现代水产养殖环境检测和控制技术具有高质量,高产量的基本环境条件,这有利于促进鱼生产。通过对生物工程和计算机技术的集成应用的适当调整,以及根据指标的变化增加产量,可以保证可靠的收入[8]-[9]。由于生产可以针对不同的输入进行优化，那么一个适当控制的系统也将是节能的。因此，水产养殖环境因素监测和控制系统的可持续发展是不可避免的。
无线传感器网络(WSN)是一项重要且令人兴奋的新技术，它极大地提高了目前在集约水产养殖领域的应用[10]。与有线传感器形成对比的是，难点在于开发能够在困难环境下传输数据的硬件，以及为传感器节点开发低成本、长期的能源。WSN物理环境密切相关，它允许每个传感器提供关于材料环境的详细信息，而这些信息很难通过传统的有线设备[11]获得。在这项工作中，ZigBee无线通信技术(IEEE 802.15.4)因其低成本和低功耗性能而优于其他技术，可用于无线传感器网络的开发。
该工作重点是利用多个传感器实时监测和控制水产养殖的水温、溶解氧、pH和水位等水质参数。传感器节点采集水质参数，通过ZigBee无线通信标准将其传输到基站主机。摘要对网络性能指标的可靠性、可行性和有效性进行了几项评价和性能分析，并给出了其性能指标和数据聚合性能指标。该系统在天津塘沽渔场示范基地进行了6个月的测试。关键的水质指标由相关执行机构精确控制，及时采取措施，提高各种因素的稳定性，大大节省电能消耗，提供连续数据，可用于确定趋势和提高产量，从而增加水产养殖的收入。
2、相关工作
WSN成为环境监测中的一个重要问题。相对低成本设备，可安装能够充分代表环境中变化的节点[11]。在西班牙半干旱地区[12]-[13]的一个卷心菜农场中，WSNs被成功地应用于土壤含水量、温度和盐的监测。WSNs的设计包括四种传感器网络拓扑结构节点。它们是土壤节点、环境节点、水节点和网关节点。并给出了各节点的软件和硬件。整个系统的管理和实时测量由农场管理办公室的中央处理计算机进行。系统测试分两个阶段进行，包括实验室测试和现场测试。实验室测试主要分析了系统设备的功能、网络性能和能耗;系统测试的测量范围、鲁棒性和可靠性主要集中在现场测试中。
在[14]中开发了一个ZigBee WSN，用于监测一个实验性的水产养殖再循环系统。温度、溶解氧、水和气压包括电流传感器也安装过程中。开发并测试了通过ZigBee无线网络读取和传输传感器值的模块。这些模块安装在水产养殖再循环系统中，将传感器值传输给网络协调器。为了显示和存储传感器值，并将其与引用限制进行比较，创建了一个监视程序。电子邮件和短信警报也可以发送到系统管理员的手机，以便立即采取行动。
一个web界面允许互联网访问传感器的值。[15]提出了一种基于水产业ZigBee的WSN。水产养殖监测环境具有多测点、长时间测量和复杂测量条件等特点。该系统实现了多参数的采集、传输和显示，如溶解氧、温度等。在[16]中，开发了一种连续监测水产养殖场水质的WSN。多水质参数节点包括温度链节点、路由节点和现场监控中心的设计和实现。为测定海参池中溶解氧、水位和温度，建立了多参数水质节点。该路由节点用于扩展水产养殖农场的连续监测范围。参考文献[17]开发了一种基于WSN的循环水产养殖跟踪系统(大鼠)。该系统实现了快速部署，可获得水温、盐度、溶解氧和pH值，实现实时数据传输。在microsoft visual Studio 2008中使用c#开发的大鼠，集成了Matlab M语言动态链接库的实时监控图。通过[18]设计了WSN收集和连续传输数据到监控软件的结构。然后，他们在软件中完成了配置模型，增强了监视项目的重用和功能。此外，开发的监控软件代表监控硬件和数据可视化，并利用专家知识对数据进行分析，实现自动控制。该监测系统实现了数字化、智能化，有效地保证了水产养殖的水质。
此外，通过使用WSN来监测或控制各种参数[19]，在农业中经常可以看到ZigBee标准的使用。参考文献[20]对环境空气湿度、温度和亮度的遥测进行实时研究。除了检测灌溉用水污染外，还在农业生产中安装了ZigBee WSN。在[21]中提出了一种基于无线传感器网络的农业生产过程监测的新方法。作者提出了一种方法，由一组定义良好的阶段组成，这些阶段涵盖了用于农业监测的WSN应用程序的完整生命周期。建立了基于ZigBee和GPRS的在线监测系统[22]。传感器数据通过ZigBee和GPRS采集和传输。数据处理程序由Lab VIEW软件实现。参考[23]开发了一种基于网络智能传感器的分布式测量系统，用于监测多环境中的水产养殖因子。该系统由数据采集节点、路由节点、现场监测中心和远程监控中心四部分组成;并可实时监测水质参数和气象参数。
然而，由于其复杂的操作要求和较高的维护成本，其应用仍受到限制。此外，这些研究都没有分析像我们工作这样的室外环境中传感器节点的电池行为。此外，该系统还没有与节点的执行器集成，用于远程校正环境参数，如溶解氧和水阀。在我们的工作中，图形用户界面(GUI)是由Lab VIEW软件平台设计的，用户可以观察和修改水产养殖环境的相关价值。然而，当一个人想要在这个广泛的地点安装网络的最佳性能时，会出现许多挑战。控制和驱动的问题，信息包丢失，电池消耗，以及与现实环境相关的方面。在WSN中满足实时需求的结果很少。许多其他功能还必须满足实时约束，包括数据融合和数据传输。
3、系统设计
本实验使用的无线传感器监测温度、pH、溶解氧和水位。传感器在特定的时间间隔测量这些参数，并将数据无线传输到接收站。将采样时间间隔设置为大约每3分钟，获得一个长有效的传输通信范围，并选择2.405 GHz作为该应用程序的通信频率。如图1所示，整个系统具有传感器节点、通信设备和基站。因此，每个传感器节点都被设计成通过ZigBee通信技术与基站通信。基站主机作为数据分析、处理和显示的中央监控平台。传感器节点作为数据采集的远程监控平台。
图1 系统整体框图
A.传感器节点
传感器节点包括数据采集、数据转换和传输，以及水质控制组件。数据采集组件利用各种传感器采集最重要环境因素的非电信号。采用玻璃电极法测量pH值，采用测温技术和膜电极技术溶解氧传感器。溶解氧传感器收集鱼塘的溶解氧信息，转换成电信号，为后续处理电路提供必要条件。该系统采用溶解氧传感器，具有刚性固体结构，自动补偿传感器膜的渗透性，由于温度变化和自动压力平衡，防止了膜片变形，为准确采集信息提供了物质条件。
数据转换和传输由信号调理电路、数据采集板、核心处理芯片和通信模块组成。通过高性能AD7705转炉芯片，将传感器的低电平输入信号转换成0-5V范围内的串行数字输出电压标准。该芯片采用sigmadelta转换技术实现16位代码的性能。此外，该设备还包括自校准和系统校准选项，以消除设备或系统的增益和偏移误差。然后将信号传输到单片机芯片上。传感器节点采用ATmega16L单片机作为数据采集和处理的核心。ATmega16拥有高级RISC体系结构,113条指令,32个通用寄存器和工作16兆赫性能16 MIPS,两个周期硬件乘法器,8路10位模拟数字转换器(ADC),32个可编程输入/输出(I / O)港口、16 kb系统与独立的可编程看门狗定时器芯片振荡器,上电复位,芯片上可编程电源故障检测和校准RC振荡器[24]。然后，通过与标准参数的比较，MCU芯片对每个执行器电机设备驱动继电器的控制信号。所生成的数据和控制信号通过ZigBee网络聚合和传输到连接到主机计算机基站的网关。主机具有优先级，根据实际需要，随时记录用户查询的数据，通过网关和ZigBee网络对执行器进行控制，以防环境参数超出预设阈值。数据处理单片机芯片将数据封装到无线传输模块中，使网关接收数据，并将数据传输到主机上进行进一步分析。传感器节点由电池5V直流供电。ZigBee的CC2520单片机处理数据，然后通过无线方式在天线和网关之间进行通信。CC2520是第二代ZigBee/IEEE 802.15.4射频收发器，用于工业、科学和医学(ISM)， 2.4 GHz频段。CC2520可以工作在125°C提供了出色的灵敏度,连通性和也可以在低压操作工作。CC2520支持帧处理、数据缓冲、突发传输、数据加密、数据认证、空闲信道检测、链路质量显示和帧定时信息，从而减少主控制器的负载。
B.网关
网关接收命令包，预处理和分析来自传感器节点的数据，然后发送到主机。该网关与基站与串行RS-232电缆连接。如果用户还没有收到时间框架内传感器节点的响应数据，传感器节点将被视为故障，然后通过基站将短信发送给用户，通知维护。监控程序安装在显示结果的主机计算机基站中，并通过早期的短信警告提醒涉众。通过全球移动(GSM)模块的全球系统，鱼塘的环境参数将通过来自主机的短信发送给业主。考虑到主机与用户之间的通信需求，GSM网络的使用不仅降低了成本，还扩展了通信范围和空间。此外，基站将数据定期发送到传感器节点捕获命令，当传输完成后，等待传感器节点返回数据。如果接收到传感器节点的正常环境参数，基站将显示显示设备上的结果。否则，将设置值文本消息发送给所有者，以通知并自动打开相应的执行器泵，以纠正相应的环境参数。通过用户友好的界面，主机允许用户进行一些参数设置以方便监控。还可以设置手动命令，以实现对系统多样性的合理调整和控制。
网关节点包括4个基本模块，包括通信模块、RS-232/USB接口模块、MAX-232和power模块。该模块选择的通信模块与传感器节点CC2520的通信模块相同。ZigBee CC2550使用串行外围接口(SPI)连接两个控制线，然后通过串行电缆连接到USB芯片。该节点通过SPI总线接收来自计算机的电源，这确保了节点始终在线。个人电脑(PC)被用作处理器代替单片机。在此工作中，微控制器不用于网关节点。然而，PC执行处理器的功能，并用于接收来自传输节点的数据，并发出命令来控制远程执行器设备。
C.软件设计
传感器节点的软件设计主要是使用ICCAVR编译器进行的，这是ATMEL公司推荐的第三方C编译器之一。ICCAVR符合ANSI C标准语言，为MCU程序开发合适的工具，使用方便，技术支持良好，基本具有以下特点:
ICCAVR是一个集成的编辑器和项目经理集成工作环境(IDE)。
源文件都被组织到项目、文档编辑和项目构建中，在这个环境中，错误显示在状态窗口中，当单击编译错误时，光标会自动跳到错误的位置。
项目经理也可以直接生成INTEL。HEX格式，大多数程序员支持的格式文件下载到芯片。
实时监控
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