隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展,，尤其是網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和傳感器技術(shù)的發(fā)展，精細(xì)農(nóng)業(yè)越來越受到人們的關(guān)注[1],。與此同時(shí),，我國(guó)的水產(chǎn)養(yǎng)殖已經(jīng)從傳統(tǒng)的粗放型養(yǎng)殖逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)楣S化養(yǎng)殖，水產(chǎn)養(yǎng)殖自動(dòng)化監(jiān)控技術(shù)發(fā)展較快,。在水產(chǎn)養(yǎng)殖過程中需要實(shí)時(shí)監(jiān)控多種參數(shù),，例如水溫、溶解氧,、pH值和氨氮值等,。目前，水產(chǎn)養(yǎng)殖監(jiān)控系統(tǒng)多使用現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù),，通過總線實(shí)現(xiàn)傳感器參數(shù)和控制參數(shù)的傳輸[2-3],。但是由于水產(chǎn)養(yǎng)殖區(qū)域分布范圍廣，環(huán)境惡劣,，有線組網(wǎng)方式布線困難,，不易維護(hù)，成本較高,。ZigBee技術(shù)一種是新型的的短距離,、低速率、低成本的無線網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)[4],，無線傳感網(wǎng)絡(luò)已經(jīng)成功應(yīng)用于糧庫自動(dòng)化檢測(cè)[5],、溫室環(huán)境監(jiān)測(cè)[6]、果蔬冷鏈配送[7],、智能灌溉[8],、土壤溫度監(jiān)測(cè)[9]、牲畜定位[10]等農(nóng)業(yè)生產(chǎn)相關(guān)領(lǐng)域,。同時(shí)ZigBee技術(shù)還與以太網(wǎng),、GSM等傳統(tǒng)通信網(wǎng)絡(luò)結(jié)合，提高了無線傳感網(wǎng)的應(yīng)用范圍,。將無線傳感網(wǎng)絡(luò)技術(shù)應(yīng)用于水產(chǎn)養(yǎng)殖中,，不但可以減少污染,、降低能耗，還可以有效提高經(jīng)濟(jì)效益,。

    本文以無線傳感網(wǎng)絡(luò)技術(shù)為基礎(chǔ),，完成一套完整的水產(chǎn)養(yǎng)殖無線監(jiān)控系統(tǒng)。無線傳感網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)了水環(huán)境參數(shù),、大氣環(huán)境參數(shù)和養(yǎng)殖中心能耗等監(jiān)測(cè)功能,，并通過無線網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)增氧機(jī)的自動(dòng)控制。水環(huán)境監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)使用太陽能供電系統(tǒng),，每個(gè)水環(huán)境監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)通過水溫,、溶解氧和pH值來監(jiān)測(cè)魚類生存環(huán)境；自動(dòng)氣象站實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)大氣溫度,、大氣濕度,、大氣壓強(qiáng)、風(fēng)速,、風(fēng)向等參數(shù),；智能電表實(shí)現(xiàn)養(yǎng)殖中心的能耗監(jiān)控；監(jiān)控中心計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)水環(huán)境相關(guān)傳感數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)顯示和保存功能,。
1 無線監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)
1.1 無線監(jiān)控系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)
    無線監(jiān)控系統(tǒng)由無線傳感網(wǎng)絡(luò),、水環(huán)境監(jiān)測(cè)傳感器、智能電表,、自動(dòng)氣象站,，GSM模塊、監(jiān)控計(jì)算機(jī)和遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)庫組成,。無線監(jiān)控系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了三種不同類型的參數(shù)檢測(cè),。(1)水環(huán)境參數(shù)檢測(cè)，這些參數(shù)和魚類生長(zhǎng)繁殖息息相關(guān),，包括水溫,、溶解氧和pH值；(2)大氣環(huán)境參數(shù),，這些參數(shù)也會(huì)影響水環(huán)境參數(shù),，例如大氣溫度、濕度,、風(fēng)速和風(fēng)向等,；(3)養(yǎng)殖中心能耗情況，通過智能電表監(jiān)控各養(yǎng)殖中心的用電量,。除了環(huán)境和能耗參數(shù)的監(jiān)測(cè)之外，該系統(tǒng)還具有遠(yuǎn)程控制功能,，例如通過無線網(wǎng)絡(luò)控制增氧機(jī)的啟動(dòng)或停止,。在無線傳感網(wǎng)絡(luò)中,，傳感網(wǎng)中心節(jié)點(diǎn)和監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)使用主從通信方式，即中心節(jié)點(diǎn)廣播命令,，指定的從機(jī)在接受命令后,，立即執(zhí)行命令并返回執(zhí)行結(jié)果。在本無線傳感網(wǎng)絡(luò)中,，由監(jiān)控計(jì)算機(jī)通過網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器廣播命令,。監(jiān)控計(jì)算機(jī)可以實(shí)時(shí)顯示各傳感節(jié)點(diǎn)參數(shù)，通過以太網(wǎng)把收集到的數(shù)據(jù)存入遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)庫中,。監(jiān)控計(jì)算機(jī)具有報(bào)警功能,，如遇緊急情況，監(jiān)控計(jì)算機(jī)將會(huì)向養(yǎng)殖管理者發(fā)送報(bào)警信息,。與此同時(shí),，水產(chǎn)養(yǎng)殖管理者可以通過手機(jī)實(shí)時(shí)獲得水環(huán)境中的各種參數(shù)和增氧機(jī)的工作狀態(tài)。無線傳感網(wǎng)的總體結(jié)構(gòu)如圖1所示,。

1.2 傳感網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)
    ZigBee網(wǎng)絡(luò)根據(jù)應(yīng)用的需要可以分為星型網(wǎng)絡(luò),、網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)和樹狀網(wǎng)絡(luò)。星型網(wǎng)絡(luò)適合家庭自動(dòng)化或個(gè)人健康護(hù)理等小范圍應(yīng)用,，網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器與終端設(shè)備,、中繼路由通信，在這種簡(jiǎn)單的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)中,，路由器不具有路由作用,。與星型網(wǎng)絡(luò)不同，在網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)中,，只要節(jié)點(diǎn)在彼此的視距范圍之內(nèi)就可以通信,，路由器具有網(wǎng)絡(luò)報(bào)文的轉(zhuǎn)發(fā)功能，但是網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建比較復(fù)雜,，節(jié)點(diǎn)維護(hù)的信息較多,。樹狀網(wǎng)絡(luò)實(shí)際上是多個(gè)星型網(wǎng)絡(luò)的組合，網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器,、路由器和終端節(jié)點(diǎn)功能清晰,，整個(gè)網(wǎng)絡(luò)構(gòu)造簡(jiǎn)單，節(jié)點(diǎn)消耗資源少,。
　　本設(shè)計(jì)中,，無線傳感網(wǎng)絡(luò)采用樹狀網(wǎng)絡(luò)，具體結(jié)構(gòu)如圖2所示,。水質(zhì)監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)和增氧機(jī)控制節(jié)點(diǎn)作為終端節(jié)點(diǎn),，負(fù)責(zé)獲得傳感器的輸出信息和執(zhí)行控制參數(shù)；路由器負(fù)責(zé)傳遞網(wǎng)絡(luò)報(bào)文，擴(kuò)大了無線傳感網(wǎng)絡(luò)的范圍,；網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器負(fù)責(zé)發(fā)送監(jiān)控指令,，并向監(jiān)控計(jì)算機(jī)返回傳感器數(shù)據(jù)。

1.3 水質(zhì)監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)硬件結(jié)構(gòu)
    水質(zhì)監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)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(jiān)測(cè)系統(tǒng)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(tǒng)的設(shè)計(jì)需要,。
    根據(jù)水產(chǎn)養(yǎng)殖中心的實(shí)際情況，水環(huán)境監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)需安裝在池塘中央,，較難提供電網(wǎng)電源,，所以使用太陽能電池板和鉛蓄電池組成系統(tǒng)電源。由于水環(huán)境監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)需要24小時(shí)監(jiān)控供電,，所以需要容量較大的鉛蓄電池提供后備電源,。根據(jù)該地區(qū)的天氣情況，水環(huán)境監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)需要鉛蓄電池在無充電的情況下,，連續(xù)工作5到6天,。水質(zhì)監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)的硬件結(jié)構(gòu)如圖3所示。

　水質(zhì)傳感器具有標(biāo)準(zhǔn)的4~20 mA電流輸出信號(hào),。傳感器的輸出信號(hào)經(jīng)過信號(hào)調(diào)理之后,，由ZigBee模塊進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換，經(jīng)過處理之后便可計(jì)算出傳感器輸出的實(shí)際結(jié)果,。水質(zhì)監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)的工作流程如圖4所示,。

1.4 增氧機(jī)控制節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)
    為了實(shí)現(xiàn)增氧機(jī)的遠(yuǎn)程控制，終端節(jié)點(diǎn)還具有I/O口輸出功能,。增氧機(jī)控制節(jié)點(diǎn)(見圖5)通過控制中間繼電器來控制交流接觸器,，啟動(dòng)或關(guān)閉增氧機(jī)的泵電機(jī)。增氧機(jī)控制節(jié)點(diǎn)具有遠(yuǎn)程自動(dòng)控制和現(xiàn)場(chǎng)手動(dòng)控制兩種模式,。圖5中,，SA1旋鈕開關(guān)作為手動(dòng)和自動(dòng)選擇開關(guān)。SB1和SB2分別為停止和啟動(dòng)按鈕,，KM1為增氧機(jī)交流接觸器線圈,。若處于手動(dòng)控制模式下,，則可通過SB1和SB2控制增氧機(jī)；若處于自動(dòng)控制模塊,，則可通過中心計(jì)算機(jī)廣播控制指令遠(yuǎn)程控制增氧機(jī),。

1.5 大氣環(huán)境和功耗監(jiān)測(cè)設(shè)計(jì)
    由于傳統(tǒng)的自動(dòng)氣象站和智能電表都沒有無線傳輸功能,，所以需要對(duì)氣象站和智能電表的輸出信號(hào)進(jìn)行轉(zhuǎn)化,，進(jìn)而組成一個(gè)傳感網(wǎng)絡(luò)。本項(xiàng)目使用武漢新綠原公司的自動(dòng)氣象站,，該氣象站提供一個(gè)RS232接口,，通過ModBus協(xié)議指令傳輸大氣溫度、大氣濕度,、風(fēng)速和風(fēng)向等參數(shù),。自動(dòng)氣象站和智能電表網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)如圖6所示。根據(jù)國(guó)家相關(guān)標(biāo)準(zhǔn),，智能電表提供一個(gè)RS485接口,，通過ModBus協(xié)議傳輸諸如消耗總電量或當(dāng)天消耗電量等信息。為了能夠有效地統(tǒng)一檢測(cè)節(jié)點(diǎn)的傳輸信號(hào),，該無線傳感網(wǎng)為智能電表和自動(dòng)氣象站設(shè)計(jì)了特殊的終端節(jié)點(diǎn),，這些終端節(jié)點(diǎn)通過RS232接口或者RS485接口發(fā)送Modbus協(xié)議命令，把獲得的結(jié)果保存在指定的內(nèi)存中,，這樣監(jiān)控中心的計(jì)算機(jī)就可以使用統(tǒng)一的指令訪問終端節(jié)點(diǎn),。從本質(zhì)上來說，這種特殊的終端節(jié)點(diǎn)起到了RS232與RS485之間橋梁的作用,，有了這種轉(zhuǎn)化設(shè)備,，就能有效地提高傳感網(wǎng)絡(luò)的集成度，方便監(jiān)控中心計(jì)算機(jī)訪問,。

2 監(jiān)控軟件設(shè)計(jì)

    監(jiān)控軟件分為本地客戶端和遠(yuǎn)程服務(wù)器端,。本地客戶端主要負(fù)責(zé)收集每個(gè)傳感器的信息，并定時(shí)把傳感器數(shù)據(jù)傳輸給服務(wù)器端,；服務(wù)器端保留所有的歷史數(shù)據(jù),，并對(duì)歷史數(shù)據(jù)進(jìn)行分析整理。養(yǎng)殖中心管理者可以通過互聯(lián)網(wǎng)訪問傳感器歷史數(shù)據(jù)庫,，查看所有監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù),。
2.1 監(jiān)測(cè)軟件客戶端
    監(jiān)測(cè)軟件客戶端采用Delphi7開發(fā)。監(jiān)控軟件客戶端包括串口設(shè)置,、接口設(shè)置,、數(shù)據(jù)通信、數(shù)據(jù)上傳和GSM通信5大功能,。串口設(shè)置功能可以配置與網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器相連的串口,，例如串口端口號(hào)、數(shù)據(jù)位、停止位和奇偶校驗(yàn)等參數(shù),。接口設(shè)置功能主要用于設(shè)置和查詢終端節(jié)點(diǎn)的參數(shù),，這些參數(shù)不但包含ZigBee模塊的地址，還包括與之相連傳感器的信息,。數(shù)據(jù)通信功能用于啟動(dòng)和停止傳感器數(shù)據(jù)采集,，并及時(shí)解析采集的數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)上傳功能負(fù)責(zé)把傳感器的數(shù)據(jù)傳送給遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)庫,。GSM功能可以通過手機(jī)短信的方式,，向養(yǎng)殖管理者發(fā)送報(bào)警信息，養(yǎng)殖中心管理者還可以通過短信查詢各傳感節(jié)點(diǎn)參數(shù)和增氧機(jī)的運(yùn)行狀態(tài),。
2.2  監(jiān)控軟件服務(wù)器端
    監(jiān)控軟件服務(wù)器端使用Delphi7.0的CLXbase7開發(fā)環(huán)境及CBX應(yīng)用服務(wù)器,、Microsoft SQL server 2000進(jìn)行軟件開發(fā)。CLXbase7是基于Delphi7.0的強(qiáng)化版本,。CBX是一個(gè)完備的體現(xiàn)RIA思想的應(yīng)用開發(fā)框架,，實(shí)現(xiàn)將開發(fā)的應(yīng)用程序發(fā)布到互聯(lián)網(wǎng)，客戶端僅通過瀏覽器便能進(jìn)行訪問,。
    監(jiān)控軟件服務(wù)器端有傳感器數(shù)據(jù)查詢,、傳感器歷史數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)、電子地圖,、用戶權(quán)限管理,、養(yǎng)殖中心能耗管理和執(zhí)行器遠(yuǎn)程控制等功能。
    本文設(shè)計(jì)的基于ZigBee的無線傳感監(jiān)控系統(tǒng)已成功應(yīng)用于某鎮(zhèn)水產(chǎn)養(yǎng)殖基地,，半年多來系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定,，傳感器數(shù)據(jù)采集、無線傳輸和執(zhí)行器遠(yuǎn)程控制等功能達(dá)到設(shè)計(jì)要求,，提高了養(yǎng)殖中心的管理效率,。該系統(tǒng)結(jié)合無線通信技術(shù)、傳感器技術(shù)和GSM通信技術(shù),，不但可以監(jiān)測(cè)水溫,、溶解氧和pH值等水環(huán)境參數(shù)，還可以監(jiān)測(cè)大氣環(huán)境參數(shù)和養(yǎng)殖中心能耗狀況,。研究結(jié)果表明：
    (1) 無線傳感網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控系統(tǒng)可以解決基于總線技術(shù)的監(jiān)控系統(tǒng)布線困難,、范圍較小等問題。相比于傳統(tǒng)的監(jiān)控手段,，無線傳感網(wǎng)具有靈活,、低成本和低功耗等特點(diǎn)，將會(huì)越來越多地應(yīng)用在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中,。
    (2) 基于ZigBee的養(yǎng)殖環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)可以實(shí)時(shí)地監(jiān)測(cè)養(yǎng)殖環(huán)境中各項(xiàng)水體參數(shù),，并通過遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)庫保留監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù),，這些水環(huán)境相關(guān)的歷史數(shù)據(jù)是魚類的生長(zhǎng)繁殖
重要的參考資料。系統(tǒng)運(yùn)行至今,，各傳感節(jié)點(diǎn)工作穩(wěn)定可靠,。太陽能電池板和鉛蓄電池組成的工作系統(tǒng)可以保證陰雨天氣下系統(tǒng)連續(xù)運(yùn)行。
    (3) 除了環(huán)境監(jiān)測(cè)功能之外,，智能電表監(jiān)測(cè)功能還可以幫助管理者了解能耗狀態(tài),。GSM功能和能耗監(jiān)控功能提高了養(yǎng)殖中心的管理效率。
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