摘 要： 針對水產養(yǎng)殖的實際需求，利用ZigBee、GPRS和傳感器技術設計一個無線傳感器網絡，構建了一套完整的水產養(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)境因素進行實時數據監(jiān)測和采集，實現了智慧水產養(yǎng)殖的目的。
關鍵詞： ZigBee；水產養(yǎng)殖；監(jiān)測
我國是農業(yè)生產大國，水產養(yǎng)殖業(yè)是我國農業(yè)、國民經濟和人民生活需求的重要組成部分。傳統(tǒng)的水產養(yǎng)殖手段和方法科技含量不足、對養(yǎng)殖環(huán)境的變化反應遲（往往是養(yǎng)殖的魚類發(fā)生了狀態(tài)變化才處理），導致養(yǎng)魚成本增加、經濟效益下降。為了提高水產養(yǎng)殖現代化管理水平，實現水產養(yǎng)殖自動化管理和控制，使用ZigBee技術構建了一個水產養(yǎng)殖智能監(jiān)測系統(tǒng)，能夠實時地進行數據采集監(jiān)測，以實現水質環(huán)境監(jiān)控、養(yǎng)殖生產管理和專家知識查詢。
信息的實時精確采集、處理以及環(huán)境參數的自動監(jiān)測為水產養(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)的設計與實現[3]以及基于WSN的水產養(yǎng)殖環(huán)境參數監(jiān)測系統(tǒng)設計[4]，這些系統(tǒng)從不同的側面進行了研究。本文在前期開發(fā)研究的基礎上設計了遠程監(jiān)控系統(tǒng)，實現了水產養(yǎng)殖環(huán)境參數閾值設定、自動檢查和預警。
1 系統(tǒng)總體結構設計
系統(tǒng)主要由環(huán)境參數自動獲取傳感器節(jié)點、ZigBee無線網絡、GPRS無線通信網絡和上位機專家系統(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）構成終端節(jié)點，以自動獲取養(yǎng)殖環(huán)境參數，并能接收上位機的控制指令進行相關的控制操作。
（2）ZigBee無線網絡
根據監(jiān)控區(qū)域的大小，靈活地采用星形拓撲、樹形拓撲和網狀拓撲，傳感器數據以無線多跳的形式上傳至網絡控制器。底層為多個ZigBee監(jiān)測網絡，負責監(jiān)測數據的采集。
?。?）GPRS網絡
GPRS網絡是2.5代移動通信系統(tǒng)，位于第二代（2G）和第三代（3G）移動通信技術之間。它的基本功能是在網絡控制器與Internet的路由器之間傳遞分組數據，使用分組交換技術，能兼容GSM。
?。?）上位機專家系統(tǒng)
上位機專家系統(tǒng)接收網絡控制器的數據，進行系統(tǒng)分析，與預先設定的環(huán)境參數閾值進行比較，當參數值超出設計范圍時，產生報警信息。工作人員可根據專家系統(tǒng)形成處理方案，通知終端節(jié)點進行相應的操作。
2 硬件設計
2.1 終端節(jié)點設計
節(jié)點分為具有路由與中繼功能的FFD節(jié)點和只進行數據獲取的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)點不能直接與網關通信的時候，FFD節(jié)點就起到了連接網關和RFD節(jié)點通信的目的。兩類節(jié)點在硬件設計上基本相同，只需在實際應用中根據需要“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)點也不能根據需要進行靈活的移動。本設計采用電池供電，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。根據測得節(jié)點工作時的電流和電壓等數據以及實際應用中的要求，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。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)采用數字式溫度傳感器DS18B20，它采用單總線專用技術，既可通過串行線，也可通過其他I/O線與微機接口，無須經過其他變換電路，直接輸出被測溫度值（9 bit二進制數，含符號位），測溫范圍為-55℃~ +125℃，測量分辨率為0.062 5℃，內含64 bit經過激光修正的只讀存儲器ROM，用戶可分別設定各路溫度的上、下限，內含寄生電源。
?。?）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、水產養(yǎng)殖和環(huán)境監(jiān)測等領域的溶解氧連續(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pH傳感器是一個堅固耐用的水質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。
?。?）水位傳感器
選用廣東浩捷電子儀器有限公司生產的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，全不銹鋼結構，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網絡控制器設計
網絡控制器硬件設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網絡的建立與維護、數據采集與處理、無線數據收發(fā)以及ZigBee2007協(xié)議棧的正常運行。本設計選用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。
網絡控制器由ZigBee模塊、GPRS模塊和存儲模塊組成，ZigBee模塊實現底端數據的傳輸和組網，然后通過GPRS模塊將底端數據傳到遠程數據監(jiān)控中心。通過GPRS與遠程監(jiān)控中心連接，不受距離限制。存儲部分進行數據的緩存和備份，為保證網絡的正常使用，模塊應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GPRS（General Packet Radio Service）是在GSM系統(tǒng)的基礎上引入新的部件而構成的無線數據傳輸系統(tǒng)。使用GPRS模塊進行遠程數據傳輸提高了系統(tǒng)的應用范圍，可在具有移動無線公網信號的任意地段內實現通信。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，能提供數據、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 軟件設計
在遠程監(jiān)控端的上位機上運行應用軟件，調控GPRS遠程數據傳輸系統(tǒng)，進行數據的接收和存儲，并實現部分的控制功能。
3.1 終端節(jié)點子系統(tǒng)設計
根據節(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)，當接收到網絡控制器傳來的數據采集命令或自身設置的中斷觸發(fā)時，將進行數據的采集和傳送，其主要程序流程如圖3所示。
3.2 網絡控制器子系統(tǒng)設計
網絡控制器上電后首先對CC2530進行初始化，建立一個無線網絡。當有終端節(jié)點申請加入時，為每一個終端節(jié)點分配地址。當上位機需要進行數據采集時，網絡控制器發(fā)出數據采集指令，之后等待接收終端節(jié)點采樣來的數據。
同時，系統(tǒng)上電后，GPRS模塊復位，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的設置，使設備連接到GPRS網。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)控終端通過網絡就可實現與遠程監(jiān)控中心的全雙工數據通信[5]，將水產養(yǎng)殖場地的環(huán)境參數傳送到上位機控制系統(tǒng)中。網絡控制器子系統(tǒng)程序流程圖如圖4所示。
3.3 上位機系統(tǒng)設計
上位機系統(tǒng)主要由網關服務器、監(jiān)控平臺和數據庫服務器組成。網關服務器完成網絡控制器與上位機系統(tǒng)的協(xié)議轉換，并接收水產養(yǎng)殖場傳來的實時采集數據，將感知數據傳遞給監(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)點的各種參數指標。數據庫服務器用來保存歷史監(jiān)控信息，以便進行數據挖掘和系統(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，根據養(yǎng)殖魚類的生長需求，設置閾值。從網絡控制節(jié)點接收到的數據通過處理、分析、統(tǒng)計和存儲后，將與設定的閾值進行匹配，若背離度超過給定的范圍，將產生報警信息，同時將控制命令通過無線網絡傳遞到對應的終端節(jié)點，啟動熱泵、增氧泵、水泵和pH值控制器等機電設備。
上位機軟件設計采用圖形化界面，操作人員可通過屏幕直觀地觀察到遠端水產養(yǎng)殖現場的溫度、溶解氧、水位以及pH值參數變化情況。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，最大限度方便用戶操作。
4 系統(tǒng)測試
在對終端節(jié)點、網絡控制節(jié)點和GPRS模塊進行單獨性能測試后，整個監(jiān)測系統(tǒng)在水產養(yǎng)殖基地進行了現場的功能測試。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，一個網絡控制器節(jié)點，監(jiān)控室與養(yǎng)殖場所相距2 km左右，監(jiān)測的部分數據（終端節(jié)點測試數據的平均值）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)殖現場進行數據的獲取，將兩種不同方法獲取的數據進行對比，吻合度為99%，達到了測控要求。
水產養(yǎng)殖對環(huán)境要求較高，傳統(tǒng)的管理方法對環(huán)境的變化反應遲緩，往往是養(yǎng)殖的魚類發(fā)生了不適應現象時，管理人員才感知到水質發(fā)生了變化。若長期值守，不間斷地檢測水質，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、自動地進行水產環(huán)境數據的獲取，在上位機界面顯示趨勢圖，配合預設的閾值和報警功能，給水產養(yǎng)殖帶來了新的管理理念，減少了風險，增大了收益。
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