基于Zigbee的魚塘水質(zhì)監(jiān)測系統(tǒng)設計

文/陳亮

水是被譽為萬物生命的源泉，魚塘水質(zhì)監(jiān)測關系到魚塘生物的生命和健康。如何高效率、精準地監(jiān)測水質(zhì)，一直是人們重點研究的課題。目前水質(zhì)監(jiān)測的主要方式有兩種：一種是通過設置便攜式的池塘水質(zhì)監(jiān)測以及實驗室，采用手動方式來進行取樣，從而對水質(zhì)進行監(jiān)測和分析；另一種是根據(jù)遠程監(jiān)控中心以及監(jiān)視變電站來監(jiān)測水質(zhì)。雖然這些監(jiān)測系統(tǒng)的布置較為密集，但是數(shù)據(jù)采集和傳輸速度也較為緩慢，不能實時反饋魚塘水質(zhì)的情況。第二種雖然可以反應出一定的水質(zhì)變化，但是該方式采用了有線監(jiān)控，需要投入的成本較高，并且在對數(shù)據(jù)進行傳輸?shù)倪^程中，容易受到其他因素的干擾。因此，本文研究的基于Zigbee的無線傳感器網(wǎng)絡不但能夠通過雙向通信來提高對數(shù)據(jù)的傳輸效率，而且大大降低了系統(tǒng)成本和整體功率，對于水環(huán)境的監(jiān)測工作具有明顯的優(yōu)勢。

圖1：系統(tǒng)總體框圖

1 Zigbee技術概述

1.1 定義

Zigbee技術經(jīng)常被稱為“HomeRFLite”技術、“FireFly”技術，演變到如今，技術領域習慣稱之為Zigbee技術。Zigbee技術主要用于對一些具有周期性和間歇性的數(shù)據(jù)，其數(shù)據(jù)傳輸方式具有低功率、低速、短程的特點。

1.2 特點

ZigBee技術屬于一種無線通信，可工作在2.4GHz、915MHz、868兆赫三個頻段。傳輸范圍在10米到75米，并且可以擴展。ZigBee的主要有以下特點：

圖2：傳感器節(jié)點結構圖

1.2.1 低功耗

當ZigBee技術的處于睡眠模式時，其傳輸功率和速率較低，功耗低至1mW，只需2塊AA電池，待機時間最長可以持續(xù)0.5-2年。

1.2.2 低成本

ZigBee的協(xié)議不需要支付版費，單芯片成本可以控制在1.5到2.5美元范圍內(nèi)。

1.2.3 短時延

通信延遲、睡眠延遲都很短，其中搜索設備延遲只有30毫秒，睡眠延遲只需15毫秒，進一步節(jié)省了電能。

1.2.4 容量大

對于Star Zigbee網(wǎng)絡來說，最大容量包括1個主節(jié)點以及254個從節(jié)點，可以同時容納100個ZigBee網(wǎng)絡。

1.2.5 安全性

其通過CRC校驗（基于循環(huán)完整性的校驗）來檢查報文的完整性。通過AES-128算法來對報文進行認證和加密。從而保證傳輸數(shù)據(jù)的安全。

2 系統(tǒng)硬件設計

2.1 整體設計

圖1是基于Zigbee的魚塘水質(zhì)監(jiān)測系統(tǒng)的總體框圖。系統(tǒng)的硬件結構主要由中心節(jié)點以及傳感器節(jié)點、CDMA通信網(wǎng)絡、監(jiān)控中心三部分組成。其中傳感器節(jié)點主要位于魚塘水質(zhì)監(jiān)控范圍內(nèi)，各個節(jié)點的排列較為隨機，但是以中心節(jié)點為中心，共同組成了Zigbee通信網(wǎng)絡，從而通過CDMA通信網(wǎng)絡來和監(jiān)控中心進行通信。當傳感器節(jié)點在監(jiān)控區(qū)域采集到相關數(shù)據(jù)后，通過中心節(jié)點對數(shù)據(jù)進行整合后，通過CDMA直接將數(shù)據(jù)傳輸?shù)竭h程監(jiān)控中心。

2.2 傳感器節(jié)點設計

Zigbee通信網(wǎng)絡主要由傳感器節(jié)點和中心節(jié)點組成，而傳感器節(jié)點主要包括傳感器和基準ZigBee RF收發(fā)器模塊，這樣的設計不但簡單靈活，還能保證具有較高的精密性，可以快速、實時地反應魚塘水質(zhì)的變化。傳感器節(jié)點的結構圖如圖2所示。其中Zigbee RF收發(fā)器模塊的芯片版本為CC2530。

CC2530芯片和前幾個版本相比，在節(jié)點設計上有了一定的提升，非常適用于TI的IEEE 802.15.4標準的2.4G RF收發(fā)器，其頻率可以控制在2400-2483.6 MHz區(qū)間內(nèi)，速率最高可以達到250Kb/s。

對系統(tǒng)的硬件部分進行設計時，重點對ZigBee無線通信模塊進行設計，ZigBee無線通信模塊主要包含Zigbee RF收發(fā)器模塊、數(shù)據(jù)結構單元、傳輸構成等，其中Zigbee RF收發(fā)器模塊主要采用了TI系列的CC2530 芯片，ZigBee的CPU采用的是標準型號8051 CPU，該型號的選用，極大地保證了系統(tǒng)數(shù)據(jù)存儲時的性能，并且穩(wěn)定性較高。

ZigBee無線通信模塊的設計，保證了魚塘水質(zhì)監(jiān)測數(shù)據(jù)傳輸?shù)陌踩?、穩(wěn)定性和精確性，基于網(wǎng)關設備，采用CC2530 芯片來完成傳感器對數(shù)據(jù)的采集和處理，讓設備之間的通信能夠順利執(zhí)行下去。系統(tǒng)終端設備（如顯示器）主要通過USB接口來對主機進行了連接和通信，進而從主機中獲取魚塘水質(zhì)監(jiān)測數(shù)據(jù)。這樣的傳輸方式可以保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)陌踩头€(wěn)定。終端數(shù)據(jù)還需要通過處理單元來對水質(zhì)參數(shù)進行整理并將該部分數(shù)據(jù)傳輸?shù)絽f(xié)調(diào)器。這些數(shù)據(jù)內(nèi)容主要包括魚塘水質(zhì)的溫度、濕度、PM2.5氣體、有毒氣體的具體數(shù)值。在設置了正常參數(shù)和邏輯判斷的情況下，通過對這些監(jiān)測數(shù)值進行采集并對比，很快便能實時反映出魚塘水質(zhì)的問題。通過對數(shù)據(jù)進行收集和整理，可以幫助系統(tǒng)更加直觀地將分析結果最終顯示出來。

2.3 組網(wǎng)結構

基于Zigbee的魚塘水質(zhì)監(jiān)測系統(tǒng)的網(wǎng)絡拓撲構建，需要根據(jù)系統(tǒng)的具體需求選擇最合適的組網(wǎng)方式，常見的網(wǎng)絡拓撲形式主要包括網(wǎng)格、星形、樹形等。由于ZigBee網(wǎng)絡僅有1個協(xié)調(diào)器，路由器和終端節(jié)點較多，協(xié)調(diào)器在整個系統(tǒng)中起到了管理員的作用，需要對頻段設置固定的數(shù)值，進而方便系統(tǒng)終端能夠快速顯示檢測結果。協(xié)調(diào)器還可以對各類傳感器終端節(jié)點進行管理，通過對節(jié)點進行新增、刪除的操作，來對設備進行擴展、精簡。當檢測到魚塘水質(zhì)的有效信息后，主要通過檢測終端節(jié)點來對這些有效信息進行接收和發(fā)送。在系統(tǒng)的組網(wǎng)結構中，其包含的路由器、傳感器終端節(jié)點都屬于系統(tǒng)的網(wǎng)絡層的組成部分。終端數(shù)據(jù)主要根據(jù)具體的應用設置而進行顯示，并發(fā)生變化。

3 系統(tǒng)軟件設計

在對基于Zigbee的魚塘水質(zhì)監(jiān)測系統(tǒng)進行軟件設計時，其主要設計內(nèi)容就是對傳感器節(jié)點和中心節(jié)點的設計，因此，系統(tǒng)軟件部分的設計流程如圖3所示。其中傳感器節(jié)點主要負責通過傳感器來采集魚塘水質(zhì)的有效信息，并且以20秒為采集周期，將采集到的信息發(fā)送至中心節(jié)點。中心節(jié)點的主要作用就是接受傳感器節(jié)點傳輸過來的數(shù)據(jù)并進行預處理，再通過CDMA模塊將數(shù)據(jù)傳輸?shù)奖O(jiān)控中心，在對監(jiān)控中心傳輸數(shù)據(jù)的過程中，中心節(jié)點需要通過監(jiān)控網(wǎng)絡來對傳感器節(jié)點的網(wǎng)絡分配和地址進行查看。監(jiān)控中心主要由傳感器網(wǎng)絡管理和監(jiān)控模塊組成，其中監(jiān)控中心的界面主要通過VB語言開發(fā)而成，在對傳感器網(wǎng)絡進行管理的過程中，實際上就是TCP/IP協(xié)議和中心節(jié)點的通信，從而管理服務器外部網(wǎng)絡的IP地址。

圖3：系統(tǒng)軟件流程圖

圖4：CDMA數(shù)據(jù)傳輸串口調(diào)試狀態(tài)圖

3.1 開發(fā)環(huán)境

本課題主要采用了IARSystems、IAREmbeddedWorkbench技術來對系統(tǒng)的軟件部分進行設計，其中IAREmbeddedWorkbench實際上是一個集成化的開發(fā)環(huán)境，可以支持不同類型芯片的嵌入式開發(fā)，并且方便開發(fā)人員對程序進行編譯和走讀。

3.2 協(xié)調(diào)器程序設計

對于系統(tǒng)的網(wǎng)絡架構來說，最核心的設備就是協(xié)調(diào)器，協(xié)調(diào)器在系統(tǒng)的網(wǎng)絡結構中起到了非常重要的作用，主要負責對系統(tǒng)網(wǎng)絡的構建和管理，管理員用戶進入系統(tǒng)后，第一步就是對硬件進行初始化，然后就是對協(xié)議棧進行初始化。完成初始化之后，就可以直接啟動網(wǎng)絡，網(wǎng)絡成功啟動后，協(xié)調(diào)器可以對系統(tǒng)的終端設備進行通信，接收來自傳感器的采集數(shù)據(jù)，并由USB接口將數(shù)據(jù)傳輸?shù)较到y(tǒng)終端界面。

3.3 終端節(jié)點程序設計

終端節(jié)點的主要作用就是對傳感器數(shù)據(jù)進行接收、整理并進行顯示。當系統(tǒng)的硬件設備和協(xié)議棧初始化成功后，即可在終端開始對協(xié)調(diào)器進行搜索，并通過參與網(wǎng)絡，將傳感器采集并發(fā)送過來的數(shù)據(jù)傳送到協(xié)調(diào)器。終端的工作流程如圖3所示。

4 實驗測試

本課題通過對傳感器、協(xié)調(diào)器以及其他設備的設計和應用，以某魚塘為例，設計并實現(xiàn)了基于Zigbee的魚塘水質(zhì)監(jiān)測系統(tǒng)。系統(tǒng)通過1個中心節(jié)點和若干個傳感器節(jié)點，完成對水質(zhì)問題參數(shù)的設置后，通過對某魚塘水質(zhì)的溫度、電導率、pH值、濁度、溶解氧等進行實時檢測，檢測到的實際數(shù)據(jù)由傳感器節(jié)點發(fā)送到中心節(jié)點，通過CDMA模塊將數(shù)據(jù)傳輸?shù)奖O(jiān)控中心，在最終顯示到PC端，終端具體的顯示界面如圖4所示。

5 結論

本課題研究的基于ZigBee技術的魚塘水質(zhì)環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)的設計與實現(xiàn)，主要采用CC2530 芯片來系統(tǒng)的硬件部分進行設計。系統(tǒng)的最后的測試結果表明，系統(tǒng)終端能夠?qū)崟r接收到傳感器節(jié)點采集的魚塘水質(zhì)監(jiān)測數(shù)值，并且顯示出來。很好地解決了目前水質(zhì)監(jiān)測面臨的不能實時監(jiān)測并顯示數(shù)據(jù)、投入成功較高、傳輸過程容易受到其他因素的干擾等問題。系統(tǒng)具有較高的安全性、可靠性、精確性和實用性。