基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的水產(chǎn)養(yǎng)殖水質(zhì)監(jiān)測(cè)研究

張淋江等

摘要：水產(chǎn)養(yǎng)殖企業(yè)的水質(zhì)好壞關(guān)系到水產(chǎn)動(dòng)物的生活環(huán)境，直接影響了企業(yè)經(jīng)濟(jì)效益。通過無線傳感器網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)水產(chǎn)養(yǎng)殖水質(zhì)狀況的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。池塘各個(gè)檢測(cè)點(diǎn)的傳感器獲取池塘的水溫、溶氧值、酸堿度等參數(shù)；無線傳感器網(wǎng)絡(luò)各節(jié)點(diǎn)傳感器采集到的數(shù)據(jù)經(jīng)路由匯總，通過GPRS模塊及時(shí)遠(yuǎn)傳至監(jiān)控中心；依據(jù)水質(zhì)指標(biāo)系統(tǒng)數(shù)據(jù)，從而制定相應(yīng)的水質(zhì)調(diào)節(jié)措施或自動(dòng)啟動(dòng)相應(yīng)設(shè)備調(diào)節(jié)水質(zhì)，實(shí)現(xiàn)足不出戶監(jiān)測(cè)池塘的水質(zhì)狀況。

關(guān)鍵詞： 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)；水產(chǎn)養(yǎng)殖；水質(zhì)監(jiān)測(cè)；ZigBee

中圖分類號(hào)：TP393 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1009-3044（2015）05-0263-03

Monitoring of Water Quality in Aquaculture Based Wireless Sensor Networks

ZHANG Lin-jiang，LIU Zhi-long，TANG Guo-pan

（Henan University of Animal Husbandry and Economy， Zhengzhou 450011，China）

Abstract：Water quality of aquaculture enterprises related to aquatic animals living environment， directly affect the economic efficiency of enterprises. Through wireless sensor networks， real-time monitoring of water quality in aquaculture. Sensor detection points each pond obtain pond water temperature， dissolved oxygen value， pH and other parameters； wireless sensor network each node sensor data collected by the route summary， through GPRS module remote in time to the monitoring center； water quality index system based on the data， thus develop appropriate water quality regulation measures or automatically start the appropriate equipment to regulate water quality， to achieve water quality monitoring homes pond.

Key words： Wireless sensor networks； aquaculture； water quality monitoring； ZigBee

長(zhǎng)期以來，我國(guó)水產(chǎn)養(yǎng)殖企業(yè)多以追求產(chǎn)量、短期經(jīng)濟(jì)效益為目標(biāo)，保護(hù)養(yǎng)殖水質(zhì)意識(shí)淡薄，養(yǎng)殖病害逐年加重，時(shí)有藥物濫用現(xiàn)象發(fā)生，養(yǎng)殖水域環(huán)境遭到不同程度的破壞，水產(chǎn)品質(zhì)量安全得不到有效保障，解決水產(chǎn)養(yǎng)殖水質(zhì)狀況已經(jīng)成為水產(chǎn)養(yǎng)殖業(yè)持續(xù)健康發(fā)展的重要研究方向。水質(zhì)良好程度對(duì)水產(chǎn)養(yǎng)殖（魚、蝦、螃蟹等）具有十分重要的作用。從水產(chǎn)養(yǎng)殖環(huán)境的角度出發(fā)，及時(shí)掌握水產(chǎn)養(yǎng)殖水質(zhì)變化，有效規(guī)避養(yǎng)殖風(fēng)險(xiǎn)，提高養(yǎng)殖產(chǎn)量，建立成本合理、反饋實(shí)時(shí)性高的水質(zhì)監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)才能有效保障養(yǎng)殖安全。

1 水產(chǎn)養(yǎng)殖水質(zhì)監(jiān)測(cè)現(xiàn)狀分析

目前，國(guó)內(nèi)水產(chǎn)養(yǎng)殖業(yè)大多還是通過人工取樣、化學(xué)分析的檢測(cè)方式進(jìn)行水質(zhì)監(jiān)測(cè)，耗時(shí)費(fèi)力、實(shí)效性差，一些水質(zhì)指標(biāo)的檢測(cè)還需要有專業(yè)人員進(jìn)行操作。由于市場(chǎng)上的水質(zhì)監(jiān)測(cè)儀器價(jià)格昂貴，各水產(chǎn)養(yǎng)殖公司、水產(chǎn)研究機(jī)構(gòu)和水產(chǎn)院校除極少數(shù)配備了以外，一般單位不會(huì)采用這種監(jiān)測(cè)儀器。隨著水產(chǎn)養(yǎng)殖業(yè)的信息化技術(shù)的發(fā)展，水產(chǎn)行業(yè)將發(fā)生經(jīng)營(yíng)手段的轉(zhuǎn)變，逐步選擇先進(jìn)的、成本低廉的水質(zhì)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)服務(wù)于養(yǎng)殖作業(yè)流程。

2 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)水質(zhì)監(jiān)測(cè)技術(shù)

本研究基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)，通過ZigBee、GPRS、視頻監(jiān)控等信息化技術(shù)手段，實(shí)現(xiàn)水產(chǎn)企業(yè)遠(yuǎn)程水質(zhì)環(huán)境信息監(jiān)測(cè)，順應(yīng)信息化時(shí)代的要求。

2.1 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)主要包含有節(jié)點(diǎn)、網(wǎng)關(guān)和軟件。在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中，測(cè)量節(jié)點(diǎn)與傳感器連接，路由器就是一種測(cè)量節(jié)點(diǎn)，它能延長(zhǎng)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的傳輸距離，并能增加可靠性。數(shù)目巨大的傳感器節(jié)點(diǎn)通過隨機(jī)或固定布撒的方式，布置在給定的監(jiān)測(cè)區(qū)域，每個(gè)節(jié)點(diǎn)收集監(jiān)測(cè)目標(biāo)區(qū)域的信息，采集到的數(shù)據(jù)通過多跳的方式傳送到網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)，稱為匯聚節(jié)點(diǎn)（sink節(jié)點(diǎn)）。匯聚節(jié)點(diǎn)將收集到的數(shù)據(jù)直接或通過互聯(lián)網(wǎng)和衛(wèi)星上報(bào)給管理者。使用軟件平臺(tái)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行采集、加工、分析和顯示。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)如圖1所示。

2.2 ZigBee

本研究所采用的ZigBee技術(shù)是一種成本、功耗和速率都較低的雙向無線通訊技術(shù)。主要用于短距離、低功耗、傳輸速率要求不高的各種電子設(shè)備之間進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，可工作在2.14GHz、868MHz和915MHz3個(gè)頻段上，它的傳輸距離在10m至75m的范圍內(nèi)。具有ZigBee功能的設(shè)備能非常容易的在一個(gè)小范圍內(nèi)組成臨時(shí)專用網(wǎng)絡(luò)，方便地建立一種標(biāo)準(zhǔn)的無線連接，取代有線電纜進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。

2.3 傳感器

傳感器能按一定規(guī)律能將感受到被測(cè)量的信息轉(zhuǎn)換成為電信號(hào)，輸出其他所需形式的信息，滿足信息的傳輸處理和存儲(chǔ)等要求。傳感器的智能化讓物體有了人類一樣的觸覺、味覺、嗅覺等感應(yīng)器官。使用環(huán)境監(jiān)測(cè)傳感器采集池水溫度、PH值、溶氧值、亞硝酸鹽、氨氮、硫化氫、CO2濃度等衡量池塘水質(zhì)好壞的環(huán)境信息，監(jiān)控養(yǎng)殖場(chǎng)環(huán)境，確保養(yǎng)殖安全。

2.4 GPRS

GPRS（General Packet Radio Service），是一項(xiàng)基于GSM系統(tǒng)高速數(shù)據(jù)處理的無線分組交換技術(shù)，以"分組"的形式傳送資料到使用者，提供端到端與廣域的無線IP連接。本研究通過GPRS網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)了水質(zhì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的遠(yuǎn)程網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控。

2.5 B/S和移動(dòng)終端

B/S（瀏覽器/服務(wù)器）的客戶端用戶界面是瀏覽器，服務(wù)器端由WEB和數(shù)據(jù)庫服務(wù)器進(jìn)行數(shù)據(jù)交互的系統(tǒng)架構(gòu)。水質(zhì)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)采用B/S架構(gòu)模式， 簡(jiǎn)化了系統(tǒng)開發(fā)的流程，管理者可以隨時(shí)隨地在系統(tǒng)平臺(tái)監(jiān)測(cè)水產(chǎn)養(yǎng)殖環(huán)境信息，使用和維護(hù)非常方便快捷。

2.6 視頻監(jiān)控

在水產(chǎn)養(yǎng)殖場(chǎng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)養(yǎng)殖環(huán)境全過程視頻監(jiān)控，能夠及時(shí)發(fā)現(xiàn)由于極端天氣引起的養(yǎng)殖場(chǎng)水質(zhì)快速變化和水產(chǎn)動(dòng)物異常反應(yīng)問題，并采取相應(yīng)措施，在節(jié)約人力成本、提升安全管理水平方面起到明顯作用。項(xiàng)目采納了深圳福斯康姆智能科技有限公司的視頻監(jiān)控方案，在養(yǎng)殖場(chǎng)安裝無線網(wǎng)絡(luò)視像頭，通過WIFI連接互聯(lián)網(wǎng)，基于百度云平臺(tái)實(shí)現(xiàn)了養(yǎng)殖場(chǎng)的視頻管理監(jiān)控。同時(shí)，視頻監(jiān)控實(shí)現(xiàn)了手機(jī)APP的在線瀏覽，管理者可以通過手機(jī)實(shí)現(xiàn)養(yǎng)殖場(chǎng)各種場(chǎng)景的實(shí)時(shí)視頻監(jiān)控。

3 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)水質(zhì)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)研究

基于ZigBee技術(shù)，設(shè)計(jì)以由CC2530微處理器芯片和CC2591射頻前端組建的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)硬件電路，構(gòu)建由協(xié)調(diào)器、路由器、傳感器節(jié)點(diǎn)等組成的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。以無線傳感器網(wǎng)絡(luò)為主要研究對(duì)象，根據(jù)水產(chǎn)養(yǎng)殖水質(zhì)環(huán)境監(jiān)測(cè)的特點(diǎn)，采用ZigBee無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)建立了一個(gè)水產(chǎn)養(yǎng)殖水質(zhì)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。在該系統(tǒng)中，傳感器節(jié)點(diǎn)可對(duì)養(yǎng)殖水質(zhì)環(huán)境信息進(jìn)行采集，然后將采集到的信息通過無線網(wǎng)絡(luò)發(fā)送到協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)；協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)再通過串口將數(shù)據(jù)按照規(guī)定的格式發(fā)往數(shù)據(jù)管理中心，數(shù)據(jù)中心根據(jù)這些數(shù)據(jù)進(jìn)行合理的決策和管理，從而實(shí)現(xiàn)了科學(xué)的水產(chǎn)養(yǎng)殖。基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的水質(zhì)監(jiān)控系統(tǒng)由傳感器節(jié)點(diǎn)、數(shù)據(jù)采集匯聚節(jié)點(diǎn)、GPRS數(shù)據(jù)傳輸、智能控制系統(tǒng)（PC機(jī)或手機(jī)智能控制）四部分組成，如圖2所示。

3.1 傳感器節(jié)點(diǎn)

考慮到亞硝酸鹽傳感器、氨氮傳感器、硫化氫傳感器價(jià)格比較貴，實(shí)驗(yàn)池塘監(jiān)測(cè)代價(jià)可能太高，目前設(shè)計(jì)為三路傳感器，分別為水溫傳感器、PH 值傳感器、溶解氧傳感器，智能控制平臺(tái)預(yù)留檢測(cè)模塊，方便以后擴(kuò)充檢測(cè)功能。傳感器環(huán)境節(jié)點(diǎn)負(fù)責(zé)對(duì)水質(zhì)環(huán)境信息的采集、處理和發(fā)送。

3.2 數(shù)據(jù)采集匯聚節(jié)點(diǎn)

匯聚節(jié)點(diǎn)網(wǎng)關(guān)部分主要包括CC2530微處理器芯片和CC2591射頻前端，遵循RS232串口通信協(xié)議進(jìn)行通信、數(shù)據(jù)傳輸，依據(jù)ZigBee協(xié)議進(jìn)采集各個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)發(fā)送來的數(shù)據(jù)。該模塊放在一防護(hù)等級(jí)為 IP65 的防水盒中（可防止淋雨），主要實(shí)現(xiàn)對(duì)多路傳感器節(jié)點(diǎn)信號(hào)的路由、采集、放大、曲線校準(zhǔn)、串口發(fā)送、告警等功能。數(shù)據(jù)通過 RS232 串口發(fā)送給GPRS數(shù)傳設(shè)備。

3.3 GPRS數(shù)據(jù)傳輸

采用GPRS無線網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離數(shù)據(jù)雙向透明傳輸?shù)脑O(shè)備，無需搭建有線網(wǎng)，建設(shè)和維護(hù)成本低。在 GPRS 傳輸過程中數(shù)據(jù)按客戶數(shù)據(jù)幀傳輸，避免一幀用戶數(shù)據(jù)被多次打包發(fā)送，從而導(dǎo)致流量增大的情況；采用動(dòng)態(tài)域名解析方式，節(jié)省服務(wù)器端固定IP 的使用費(fèi)；自帶設(shè)備與 SIM 卡綁定功能，防止 SIM 卡被盜用替換；數(shù)據(jù)按幀發(fā)送，采用完備的防掉線機(jī)制，節(jié)省流量，保證數(shù)據(jù)終端永遠(yuǎn)在線。

3.4 智能控制系統(tǒng)

傳感器采集存儲(chǔ)的養(yǎng)殖水環(huán)境的水溫、PH值、溶氧度（DO）等多個(gè)水質(zhì)參數(shù)，可通過GPRS向數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)中心發(fā)送采集的數(shù)據(jù)，并通過手機(jī)短信的方式向集約化水產(chǎn)養(yǎng)殖管理者發(fā)送水質(zhì)DO預(yù)警信息。管理者除了可通過計(jì)算機(jī)或智能手機(jī)查看和控制，按照設(shè)定的時(shí)間采集水質(zhì)狀況數(shù)據(jù)，將數(shù)據(jù)呈現(xiàn)在曲線圖上，根據(jù)實(shí)際水質(zhì)狀況，系統(tǒng)自動(dòng)或手動(dòng)打開增氧機(jī)、噴灑水質(zhì)調(diào)理劑等方式改善水質(zhì)。

4 基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的水質(zhì)監(jiān)測(cè)優(yōu)勢(shì)

1）預(yù)防風(fēng)險(xiǎn)?；跓o線傳感器網(wǎng)絡(luò)的水質(zhì)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)操作簡(jiǎn)單、數(shù)值輸出快而精確，實(shí)時(shí)的監(jiān)控并快速采取相應(yīng)措施，預(yù)防極端氣候造成水質(zhì)指標(biāo)超標(biāo)引起的病害，規(guī)避水產(chǎn)養(yǎng)殖業(yè)的養(yǎng)殖風(fēng)險(xiǎn)。

2）安裝和擴(kuò)展方便。本監(jiān)測(cè)系統(tǒng)免布線、維護(hù)方便、擴(kuò)展性好，ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)可以獨(dú)立于具體的應(yīng)用環(huán)境，對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行相應(yīng)的修改就可很容易擴(kuò)展到其他應(yīng)用領(lǐng)域。

3）不間斷監(jiān)測(cè)?？蓪?shí)時(shí)24小時(shí)連續(xù)的采集和記錄監(jiān)測(cè)點(diǎn)位的水溫、溶氧、氨氮、PH值等各項(xiàng)參數(shù)情況，實(shí)時(shí)顯示和記錄存儲(chǔ)監(jiān)測(cè)信息。

4）監(jiān)控方便。不管在辦公室還是在家中，通過任何一臺(tái)接入互聯(lián)網(wǎng)的電腦或智能手機(jī)都可以訪問監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)，在線查看監(jiān)控點(diǎn)位的水質(zhì)變化情況，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)。

5）強(qiáng)大的數(shù)據(jù)處理能力。監(jiān)測(cè)系統(tǒng)能繪制柱狀圖和餅圖，可隨時(shí)打印每時(shí)刻的水溫、溶氧，氨氮、PH值等數(shù)據(jù)及運(yùn)行報(bào)告。

5 結(jié)束語

隨著我國(guó)農(nóng)業(yè)信息化應(yīng)用的迅速發(fā)展，水產(chǎn)集約化養(yǎng)殖采用新的網(wǎng)絡(luò)技術(shù)已逐漸成為養(yǎng)殖業(yè)的關(guān)注的熱點(diǎn)。研究設(shè)計(jì)基于ZigBee技術(shù)的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)水質(zhì)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，對(duì)水產(chǎn)養(yǎng)殖各種水質(zhì)環(huán)境因子的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，并且為進(jìn)一步降低養(yǎng)殖成本，規(guī)避風(fēng)險(xiǎn)，提高養(yǎng)殖收益，實(shí)現(xiàn)科學(xué)養(yǎng)殖提供一種可行的信息化技術(shù)手段。

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