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基于ZigBee的水产养殖智能监测系统设计
来源:微型机与应用2013年第7期
王绍卜
(浙江万里学院 现代物流学院,浙江 宁波 315100)
摘要: 针对水产养殖的实际需求,利用ZigBee、GPRS和传感器技术设计一个无线传感器网络,构建了一套完整的水产养殖环境监测系统,对影响鱼类生长的温度、pH值、溶解氧含量和水位等环境因素进行实时数据监测和采集,实现了智慧水产养殖的目的。
Abstract:
Key words :

摘  要: 针对水产养殖的实际需求,利用ZigBee、GPRS和传感器技术设计一个无线传感器网络,构建了一套完整的水产养殖环境监测系统,对影响鱼类生长的温度、pH值、溶解氧含量和水位等环境因素进行实时数据监测和采集,实现了智慧水产养殖的目的。
关键词: ZigBee;水产养殖;监测

 我国是农业生产大国,水产养殖业是我国农业、国民经济和人民生活需求的重要组成部分。传统的水产养殖手段和方法科技含量不足、对养殖环境的变化反应迟(往往是养殖的鱼类发生了状态变化才处理),导致养鱼成本增加、经济效益下降。为了提高水产养殖现代化管理水平,实现水产养殖自动化管理和控制,使用ZigBee技术构建了一个水产养殖智能监测系统,能够实时地进行数据采集监测,以实现水质环境监控、养殖生产管理和专家知识查询。
 信息的实时精确采集、处理以及环境参数的自动监测为水产养殖业进一步向集约化、规模化方向发展提供了重要支撑[1-2]。相应的监测系统得到了研究,如基于.NET的对虾病害防治专家系统的设计与实现[3]以及基于WSN的水产养殖环境参数监测系统设计[4],这些系统从不同的侧面进行了研究。本文在前期开发研究的基础上设计了远程监控系统,实现了水产养殖环境参数阈值设定、自动检查和预警。
1 系统总体结构设计
 系统主要由环境参数自动获取传感器节点、ZigBee无线网络、GPRS无线通信网络和上位机专家系统4个部分组成,如图1所示。

 (1)终端节点(传感器节点)
由分布在测试区域的监测水温、pH值、溶解氧浓度和水位等各种传感器以及ZigBee模块(CC2530)构成终端节点,以自动获取养殖环境参数,并能接收上位机的控制指令进行相关的控制操作。
 (2)ZigBee无线网络
根据监控区域的大小,灵活地采用星形拓扑、树形拓扑和网状拓扑,传感器数据以无线多跳的形式上传至网络控制器。底层为多个ZigBee监测网络,负责监测数据的采集。
 (3)GPRS网络
GPRS网络是2.5代移动通信系统,位于第二代(2G)和第三代(3G)移动通信技术之间。它的基本功能是在网络控制器与Internet的路由器之间传递分组数据,使用分组交换技术,能兼容GSM。
 (4)上位机专家系统
 上位机专家系统接收网络控制器的数据,进行系统分析,与预先设定的环境参数阈值进行比较,当参数值超出设计范围时,产生报警信息。工作人员可根据专家系统形成处理方案,通知终端节点进行相应的操作。

 


2 硬件设计
2.1 终端节点设计

 节点分为具有路由与中继功能的FFD节点和只进行数据获取的RFD节点。FFD节点可与RFD节点通信,也可以与别的FFD节点通信。在RFD节点不能直接与网关通信的时候,FFD节点就起到了连接网关和RFD节点通信的目的。两类节点在硬件设计上基本相同,只需在实际应用中根据需要“烧写”入不同的脚本。
节点主要由电源底板、无线模块和传感器模块3部分组成。
2.1.1 电源底板
 由于节点要设置在室外,若使用电力线供电,布线比较麻烦,节点也不能根据需要进行灵活的移动。本设计采用电池供电,可安装4节7号电池,也可加装太阳能模块,构建双电源供电系统,能有效防止因电池电量不足给监测带来的不便。根据测得节点工作时的电流和电压等数据以及实际应用中的要求,适宜采用6 V电源给节点供电。
2.1.2 CC2530无线模块
 ZigBee无线模块采用TI的ZigBee片上系统CC2530作为控制器,主要由ZigBee芯片、晶振、天线、扩展引脚以及LED灯等组成,工作于2.4 GHz的ISM频段。CC2530结合了一个完全集成的高性能RF收发器与一个8051单片机,8 KB的RAM,32/64/128/256 KB闪存,以及其他强大的支持功能和外设。无线模块采用标准双排20针功能引脚与底板相连。无线模块引脚图如图2所示。

2.1.3 传感器的选取
 (1)温度传感器
 系统采用数字式温度传感器DS18B20,它采用单总线专用技术,既可通过串行线,也可通过其他I/O线与微机接口,无须经过其他变换电路,直接输出被测温度值(9 bit二进制数,含符号位),测温范围为-55℃~ +125℃,测量分辨率为0.062 5℃,内含64 bit经过激光修正的只读存储器ROM,用户可分别设定各路温度的上、下限,内含寄生电源。
 (2)溶解氧传感器
 系统采用上海博取仪器有限公司生产的DOG-209F型工业溶氧电极(PPM级)。DOG-209F型溶解氧传感器具有较高的稳定性和可靠性,可在恶劣环境中使用,维护量也较小,适用于城市污水处理、工业废水处理、水产养殖和环境监测等领域的溶解氧连续测定。
 (3)pH值传感器
 pH值表示水的酸碱度,当水中pH值低于5.5或高于9时不能作为养殖用水。本文选用美国GWI品牌的WQ201 pH值传感器。WQ201水质pH传感器是一个坚固耐用的水质pH测量器件,带有7.5 m船舶级电缆,最大电缆长度可达150 m;采用3线制,4 mA~20 mA输出。变送器的电子部件全部用船舶级环氧树脂包封,不锈钢外壳;在线式传感器具有1"PVC×8"的管螺纹连接;具有可拆卸护套和可更换PH传感元件,易于维护。
 (4)水位传感器
 选用广东浩捷电子仪器有限公司生产的PTJ301投入式液位传感器,其采用扩散硅压阻芯体或陶瓷压阻芯体,全不锈钢结构,主要适用于河流、地下水位、水库、水塔及容器等的液位测量与控制。
2.2 ZigBee网络控制器设计
 网络控制器硬件设计的核心是处理器芯片。处理器模块在无线收发模块的协作下完成ZigBee网络的建立与维护、数据采集与处理、无线数据收发以及ZigBee2007协议栈的正常运行。本设计选用TI公司成熟的ZigBee芯片CC2530/F256,它是符合IEEE802.15.4规范的SoC系统解决方案。
 网络控制器由ZigBee模块、GPRS模块和存储模块组成,ZigBee模块实现底端数据的传输和组网,然后通过GPRS模块将底端数据传到远程数据监控中心。通过GPRS与远程监控中心连接,不受距离限制。存储部分进行数据的缓存和备份,为保证网络的正常使用,模块应采用蓄电池或电路供电。
2.3 GPRS模块的选取
 通用分组无线业务GPRS(General Packet Radio Service)是在GSM系统的基础上引入新的部件而构成的无线数据传输系统。使用GPRS模块进行远程数据传输提高了系统的应用范围,可在具有移动无线公网信号的任意地段内实现通信。本文使用的GPRS模块是Siemens的MC35i。MC35i支持GSM 900/1 800 MHz双频和GPRS Class8/ClassB,体积小、功耗低,能提供数据、语音和短信等功能。GPRS模块通过9针的串行口与监控系统主机连接。
3 软件设计
 在远程监控端的上位机上运行应用软件,调控GPRS远程数据传输系统,进行数据的接收和存储,并实现部分的控制功能。
3.1 终端节点子系统设计
 根据节点子系统需要完成的功能和ZigBee特点,节点子系统将由节点感知模块、路由选择模块、无线通信模块、信息处理及信息管理单元组成。一般情况下,该子系统处于休眼状态,当接收到网络控制器传来的数据采集命令或自身设置的中断触发时,将进行数据的采集和传送,其主要程序流程如图3所示。

3.2 网络控制器子系统设计
 网络控制器上电后首先对CC2530进行初始化,建立一个无线网络。当有终端节点申请加入时,为每一个终端节点分配地址。当上位机需要进行数据采集时,网络控制器发出数据采集指令,之后等待接收终端节点采样来的数据。
同时,系统上电后,GPRS模块复位,通过AT指令对其进行初始化,包括对GPRS模块的波特率和工作类型等参数的设置,使设备连接到GPRS网。然后通过拨号与GGSN进行通信链路协商,获得动态IP地址,接入Internet。这样,GPRS无线监控终端通过网络就可实现与远程监控中心的全双工数据通信[5],将水产养殖场地的环境参数传送到上位机控制系统中。网络控制器子系统程序流程图如图4所示。

3.3 上位机系统设计
 上位机系统主要由网关服务器、监控平台和数据库服务器组成。网关服务器完成网络控制器与上位机系统的协议转换,并接收水产养殖场传来的实时采集数据,将感知数据传递给监控平台,监控平台具有实时监测窗口,该窗口可以实时显示检测终端节点的各种参数指标。数据库服务器用来保存历史监控信息,以便进行数据挖掘和系统追溯需要。
 不同水环境(温度、pH值、溶解氧含量和水位)对不同鱼类的生长影响很大,根据养殖鱼类的生长需求,设置阈值。从网络控制节点接收到的数据通过处理、分析、统计和存储后,将与设定的阈值进行匹配,若背离度超过给定的范围,将产生报警信息,同时将控制命令通过无线网络传递到对应的终端节点,启动热泵、增氧泵、水泵和pH值控制器等机电设备。
 上位机软件设计采用图形化界面,操作人员可通过屏幕直观地观察到远端水产养殖现场的温度、溶解氧、水位以及pH值参数变化情况。采用人机交互方式,利用下拉式菜单、弹出式窗口、热键操作和错误屏蔽等技术,最大限度方便用户操作。
4 系统测试
 在对终端节点、网络控制节点和GPRS模块进行单独性能测试后,整个监测系统在水产养殖基地进行了现场的功能测试。测试场地为某鲫鱼养殖基地,养鱼池长100 m,宽70 m,水深2 m,透明度在35 cm左右。鲫鱼属鲤形目、鲤科、鲫属,是一种主要以植物为食的杂食性鱼,喜群集而行,择食而居。在一个标准大气压下,鲫鱼对养殖水体中的溶氧量要求是必须高于5.0 mg/L,鲫鱼的窒息点为0.8 mg/L左右。鲫鱼生长的最佳温度为22℃~28℃,对水的pH值要求在6.5~8.5之间。
在养殖场所安放了10个终端节点,一个网络控制器节点,监控室与养殖场所相距2 km左右,监测的部分数据(终端节点测试数据的平均值)如表1所示。

 在相同的监控时间点采用人工的方式在养殖现场进行数据的获取,将两种不同方法获取的数据进行对比,吻合度为99%,达到了测控要求。
 水产养殖对环境要求较高,传统的管理方法对环境的变化反应迟缓,往往是养殖的鱼类发生了不适应现象时,管理人员才感知到水质发生了变化。若长期值守,不间断地检测水质,又造成了人员浪费,提高了管理成本。使用本无线智能监控系统既解决了在野外环境难布线、环境复杂、防腐性差、线路容易老化腐蚀、布线成本高、安装维护困难、面积大、监控点多以及移动性大等问题,又能实时、自动地进行水产环境数据的获取,在上位机界面显示趋势图,配合预设的阈值和报警功能,给水产养殖带来了新的管理理念,减少了风险,增大了收益。
参考文献
[1] Wang Ning, Zhang Naiqian, Wang Maohua. Wireless sensors in agriculture and food industry-Recent development and future perspective[J]. Computers and Electronics in Agriculture,2006,50 (1): 1-14.
[2] PIERCE F J,ELLIOTT T V. Regional and on-farm wireless sensor networks for agricultural systems in Eastern Washington[J]. Computers and Electronics in Agriculture,2008,61 (1):32-43.
[3] 刘双印,徐龙琴,沈玉利,等.基于.NET的对虾病害防治专家系统的设计与实现[J].计算机工程与设计,2008,29(13):3444-3447.
[4] 张新荣,徐保国,边雪芬.基于WSN的水产养殖环境参数监测系统设计[J].电测与仪表,2011(3):59-62.
[5] 孙龙霞,於锋,陈新华.水产养殖水质监测与智能化管理系统的研发[J].中国农机化,2011(3)115-118.