摘  要： 針對(duì)水產(chǎn)養(yǎng)殖的實(shí)際需求，利用ZigBee,、GPRS和傳感器技術(shù)設(shè)計(jì)一個(gè)無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò),，構(gòu)建了一套完整的水產(chǎn)養(yǎng)殖環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，對(duì)影響?hù)~(yú)類(lèi)生長(zhǎng)的溫度,、pH值,、溶解氧含量和水位等環(huán)境因素進(jìn)行實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)和采集，實(shí)現(xiàn)了智慧水產(chǎn)養(yǎng)殖的目的,。
關(guān)鍵詞： ZigBee,；水產(chǎn)養(yǎng)殖；監(jiān)測(cè)

　我國(guó)是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)大國(guó),，水產(chǎn)養(yǎng)殖業(yè)是我國(guó)農(nóng)業(yè),、國(guó)民經(jīng)濟(jì)和人民生活需求的重要組成部分。傳統(tǒng)的水產(chǎn)養(yǎng)殖手段和方法科技含量不足,、對(duì)養(yǎng)殖環(huán)境的變化反應(yīng)遲（往往是養(yǎng)殖的魚(yú)類(lèi)發(fā)生了狀態(tài)變化才處理）,，導(dǎo)致養(yǎng)魚(yú)成本增加、經(jīng)濟(jì)效益下降,。為了提高水產(chǎn)養(yǎng)殖現(xiàn)代化管理水平,，實(shí)現(xiàn)水產(chǎn)養(yǎng)殖自動(dòng)化管理和控制，使用ZigBee技術(shù)構(gòu)建了一個(gè)水產(chǎn)養(yǎng)殖智能監(jiān)測(cè)系統(tǒng),，能夠?qū)崟r(shí)地進(jìn)行數(shù)據(jù)采集監(jiān)測(cè),，以實(shí)現(xiàn)水質(zhì)環(huán)境監(jiān)控、養(yǎng)殖生產(chǎn)管理和專(zhuān)家知識(shí)查詢(xún)。
　信息的實(shí)時(shí)精確采集,、處理以及環(huán)境參數(shù)的自動(dòng)監(jiān)測(cè)為水產(chǎn)養(yǎng)殖業(yè)進(jìn)一步向集約化,、規(guī)模化方向發(fā)展提供了重要支撐[1-2],。相應(yīng)的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)得到了研究,，如基于.NET的對(duì)蝦病害防治專(zhuān)家系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[3]以及基于WSN的水產(chǎn)養(yǎng)殖環(huán)境參數(shù)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)[4]，這些系統(tǒng)從不同的側(cè)面進(jìn)行了研究,。本文在前期開(kāi)發(fā)研究的基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)了遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng),，實(shí)現(xiàn)了水產(chǎn)養(yǎng)殖環(huán)境參數(shù)閾值設(shè)定、自動(dòng)檢查和預(yù)警,。
1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
　系統(tǒng)主要由環(huán)境參數(shù)自動(dòng)獲取傳感器節(jié)點(diǎn),、ZigBee無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)、GPRS無(wú)線(xiàn)通信網(wǎng)絡(luò)和上位機(jī)專(zhuān)家系統(tǒng)4個(gè)部分組成,，如圖1所示,。

　（1）終端節(jié)點(diǎn)（傳感器節(jié)點(diǎn)）
由分布在測(cè)試區(qū)域的監(jiān)測(cè)水溫,、pH值,、溶解氧濃度和水位等各種傳感器以及ZigBee模塊（CC2530）構(gòu)成終端節(jié)點(diǎn)，以自動(dòng)獲取養(yǎng)殖環(huán)境參數(shù),，并能接收上位機(jī)的控制指令進(jìn)行相關(guān)的控制操作,。
　（2）ZigBee無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)
根據(jù)監(jiān)控區(qū)域的大小,，靈活地采用星形拓?fù)?、?shù)形拓?fù)浜途W(wǎng)狀拓?fù)洌瑐鞲衅鲾?shù)據(jù)以無(wú)線(xiàn)多跳的形式上傳至網(wǎng)絡(luò)控制器,。底層為多個(gè)ZigBee監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò),，負(fù)責(zé)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的采集。
?。?）GPRS網(wǎng)絡(luò)
GPRS網(wǎng)絡(luò)是2.5代移動(dòng)通信系統(tǒng),，位于第二代（2G）和第三代（3G）移動(dòng)通信技術(shù)之間。它的基本功能是在網(wǎng)絡(luò)控制器與Internet的路由器之間傳遞分組數(shù)據(jù),，使用分組交換技術(shù),，能兼容GSM。
?。?）上位機(jī)專(zhuān)家系統(tǒng)
　上位機(jī)專(zhuān)家系統(tǒng)接收網(wǎng)絡(luò)控制器的數(shù)據(jù),，進(jìn)行系統(tǒng)分析，與預(yù)先設(shè)定的環(huán)境參數(shù)閾值進(jìn)行比較,，當(dāng)參數(shù)值超出設(shè)計(jì)范圍時(shí),，產(chǎn)生報(bào)警信息,。工作人員可根據(jù)專(zhuān)家系統(tǒng)形成處理方案，通知終端節(jié)點(diǎn)進(jìn)行相應(yīng)的操作,。

2 硬件設(shè)計(jì)
2.1 終端節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)
　節(jié)點(diǎn)分為具有路由與中繼功能的FFD節(jié)點(diǎn)和只進(jìn)行數(shù)據(jù)獲取的RFD節(jié)點(diǎn),。FFD節(jié)點(diǎn)可與RFD節(jié)點(diǎn)通信，也可以與別的FFD節(jié)點(diǎn)通信,。在RFD節(jié)點(diǎn)不能直接與網(wǎng)關(guān)通信的時(shí)候,，F(xiàn)FD節(jié)點(diǎn)就起到了連接網(wǎng)關(guān)和RFD節(jié)點(diǎn)通信的目的。兩類(lèi)節(jié)點(diǎn)在硬件設(shè)計(jì)上基本相同,，只需在實(shí)際應(yīng)用中根據(jù)需要“燒寫(xiě)”入不同的腳本,。
節(jié)點(diǎn)主要由電源底板、無(wú)線(xiàn)模塊和傳感器模塊3部分組成,。
2.1.1 電源底板
　由于節(jié)點(diǎn)要設(shè)置在室外,，若使用電力線(xiàn)供電，布線(xiàn)比較麻煩,，節(jié)點(diǎn)也不能根據(jù)需要進(jìn)行靈活的移動(dòng),。本設(shè)計(jì)采用電池供電，可安裝4節(jié)7號(hào)電池,，也可加裝太陽(yáng)能模塊,，構(gòu)建雙電源供電系統(tǒng)，能有效防止因電池電量不足給監(jiān)測(cè)帶來(lái)的不便,。根據(jù)測(cè)得節(jié)點(diǎn)工作時(shí)的電流和電壓等數(shù)據(jù)以及實(shí)際應(yīng)用中的要求,，適宜采用6 V電源給節(jié)點(diǎn)供電。
2.1.2 CC2530無(wú)線(xiàn)模塊
　ZigBee無(wú)線(xiàn)模塊采用TI的ZigBee片上系統(tǒng)CC2530作為控制器,，主要由ZigBee芯片、晶振,、天線(xiàn),、擴(kuò)展引腳以及LED燈等組成，工作于2.4 GHz的ISM頻段,。CC2530結(jié)合了一個(gè)完全集成的高性能RF收發(fā)器與一個(gè)8051單片機(jī),，8 KB的RAM，32/64/128/256 KB閃存,，以及其他強(qiáng)大的支持功能和外設(shè),。無(wú)線(xiàn)模塊采用標(biāo)準(zhǔn)雙排20針功能引腳與底板相連。無(wú)線(xiàn)模塊引腳圖如圖2所示,。

2.1.3 傳感器的選取
?。?）溫度傳感器
　系統(tǒng)采用數(shù)字式溫度傳感器DS18B20，它采用單總線(xiàn)專(zhuān)用技術(shù),，既可通過(guò)串行線(xiàn),，也可通過(guò)其他I/O線(xiàn)與微機(jī)接口，無(wú)須經(jīng)過(guò)其他變換電路，直接輸出被測(cè)溫度值（9 bit二進(jìn)制數(shù),，含符號(hào)位）,，測(cè)溫范圍為-55℃~ +125℃，測(cè)量分辨率為0.062 5℃,，內(nèi)含64 bit經(jīng)過(guò)激光修正的只讀存儲(chǔ)器ROM,，用戶(hù)可分別設(shè)定各路溫度的上、下限,，內(nèi)含寄生電源,。
　（2）溶解氧傳感器
　系統(tǒng)采用上海博取儀器有限公司生產(chǎn)的DOG-209F型工業(yè)溶氧電極（PPM級(jí)）,。DOG-209F型溶解氧傳感器具有較高的穩(wěn)定性和可靠性,，可在惡劣環(huán)境中使用，維護(hù)量也較小,，適用于城市污水處理,、工業(yè)廢水處理、水產(chǎn)養(yǎng)殖和環(huán)境監(jiān)測(cè)等領(lǐng)域的溶解氧連續(xù)測(cè)定,。
?。?）pH值傳感器
　pH值表示水的酸堿度，當(dāng)水中pH值低于5.5或高于9時(shí)不能作為養(yǎng)殖用水,。本文選用美國(guó)GWI品牌的WQ201 pH值傳感器,。WQ201水質(zhì)pH傳感器是一個(gè)堅(jiān)固耐用的水質(zhì)pH測(cè)量器件，帶有7.5 m船舶級(jí)電纜,，最大電纜長(zhǎng)度可達(dá)150 m,；采用3線(xiàn)制，4 mA~20 mA輸出,。變送器的電子部件全部用船舶級(jí)環(huán)氧樹(shù)脂包封,，不銹鋼外殼；在線(xiàn)式傳感器具有1"PVC×8"的管螺紋連接,；具有可拆卸護(hù)套和可更換PH傳感元件,，易于維護(hù)。
?。?）水位傳感器
　選用廣東浩捷電子儀器有限公司生產(chǎn)的PTJ301投入式液位傳感器,，其采用擴(kuò)散硅壓阻芯體或陶瓷壓阻芯體，全不銹鋼結(jié)構(gòu),，主要適用于河流,、地下水位、水庫(kù),、水塔及容器等的液位測(cè)量與控制,。
2.2 ZigBee網(wǎng)絡(luò)控制器設(shè)計(jì)
　網(wǎng)絡(luò)控制器硬件設(shè)計(jì)的核心是處理器芯片,。處理器模塊在無(wú)線(xiàn)收發(fā)模塊的協(xié)作下完成ZigBee網(wǎng)絡(luò)的建立與維護(hù)、數(shù)據(jù)采集與處理,、無(wú)線(xiàn)數(shù)據(jù)收發(fā)以及ZigBee2007協(xié)議棧的正常運(yùn)行,。本設(shè)計(jì)選用TI公司成熟的ZigBee芯片CC2530/F256，它是符合IEEE802.15.4規(guī)范的SoC系統(tǒng)解決方案,。
　網(wǎng)絡(luò)控制器由ZigBee模塊,、GPRS模塊和存儲(chǔ)模塊組成，ZigBee模塊實(shí)現(xiàn)底端數(shù)據(jù)的傳輸和組網(wǎng),，然后通過(guò)GPRS模塊將底端數(shù)據(jù)傳到遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)監(jiān)控中心,。通過(guò)GPRS與遠(yuǎn)程監(jiān)控中心連接，不受距離限制,。存儲(chǔ)部分進(jìn)行數(shù)據(jù)的緩存和備份,，為保證網(wǎng)絡(luò)的正常使用，模塊應(yīng)采用蓄電池或電路供電,。
2.3 GPRS模塊的選取
　通用分組無(wú)線(xiàn)業(yè)務(wù)GPRS（General Packet Radio Service）是在GSM系統(tǒng)的基礎(chǔ)上引入新的部件而構(gòu)成的無(wú)線(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng),。使用GPRS模塊進(jìn)行遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)傳輸提高了系統(tǒng)的應(yīng)用范圍，可在具有移動(dòng)無(wú)線(xiàn)公網(wǎng)信號(hào)的任意地段內(nèi)實(shí)現(xiàn)通信,。本文使用的GPRS模塊是Siemens的MC35i,。MC35i支持GSM 900/1 800 MHz雙頻和GPRS Class8/ClassB，體積小,、功耗低,，能提供數(shù)據(jù)、語(yǔ)音和短信等功能,。GPRS模塊通過(guò)9針的串行口與監(jiān)控系統(tǒng)主機(jī)連接,。
3 軟件設(shè)計(jì)
　在遠(yuǎn)程監(jiān)控端的上位機(jī)上運(yùn)行應(yīng)用軟件，調(diào)控GPRS遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng),，進(jìn)行數(shù)據(jù)的接收和存儲(chǔ),，并實(shí)現(xiàn)部分的控制功能。
3.1 終端節(jié)點(diǎn)子系統(tǒng)設(shè)計(jì)
　根據(jù)節(jié)點(diǎn)子系統(tǒng)需要完成的功能和ZigBee特點(diǎn),，節(jié)點(diǎn)子系統(tǒng)將由節(jié)點(diǎn)感知模塊、路由選擇模塊,、無(wú)線(xiàn)通信模塊,、信息處理及信息管理單元組成。一般情況下,，該子系統(tǒng)處于休眼狀態(tài),，當(dāng)接收到網(wǎng)絡(luò)控制器傳來(lái)的數(shù)據(jù)采集命令或自身設(shè)置的中斷觸發(fā)時(shí)，將進(jìn)行數(shù)據(jù)的采集和傳送,，其主要程序流程如圖3所示,。

3.2 網(wǎng)絡(luò)控制器子系統(tǒng)設(shè)計(jì)
　網(wǎng)絡(luò)控制器上電后首先對(duì)CC2530進(jìn)行初始化,，建立一個(gè)無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)。當(dāng)有終端節(jié)點(diǎn)申請(qǐng)加入時(shí),，為每一個(gè)終端節(jié)點(diǎn)分配地址,。當(dāng)上位機(jī)需要進(jìn)行數(shù)據(jù)采集時(shí)，網(wǎng)絡(luò)控制器發(fā)出數(shù)據(jù)采集指令,，之后等待接收終端節(jié)點(diǎn)采樣來(lái)的數(shù)據(jù),。
同時(shí)，系統(tǒng)上電后,，GPRS模塊復(fù)位,，通過(guò)AT指令對(duì)其進(jìn)行初始化，包括對(duì)GPRS模塊的波特率和工作類(lèi)型等參數(shù)的設(shè)置,，使設(shè)備連接到GPRS網(wǎng),。然后通過(guò)撥號(hào)與GGSN進(jìn)行通信鏈路協(xié)商，獲得動(dòng)態(tài)IP地址,，接入Internet,。這樣，GPRS無(wú)線(xiàn)監(jiān)控終端通過(guò)網(wǎng)絡(luò)就可實(shí)現(xiàn)與遠(yuǎn)程監(jiān)控中心的全雙工數(shù)據(jù)通信[5],，將水產(chǎn)養(yǎng)殖場(chǎng)地的環(huán)境參數(shù)傳送到上位機(jī)控制系統(tǒng)中,。網(wǎng)絡(luò)控制器子系統(tǒng)程序流程圖如圖4所示。

3.3 上位機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)
　上位機(jī)系統(tǒng)主要由網(wǎng)關(guān)服務(wù)器,、監(jiān)控平臺(tái)和數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)器組成,。網(wǎng)關(guān)服務(wù)器完成網(wǎng)絡(luò)控制器與上位機(jī)系統(tǒng)的協(xié)議轉(zhuǎn)換，并接收水產(chǎn)養(yǎng)殖場(chǎng)傳來(lái)的實(shí)時(shí)采集數(shù)據(jù),，將感知數(shù)據(jù)傳遞給監(jiān)控平臺(tái),，監(jiān)控平臺(tái)具有實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)窗口，該窗口可以實(shí)時(shí)顯示檢測(cè)終端節(jié)點(diǎn)的各種參數(shù)指標(biāo),。數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)器用來(lái)保存歷史監(jiān)控信息,，以便進(jìn)行數(shù)據(jù)挖掘和系統(tǒng)追溯需要。
　不同水環(huán)境（溫度,、pH值,、溶解氧含量和水位）對(duì)不同魚(yú)類(lèi)的生長(zhǎng)影響很大，根據(jù)養(yǎng)殖魚(yú)類(lèi)的生長(zhǎng)需求,，設(shè)置閾值,。從網(wǎng)絡(luò)控制節(jié)點(diǎn)接收到的數(shù)據(jù)通過(guò)處理、分析,、統(tǒng)計(jì)和存儲(chǔ)后,，將與設(shè)定的閾值進(jìn)行匹配，若背離度超過(guò)給定的范圍,，將產(chǎn)生報(bào)警信息,，同時(shí)將控制命令通過(guò)無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)傳遞到對(duì)應(yīng)的終端節(jié)點(diǎn),，啟動(dòng)熱泵、增氧泵,、水泵和pH值控制器等機(jī)電設(shè)備,。
　上位機(jī)軟件設(shè)計(jì)采用圖形化界面，操作人員可通過(guò)屏幕直觀地觀察到遠(yuǎn)端水產(chǎn)養(yǎng)殖現(xiàn)場(chǎng)的溫度,、溶解氧,、水位以及pH值參數(shù)變化情況。采用人機(jī)交互方式,，利用下拉式菜單,、彈出式窗口、熱鍵操作和錯(cuò)誤屏蔽等技術(shù),，最大限度方便用戶(hù)操作,。
4 系統(tǒng)測(cè)試
　在對(duì)終端節(jié)點(diǎn)、網(wǎng)絡(luò)控制節(jié)點(diǎn)和GPRS模塊進(jìn)行單獨(dú)性能測(cè)試后,，整個(gè)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)在水產(chǎn)養(yǎng)殖基地進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)的功能測(cè)試,。測(cè)試場(chǎng)地為某鯽魚(yú)養(yǎng)殖基地，養(yǎng)魚(yú)池長(zhǎng)100 m,，寬70 m,，水深2 m，透明度在35 cm左右,。鯽魚(yú)屬鯉形目,、鯉科、鯽屬,，是一種主要以植物為食的雜食性魚(yú),，喜群集而行，擇食而居,。在一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下,，鯽魚(yú)對(duì)養(yǎng)殖水體中的溶氧量要求是必須高于5.0 mg/L，鯽魚(yú)的窒息點(diǎn)為0.8 mg/L左右,。鯽魚(yú)生長(zhǎng)的最佳溫度為22℃~28℃,，對(duì)水的pH值要求在6.5~8.5之間。
在養(yǎng)殖場(chǎng)所安放了10個(gè)終端節(jié)點(diǎn),，一個(gè)網(wǎng)絡(luò)控制器節(jié)點(diǎn),，監(jiān)控室與養(yǎng)殖場(chǎng)所相距2 km左右，監(jiān)測(cè)的部分?jǐn)?shù)據(jù)（終端節(jié)點(diǎn)測(cè)試數(shù)據(jù)的平均值）如表1所示,。

　在相同的監(jiān)控時(shí)間點(diǎn)采用人工的方式在養(yǎng)殖現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行數(shù)據(jù)的獲取，將兩種不同方法獲取的數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比,，吻合度為99%,，達(dá)到了測(cè)控要求,。
　水產(chǎn)養(yǎng)殖對(duì)環(huán)境要求較高，傳統(tǒng)的管理方法對(duì)環(huán)境的變化反應(yīng)遲緩,，往往是養(yǎng)殖的魚(yú)類(lèi)發(fā)生了不適應(yīng)現(xiàn)象時(shí),，管理人員才感知到水質(zhì)發(fā)生了變化。若長(zhǎng)期值守,，不間斷地檢測(cè)水質(zhì),，又造成了人員浪費(fèi)，提高了管理成本,。使用本無(wú)線(xiàn)智能監(jiān)控系統(tǒng)既解決了在野外環(huán)境難布線(xiàn),、環(huán)境復(fù)雜、防腐性差,、線(xiàn)路容易老化腐蝕,、布線(xiàn)成本高、安裝維護(hù)困難,、面積大,、監(jiān)控點(diǎn)多以及移動(dòng)性大等問(wèn)題，又能實(shí)時(shí),、自動(dòng)地進(jìn)行水產(chǎn)環(huán)境數(shù)據(jù)的獲取,，在上位機(jī)界面顯示趨勢(shì)圖，配合預(yù)設(shè)的閾值和報(bào)警功能,，給水產(chǎn)養(yǎng)殖帶來(lái)了新的管理理念,，減少了風(fēng)險(xiǎn)，增大了收益,。
參考文獻(xiàn)
[1] Wang Ning,， Zhang Naiqian， Wang Maohua． Wireless sensors in agriculture and food industry-Recent development and future perspective[J]． Computers and Electronics in Agriculture,，2006,，50 （1）： 1-14．
[2] PIERCE F J，ELLIOTT T V． Regional and on-farm wireless sensor networks for agricultural systems in Eastern Washington[J]． Computers and Electronics in Agriculture,，2008,，61 （1）：32-43．
[3] 劉雙印，徐龍琴,，沈玉利,，等．基于.NET的對(duì)蝦病害防治專(zhuān)家系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].計(jì)算機(jī)工程與設(shè)計(jì)，2008,，29（13）：3444-3447.
[4] 張新榮,，徐保國(guó)，邊雪芬.基于WSN的水產(chǎn)養(yǎng)殖環(huán)境參數(shù)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].電測(cè)與儀表,，2011（3）：59-62.
[5] 孫龍霞,，於鋒,，陳新華.水產(chǎn)養(yǎng)殖水質(zhì)監(jiān)測(cè)與智能化管理系統(tǒng)的研發(fā)[J].中國(guó)農(nóng)機(jī)化，2011（3）115-118.