基于ZigBee深水網(wǎng)箱環(huán)境數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

張國(guó)民+舒?zhèn)?quán)+吳遠(yuǎn)紅

摘 ?要：設(shè)計(jì)一個(gè)基于ZigBee的海洋深水網(wǎng)箱養(yǎng)殖環(huán)境數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。利用各種傳感器，監(jiān)測(cè)網(wǎng)箱中的溫度、PH值及溶解氧等水質(zhì)數(shù)據(jù)，通過(guò)ZigBee無(wú)線自組網(wǎng)技術(shù)和GPRS網(wǎng)絡(luò)將數(shù)據(jù)傳輸至智能手機(jī)終端，并在智能Android手機(jī)終端平臺(tái)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的圖像化顯示。系統(tǒng)采用ZigBee無(wú)線組網(wǎng)技術(shù)，配合高性能處理器CC2530、DS18B20等，給出了系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)和軟件設(shè)計(jì)方案。系統(tǒng)具有功耗低、組網(wǎng)靈活、可擴(kuò)展性和實(shí)時(shí)性強(qiáng)等特點(diǎn)。

關(guān)鍵詞：ZigBee ?深水網(wǎng)箱養(yǎng)殖 ?數(shù)據(jù)傳輸 ?Android

深水網(wǎng)箱養(yǎng)殖作為海水養(yǎng)殖的一種新的模式，因其高投入、高產(chǎn)出、高效益，逐漸成為我國(guó)魚類養(yǎng)殖的重要方式。而海洋環(huán)境的多變性也增加了深水網(wǎng)箱養(yǎng)殖的風(fēng)險(xiǎn)，尤其是環(huán)境突變引起網(wǎng)箱周邊水質(zhì)（包括水溫、PH值、溶解氧濃度等）的變化。水質(zhì)的好壞直接或者間接影響到養(yǎng)殖生物的生長(zhǎng)發(fā)育，直接影響到養(yǎng)殖戶的經(jīng)濟(jì)效益。傳統(tǒng)的有線監(jiān)控網(wǎng)箱技術(shù)，存在著水中布線困難、費(fèi)時(shí)費(fèi)力、可靠性不高、成本支出高等弊端。隨著信息通信技術(shù)的發(fā)展，一種新型的自組網(wǎng)技術(shù)ZigBee技術(shù)出現(xiàn)，并被廣泛應(yīng)用到許多場(chǎng)合。本文涉及一種新型的基于ZigBee技術(shù)的深水網(wǎng)箱水質(zhì)數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，并結(jié)合ZigBee和GPRS技術(shù)，將監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)傳送到智能終端，方便養(yǎng)殖戶了解網(wǎng)箱環(huán)境的實(shí)時(shí)變化和及時(shí)采取相應(yīng)措施。

ZigBee無(wú)線自組網(wǎng)

ZigBee是一種用于對(duì)數(shù)據(jù)傳輸速率要求不高、低功耗、短距離，基于IEEE 802.15.4無(wú)線標(biāo)準(zhǔn)無(wú)線雙線網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)。工作于2.4GHz全球統(tǒng)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(lǐng)域。ZigBee具有低功耗、時(shí)延短、高容量、可靠、安全等特點(diǎn)，非常適合數(shù)量多且集中的局部網(wǎng)絡(luò)。

從網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)上看，ZigBee網(wǎng)絡(luò)可分為星形、樹形（簇狀）、網(wǎng)狀3種模型。其中網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)將ZigBee網(wǎng)絡(luò)連接成一張網(wǎng)，網(wǎng)絡(luò)非常健壯，伸縮性好，可以同時(shí)通過(guò)多條通道進(jìn)行數(shù)據(jù)的傳輸，傳輸?shù)目煽啃砸卜浅?qiáng)，克服了星形和樹形結(jié)構(gòu)的節(jié)點(diǎn)之間的數(shù)據(jù)路由只有唯一的一個(gè)路徑，易在協(xié)調(diào)器處造成數(shù)據(jù)堵塞缺點(diǎn)，將被應(yīng)用在本設(shè)計(jì)中。

圖1 ? 系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)圖

數(shù)據(jù)采集

1、溫度數(shù)據(jù)采集

溫度傳感器采用Dallas 半導(dǎo)體公司的DS18B20，它可以通過(guò)簡(jiǎn)單的編程實(shí)現(xiàn)9至12位的數(shù)字值讀取，并且DS18B20與微處理器連接時(shí)僅僅需要一條口線就能實(shí)現(xiàn)雙向通訊。

2、PH數(shù)據(jù)采集

PH測(cè)定采用工業(yè)級(jí)四線制Ag-AgCl復(fù)合玻璃電極。玻璃電極由導(dǎo)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(cè)水體中兩者形成原電池。玻璃電極具有抗干擾性能好、測(cè)量精度高等特點(diǎn)。

溶液的溫度會(huì)影響檢測(cè)的結(jié)果，設(shè)計(jì)中在軟件方面根據(jù)溶液實(shí)際溫度值對(duì)PH值進(jìn)行補(bǔ)償。設(shè)計(jì)采用差動(dòng)輸入電路將其轉(zhuǎn)換到標(biāo)準(zhǔn)電信號(hào)。差動(dòng)電路有很好的抗共模干擾噪音的能力，能適應(yīng)海洋等復(fù)雜的環(huán)境。

3、溶解氧數(shù)據(jù)采集

溶解氧測(cè)定的方法，相比容量法、比色法、電流法、電導(dǎo)率法等方法，本設(shè)計(jì)使用的極譜式薄膜電極法具有靈敏度高，響應(yīng)迅速，測(cè)量方法比較簡(jiǎn)單。在實(shí)際情況下，水溫和氣壓會(huì)對(duì)參數(shù)產(chǎn)生影響，設(shè)計(jì)采用有溫度和氣壓補(bǔ)償?shù)娜芙庋鯓O譜式電極D-811。設(shè)計(jì)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(chǎn)生0.7V的電壓差。由于極譜電極的輸出電流十分微弱，設(shè)計(jì)采用差動(dòng)電流放大電流。

數(shù)據(jù)傳輸

1、ZigBee網(wǎng)間傳輸

系統(tǒng)采用點(diǎn)對(duì)點(diǎn)數(shù)據(jù)傳輸方式，ZigBee網(wǎng)絡(luò)內(nèi)的任意節(jié)點(diǎn)之間，都可通過(guò)點(diǎn)對(duì)點(diǎn)傳輸指令傳輸數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)傳輸格式為：0xFD（數(shù)據(jù)傳輸指令）+ 0x0A（數(shù)據(jù)的長(zhǎng)度） + 0x73 0x79（目標(biāo)地址）+ 0x01 0x02 0x03 0x04 0x05 0x06 0x07 0x08 0x09 0x10（數(shù)據(jù)，共0x0A Byte）。數(shù)據(jù)接收方接收到來(lái)自發(fā)送方的全部數(shù)據(jù)，并在最后增加來(lái)源地址，即發(fā)送方地址（二個(gè)字節(jié)），低位在前。例如以0x7973連接至0x1431：0x7973發(fā)送的數(shù)據(jù)為：0xFD 0x0A 0x31 0x14 0x01 0x02 0x03 0x04 0x05 0x06 0x07 0x08 0x09 0x10;則在0x1431端接收到的數(shù)據(jù)：0xFD 0x0A 0x31 0x14 0x01 0x02 0x03 0x04 0x05 0x06 0x07 0x08 0x09 0x10。

結(jié)合ZigBee和GPRS的數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)，包括ZigBee網(wǎng)絡(luò)和GPRS兩部分。ZigBee網(wǎng)絡(luò)通過(guò)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)將采集數(shù)據(jù)以多跳變的方式傳送到ZigBee路由節(jié)點(diǎn)，路由節(jié)點(diǎn)將數(shù)據(jù)發(fā)送到網(wǎng)關(guān)，網(wǎng)關(guān)進(jìn)行ZigBee數(shù)據(jù)包解析，從數(shù)據(jù)包中提取有效信息數(shù)據(jù)，進(jìn)行協(xié)議轉(zhuǎn)換和數(shù)據(jù)包重新封裝打包成TCP/IP數(shù)據(jù)包，經(jīng)過(guò)GPRS模塊的數(shù)據(jù)傳輸功能進(jìn)行遠(yuǎn)距離的傳輸。

2、GPRS數(shù)據(jù)傳輸

GPRS（General Packet Radio Service，通用分組無(wú)線服務(wù)技術(shù)）是在GSM系統(tǒng)基礎(chǔ)上采用分組交換技術(shù)的數(shù)據(jù)高速處理技術(shù)，支持TCP/IP網(wǎng)絡(luò)協(xié)議。通過(guò)在ZigBee協(xié)調(diào)器處增加GPRS傳輸模塊，在智能手機(jī)終端（Andriod APP）同樣安置GPRS模塊，利用移動(dòng)運(yùn)營(yíng)商的GPRS移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的遠(yuǎn)程傳輸。

軟件設(shè)計(jì)

1、ZigBee模塊軟件設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)采用高性能性片CC2530。CC2530芯片通過(guò)串口接收數(shù)據(jù)，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理之后，通過(guò)串口和GPRS網(wǎng)絡(luò)將數(shù)據(jù)發(fā)送到服務(wù)器上。程序首先對(duì)接收數(shù)據(jù)的temp寄存器進(jìn)行判斷，如果寄存器非空，就要對(duì)寄存器里面的數(shù)據(jù)送入緩存器中，為空則需要等待數(shù)據(jù)的再次送入。當(dāng)數(shù)據(jù)從串口被送入，數(shù)據(jù)先被存放在緩存器中，當(dāng)緩沖器放滿之后，就會(huì)產(chǎn)生中斷，進(jìn)入中斷子程序。子程序?qū)丫彺嫫髦袛?shù)據(jù)放入臨時(shí)temp寄存器中，當(dāng)數(shù)據(jù)超過(guò)一定字符數(shù)或者遇到特殊字符時(shí)，則被認(rèn)為是一個(gè)完整的數(shù)據(jù)流，temp寄存器將進(jìn)入發(fā)送狀態(tài)。關(guān)閉temp寄存器的接收位功能，將temp寄存器內(nèi)數(shù)據(jù)通過(guò)串口通過(guò)GPRS網(wǎng)絡(luò)發(fā)送至服務(wù)器。發(fā)送完畢，清空temp寄存器數(shù)據(jù)，回復(fù)接收數(shù)據(jù)狀態(tài)，等待數(shù)據(jù)的傳入。程序的流程圖如下：endprint

圖2 發(fā)送主程序和子程序流程圖

2、GPRS模塊設(shè)計(jì)

DTU是GPRS數(shù)據(jù)傳輸單元的簡(jiǎn)稱，是專門用于將串口數(shù)據(jù)通過(guò)GPRS網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行無(wú)線傳輸?shù)脑O(shè)備。內(nèi)部集成TCP/IP協(xié)議，可實(shí)現(xiàn)雙向全透明傳輸。設(shè)計(jì)采用DTU T100，在DTU T100處放入一張開(kāi)通GPRS功能的SIM卡，保證GPRS功能的支持。GPRS通信是通過(guò)IP地址尋址，IP地址的變換可能導(dǎo)致連接中斷，在設(shè)計(jì)中對(duì)服務(wù)器采用靜態(tài)IP地址，以保證養(yǎng)殖區(qū)GPRS模塊與服務(wù)器連接的暢通。

利用配置軟件GPRS DTU參數(shù)設(shè)置軟件V2.6對(duì)DTU T100進(jìn)行參數(shù)設(shè)置。傳輸GPRS提供商的密碼設(shè)置為0，傳輸接入GPRS服務(wù)的APN值設(shè)置cmnet（中國(guó)移動(dòng)的APN），SIM卡號(hào)為申請(qǐng)的卡的號(hào)碼，數(shù)據(jù)中心設(shè)置為服務(wù)器的靜態(tài)IP地址。

3、智能終端顯示設(shè)計(jì)

Android是基于liuux2.6以上內(nèi)核的開(kāi)源框架，最低層的Linux內(nèi)核提供了最基本的進(jìn)程調(diào)度、內(nèi)存管理以及硬件驅(qū)動(dòng)能力?；贏ndroid開(kāi)發(fā)的程序主要包括用戶界面開(kāi)發(fā)和網(wǎng)絡(luò)功能開(kāi)發(fā)兩個(gè)部分。界面的開(kāi)發(fā)利用Android提供的各種API。而網(wǎng)絡(luò)開(kāi)發(fā)方面則采用Android的Socket套接字。

圖3 ?人機(jī)交互界面

結(jié)束語(yǔ)

本系統(tǒng)利用ZigBee組網(wǎng)和GPRS無(wú)線網(wǎng)絡(luò)通信，充分考慮到GPRS的遠(yuǎn)程傳輸優(yōu)勢(shì)和ZigBee協(xié)議組網(wǎng)技術(shù)靈活方便的優(yōu)越性。系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì)合理，系統(tǒng)功能實(shí)現(xiàn)較好，數(shù)據(jù)信號(hào)傳輸穩(wěn)定、安全、可靠。利用手持智能手機(jī)終端和Android平臺(tái)，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行圖像化顯示，有較好的人機(jī)交互功能。系統(tǒng)能準(zhǔn)確對(duì)深水網(wǎng)箱及其周邊環(huán)境水質(zhì)進(jìn)行實(shí)時(shí)的檢測(cè)，能在一定程度上減少深水網(wǎng)箱養(yǎng)殖的風(fēng)險(xiǎn)，提高養(yǎng)殖戶的經(jīng)濟(jì)效益。

參考文獻(xiàn)：

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項(xiàng)目：2014年國(guó)家級(jí)大學(xué)生創(chuàng)新訓(xùn)練計(jì)劃項(xiàng)目支持

（第一、三作者單位：浙江海洋學(xué)院數(shù)理與信息學(xué)院，第二作者單位：浙江國(guó)際海運(yùn)職業(yè)技術(shù)學(xué)院）endprint