ZigBee技術(shù)在淡水養(yǎng)殖應(yīng)用的研究*

齊樹鳴，李 麗

(1.佳木斯大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院；2.佳木斯大學(xué)信息電子技術(shù)學(xué)院，黑龍江 佳木斯 154007)

0 引言

隨著我國經(jīng)濟不斷發(fā)展，水產(chǎn)養(yǎng)殖集約化已然變成為養(yǎng)殖的主體。在淡水養(yǎng)殖中，溫度、光照、溶氧量、PH值等因素都在不同程度上影響著養(yǎng)殖物種的生長。低溶氧量氧對魚類的生長不利，養(yǎng)殖魚類只有在溶氧量達到一定濃度之后才能維持其基本的生命活動，飼料的利用率也會隨溶氧量的升高而增加，從而影響?zhàn)B殖魚類的生長速度。魚類是一種變溫動物，養(yǎng)殖環(huán)境中水的溫度會直接影響到魚的生存繁殖，還需要水體水質(zhì)有一定的弱堿性(PH為7～8.5)和低氨氮含量，從而減少對魚類生長的損害，但隨著水產(chǎn)養(yǎng)殖行業(yè)與養(yǎng)殖密度不斷發(fā)展提高，飼料投放、水溫、溶氧濃度、PH值的及時檢測與控制，將對淡水養(yǎng)殖的產(chǎn)量和質(zhì)量產(chǎn)生巨大的影響[1]。

1 ZigBee技術(shù)在淡水養(yǎng)殖應(yīng)用的結(jié)構(gòu)

1.1 總體設(shè)計方案的結(jié)構(gòu)

淡水養(yǎng)殖中需要監(jiān)測的面積大且分散，這就需要分布較多的監(jiān)測點，如果使用的是點對點式的管理方法，則在監(jiān)控管理上就很大的不便，面對許許多多的監(jiān)測點很難做到統(tǒng)一的實時管理，而且不利于對所需環(huán)境數(shù)據(jù)的管理分析，通過無線傳感器建立一個無線網(wǎng)絡(luò)，將各個監(jiān)測點通過無線連接的方式聯(lián)系在一起，將所有數(shù)據(jù)匯總發(fā)送到數(shù)據(jù)處理中心，用戶通過數(shù)據(jù)處理中心統(tǒng)一管理監(jiān)控，這樣就可以有效地減少管理者的工作量。根據(jù)淡水養(yǎng)殖中的具體監(jiān)測環(huán)境系統(tǒng)和ZigBee的技術(shù)特點，選用ZigBee網(wǎng)絡(luò)作為無線網(wǎng)絡(luò)的基礎(chǔ)，總體方案結(jié)構(gòu)如圖1所示[2]。

圖1 總體方案結(jié)構(gòu)圖

淡水養(yǎng)殖無線監(jiān)控系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)分為4層:數(shù)據(jù)采集模塊(傳感器節(jié)點)、路由器節(jié)點、匯聚節(jié)點(協(xié)調(diào)器節(jié)點)、數(shù)據(jù)處理終端。組網(wǎng)方式采用星型拓撲結(jié)構(gòu)[3]。在實際的養(yǎng)殖環(huán)境中養(yǎng)殖場由多個小的區(qū)域構(gòu)成，所以監(jiān)控系統(tǒng)所監(jiān)測的區(qū)域是由多個獨立的小區(qū)域組成，在每個單獨的小區(qū)域布置大量所需的傳感器節(jié)點，通過各個傳感器節(jié)點再組成無線傳感器網(wǎng)絡(luò)，采集各類環(huán)境數(shù)據(jù)再經(jīng)過網(wǎng)絡(luò)的多跳傳輸，通過USB有線傳輸?shù)竭_數(shù)據(jù)處理中心?？紤]到無線網(wǎng)絡(luò)的多跳性，所以在實際的網(wǎng)絡(luò)中監(jiān)測的范圍可以變得很大，根據(jù)不同的需要，從而有效地改變節(jié)點的數(shù)量使之動態(tài)地增加或減少，建立一個可以動態(tài)變化的監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)，滿足管理上的各種需求[4]。

1.2 PH傳感器的測量方案設(shè)計

傳感器采集模塊PH傳感器的測量范圍在0～14，傳感器引腳連接在CC2430的P 0.4腳上，為了滿足節(jié)點硬件要求采用信號調(diào)理電路，其主要作用是電流電壓轉(zhuǎn)換，增強抗干擾能力，如圖2所示[5]。

圖2 PH測量電路接線圖

1.3 水體溶解氧的測量方案設(shè)計

水體溶解氧的檢測使用溶解氧濃度傳感器，該傳感器通過覆膜酸性電解質(zhì)原電池原理來實現(xiàn)水體中溶氧濃度的測量[6]。設(shè)計使用DOC-96DS型溶氧傳感器的測量范圍在0～20 mg/L，靈敏度范圍±0.5% FS，傳感器引腳連接在CC2430的P 0.5引腳上，為了滿足節(jié)點硬件使用要求，采用信號調(diào)理電路，其主要作用是電流/電壓轉(zhuǎn)換，增強抗干擾能力。水體溶解氧的測量電路如圖3所示。

圖3 水體溶解氧測量電路接線圖

1.4 溫度的測量方案設(shè)計

AD590型溫度傳感器的測量范圍是-50℃～100℃，靈敏度范圍±0.5℃，傳感器引腳連接在CC2430的P 0.6引腳，為了滿足節(jié)點硬件要求，采用信號調(diào)理電路，其主要作用是電流/電壓轉(zhuǎn)換、放大、增強抗干擾能力。通過AD590型溫度傳感器進行溫度檢測，輸出數(shù)字量，CC2430數(shù)據(jù)處理模塊進行處理后無線發(fā)送給協(xié)調(diào)端節(jié)點，協(xié)調(diào)端節(jié)點再通過USB傳輸給監(jiān)控端，完成系統(tǒng)的監(jiān)控工作[7]，溫度測量電路如圖4所示，由于淡水養(yǎng)殖無線監(jiān)控系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)很多，就不一一贅述。

圖4 溫度測量電路接線圖

2 淡水養(yǎng)殖無線監(jiān)控系統(tǒng)的軟件設(shè)計

系統(tǒng)軟件主要包括兩個部分：ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點程序與數(shù)據(jù)管理中心程序。網(wǎng)絡(luò)節(jié)點程序包括網(wǎng)絡(luò)中各節(jié)點的ZigBee協(xié)議棧應(yīng)用程序設(shè)計；數(shù)據(jù)管理中心程序設(shè)計包括用戶操作界面、數(shù)據(jù)庫、數(shù)據(jù)處理子程序等的設(shè)計[8]。為了和硬件設(shè)計相對應(yīng)，在此僅介紹ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點程序。

2.1 協(xié)調(diào)器節(jié)點程序設(shè)計

協(xié)調(diào)器節(jié)點負責(zé)ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)建立、發(fā)送相關(guān)指令、接收、轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)、與數(shù)據(jù)管理中心進行通信[9]，協(xié)調(diào)器節(jié)點程序流程如圖5所示。

圖5 協(xié)調(diào)器節(jié)點程序框圖

2.2 傳感器節(jié)點程序的設(shè)計

傳感器節(jié)點負責(zé)數(shù)據(jù)的采集、發(fā)送。當(dāng)節(jié)點無數(shù)據(jù)采集工作時進入休眠狀態(tài)，以降低系統(tǒng)能耗，待到有新命令時進入工作狀態(tài)，傳感器節(jié)點的程序流程圖如圖6所示，首先傳感器節(jié)點啟動，進行初始化，將網(wǎng)絡(luò)地址和各種信息發(fā)送到協(xié)調(diào)器中，之后進入休眠狀態(tài)等待下一次數(shù)據(jù)采集命令的到來，之后開始工作。

圖6 傳感器節(jié)流程圖

3 結(jié)束語

淡水養(yǎng)殖對環(huán)境的要求相對較高，需要周圍環(huán)境中水源充足并且水質(zhì)要好，進、排水操作方便，有充足的光照、飼料，交通方便等，對養(yǎng)殖池塘面積、方向、進排水系統(tǒng)都有許多要求，ZigBee協(xié)議以及三種無線網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)的特征，協(xié)調(diào)器節(jié)點主要負責(zé)網(wǎng)絡(luò)管理，路由器的功能是對網(wǎng)絡(luò)控制功能的拓撲結(jié)構(gòu)傳輸?shù)墓δ芄?jié)點，終端節(jié)點是傳感器數(shù)據(jù)的采集節(jié)點，并與PC數(shù)據(jù)管理中心的監(jiān)控系統(tǒng)互聯(lián)，建立出一個小型無線傳感器監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)。系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)的穩(wěn)定可靠，節(jié)點訪問傳輸距離可達120 m，節(jié)點間數(shù)據(jù)傳輸流暢，滿足基本需求，通過網(wǎng)絡(luò)拓撲動態(tài)變化可實現(xiàn)節(jié)點重新入網(wǎng)，抗干擾能力強，實現(xiàn)了無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)在淡水養(yǎng)殖領(lǐng)域的應(yīng)用。