摘  要： 針對水產(chǎn)養(yǎng)殖的實際需求,，利用ZigBee,、GPRS和傳感器技術(shù)設(shè)計一個無線傳感器網(wǎng)絡(luò)，構(gòu)建了一套完整的水產(chǎn)養(yǎng)殖環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng),，對影響魚類生長的溫度,、pH值、溶解氧含量和水位等環(huán)境因素進行實時數(shù)據(jù)監(jiān)測和采集,，實現(xiàn)了智慧水產(chǎn)養(yǎng)殖的目的,。
關(guān)鍵詞： ZigBee；水產(chǎn)養(yǎng)殖,；監(jiān)測

　我國是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)大國，水產(chǎn)養(yǎng)殖業(yè)是我國農(nóng)業(yè),、國民經(jīng)濟和人民生活需求的重要組成部分,。傳統(tǒng)的水產(chǎn)養(yǎng)殖手段和方法科技含量不足、對養(yǎng)殖環(huán)境的變化反應(yīng)遲（往往是養(yǎng)殖的魚類發(fā)生了狀態(tài)變化才處理）,，導(dǎo)致養(yǎng)魚成本增加,、經(jīng)濟效益下降。為了提高水產(chǎn)養(yǎng)殖現(xiàn)代化管理水平,，實現(xiàn)水產(chǎn)養(yǎng)殖自動化管理和控制,，使用ZigBee技術(shù)構(gòu)建了一個水產(chǎn)養(yǎng)殖智能監(jiān)測系統(tǒng)，能夠?qū)崟r地進行數(shù)據(jù)采集監(jiān)測,，以實現(xiàn)水質(zhì)環(huán)境監(jiān)控,、養(yǎng)殖生產(chǎn)管理和專家知識查詢。
　信息的實時精確采集,、處理以及環(huán)境參數(shù)的自動監(jiān)測為水產(chǎn)養(yǎng)殖業(yè)進一步向集約化,、規(guī)模化方向發(fā)展提供了重要支撐[1-2],。相應(yīng)的監(jiān)測系統(tǒng)得到了研究,，如基于.NET的對蝦病害防治專家系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)[3]以及基于WSN的水產(chǎn)養(yǎng)殖環(huán)境參數(shù)監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計[4]，這些系統(tǒng)從不同的側(cè)面進行了研究。本文在前期開發(fā)研究的基礎(chǔ)上設(shè)計了遠程監(jiān)控系統(tǒng),，實現(xiàn)了水產(chǎn)養(yǎng)殖環(huán)境參數(shù)閾值設(shè)定,、自動檢查和預(yù)警。
1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)設(shè)計
　系統(tǒng)主要由環(huán)境參數(shù)自動獲取傳感器節(jié)點,、ZigBee無線網(wǎng)絡(luò),、GPRS無線通信網(wǎng)絡(luò)和上位機專家系統(tǒng)4個部分組成，如圖1所示,。

?。?）終端節(jié)點（傳感器節(jié)點）
由分布在測試區(qū)域的監(jiān)測水溫、pH值,、溶解氧濃度和水位等各種傳感器以及ZigBee模塊（CC2530）構(gòu)成終端節(jié)點,，以自動獲取養(yǎng)殖環(huán)境參數(shù)，并能接收上位機的控制指令進行相關(guān)的控制操作,。
?。?）ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)
根據(jù)監(jiān)控區(qū)域的大小，靈活地采用星形拓撲,、樹形拓撲和網(wǎng)狀拓撲,，傳感器數(shù)據(jù)以無線多跳的形式上傳至網(wǎng)絡(luò)控制器。底層為多個ZigBee監(jiān)測網(wǎng)絡(luò),，負責(zé)監(jiān)測數(shù)據(jù)的采集,。
　（3）GPRS網(wǎng)絡(luò)
GPRS網(wǎng)絡(luò)是2.5代移動通信系統(tǒng),，位于第二代（2G）和第三代（3G）移動通信技術(shù)之間,。它的基本功能是在網(wǎng)絡(luò)控制器與Internet的路由器之間傳遞分組數(shù)據(jù)，使用分組交換技術(shù),，能兼容GSM,。
　（4）上位機專家系統(tǒng)
　上位機專家系統(tǒng)接收網(wǎng)絡(luò)控制器的數(shù)據(jù),，進行系統(tǒng)分析,，與預(yù)先設(shè)定的環(huán)境參數(shù)閾值進行比較，當(dāng)參數(shù)值超出設(shè)計范圍時,，產(chǎn)生報警信息,。工作人員可根據(jù)專家系統(tǒng)形成處理方案，通知終端節(jié)點進行相應(yīng)的操作,。

2 硬件設(shè)計
2.1 終端節(jié)點設(shè)計
　節(jié)點分為具有路由與中繼功能的FFD節(jié)點和只進行數(shù)據(jù)獲取的RFD節(jié)點,。FFD節(jié)點可與RFD節(jié)點通信，也可以與別的FFD節(jié)點通信,。在RFD節(jié)點不能直接與網(wǎng)關(guān)通信的時候,，F(xiàn)FD節(jié)點就起到了連接網(wǎng)關(guān)和RFD節(jié)點通信的目的。兩類節(jié)點在硬件設(shè)計上基本相同，只需在實際應(yīng)用中根據(jù)需要“燒寫”入不同的腳本,。
節(jié)點主要由電源底板,、無線模塊和傳感器模塊3部分組成。
2.1.1 電源底板
　由于節(jié)點要設(shè)置在室外,，若使用電力線供電,，布線比較麻煩，節(jié)點也不能根據(jù)需要進行靈活的移動,。本設(shè)計采用電池供電,，可安裝4節(jié)7號電池，也可加裝太陽能模塊,，構(gòu)建雙電源供電系統(tǒng),，能有效防止因電池電量不足給監(jiān)測帶來的不便。根據(jù)測得節(jié)點工作時的電流和電壓等數(shù)據(jù)以及實際應(yīng)用中的要求,，適宜采用6 V電源給節(jié)點供電,。
2.1.2 CC2530無線模塊
　ZigBee無線模塊采用TI的ZigBee片上系統(tǒng)CC2530作為控制器，主要由ZigBee芯片,、晶振,、天線、擴展引腳以及LED燈等組成,，工作于2.4 GHz的ISM頻段,。CC2530結(jié)合了一個完全集成的高性能RF收發(fā)器與一個8051單片機，8 KB的RAM,，32/64/128/256 KB閃存,，以及其他強大的支持功能和外設(shè)。無線模塊采用標準雙排20針功能引腳與底板相連,。無線模塊引腳圖如圖2所示。

2.1.3 傳感器的選取
?。?）溫度傳感器
　系統(tǒng)采用數(shù)字式溫度傳感器DS18B20,，它采用單總線專用技術(shù)，既可通過串行線,，也可通過其他I/O線與微機接口,，無須經(jīng)過其他變換電路，直接輸出被測溫度值（9 bit二進制數(shù),，含符號位）,，測溫范圍為-55℃~ +125℃，測量分辨率為0.062 5℃,，內(nèi)含64 bit經(jīng)過激光修正的只讀存儲器ROM,，用戶可分別設(shè)定各路溫度的上、下限，內(nèi)含寄生電源,。
?。?）溶解氧傳感器
　系統(tǒng)采用上海博取儀器有限公司生產(chǎn)的DOG-209F型工業(yè)溶氧電極（PPM級）。DOG-209F型溶解氧傳感器具有較高的穩(wěn)定性和可靠性,，可在惡劣環(huán)境中使用,，維護量也較小，適用于城市污水處理,、工業(yè)廢水處理,、水產(chǎn)養(yǎng)殖和環(huán)境監(jiān)測等領(lǐng)域的溶解氧連續(xù)測定。
?。?）pH值傳感器
　pH值表示水的酸堿度,，當(dāng)水中pH值低于5.5或高于9時不能作為養(yǎng)殖用水。本文選用美國GWI品牌的WQ201 pH值傳感器,。WQ201水質(zhì)pH傳感器是一個堅固耐用的水質(zhì)pH測量器件,，帶有7.5 m船舶級電纜，最大電纜長度可達150 m,；采用3線制,，4 mA~20 mA輸出。變送器的電子部件全部用船舶級環(huán)氧樹脂包封,，不銹鋼外殼,；在線式傳感器具有1"PVC×8"的管螺紋連接；具有可拆卸護套和可更換PH傳感元件,，易于維護,。
　（4）水位傳感器
　選用廣東浩捷電子儀器有限公司生產(chǎn)的PTJ301投入式液位傳感器,，其采用擴散硅壓阻芯體或陶瓷壓阻芯體,，全不銹鋼結(jié)構(gòu)，主要適用于河流,、地下水位,、水庫、水塔及容器等的液位測量與控制,。
2.2 ZigBee網(wǎng)絡(luò)控制器設(shè)計
　網(wǎng)絡(luò)控制器硬件設(shè)計的核心是處理器芯片,。處理器模塊在無線收發(fā)模塊的協(xié)作下完成ZigBee網(wǎng)絡(luò)的建立與維護、數(shù)據(jù)采集與處理,、無線數(shù)據(jù)收發(fā)以及ZigBee2007協(xié)議棧的正常運行,。本設(shè)計選用TI公司成熟的ZigBee芯片CC2530/F256，它是符合IEEE802.15.4規(guī)范的SoC系統(tǒng)解決方案,。
　網(wǎng)絡(luò)控制器由ZigBee模塊,、GPRS模塊和存儲模塊組成,，ZigBee模塊實現(xiàn)底端數(shù)據(jù)的傳輸和組網(wǎng)，然后通過GPRS模塊將底端數(shù)據(jù)傳到遠程數(shù)據(jù)監(jiān)控中心,。通過GPRS與遠程監(jiān)控中心連接,，不受距離限制。存儲部分進行數(shù)據(jù)的緩存和備份,，為保證網(wǎng)絡(luò)的正常使用,，模塊應(yīng)采用蓄電池或電路供電。
2.3 GPRS模塊的選取
　通用分組無線業(yè)務(wù)GPRS（General Packet Radio Service）是在GSM系統(tǒng)的基礎(chǔ)上引入新的部件而構(gòu)成的無線數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng),。使用GPRS模塊進行遠程數(shù)據(jù)傳輸提高了系統(tǒng)的應(yīng)用范圍,，可在具有移動無線公網(wǎng)信號的任意地段內(nèi)實現(xiàn)通信。本文使用的GPRS模塊是Siemens的MC35i,。MC35i支持GSM 900/1 800 MHz雙頻和GPRS Class8/ClassB,，體積小、功耗低,，能提供數(shù)據(jù),、語音和短信等功能。GPRS模塊通過9針的串行口與監(jiān)控系統(tǒng)主機連接,。
3 軟件設(shè)計
　在遠程監(jiān)控端的上位機上運行應(yīng)用軟件,，調(diào)控GPRS遠程數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)，進行數(shù)據(jù)的接收和存儲,，并實現(xiàn)部分的控制功能,。
3.1 終端節(jié)點子系統(tǒng)設(shè)計
　根據(jù)節(jié)點子系統(tǒng)需要完成的功能和ZigBee特點，節(jié)點子系統(tǒng)將由節(jié)點感知模塊,、路由選擇模塊,、無線通信模塊、信息處理及信息管理單元組成,。一般情況下,，該子系統(tǒng)處于休眼狀態(tài)，當(dāng)接收到網(wǎng)絡(luò)控制器傳來的數(shù)據(jù)采集命令或自身設(shè)置的中斷觸發(fā)時,，將進行數(shù)據(jù)的采集和傳送,，其主要程序流程如圖3所示。

3.2 網(wǎng)絡(luò)控制器子系統(tǒng)設(shè)計
　網(wǎng)絡(luò)控制器上電后首先對CC2530進行初始化,，建立一個無線網(wǎng)絡(luò)。當(dāng)有終端節(jié)點申請加入時,，為每一個終端節(jié)點分配地址,。當(dāng)上位機需要進行數(shù)據(jù)采集時，網(wǎng)絡(luò)控制器發(fā)出數(shù)據(jù)采集指令,，之后等待接收終端節(jié)點采樣來的數(shù)據(jù),。
同時,，系統(tǒng)上電后，GPRS模塊復(fù)位,，通過AT指令對其進行初始化,，包括對GPRS模塊的波特率和工作類型等參數(shù)的設(shè)置，使設(shè)備連接到GPRS網(wǎng),。然后通過撥號與GGSN進行通信鏈路協(xié)商,，獲得動態(tài)IP地址，接入Internet,。這樣,，GPRS無線監(jiān)控終端通過網(wǎng)絡(luò)就可實現(xiàn)與遠程監(jiān)控中心的全雙工數(shù)據(jù)通信[5]，將水產(chǎn)養(yǎng)殖場地的環(huán)境參數(shù)傳送到上位機控制系統(tǒng)中,。網(wǎng)絡(luò)控制器子系統(tǒng)程序流程圖如圖4所示,。

3.3 上位機系統(tǒng)設(shè)計
　上位機系統(tǒng)主要由網(wǎng)關(guān)服務(wù)器、監(jiān)控平臺和數(shù)據(jù)庫服務(wù)器組成,。網(wǎng)關(guān)服務(wù)器完成網(wǎng)絡(luò)控制器與上位機系統(tǒng)的協(xié)議轉(zhuǎn)換,，并接收水產(chǎn)養(yǎng)殖場傳來的實時采集數(shù)據(jù)，將感知數(shù)據(jù)傳遞給監(jiān)控平臺,，監(jiān)控平臺具有實時監(jiān)測窗口,，該窗口可以實時顯示檢測終端節(jié)點的各種參數(shù)指標。數(shù)據(jù)庫服務(wù)器用來保存歷史監(jiān)控信息,，以便進行數(shù)據(jù)挖掘和系統(tǒng)追溯需要,。
　不同水環(huán)境（溫度、pH值,、溶解氧含量和水位）對不同魚類的生長影響很大,，根據(jù)養(yǎng)殖魚類的生長需求，設(shè)置閾值,。從網(wǎng)絡(luò)控制節(jié)點接收到的數(shù)據(jù)通過處理,、分析、統(tǒng)計和存儲后,，將與設(shè)定的閾值進行匹配,，若背離度超過給定的范圍，將產(chǎn)生報警信息,，同時將控制命令通過無線網(wǎng)絡(luò)傳遞到對應(yīng)的終端節(jié)點,，啟動熱泵、增氧泵,、水泵和pH值控制器等機電設(shè)備,。
　上位機軟件設(shè)計采用圖形化界面，操作人員可通過屏幕直觀地觀察到遠端水產(chǎn)養(yǎng)殖現(xiàn)場的溫度,、溶解氧,、水位以及pH值參數(shù)變化情況,。采用人機交互方式，利用下拉式菜單,、彈出式窗口,、熱鍵操作和錯誤屏蔽等技術(shù)，最大限度方便用戶操作,。
4 系統(tǒng)測試
　在對終端節(jié)點,、網(wǎng)絡(luò)控制節(jié)點和GPRS模塊進行單獨性能測試后，整個監(jiān)測系統(tǒng)在水產(chǎn)養(yǎng)殖基地進行了現(xiàn)場的功能測試,。測試場地為某鯽魚養(yǎng)殖基地,，養(yǎng)魚池長100 m，寬70 m,，水深2 m,，透明度在35 cm左右。鯽魚屬鯉形目,、鯉科,、鯽屬，是一種主要以植物為食的雜食性魚,，喜群集而行,，擇食而居。在一個標準大氣壓下,，鯽魚對養(yǎng)殖水體中的溶氧量要求是必須高于5.0 mg/L,，鯽魚的窒息點為0.8 mg/L左右。鯽魚生長的最佳溫度為22℃~28℃,，對水的pH值要求在6.5~8.5之間,。
在養(yǎng)殖場所安放了10個終端節(jié)點，一個網(wǎng)絡(luò)控制器節(jié)點,，監(jiān)控室與養(yǎng)殖場所相距2 km左右,，監(jiān)測的部分數(shù)據(jù)（終端節(jié)點測試數(shù)據(jù)的平均值）如表1所示。

　在相同的監(jiān)控時間點采用人工的方式在養(yǎng)殖現(xiàn)場進行數(shù)據(jù)的獲取,，將兩種不同方法獲取的數(shù)據(jù)進行對比,，吻合度為99%，達到了測控要求,。
　水產(chǎn)養(yǎng)殖對環(huán)境要求較高,，傳統(tǒng)的管理方法對環(huán)境的變化反應(yīng)遲緩，往往是養(yǎng)殖的魚類發(fā)生了不適應(yīng)現(xiàn)象時,，管理人員才感知到水質(zhì)發(fā)生了變化,。若長期值守，不間斷地檢測水質(zhì),，又造成了人員浪費,，提高了管理成本。使用本無線智能監(jiān)控系統(tǒng)既解決了在野外環(huán)境難布線,、環(huán)境復(fù)雜,、防腐性差、線路容易老化腐蝕,、布線成本高,、安裝維護困難、面積大,、監(jiān)控點多以及移動性大等問題,，又能實時、自動地進行水產(chǎn)環(huán)境數(shù)據(jù)的獲取,，在上位機界面顯示趨勢圖,，配合預(yù)設(shè)的閾值和報警功能，給水產(chǎn)養(yǎng)殖帶來了新的管理理念,，減少了風(fēng)險,，增大了收益。
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