基于ZigBee的水產養殖智能監測系統設計

王紹卜

（浙江萬里學院 現代物流學院，浙江 寧波 315100）

我國是農業生產大國，水產養殖業是我國農業、國民經濟和人民生活需求的重要組成部分。傳統的水產養殖手段和方法科技含量不足、對養殖環境的變化反應遲（往往是養殖的魚類發生了狀態變化才處理），導致養魚成本增加、經濟效益下降。為了提高水產養殖現代化管理水平，實現水產養殖自動化管理和控制，使用ZigBee技術構建了一個水產養殖智能監測系統，能夠實時地進行數據采集監測，以實現水質環境監控、養殖生產管理和專家知識查詢。

信息的實時精確采集、處理以及環境參數的自動監測為水產養殖業進一步向集約化、規模化方向發展提供了重要支撐[1-2]。相應的監測系統得到了研究，如基于.NET的對蝦病害防治專家系統的設計與實現[3]以及基于WSN的水產養殖環境參數監測系統設計[4]，這些系統從不同的側面進行了研究。本文在前期開發研究的基礎上設計了遠程監控系統，實現了水產養殖環境參數閾值設定、自動檢查和預警。

1 系統總體結構設計

系統主要由環境參數自動獲取傳感器節點、ZigBee無線網絡、GPRS無線通信網絡和上位機專家系統4個部分組成，如圖1所示。

圖1 系統結構圖

（1）終端節點（傳感器節點）

由分布在測試區域的監測水溫、pH值、溶解氧濃度和水位等各種傳感器以及ZigBee模塊（CC2530）構成終端節點，以自動獲取養殖環境參數，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

根據監控區域的大小，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監測網絡，負責監測數據的采集。

（3）GPRS 網絡

GPRS網絡是2.5代移動通信系統，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。

（4）上位機專家系統

上位機專家系統接收網絡控制器的數據，進行系統分析，與預先設定的環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形成處理方案，通知終端節點進行相應的操作。

2 硬件設計

2.1 終端節點設計

節點分為具有路由與中繼功能的FFD節點和只進行數據獲取的RFD節點。FFD節點可與RFD節點通信，也可以與別的FFD節點通信。在RFD節點不能直接與網關通信的時候，FFD節點就起到了連接網關和RFD節點通信的目的。兩類節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

由于節點要設置在室外，若使用電力線供電，布線比較麻煩，節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7號電池，也可加裝太陽能模塊，構建雙電源供電系統，能有效防止因電池電量不足給監測帶來的不便。根據測得節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。

圖2 無線模塊引腳圖

2.1.3 傳感器的選取

（1）溫度傳感器

系統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 0.0625℃，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。

（2）溶解氧傳感器

系統采用上海博取儀器有限公司生產的DOG-209F型工業溶氧電極（PPM級）。DOG-209F型溶解氧傳感器具有較高的穩定性和可靠性，可在惡劣環境中使用，維護量也較小，適用于城市污水處理、工業廢水處理、水產養殖和環境監測等領域的溶解氧連續測定。

（3）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150m；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模塊的協作下完成ZigBee網絡的建立與維護、數據采集與處理、無線數據收發以及ZigBee2007協議棧的正常運行。本設計選用TI公司成熟的ZigBee芯片CC2530/F256，它是符合IEEE802.15.4規范的SoC系統解決方案。

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控中心。通過GPRS與遠程監控中心連接，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

通用分組無線業務GPRS（General Packet Radio Service）是在GSM系統的基礎上引入新的部件而構成的無線數據傳輸系統。使用GPRS模塊進行遠程數據傳輸提高了系統的應用范圍，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針的串行口與監控系統主機連接。

3 軟件設計

在遠程監控端的上位機上運行應用軟件，調控GPRS遠程數據傳輸系統，進行數據的接收和存儲，并實現部分的控制功能。

3.1 終端節點子系統設計

根據節點子系統需要完成的功能和ZigBee特點，節點子系統將由節點感知模塊、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，該子系統處于休眼狀態，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時，將進行數據的采集和傳送，其主要程序流程如圖3所示。

圖3 終端節點子系統程序流程圖

3.2 網絡控制器子系統設計

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。當有終端節點申請加入時，為每一個終端節點分配地址。當上位機需要進行數據采集時，網絡控制器發出數據采集指令，之后等待接收終端節點采樣來的數據。

同時，系統上電后，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進行通信鏈路協商，獲得動態IP地址，接入Internet。這樣，GPRS無線監控終端通過網絡就可實現與遠程監控中心的全雙工數據通信[5]，將水產養殖場地的環境參數傳送到上位機控制系統中。網絡控制器子系統程序流程圖如圖4所示。

3.3 上位機系統設計

上位機系統主要由網關服務器、監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的協議轉換，并接收水產養殖場傳來的實時采集數據，將感知數據傳遞給監控平臺，監控平臺具有實時監測窗口，該窗口可以實時顯示檢測終端節點的各種參數指標。數據庫服務器用來保存歷史監控信息，以便進行數據挖掘和系統追溯需要。

圖4 網絡控制器子系統程序流程圖

不同水環境（溫度、pH值、溶解氧含量和水位）對不同魚類的生長影響很大，根據養殖魚類的生長需求，設置閾值。從網絡控制節點接收到的數據通過處理、分析、統計和存儲后，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 系統測試

在對終端節點、網絡控制節點和GPRS模塊進行單獨性能測試后，整個監測系統在水產養殖基地進行了現場的功能測試。測試場地為某鯽魚養殖基地，養魚池長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。

在養殖場所安放了10個終端節點，一個網絡控制器節點，監控室與養殖場所相距2 km左右，監測的部分數據（終端節點測試數據的平均值）如表1所示。

表1 鯽魚養殖環境監測數據表

在相同的監控時間點采用人工的方式在養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。

水產養殖對環境要求較高，傳統的管理方法對環境的變化反應遲緩，往往是養殖的魚類發生了不適應現象時，管理人員才感知到水質發生了變化。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。使用本無線智能監控系統既解決了在野外環境難布線、環境復雜、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、監控點多以及移動性大等問題，又能實時、自動地進行水產環境數據的獲取，在上位機界面顯示趨勢圖，配合預設的閾值和報警功能，給水產養殖帶來了新的管理理念，減少了風險，增大了收益。

[1] Wang Ning， Zhang Naiqian， Wang Maohua.Wireless sensors in agriculture and food industry-Recent development and future perspective [J].Computers andElectronics 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]劉雙印，徐龍琴，沈玉利，等.基于.NET的對蝦病害防治專家系統的設計與實現 [J].計算機工程與設計，2008，29（13）：3444-3447.

[4]張新榮，徐保國，邊雪芬.基于WSN的水產養殖環境參數監測系統設計[J].電測與儀表，2011（3）：59-62.

[5]孫龍霞，於鋒，陳新華.水產養殖水質監測與智能化管理系統的研發[J].中國農機化，2011（3）115-118.