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(jìn)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(jìn)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(jìn)一步向集約化、規(guī)?；较虬l(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(jìn)行了研究。本文在前期開發(fā)研究的基礎(chǔ)上設(shè)計了遠(yuǎn)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。

　（1）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(jìn)行相關(guān)的控制操作。
　（2）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?fù)?、樹形拓?fù)浜途W(wǎng)狀拓?fù)洌瑐鞲衅鲾?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(fù)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。
?。?）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(jìn)行系統(tǒng)分析，與預(yù)先設(shè)定的環(huán)境參數(shù)閾值進(jìn)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(jìn)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(jìn)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(jìn)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(biāo)準(zhǔn)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(jìn)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(hù)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(dá)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(hù)套和可更換PH傳感元件，易于維護(hù)。
?。?）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(hù)、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(yuǎn)程數(shù)據(jù)監(jiān)控中心。通過GPRS與遠(yuǎn)程監(jiān)控中心連接，不受距離限制。存儲部分進(jìn)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(jìn)行遠(yuǎn)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(yuǎn)程監(jiān)控端的上位機上運行應(yīng)用軟件，調(diào)控GPRS遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)，進(jìn)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(jìn)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(jìn)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(jìn)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(jìn)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(jìn)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(yuǎn)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(biāo)。數(shù)據(jù)庫服務(wù)器用來保存歷史監(jiān)控信息，以便進(jìn)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(jìn)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(yuǎn)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(jìn)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(jìn)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(biāo)準(zhǔn)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?jǐn)?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(jìn)行數(shù)據(jù)的獲取，將兩種不同方法獲取的數(shù)據(jù)進(jìn)行對比，吻合度為99%，達(dá)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(hù)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(jìn)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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