基于ZigBee的无线传感器网络在水产养殖中的应用

方案。

关键词 ZigBee；无线传感器网络；水产养殖；水质在线监测

中图分类号 TP212.9 文献标识码 A 文章编号 1007-5739（2013）18-0336-03

长期以来，在我国水产养殖领域中，由于养殖面积广，距离远，水质在线监控系统和DCS分布式控制系统具有有线网络的布线复杂、成本高、灵活性和可扩展性不好等缺点。如今，ZigBee是一种新兴的近距离、低复杂度、低功耗、低数据速率、低成本的无线网络技术，它是一种介于无线标记技术和蓝牙之间的技术提案，主要用于近距离无线连接。它依据802.15.4标准，在数千个微小的传感器之间相互协调实现通信。这些传感器只需要很少的能量，以接力的方式通过无线电波将数据从一个传感器传到另一个传感器，所以其通信效率非常高。

1 ZigBee结构

ZigBee技术是HomeRF的一个分支，又是一组基于IEEE的802.15.4无线标准研制开发的有关组网、安全和应用软件方面的技术，适合于承载数据流量较小的业务，并可方便地嵌入各种设备中，同时支持地理定位功能。其依赖的IEEE802.15.4规范也是一种经济、高效、低数据速率（<250 kbps）、可工作在2.4 GHz和868/915 MHz的无线网络技术。

1.1 ZigBee网络体系结构[1]

随着无线网络通信新技术日新月异的发展，支持ZigBee技术的一些世界著名公司组成了ZigBee联盟，它的主要目标是提供从网络层到应用层的上层协议堆栈。ZigBee网络层以上协议由ZigBee联盟制定，其中IEEE802.15.4负责物理层和链路层标准。在一个由高层应用规范、应用会聚层、网络层以及数据链路层和物理层组成的完整的ZigBee协议套件中，其物理层、MAC层、数据链路层以及传输过程中的资料加密机制等均由IEEE所主导。ZigBee的协议栈结构如图l所示。

1.2 ZigBee网络拓扑结构

ZigBee支持包含有主从设备的星形、树簇形和对等网络拓扑结构，其具体结构如图2、3、4所示。网络功能是ZigBee最重要的特点，是与其他无线局域网（WPAN）标准不同的地方。

2 无线传感器网络

无线传感器网络是由大量具有特定功能的传感器节点通过自组织的无线通讯方式，相互传递信息，协同地完成特定功能的智能专用网络。它综合了传感器技术、嵌入式计算技术、通信技术、分布式信息处理技术、微电子制造技术和软件编程技术等，可以实时监测、感知和采集网络所监控区域内的各种环境或监测对象的信息，并对收集到的信息进行处理后传送给终端用户。

2.1 无线传感器网络的组成

无线传感器网络是一种“智能”网络，它是由大量体积小，成本低，具有无线通信、传感、数据处理能力的传感器节点组成的，而传感器节点一般由传感单元、处理单元、收发单元、电源单元等功能模块组成。除此之外，根据具体应用的需要，可能还会有定位系统、电源再生单元和移动单元等功能模块[2]。

2.2 无线传感器网络系统体系结构

通常情况下，无线传感器网络系统结构如图5所示。具有射频功能的传感器节点分布于无线传感器网络的各个部分，其负责对数据的感知和采集，并且通过无线传感器网络通信技术将数据发送至汇聚节点（网关或者基站）。汇聚节点与监控或管理中心通过公共网络等（如Internet网络或卫星通信网等）进行通信，从而用户对收集到的数据进行处理分析，以便做出判断或者决策[3]。

3 在水产养殖中的应用

近年来，我国在水产养殖业领域中，不管是室内的工厂化养殖模式，还是室外的池塘生态养殖模式，对养殖水质的各项指标（溶解氧、pH值等）实时监测越来越重视。养殖水质在线监控系统是以在线水质分析仪表为核心，运用现代传感器技术、自动测量及控制技术和通讯网络所组成的一个综合性的在线系统。系统收集和存储监测数据及运行资料，具有监测状态信号显示、报警和自动运行养殖水质处理设备等功能。在线监控系统实现养殖水质的实时全天候的监测和远程监控，及时掌握养殖水质状况、发现水质异常变化、预警预报水质污染事故等，为水产养殖的管理和决策提供依据。

3.1 监控系统总体结构

一套由水质在线分析仪表和计算机通信网络组成的养殖水质在线监控系统，可以通过设立在各个养殖需要监测点的数据采集单元和无线传送及网络通讯系统将各监测点搜集的水质数据信息及时传送到中心监控室或上级管理部门，供养殖生产决策使用和科学管理，形成分散控制、集中管理的DCS系统结构[4]。

图6是一个典型的DCS系统，可以看出，从层次上分管理级、操作级和过程级。管理级主要是指养殖管理应用，目前国内养殖行业应用到这一层的系统较少。操作级是操作员和系统工程师站，完成系统的操作和组态。过程级有传感器、仪表和I/O单元组成，完成现场的数据采集和控制设备的运行。

3.2 水质传感器无线采集节点集成

从性能、价格、耗电、精确度等方面进行综合分析，优选温度、溶解氧、pH值、氧化还原电位、电导、盐度等5个以上常用水质参数作为传感器检测参数，选择美国YSI公司600R系列多参数水质检测仪作为监测仪表。通过对ZigBee芯片的频段、调制方式、睡眠电流与唤醒时间等特性综合分析后选择台湾赫立讯公司的ZigBee芯片作为无线收发芯片，确定了网络中协调器、路由器和终端设备节点。设计管理电路电源，节点电源由2节1.5V碱性电池或微型纽扣电池组成。

3.3 系统软件开发

通过ZigBee开发套件，编写节点的模块选择、状态监控设置、数据采集、数据处理、查看数据、参数设置程序，并进行各种文件名称、时间、单位名称、本次监测实验名称等网络软件开发。

3.4 系统硬件开发

分布式控制系统（DCS）是以CAN总线和ZigBee技术为基础，实现水质监测参数按照规定协议准确、快速、可靠地传递给控制机房，经PC机处理后产生可执行指令，科学调度、管理执行机构工作；而当控制机房主机关断时，各分结点具有自动执行水质监测、保护执行机构安全运行的功能。

（1）板卡设计原理。系统板卡设计时，主要专注于多点通信和网络自组织能力的提高方面，并增强用户根据需要可以自由组合通信方式的能力。整个板卡的设计思想是模块化、通用性和集成性。完整的系统结构如图7所示。各模块根据需要可裁减。

（2）模块说明。数据收发接口板（DRTB板）：负责将通过总线或无线传输的数字信号汇总到一块FIFO存储区中，按照设计协议区分数据来自那条总线，汇总打包后通过RS232串口或USB口与PC机进行数据交互，并将处理信息按要求通过对应总线返回。

数据中继板（DMB板）：负责在用户组网时，根据不同选择对CAN总线、RS485总线、ZigBee无线方式进行转换或信号中继。

数采控制板（DACB板）：负责采集传感器数据，控制增氧机、投饲机、水泵等执行机构工作，按照给定算法进行自主控制，具有相应数量的IO接口。

隔离继电器板（IRB板）：负责将控制信号进行隔离输出，控制泵组等渔业机械运行。

（3）技术指标。有以下几个方面：①供电电源：24VDC；②波特率：9 600 b/s；③CAN结点：5个联调；④ZigBee无线结点：3个联调；⑤ZigBee通信距离：200 m；⑥电路板工作温度：-10～50 ℃。

3.5 集成系统

对主控PC机、通信网络的协调器、路由器和终端传感器节点的系统进行了集成和系统调试，依托上述板卡，集成开发了多种水产养殖水质监测系统和水产养殖投饲装备，实现了水产养殖场信息传输无线化，解决了场地大、布线困难的难题，建立一套低功耗、抗干扰、动态组网的无线网络水质参数在线采集系统[5]。

该文提出的养殖水质无线传感器网络是基于ZigBee技术并采用GPRS进行数据通信传感器网络，它由大量的无线传感器节点、汇节点和GPRS模块组成的分布式系统[6]，如图8所示。

系统由以下3个部分组成：① ZigBee无线监测网络。这一无线网络主要由分布在养殖监测区域的多参数水质传感器组成，各测量单位都配备有低成本的RFD ZigBee节点用于无线上传数据。监测区域内也按照距离的需要分布有FFD ZigBee节点组成了无线ZigBee网络，所有的养殖水质参数数据都可以通过这一网络上传到汇节点，其覆盖范围可以无限的扩展。②数据采集集中器。汇节点将通过ZigBee网络采集到的水质数据进行缓存，并且定期将数据通过GPRS网络上传到监测中心。ZigBee汇节点在无线传感器网络中充当的是传感器节点和GPRS网络之间的网关。③监测中心。处理和存储采集到的水质数据并进行分析汇总，为指导养殖生产提供决策依据。

4 结语

基于ZigBee技术的无线传感器网络具有低功耗、低成本、体积小的显著优点，可在野外、露天等特殊环境下实现监测区域内信号的采集传输与处理，是养殖水质在线监控系统实现数字化、智能化、网络化运行的必然发展趋势。伴随无线自组织网络技术的成熟和新的功耗解决方案的提出，无线传感器网络的应用必将普及到我们日常生活的各个领域[7-8]。

5 参考文献

[1] 李文仲，段朝玉.ZigBee无线网络技术入门与实战[M].北京：北京航空航天大学出版社，2007.

[2] 宋文，王兵，周应宾.无线传感器网络技术与应用[M].北京：电子工业出版社，2007

[3] 施承，宋铁成，叶芝慧.基于ZigBee协议的无线传感器网络节点的研制[J].广东通信技术，2006（1）：9-12，24.

[4] 王鹏祥.养殖水质在线监控系统简介及其发展趋势[J].渔业现代化，2006（4）：17-19.

[5] 封瑜，葛万成.基于ZigBee技术的无线传感器网络构建与应用[J].电子工程师，2007，33（3）：21-23.

[6] 韩华峰，杜克明，孙忠富，等.基于ZigBee网络的温室环境远程监控系统设计与应用[J].农业工程学报，2009，25（7）：158-163.

[7] 于海业，罗瀚，伍顺，等.ZigBee技术在精准农业上的应用进展与展望[J].农机化研究，2012（8）：1-6.

[8] 张培培，石军锋.ZigBee技术在设施农业中的应用研究[J].农机化研究，2012（4）：249-252.

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