基于ZigBee的水產(chǎn)養(yǎng)殖無線監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計

徐 凱,張秋菊,李克修,盛衛(wèi)峰

（江南大學 機械工程學院，江蘇 無錫214122）

隨著科學技術(shù)的發(fā)展，尤其是網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和傳感器技術(shù)的發(fā)展，精細農(nóng)業(yè)越來越受到人們的關(guān)注[1]。與此同時，我國的水產(chǎn)養(yǎng)殖已經(jīng)從傳統(tǒng)的粗放型養(yǎng)殖逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)楣S化養(yǎng)殖，水產(chǎn)養(yǎng)殖自動化監(jiān)控技術(shù)發(fā)展較快。在水產(chǎn)養(yǎng)殖過程中需要實時監(jiān)控多種參數(shù)，例如水溫、溶解氧、pH值和氨氮值等。目前，水產(chǎn)養(yǎng)殖監(jiān)控系統(tǒng)多使用現(xiàn)場總線技術(shù)，通過總線實現(xiàn)傳感器參數(shù)和控制參數(shù)的傳輸[2-3]。但是由于水產(chǎn)養(yǎng)殖區(qū)域分布范圍廣，環(huán)境惡劣，有線組網(wǎng)方式布線困難，不易維護，成本較高。ZigBee技術(shù)一種是新型的的短距離、低速率、低成本的無線網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)[4]，無線傳感網(wǎng)絡(luò)已經(jīng)成功應(yīng)用于糧庫自動化檢測[5]、溫室環(huán)境監(jiān)測[6]、果蔬冷鏈配送[7]、智能灌溉[8]、土壤溫度監(jiān)測[9]、牲畜定位[10]等農(nóng)業(yè)生產(chǎn)相關(guān)領(lǐng)域。同時ZigBee技術(shù)還與以太網(wǎng)、GSM等傳統(tǒng)通信網(wǎng)絡(luò)結(jié)合，提高了無線傳感網(wǎng)的應(yīng)用范圍。將無線傳感網(wǎng)絡(luò)技術(shù)應(yīng)用于水產(chǎn)養(yǎng)殖中，不但可以減少污染、降低能耗，還可以有效提高經(jīng)濟效益。

本文以無線傳感網(wǎng)絡(luò)技術(shù)為基礎(chǔ)，完成一套完整的水產(chǎn)養(yǎng)殖無線監(jiān)控系統(tǒng)。無線傳感網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)了水環(huán)境參數(shù)、大氣環(huán)境參數(shù)和養(yǎng)殖中心能耗等監(jiān)測功能，并通過無線網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)增氧機的自動控制。水環(huán)境監(jiān)測節(jié)點使用太陽能供電系統(tǒng)，每個水環(huán)境監(jiān)測節(jié)點通過水溫、溶解氧和pH值來監(jiān)測魚類生存環(huán)境；自動氣象站實時監(jiān)測大氣溫度、大氣濕度、大氣壓強、風速、風向等參數(shù)；智能電表實現(xiàn)養(yǎng)殖中心的能耗監(jiān)控；監(jiān)控中心計算機實現(xiàn)水環(huán)境相關(guān)傳感數(shù)據(jù)實時顯示和保存功能。

1 無線監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)設(shè)計

1.1 無線監(jiān)控系統(tǒng)整體設(shè)計

無線監(jiān)控系統(tǒng)由無線傳感網(wǎng)絡(luò)、水環(huán)境監(jiān)測傳感器、智能電表、自動氣象站，GSM模塊、監(jiān)控計算機和遠程數(shù)據(jù)庫組成。無線監(jiān)控系統(tǒng)實現(xiàn)了三種不同類型的參數(shù)檢測。(1)水環(huán)境參數(shù)檢測，這些參數(shù)和魚類生長繁殖息息相關(guān)，包括水溫、溶解氧和 pH值；(2)大氣環(huán)境參數(shù)，這些參數(shù)也會影響水環(huán)境參數(shù)，例如大氣溫度、濕度、風速和風向等；(3)養(yǎng)殖中心能耗情況，通過智能電表監(jiān)控各養(yǎng)殖中心的用電量。除了環(huán)境和能耗參數(shù)的監(jiān)測之外，該系統(tǒng)還具有遠程控制功能，例如通過無線網(wǎng)絡(luò)控制增氧機的啟動或停止。在無線傳感網(wǎng)絡(luò)中，傳感網(wǎng)中心節(jié)點和監(jiān)測節(jié)點使用主從通信方式，即中心節(jié)點廣播命令，指定的從機在接受命令后，立即執(zhí)行命令并返回執(zhí)行結(jié)果。在本無線傳感網(wǎng)絡(luò)中，由監(jiān)控計算機通過網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器廣播命令。監(jiān)控計算機可以實時顯示各傳感節(jié)點參數(shù)，通過以太網(wǎng)把收集到的數(shù)據(jù)存入遠程數(shù)據(jù)庫中。監(jiān)控計算機具有報警功能，如遇緊急情況，監(jiān)控計算機將會向養(yǎng)殖管理者發(fā)送報警信息。與此同時，水產(chǎn)養(yǎng)殖管理者可以通過手機實時獲得水環(huán)境中的各種參數(shù)和增氧機的工作狀態(tài)。無線傳感網(wǎng)的總體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

1.2 傳感網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

ZigBee網(wǎng)絡(luò)根據(jù)應(yīng)用的需要可以分為星型網(wǎng)絡(luò)、網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)和樹狀網(wǎng)絡(luò)。星型網(wǎng)絡(luò)適合家庭自動化或個人健康護理等小范圍應(yīng)用，網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器與終端設(shè)備、中繼路由通信，在這種簡單的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)中，路由器不具有路由作用。與星型網(wǎng)絡(luò)不同，在網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)中，只要節(jié)點在彼此的視距范圍之內(nèi)就可以通信，路由器具有網(wǎng)絡(luò)報文的轉(zhuǎn)發(fā)功能，但是網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建比較復雜，節(jié)點維護的信息較多。樹狀網(wǎng)絡(luò)實際上是多個星型網(wǎng)絡(luò)的組合，網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器、路由器和終端節(jié)點功能清晰，整個網(wǎng)絡(luò)構(gòu)造簡單，節(jié)點消耗資源少。

本設(shè)計中，無線傳感網(wǎng)絡(luò)采用樹狀網(wǎng)絡(luò)，具體結(jié)構(gòu)如圖2所示。水質(zhì)監(jiān)測節(jié)點和增氧機控制節(jié)點作為終端節(jié)點，負責獲得傳感器的輸出信息和執(zhí)行控制參數(shù)；路由器負責傳遞網(wǎng)絡(luò)報文，擴大了無線傳感網(wǎng)絡(luò)的范圍；網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器負責發(fā)送監(jiān)控指令，并向監(jiān)控計算機返回傳感器數(shù)據(jù)。

1.3 水質(zhì)監(jiān)測節(jié)點硬件結(jié)構(gòu)

水質(zhì)監(jiān)測節(jié)點由ZigBee模塊、溶解氧傳感器、pH值傳感器、水溫傳感器、太陽能電池板、鉛蓄電池和智能充電器控制器組成。監(jiān)測系統(tǒng)使用上海順舟公司的SZ06系列 ZigBee模塊，該系列模塊具有 GPIO、A/D、RS232或者RS485通信功能，完全滿足系統(tǒng)的設(shè)計需要。

根據(jù)水產(chǎn)養(yǎng)殖中心的實際情況，水環(huán)境監(jiān)測節(jié)點需安裝在池塘中央，較難提供電網(wǎng)電源，所以使用太陽能電池板和鉛蓄電池組成系統(tǒng)電源。由于水環(huán)境監(jiān)測節(jié)點需要24小時監(jiān)控供電，所以需要容量較大的鉛蓄電池提供后備電源。根據(jù)該地區(qū)的天氣情況，水環(huán)境監(jiān)測節(jié)點需要鉛蓄電池在無充電的情況下，連續(xù)工作5到6天。水質(zhì)監(jiān)測節(jié)點的硬件結(jié)構(gòu)如圖3所示。

水質(zhì)傳感器具有標準的4～20 mA電流輸出信號。傳感器的輸出信號經(jīng)過信號調(diào)理之后，由ZigBee模塊進行A/D轉(zhuǎn)換，經(jīng)過處理之后便可計算出傳感器輸出的實際結(jié)果。水質(zhì)監(jiān)測節(jié)點的工作流程如圖4所示。

圖4 水質(zhì)監(jiān)測節(jié)點軟件流程圖

1.4 增氧機控制節(jié)點設(shè)計

為了實現(xiàn)增氧機的遠程控制，終端節(jié)點還具有I/O口輸出功能。增氧機控制節(jié)點(見圖5)通過控制中間繼電器來控制交流接觸器，啟動或關(guān)閉增氧機的泵電機。增氧機控制節(jié)點具有遠程自動控制和現(xiàn)場手動控制兩種模式。圖5中，SA1旋鈕開關(guān)作為手動和自動選擇開關(guān)。SB1和SB2分別為停止和啟動按鈕，KM1為增氧機交流接觸器線圈。若處于手動控制模式下，則可通過SB1和SB2控制增氧機；若處于自動控制模塊，則可通過中心計算機廣播控制指令遠程控制增氧機。

1.5 大氣環(huán)境和功耗監(jiān)測設(shè)計

由于傳統(tǒng)的自動氣象站和智能電表都沒有無線傳輸功能，所以需要對氣象站和智能電表的輸出信號進行轉(zhuǎn)化，進而組成一個傳感網(wǎng)絡(luò)。本項目使用武漢新綠原公司的自動氣象站，該氣象站提供一個RS232接口，通過ModBus協(xié)議指令傳輸大氣溫度、大氣濕度、風速和風向等參數(shù)。自動氣象站和智能電表網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)如圖6所示。根據(jù)國家相關(guān)標準，智能電表提供一個RS485接口，通過ModBus協(xié)議傳輸諸如消耗總電量或當天消耗電量等信息。為了能夠有效地統(tǒng)一檢測節(jié)點的傳輸信號，該無線傳感網(wǎng)為智能電表和自動氣象站設(shè)計了特殊的終端節(jié)點，這些終端節(jié)點通過RS232接口或者RS485接口發(fā)送Modbus協(xié)議命令，把獲得的結(jié)果保存在指定的內(nèi)存中，這樣監(jiān)控中心的計算機就可以使用統(tǒng)一的指令訪問終端節(jié)點。從本質(zhì)上來說，這種特殊的終端節(jié)點起到了RS232與RS485之間橋梁的作用，有了這種轉(zhuǎn)化設(shè)備，就能有效地提高傳感網(wǎng)絡(luò)的集成度，方便監(jiān)控中心計算機訪問。

2 監(jiān)控軟件設(shè)計

監(jiān)控軟件分為本地客戶端和遠程服務(wù)器端。本地客戶端主要負責收集每個傳感器的信息，并定時把傳感器數(shù)據(jù)傳輸給服務(wù)器端；服務(wù)器端保留所有的歷史數(shù)據(jù)，并對歷史數(shù)據(jù)進行分析整理。養(yǎng)殖中心管理者可以通過互聯(lián)網(wǎng)訪問傳感器歷史數(shù)據(jù)庫，查看所有監(jiān)測節(jié)點的數(shù)據(jù)。

2.1 監(jiān)測軟件客戶端

監(jiān)測軟件客戶端采用Delphi7開發(fā)。監(jiān)控軟件客戶端包括串口設(shè)置、接口設(shè)置、數(shù)據(jù)通信、數(shù)據(jù)上傳和GSM通信5大功能。串口設(shè)置功能可以配置與網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器相連的串口，例如串口端口號、數(shù)據(jù)位、停止位和奇偶校驗等參數(shù)。接口設(shè)置功能主要用于設(shè)置和查詢終端節(jié)點的參數(shù)，這些參數(shù)不但包含ZigBee模塊的地址，還包括與之相連傳感器的信息。數(shù)據(jù)通信功能用于啟動和停止傳感器數(shù)據(jù)采集，并及時解析采集的數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)上傳功能負責把傳感器的數(shù)據(jù)傳送給遠程數(shù)據(jù)庫。GSM功能可以通過手機短信的方式，向養(yǎng)殖管理者發(fā)送報警信息，養(yǎng)殖中心管理者還可以通過短信查詢各傳感節(jié)點參數(shù)和增氧機的運行狀態(tài)。

2.2 監(jiān)控軟件服務(wù)器端

監(jiān)控軟件服務(wù)器端使用Delphi7.0的CLXbase7開發(fā)環(huán)境及CBX應(yīng)用服務(wù)器、Microsoft SQL server 2000進行軟件開發(fā)。CLXbase7是基于Delphi7.0的強化版本。CBX是一個完備的體現(xiàn)RIA思想的應(yīng)用開發(fā)框架，實現(xiàn)將開發(fā)的應(yīng)用程序發(fā)布到互聯(lián)網(wǎng)，客戶端僅通過瀏覽器便能進行訪問。

監(jiān)控軟件服務(wù)器端有傳感器數(shù)據(jù)查詢、傳感器歷史數(shù)據(jù)統(tǒng)計、電子地圖、用戶權(quán)限管理、養(yǎng)殖中心能耗管理和執(zhí)行器遠程控制等功能。

本文設(shè)計的基于ZigBee的無線傳感監(jiān)控系統(tǒng)已成功應(yīng)用于某鎮(zhèn)水產(chǎn)養(yǎng)殖基地，半年多來系統(tǒng)運行穩(wěn)定，傳感器數(shù)據(jù)采集、無線傳輸和執(zhí)行器遠程控制等功能達到設(shè)計要求，提高了養(yǎng)殖中心的管理效率。該系統(tǒng)結(jié)合無線通信技術(shù)、傳感器技術(shù)和GSM通信技術(shù)，不但可以監(jiān)測水溫、溶解氧和pH值等水環(huán)境參數(shù)，還可以監(jiān)測大氣環(huán)境參數(shù)和養(yǎng)殖中心能耗狀況。研究結(jié)果表明：

(1)無線傳感網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控系統(tǒng)可以解決基于總線技術(shù)的監(jiān)控系統(tǒng)布線困難、范圍較小等問題。相比于傳統(tǒng)的監(jiān)控手段，無線傳感網(wǎng)具有靈活、低成本和低功耗等特點，將會越來越多地應(yīng)用在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中。

(2)基于ZigBee的養(yǎng)殖環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)可以實時地監(jiān)測養(yǎng)殖環(huán)境中各項水體參數(shù)，并通過遠程數(shù)據(jù)庫保留監(jiān)測數(shù)據(jù)，這些水環(huán)境相關(guān)的歷史數(shù)據(jù)是魚類的生長繁殖重要的參考資料。系統(tǒng)運行至今，各傳感節(jié)點工作穩(wěn)定可靠。太陽能電池板和鉛蓄電池組成的工作系統(tǒng)可以保證陰雨天氣下系統(tǒng)連續(xù)運行。

(3)除了環(huán)境監(jiān)測功能之外，智能電表監(jiān)測功能還可以幫助管理者了解能耗狀態(tài)。GSM功能和能耗監(jiān)控功能提高了養(yǎng)殖中心的管理效率。

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