一種基于WSN的水產(chǎn)養(yǎng)殖水環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

王艷紅+吳小峰

摘要： 提出一種基于物聯(lián)網(wǎng)思路的水環(huán)境監(jiān)測(cè)架構(gòu)，利用無(wú)線傳感器技術(shù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)水溫、PH值、溶氧度等參數(shù)的監(jiān)測(cè)，推進(jìn)了水產(chǎn)養(yǎng)殖的智能化。

關(guān)鍵詞： WSN； 物聯(lián)網(wǎng)； 水產(chǎn)養(yǎng)殖

中圖分類(lèi)號(hào)：TP393

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號(hào)：2095-2163（2017）04-0090-02

0引言

在農(nóng)業(yè)經(jīng)濟(jì)飛速發(fā)展的今天，如何轉(zhuǎn)變農(nóng)業(yè)生產(chǎn)方式、加快推進(jìn)實(shí)現(xiàn)現(xiàn)代化農(nóng)業(yè)已經(jīng)迫在眉睫。而水產(chǎn)養(yǎng)殖業(yè)作為農(nóng)業(yè)的主要構(gòu)成部分，其科技應(yīng)用水平還比較低，基本上仍然停留在人力手工監(jiān)測(cè)的層面上，這即直接導(dǎo)致了養(yǎng)殖品質(zhì)和效率的雙重下行態(tài)勢(shì)。在推進(jìn)水產(chǎn)養(yǎng)殖的集約化、自動(dòng)化發(fā)展道路上，對(duì)包括水溫、PH值、溶氧度等在內(nèi)的水環(huán)境進(jìn)行自動(dòng)化的監(jiān)測(cè)，是當(dāng)前研究的主要設(shè)定目標(biāo)。通過(guò)將無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)（Wireless Sensor Network， WSN）技術(shù)融入到水產(chǎn)養(yǎng)殖中，對(duì)水環(huán)境有效展開(kāi)實(shí)時(shí)的監(jiān)控和管理，將強(qiáng)勢(shì)助推水產(chǎn)養(yǎng)殖的科技型轉(zhuǎn)變，這也是其未來(lái)的潮流發(fā)展方向。本文則針對(duì)此一課題給出研究論述如下。

1系統(tǒng)總體架構(gòu)

基于傳統(tǒng)的物聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)思路，本次研發(fā)將系統(tǒng)架構(gòu)分為感知層、傳輸層和應(yīng)用層三層模式，設(shè)計(jì)上如圖1所示。由圖1可知，感知層為WSN監(jiān)控區(qū)域，主要操縱和掌控對(duì)多路傳感器的信號(hào)采集和控制，包括PH值、水溫、溶氧度、濁度、電導(dǎo)率等參數(shù)；傳輸層主要承載ZigBee的信號(hào)傳輸，保證無(wú)線信號(hào)采集和控制節(jié)點(diǎn)及無(wú)線網(wǎng)關(guān)之間的優(yōu)質(zhì)通信，以及將信號(hào)進(jìn)一步傳遞給GPRS模塊以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程通信；應(yīng)用層包含所有的終端設(shè)計(jì)，用于支持主機(jī)、遠(yuǎn)程移動(dòng)終端和客戶(hù)端的監(jiān)測(cè)功能，還可對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行或基礎(chǔ)、或高端的分析處理。

2系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1傳感器節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)

感知層由多路傳感器組成，重點(diǎn)完成對(duì)水體環(huán)境的監(jiān)測(cè)。監(jiān)測(cè)內(nèi)容可詳述如下：

1）水溫監(jiān)測(cè)。本系統(tǒng)采用DS18B20溫度傳感器，這種傳感器具有防水、優(yōu)效、單總線傳輸、功耗低、性?xún)r(jià)比高等諸多優(yōu)良特性。

2）PH值監(jiān)測(cè)。本系統(tǒng)采用上海圣科儀器設(shè)備有限公司生產(chǎn)的E-201D型PH傳感器，該傳感器利用玻璃電極法測(cè)量水體的PH值，內(nèi)阻低、反應(yīng)快，穩(wěn)定性好，能夠理想滿(mǎn)足水產(chǎn)養(yǎng)殖監(jiān)測(cè)。

3）溶氧度監(jiān)測(cè)。本系統(tǒng)利用膜電極法的極譜型溶氧傳感器來(lái)做標(biāo)定測(cè)量。該傳感器通過(guò)氧氣分子穿越增透膜的擴(kuò)散速度來(lái)檢測(cè)水中的氧氣含量，檢測(cè)速度快、抗干擾強(qiáng)，適合溶氧度的在線測(cè)量。

4）濁度監(jiān)測(cè)。濁度是衡定水中浮游生物含量的一項(xiàng)重要指標(biāo)。本系統(tǒng)采用GE-ts渾濁度傳感器，當(dāng)光線穿過(guò)待測(cè)水體后被光敏元件接收，傳感器就會(huì)根據(jù)由其接收到的光量來(lái)判斷水體的濁度。

5）電導(dǎo)率監(jiān)測(cè)。電導(dǎo)率是衡定水中無(wú)機(jī)鹽和金屬離子含量的一項(xiàng)重要指標(biāo)。本系統(tǒng)選取的電導(dǎo)率傳感器利用了分流法測(cè)電導(dǎo)，該技術(shù)手段成熟、成本較低、易于實(shí)現(xiàn)。

2.2無(wú)線通信模塊設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)的ZigBee無(wú)線網(wǎng)關(guān)通信選用CC2530芯片，整體集成了對(duì)數(shù)據(jù)的采集、存儲(chǔ)、處理等各項(xiàng)操作；選用基于SIM900A的GPRS 模塊進(jìn)行遠(yuǎn)距離無(wú)線傳輸，其信號(hào)好、抗干擾強(qiáng)，并且具備自主休眠/喚醒模式，能夠?qū)嵭ПＵ吓c遠(yuǎn)程客戶(hù)終端的穩(wěn)定可靠通信。

3系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

對(duì)硬件和網(wǎng)關(guān)進(jìn)行軟件控制，是整個(gè)水環(huán)境監(jiān)測(cè)環(huán)境的設(shè)計(jì)核心。傳感器將信號(hào)發(fā)送給采集節(jié)點(diǎn)，判斷數(shù)據(jù)格式的正確性后，經(jīng)過(guò)協(xié)議轉(zhuǎn)換，將數(shù)據(jù)傳輸?shù)缴蠙C(jī)位，從而提供給監(jiān)控平臺(tái)研究使用。傳感器數(shù)據(jù)采集流程則如圖2所示。

ZigBee的節(jié)點(diǎn)之間采用網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)來(lái)實(shí)現(xiàn)路由通[CM（26]信，節(jié)點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)在經(jīng)歷了指定的初始化進(jìn)程后，即展開(kāi)組網(wǎng)，在[CM）][LL]

收到數(shù)據(jù)采集節(jié)點(diǎn)的入網(wǎng)請(qǐng)求后，進(jìn)行應(yīng)答，為其分配入網(wǎng)地址，并在收到采集數(shù)據(jù)后完成對(duì)數(shù)據(jù)的傳輸。具體的ZigBee組網(wǎng)流程即如圖3所示。

設(shè)計(jì)中，GPRS無(wú)線網(wǎng)絡(luò)在與移動(dòng)終端和客戶(hù)終端的數(shù)據(jù)通信上發(fā)揮著決定性的關(guān)鍵作用。在對(duì)系統(tǒng)的監(jiān)聽(tīng)和應(yīng)答程序中使用socket“套接字”實(shí)現(xiàn)GPRS 的通信。GPRS通信流程將如圖4所示。

4結(jié)束語(yǔ)

本系統(tǒng)以物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)為基礎(chǔ)進(jìn)行構(gòu)建，實(shí)現(xiàn)了對(duì)水體溫度、PH值、溶氧度、濁度等參數(shù)的檢測(cè)，有利于養(yǎng)殖戶(hù)及時(shí)準(zhǔn)確地了解水環(huán)境變化，提升了水產(chǎn)養(yǎng)殖的技術(shù)和智能化水平，有利于保障水域養(yǎng)殖產(chǎn)品的產(chǎn)能和質(zhì)量。

參考文獻(xiàn)：

[1] 趙小歡. 基于WSN 的水產(chǎn)養(yǎng)殖水質(zhì)在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)[D]. 哈爾濱：哈爾濱理工大學(xué)， 2014.

[2] 蔡加豪. 基于物聯(lián)網(wǎng)的水產(chǎn)養(yǎng)殖監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與研究[D]. 長(zhǎng)沙：湖南師范大學(xué)， 2016.

[3] 李俊斌， 胡永忠. 基于CC2530的ZigBee通信網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用設(shè)計(jì)[J]. 電子設(shè)計(jì)工程， 2011， 19（16）：108-111.

[4] WU Chunfeng. Securing wireless communication in heterogeneous environment[C]//MILCOM 2002. Proceedings. Anaheim， CA， USA：IEEE， 2013， 2：1101-1106.endprint