ZigBee技術在淡水養殖應用的研究*

齊樹鳴，李 麗

(1.佳木斯大學材料科學與工程學院；2.佳木斯大學信息電子技術學院，黑龍江 佳木斯 154007)

0 引言

隨著我國經濟不斷發展，水產養殖集約化已然變成為養殖的主體。在淡水養殖中，溫度、光照、溶氧量、PH值等因素都在不同程度上影響著養殖物種的生長。低溶氧量氧對魚類的生長不利，養殖魚類只有在溶氧量達到一定濃度之后才能維持其基本的生命活動，飼料的利用率也會隨溶氧量的升高而增加，從而影響養殖魚類的生長速度。魚類是一種變溫動物，養殖環境中水的溫度會直接影響到魚的生存繁殖，還需要水體水質有一定的弱堿性(PH為7～8.5)和低氨氮含量，從而減少對魚類生長的損害，但隨著水產養殖行業與養殖密度不斷發展提高，飼料投放、水溫、溶氧濃度、PH值的及時檢測與控制，將對淡水養殖的產量和質量產生巨大的影響[1]。

1 ZigBee技術在淡水養殖應用的結構

1.1 總體設計方案的結構

淡水養殖中需要監測的面積大且分散，這就需要分布較多的監測點，如果使用的是點對點式的管理方法，則在監控管理上就很大的不便，面對許許多多的監測點很難做到統一的實時管理，而且不利于對所需環境數據的管理分析，通過無線傳感器建立一個無線網絡，將各個監測點通過無線連接的方式聯系在一起，將所有數據匯總發送到數據處理中心，用戶通過數據處理中心統一管理監控，這樣就可以有效地減少管理者的工作量。根據淡水養殖中的具體監測環境系統和ZigBee的技術特點，選用ZigBee網絡作為無線網絡的基礎，總體方案結構如圖1所示[2]。

圖1 總體方案結構圖

淡水養殖無線監控系統的結構分為4層:數據采集模塊(傳感器節點)、路由器節點、匯聚節點(協調器節點)、數據處理終端。組網方式采用星型拓撲結構[3]。在實際的養殖環境中養殖場由多個小的區域構成，所以監控系統所監測的區域是由多個獨立的小區域組成，在每個單獨的小區域布置大量所需的傳感器節點，通過各個傳感器節點再組成無線傳感器網絡，采集各類環境數據再經過網絡的多跳傳輸，通過USB有線傳輸到達數據處理中心。考慮到無線網絡的多跳性，所以在實際的網絡中監測的范圍可以變得很大，根據不同的需要，從而有效地改變節點的數量使之動態地增加或減少，建立一個可以動態變化的監測網絡，滿足管理上的各種需求[4]。

1.2 PH傳感器的測量方案設計

傳感器采集模塊PH傳感器的測量范圍在0～14，傳感器引腳連接在CC2430的P 0.4腳上，為了滿足節點硬件要求采用信號調理電路，其主要作用是電流電壓轉換，增強抗干擾能力，如圖2所示[5]。

圖2 PH測量電路接線圖

1.3 水體溶解氧的測量方案設計

水體溶解氧的檢測使用溶解氧濃度傳感器，該傳感器通過覆膜酸性電解質原電池原理來實現水體中溶氧濃度的測量[6]。設計使用DOC-96DS型溶氧傳感器的測量范圍在0～20 mg/L，靈敏度范圍±0.5% FS，傳感器引腳連接在CC2430的P 0.5引腳上，為了滿足節點硬件使用要求，采用信號調理電路，其主要作用是電流/電壓轉換，增強抗干擾能力。水體溶解氧的測量電路如圖3所示。

圖3 水體溶解氧測量電路接線圖

1.4 溫度的測量方案設計

AD590型溫度傳感器的測量范圍是-50℃～100℃，靈敏度范圍±0.5℃，傳感器引腳連接在CC2430的P 0.6引腳，為了滿足節點硬件要求，采用信號調理電路，其主要作用是電流/電壓轉換、放大、增強抗干擾能力。通過AD590型溫度傳感器進行溫度檢測，輸出數字量，CC2430數據處理模塊進行處理后無線發送給協調端節點，協調端節點再通過USB傳輸給監控端，完成系統的監控工作[7]，溫度測量電路如圖4所示，由于淡水養殖無線監控系統的硬件結構很多，就不一一贅述。

圖4 溫度測量電路接線圖

2 淡水養殖無線監控系統的軟件設計

系統軟件主要包括兩個部分：ZigBee無線網絡的節點程序與數據管理中心程序。網絡節點程序包括網絡中各節點的ZigBee協議棧應用程序設計；數據管理中心程序設計包括用戶操作界面、數據庫、數據處理子程序等的設計[8]。為了和硬件設計相對應，在此僅介紹ZigBee無線網絡的節點程序。

2.1 協調器節點程序設計

協調器節點負責ZigBee無線網絡建立、發送相關指令、接收、轉發數據、與數據管理中心進行通信[9]，協調器節點程序流程如圖5所示。

圖5 協調器節點程序框圖

2.2 傳感器節點程序的設計

傳感器節點負責數據的采集、發送。當節點無數據采集工作時進入休眠狀態，以降低系統能耗，待到有新命令時進入工作狀態，傳感器節點的程序流程圖如圖6所示，首先傳感器節點啟動，進行初始化，將網絡地址和各種信息發送到協調器中，之后進入休眠狀態等待下一次數據采集命令的到來，之后開始工作。

圖6 傳感器節流程圖

3 結束語

淡水養殖對環境的要求相對較高，需要周圍環境中水源充足并且水質要好，進、排水操作方便，有充足的光照、飼料，交通方便等，對養殖池塘面積、方向、進排水系統都有許多要求，ZigBee協議以及三種無線網絡拓撲結構的特征，協調器節點主要負責網絡管理，路由器的功能是對網絡控制功能的拓撲結構傳輸的功能節點，終端節點是傳感器數據的采集節點，并與PC數據管理中心的監控系統互聯，建立出一個小型無線傳感器監控網絡。系統網絡的穩定可靠，節點訪問傳輸距離可達120 m，節點間數據傳輸流暢，滿足基本需求，通過網絡拓撲動態變化可實現節點重新入網，抗干擾能力強，實現了無線網絡技術在淡水養殖領域的應用。