基于ZigBee的水產養殖無線監控系統設計

徐 凱,張秋菊,李克修,盛衛峰

（江南大學 機械工程學院，江蘇 無錫214122）

隨著科學技術的發展，尤其是網絡技術和傳感器技術的發展，精細農業越來越受到人們的關注[1]。與此同時，我國的水產養殖已經從傳統的粗放型養殖逐漸轉變為工廠化養殖，水產養殖自動化監控技術發展較快。在水產養殖過程中需要實時監控多種參數，例如水溫、溶解氧、pH值和氨氮值等。目前，水產養殖監控系統多使用現場總線技術，通過總線實現傳感器參數和控制參數的傳輸[2-3]。但是由于水產養殖區域分布范圍廣，環境惡劣，有線組網方式布線困難，不易維護，成本較高。ZigBee技術一種是新型的的短距離、低速率、低成本的無線網絡通信技術[4]，無線傳感網絡已經成功應用于糧庫自動化檢測[5]、溫室環境監測[6]、果蔬冷鏈配送[7]、智能灌溉[8]、土壤溫度監測[9]、牲畜定位[10]等農業生產相關領域。同時ZigBee技術還與以太網、GSM等傳統通信網絡結合，提高了無線傳感網的應用范圍。將無線傳感網絡技術應用于水產養殖中，不但可以減少污染、降低能耗，還可以有效提高經濟效益。

本文以無線傳感網絡技術為基礎，完成一套完整的水產養殖無線監控系統。無線傳感網絡實現了水環境參數、大氣環境參數和養殖中心能耗等監測功能，并通過無線網絡實現增氧機的自動控制。水環境監測節點使用太陽能供電系統，每個水環境監測節點通過水溫、溶解氧和pH值來監測魚類生存環境；自動氣象站實時監測大氣溫度、大氣濕度、大氣壓強、風速、風向等參數；智能電表實現養殖中心的能耗監控；監控中心計算機實現水環境相關傳感數據實時顯示和保存功能。

1 無線監控網絡設計

1.1 無線監控系統整體設計

無線監控系統由無線傳感網絡、水環境監測傳感器、智能電表、自動氣象站，GSM模塊、監控計算機和遠程數據庫組成。無線監控系統實現了三種不同類型的參數檢測。(1)水環境參數檢測，這些參數和魚類生長繁殖息息相關，包括水溫、溶解氧和 pH值；(2)大氣環境參數，這些參數也會影響水環境參數，例如大氣溫度、濕度、風速和風向等；(3)養殖中心能耗情況，通過智能電表監控各養殖中心的用電量。除了環境和能耗參數的監測之外，該系統還具有遠程控制功能，例如通過無線網絡控制增氧機的啟動或停止。在無線傳感網絡中，傳感網中心節點和監測節點使用主從通信方式，即中心節點廣播命令，指定的從機在接受命令后，立即執行命令并返回執行結果。在本無線傳感網絡中，由監控計算機通過網絡協調器廣播命令。監控計算機可以實時顯示各傳感節點參數，通過以太網把收集到的數據存入遠程數據庫中。監控計算機具有報警功能，如遇緊急情況，監控計算機將會向養殖管理者發送報警信息。與此同時，水產養殖管理者可以通過手機實時獲得水環境中的各種參數和增氧機的工作狀態。無線傳感網的總體結構如圖1所示。

1.2 傳感網絡結構

ZigBee網絡根據應用的需要可以分為星型網絡、網狀網絡和樹狀網絡。星型網絡適合家庭自動化或個人健康護理等小范圍應用，網絡協調器與終端設備、中繼路由通信，在這種簡單的網絡結構中，路由器不具有路由作用。與星型網絡不同，在網狀網絡中，只要節點在彼此的視距范圍之內就可以通信，路由器具有網絡報文的轉發功能，但是網狀網絡構建比較復雜，節點維護的信息較多。樹狀網絡實際上是多個星型網絡的組合，網絡協調器、路由器和終端節點功能清晰，整個網絡構造簡單，節點消耗資源少。

本設計中，無線傳感網絡采用樹狀網絡，具體結構如圖2所示。水質監測節點和增氧機控制節點作為終端節點，負責獲得傳感器的輸出信息和執行控制參數；路由器負責傳遞網絡報文，擴大了無線傳感網絡的范圍；網絡協調器負責發送監控指令，并向監控計算機返回傳感器數據。

1.3 水質監測節點硬件結構

水質監測節點由ZigBee模塊、溶解氧傳感器、pH值傳感器、水溫傳感器、太陽能電池板、鉛蓄電池和智能充電器控制器組成。監測系統使用上海順舟公司的SZ06系列 ZigBee模塊，該系列模塊具有 GPIO、A/D、RS232或者RS485通信功能，完全滿足系統的設計需要。

根據水產養殖中心的實際情況，水環境監測節點需安裝在池塘中央，較難提供電網電源，所以使用太陽能電池板和鉛蓄電池組成系統電源。由于水環境監測節點需要24小時監控供電，所以需要容量較大的鉛蓄電池提供后備電源。根據該地區的天氣情況，水環境監測節點需要鉛蓄電池在無充電的情況下，連續工作5到6天。水質監測節點的硬件結構如圖3所示。

水質傳感器具有標準的4～20 mA電流輸出信號。傳感器的輸出信號經過信號調理之后，由ZigBee模塊進行A/D轉換，經過處理之后便可計算出傳感器輸出的實際結果。水質監測節點的工作流程如圖4所示。

圖4 水質監測節點軟件流程圖

1.4 增氧機控制節點設計

為了實現增氧機的遠程控制，終端節點還具有I/O口輸出功能。增氧機控制節點(見圖5)通過控制中間繼電器來控制交流接觸器，啟動或關閉增氧機的泵電機。增氧機控制節點具有遠程自動控制和現場手動控制兩種模式。圖5中，SA1旋鈕開關作為手動和自動選擇開關。SB1和SB2分別為停止和啟動按鈕，KM1為增氧機交流接觸器線圈。若處于手動控制模式下，則可通過SB1和SB2控制增氧機；若處于自動控制模塊，則可通過中心計算機廣播控制指令遠程控制增氧機。

1.5 大氣環境和功耗監測設計

由于傳統的自動氣象站和智能電表都沒有無線傳輸功能，所以需要對氣象站和智能電表的輸出信號進行轉化，進而組成一個傳感網絡。本項目使用武漢新綠原公司的自動氣象站，該氣象站提供一個RS232接口，通過ModBus協議指令傳輸大氣溫度、大氣濕度、風速和風向等參數。自動氣象站和智能電表網絡結構如圖6所示。根據國家相關標準，智能電表提供一個RS485接口，通過ModBus協議傳輸諸如消耗總電量或當天消耗電量等信息。為了能夠有效地統一檢測節點的傳輸信號，該無線傳感網為智能電表和自動氣象站設計了特殊的終端節點，這些終端節點通過RS232接口或者RS485接口發送Modbus協議命令，把獲得的結果保存在指定的內存中，這樣監控中心的計算機就可以使用統一的指令訪問終端節點。從本質上來說，這種特殊的終端節點起到了RS232與RS485之間橋梁的作用，有了這種轉化設備，就能有效地提高傳感網絡的集成度，方便監控中心計算機訪問。

2 監控軟件設計

監控軟件分為本地客戶端和遠程服務器端。本地客戶端主要負責收集每個傳感器的信息，并定時把傳感器數據傳輸給服務器端；服務器端保留所有的歷史數據，并對歷史數據進行分析整理。養殖中心管理者可以通過互聯網訪問傳感器歷史數據庫，查看所有監測節點的數據。

2.1 監測軟件客戶端

監測軟件客戶端采用Delphi7開發。監控軟件客戶端包括串口設置、接口設置、數據通信、數據上傳和GSM通信5大功能。串口設置功能可以配置與網絡協調器相連的串口，例如串口端口號、數據位、停止位和奇偶校驗等參數。接口設置功能主要用于設置和查詢終端節點的參數，這些參數不但包含ZigBee模塊的地址，還包括與之相連傳感器的信息。數據通信功能用于啟動和停止傳感器數據采集，并及時解析采集的數據。數據上傳功能負責把傳感器的數據傳送給遠程數據庫。GSM功能可以通過手機短信的方式，向養殖管理者發送報警信息，養殖中心管理者還可以通過短信查詢各傳感節點參數和增氧機的運行狀態。

2.2 監控軟件服務器端

監控軟件服務器端使用Delphi7.0的CLXbase7開發環境及CBX應用服務器、Microsoft SQL server 2000進行軟件開發。CLXbase7是基于Delphi7.0的強化版本。CBX是一個完備的體現RIA思想的應用開發框架，實現將開發的應用程序發布到互聯網，客戶端僅通過瀏覽器便能進行訪問。

監控軟件服務器端有傳感器數據查詢、傳感器歷史數據統計、電子地圖、用戶權限管理、養殖中心能耗管理和執行器遠程控制等功能。

本文設計的基于ZigBee的無線傳感監控系統已成功應用于某鎮水產養殖基地，半年多來系統運行穩定，傳感器數據采集、無線傳輸和執行器遠程控制等功能達到設計要求，提高了養殖中心的管理效率。該系統結合無線通信技術、傳感器技術和GSM通信技術，不但可以監測水溫、溶解氧和pH值等水環境參數，還可以監測大氣環境參數和養殖中心能耗狀況。研究結果表明：

(1)無線傳感網絡監控系統可以解決基于總線技術的監控系統布線困難、范圍較小等問題。相比于傳統的監控手段，無線傳感網具有靈活、低成本和低功耗等特點，將會越來越多地應用在農業生產中。

(2)基于ZigBee的養殖環境監測系統可以實時地監測養殖環境中各項水體參數，并通過遠程數據庫保留監測數據，這些水環境相關的歷史數據是魚類的生長繁殖重要的參考資料。系統運行至今，各傳感節點工作穩定可靠。太陽能電池板和鉛蓄電池組成的工作系統可以保證陰雨天氣下系統連續運行。

(3)除了環境監測功能之外，智能電表監測功能還可以幫助管理者了解能耗狀態。GSM功能和能耗監控功能提高了養殖中心的管理效率。

[1]汪懋華.“精細農業”發展與工程技術創新[J].農業工程學報，1999(1):1-8.

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