基于ZigBee深水網箱環境數據監測系統設計

張國民+舒偉權+吳遠紅

摘 ?要：設計一個基于ZigBee的海洋深水網箱養殖環境數據監測系統。利用各種傳感器，監測網箱中的溫度、PH值及溶解氧等水質數據，通過ZigBee無線自組網技術和GPRS網絡將數據傳輸至智能手機終端，并在智能Android手機終端平臺實現數據的圖像化顯示。系統采用ZigBee無線組網技術，配合高性能處理器CC2530、DS18B20等，給出了系統的硬件結構和軟件設計方案。系統具有功耗低、組網靈活、可擴展性和實時性強等特點。

關鍵詞：ZigBee ?深水網箱養殖 ?數據傳輸 ?Android

深水網箱養殖作為海水養殖的一種新的模式，因其高投入、高產出、高效益，逐漸成為我國魚類養殖的重要方式。而海洋環境的多變性也增加了深水網箱養殖的風險，尤其是環境突變引起網箱周邊水質（包括水溫、PH值、溶解氧濃度等）的變化。水質的好壞直接或者間接影響到養殖生物的生長發育，直接影響到養殖戶的經濟效益。傳統的有線監控網箱技術，存在著水中布線困難、費時費力、可靠性不高、成本支出高等弊端。隨著信息通信技術的發展，一種新型的自組網技術ZigBee技術出現，并被廣泛應用到許多場合。本文涉及一種新型的基于ZigBee技術的深水網箱水質數據監測系統，并結合ZigBee和GPRS技術，將監測數據傳送到智能終端，方便養殖戶了解網箱環境的實時變化和及時采取相應措施。

ZigBee無線自組網

ZigBee是一種用于對數據傳輸速率要求不高、低功耗、短距離，基于IEEE 802.15.4無線標準無線雙線網絡通信技術。工作于2.4GHz全球統一的頻段，傳輸距離在10～75m之間，傳輸速率只有250KB/S一種，所以適合于傳感和控制領域。ZigBee具有低功耗、時延短、高容量、可靠、安全等特點，非常適合數量多且集中的局部網絡。

從網絡結構上看，ZigBee網絡可分為星形、樹形（簇狀）、網狀3種模型。其中網狀網絡結構將ZigBee網絡連接成一張網，網絡非常健壯，伸縮性好，可以同時通過多條通道進行數據的傳輸，傳輸的可靠性也非常強，克服了星形和樹形結構的節點之間的數據路由只有唯一的一個路徑，易在協調器處造成數據堵塞缺點，將被應用在本設計中。

圖1 ? 系統整體結構圖

數據采集

1、溫度數據采集

溫度傳感器采用Dallas 半導體公司的DS18B20，它可以通過簡單的編程實現9至12位的數字值讀取，并且DS18B20與微處理器連接時僅僅需要一條口線就能實現雙向通訊。

2、PH數據采集

PH測定采用工業級四線制Ag-AgCl復合玻璃電極。玻璃電極由導電、能滲透H+離子的特殊玻璃膜制成，參比電極由Ag-AgCl制成，在被測水體中兩者形成原電池。玻璃電極具有抗干擾性能好、測量精度高等特點。

溶液的溫度會影響檢測的結果，設計中在軟件方面根據溶液實際溫度值對PH值進行補償。設計采用差動輸入電路將其轉換到標準電信號。差動電路有很好的抗共模干擾噪音的能力，能適應海洋等復雜的環境。

3、溶解氧數據采集

溶解氧測定的方法，相比容量法、比色法、電流法、電導率法等方法，本設計使用的極譜式薄膜電極法具有靈敏度高，響應迅速，測量方法比較簡單。在實際情況下，水溫和氣壓會對參數產生影響，設計采用有溫度和氣壓補償的溶解氧極譜式電極D-811。設計由-5V電源生成-0.7V的極化電壓，加在溶解氧傳感器的兩端，使其產生0.7V的電壓差。由于極譜電極的輸出電流十分微弱，設計采用差動電流放大電流。

數據傳輸

1、ZigBee網間傳輸

系統采用點對點數據傳輸方式，ZigBee網絡內的任意節點之間，都可通過點對點傳輸指令傳輸數據。數據傳輸格式為：0xFD（數據傳輸指令）+ 0x0A（數據的長度） + 0x73 0x79（目標地址）+ 0x01 0x02 0x03 0x04 0x05 0x06 0x07 0x08 0x09 0x10（數據，共0x0A Byte）。數據接收方接收到來自發送方的全部數據，并在最后增加來源地址，即發送方地址（二個字節），低位在前。例如以0x7973連接至0x1431：0x7973發送的數據為：0xFD 0x0A 0x31 0x14 0x01 0x02 0x03 0x04 0x05 0x06 0x07 0x08 0x09 0x10;則在0x1431端接收到的數據：0xFD 0x0A 0x31 0x14 0x01 0x02 0x03 0x04 0x05 0x06 0x07 0x08 0x09 0x10。

結合ZigBee和GPRS的數據傳輸系統，包括ZigBee網絡和GPRS兩部分。ZigBee網絡通過網絡節點將采集數據以多跳變的方式傳送到ZigBee路由節點，路由節點將數據發送到網關，網關進行ZigBee數據包解析，從數據包中提取有效信息數據，進行協議轉換和數據包重新封裝打包成TCP/IP數據包，經過GPRS模塊的數據傳輸功能進行遠距離的傳輸。

2、GPRS數據傳輸

GPRS（General Packet Radio Service，通用分組無線服務技術）是在GSM系統基礎上采用分組交換技術的數據高速處理技術，支持TCP/IP網絡協議。通過在ZigBee協調器處增加GPRS傳輸模塊，在智能手機終端（Andriod APP）同樣安置GPRS模塊，利用移動運營商的GPRS移動網絡，實現數據的遠程傳輸。

軟件設計

1、ZigBee模塊軟件設計

設計采用高性能性片CC2530。CC2530芯片通過串口接收數據，對數據進行處理之后，通過串口和GPRS網絡將數據發送到服務器上。程序首先對接收數據的temp寄存器進行判斷，如果寄存器非空，就要對寄存器里面的數據送入緩存器中，為空則需要等待數據的再次送入。當數據從串口被送入，數據先被存放在緩存器中，當緩沖器放滿之后，就會產生中斷，進入中斷子程序。子程序將把緩存器中數據放入臨時temp寄存器中，當數據超過一定字符數或者遇到特殊字符時，則被認為是一個完整的數據流，temp寄存器將進入發送狀態。關閉temp寄存器的接收位功能，將temp寄存器內數據通過串口通過GPRS網絡發送至服務器。發送完畢，清空temp寄存器數據，回復接收數據狀態，等待數據的傳入。程序的流程圖如下：endprint

圖2 發送主程序和子程序流程圖

2、GPRS模塊設計

DTU是GPRS數據傳輸單元的簡稱，是專門用于將串口數據通過GPRS網絡進行無線傳輸的設備。內部集成TCP/IP協議，可實現雙向全透明傳輸。設計采用DTU T100，在DTU T100處放入一張開通GPRS功能的SIM卡，保證GPRS功能的支持。GPRS通信是通過IP地址尋址，IP地址的變換可能導致連接中斷，在設計中對服務器采用靜態IP地址，以保證養殖區GPRS模塊與服務器連接的暢通。

利用配置軟件GPRS DTU參數設置軟件V2.6對DTU T100進行參數設置。傳輸GPRS提供商的密碼設置為0，傳輸接入GPRS服務的APN值設置cmnet（中國移動的APN），SIM卡號為申請的卡的號碼，數據中心設置為服務器的靜態IP地址。

3、智能終端顯示設計

Android是基于liuux2.6以上內核的開源框架，最低層的Linux內核提供了最基本的進程調度、內存管理以及硬件驅動能力。基于Android開發的程序主要包括用戶界面開發和網絡功能開發兩個部分。界面的開發利用Android提供的各種API。而網絡開發方面則采用Android的Socket套接字。

圖3 ?人機交互界面

結束語

本系統利用ZigBee組網和GPRS無線網絡通信，充分考慮到GPRS的遠程傳輸優勢和ZigBee協議組網技術靈活方便的優越性。系統架構設計合理，系統功能實現較好，數據信號傳輸穩定、安全、可靠。利用手持智能手機終端和Android平臺，對數據進行圖像化顯示，有較好的人機交互功能。系統能準確對深水網箱及其周邊環境水質進行實時的檢測，能在一定程度上減少深水網箱養殖的風險，提高養殖戶的經濟效益。

參考文獻：

[1]王風. 基于CC2530的ZigBee無線傳感器網絡的設計與實現[D].西安電子科技大學，2012.

[2]呂鑫，王忠. ZigBee無線數據傳輸模塊的設計與實現[J]. 安徽師范大學學報（自然科學版），2010，04：332-335.

[3]柯躍前，黃江福，黃姍明，曾小明. 基于ZigBee模塊的海洋網箱養殖環境監測數據傳輸系統設計[J]. 漁業現代化，2012，05：49-52.

項目：2014年國家級大學生創新訓練計劃項目支持

（第一、三作者單位：浙江海洋學院數理與信息學院，第二作者單位：浙江國際海運職業技術學院）endprint