基于ZigBee的水产养殖无线监控系统设计

徐 凯,张秋菊,李克修,盛卫峰

（江南大学 机械工程学院，江苏 无锡214122）

随着科学技术的发展，尤其是网络技术和传感器技术的发展，精细农业越来越受到人们的关注[1]。与此同时，我国的水产养殖已经从传统的粗放型养殖逐渐转变为工厂化养殖，水产养殖自动化监控技术发展较快。在水产养殖过程中需要实时监控多种参数，例如水温、溶解氧、pH值和氨氮值等。目前，水产养殖监控系统多使用现场总线技术，通过总线实现传感器参数和控制参数的传输[2-3]。但是由于水产养殖区域分布范围广，环境恶劣，有线组网方式布线困难，不易维护，成本较高。ZigBee技术一种是新型的的短距离、低速率、低成本的无线网络通信技术[4]，无线传感网络已经成功应用于粮库自动化检测[5]、温室环境监测[6]、果蔬冷链配送[7]、智能灌溉[8]、土壤温度监测[9]、牲畜定位[10]等农业生产相关领域。同时ZigBee技术还与以太网、GSM等传统通信网络结合，提高了无线传感网的应用范围。将无线传感网络技术应用于水产养殖中，不但可以减少污染、降低能耗，还可以有效提高经济效益。

本文以无线传感网络技术为基础，完成一套完整的水产养殖无线监控系统。无线传感网络实现了水环境参数、大气环境参数和养殖中心能耗等监测功能，并通过无线网络实现增氧机的自动控制。水环境监测节点使用太阳能供电系统，每个水环境监测节点通过水温、溶解氧和pH值来监测鱼类生存环境；自动气象站实时监测大气温度、大气湿度、大气压强、风速、风向等参数；智能电表实现养殖中心的能耗监控；监控中心计算机实现水环境相关传感数据实时显示和保存功能。

1 无线监控网络设计

1.1 无线监控系统整体设计

无线监控系统由无线传感网络、水环境监测传感器、智能电表、自动气象站，GSM模块、监控计算机和远程数据库组成。无线监控系统实现了三种不同类型的参数检测。(1)水环境参数检测，这些参数和鱼类生长繁殖息息相关，包括水温、溶解氧和 pH值；(2)大气环境参数，这些参数也会影响水环境参数，例如大气温度、湿度、风速和风向等；(3)养殖中心能耗情况，通过智能电表监控各养殖中心的用电量。除了环境和能耗参数的监测之外，该系统还具有远程控制功能，例如通过无线网络控制增氧机的启动或停止。在无线传感网络中，传感网中心节点和监测节点使用主从通信方式，即中心节点广播命令，指定的从机在接受命令后，立即执行命令并返回执行结果。在本无线传感网络中，由监控计算机通过网络协调器广播命令。监控计算机可以实时显示各传感节点参数，通过以太网把收集到的数据存入远程数据库中。监控计算机具有报警功能，如遇紧急情况，监控计算机将会向养殖管理者发送报警信息。与此同时，水产养殖管理者可以通过手机实时获得水环境中的各种参数和增氧机的工作状态。无线传感网的总体结构如图1所示。

1.2 传感网络结构

ZigBee网络根据应用的需要可以分为星型网络、网状网络和树状网络。星型网络适合家庭自动化或个人健康护理等小范围应用，网络协调器与终端设备、中继路由通信，在这种简单的网络结构中，路由器不具有路由作用。与星型网络不同，在网状网络中，只要节点在彼此的视距范围之内就可以通信，路由器具有网络报文的转发功能，但是网状网络构建比较复杂，节点维护的信息较多。树状网络实际上是多个星型网络的组合，网络协调器、路由器和终端节点功能清晰，整个网络构造简单，节点消耗资源少。

本设计中，无线传感网络采用树状网络，具体结构如图2所示。水质监测节点和增氧机控制节点作为终端节点，负责获得传感器的输出信息和执行控制参数；路由器负责传递网络报文，扩大了无线传感网络的范围；网络协调器负责发送监控指令，并向监控计算机返回传感器数据。

1.3 水质监测节点硬件结构

水质监测节点由ZigBee模块、溶解氧传感器、pH值传感器、水温传感器、太阳能电池板、铅蓄电池和智能充电器控制器组成。监测系统使用上海顺舟公司的SZ06系列 ZigBee模块，该系列模块具有 GPIO、A/D、RS232或者RS485通信功能，完全满足系统的设计需要。

根据水产养殖中心的实际情况，水环境监测节点需安装在池塘中央，较难提供电网电源，所以使用太阳能电池板和铅蓄电池组成系统电源。由于水环境监测节点需要24小时监控供电，所以需要容量较大的铅蓄电池提供后备电源。根据该地区的天气情况，水环境监测节点需要铅蓄电池在无充电的情况下，连续工作5到6天。水质监测节点的硬件结构如图3所示。

水质传感器具有标准的4～20 mA电流输出信号。传感器的输出信号经过信号调理之后，由ZigBee模块进行A/D转换，经过处理之后便可计算出传感器输出的实际结果。水质监测节点的工作流程如图4所示。

图4 水质监测节点软件流程图

1.4 增氧机控制节点设计

为了实现增氧机的远程控制，终端节点还具有I/O口输出功能。增氧机控制节点(见图5)通过控制中间继电器来控制交流接触器，启动或关闭增氧机的泵电机。增氧机控制节点具有远程自动控制和现场手动控制两种模式。图5中，SA1旋钮开关作为手动和自动选择开关。SB1和SB2分别为停止和启动按钮，KM1为增氧机交流接触器线圈。若处于手动控制模式下，则可通过SB1和SB2控制增氧机；若处于自动控制模块，则可通过中心计算机广播控制指令远程控制增氧机。

1.5 大气环境和功耗监测设计

由于传统的自动气象站和智能电表都没有无线传输功能，所以需要对气象站和智能电表的输出信号进行转化，进而组成一个传感网络。本项目使用武汉新绿原公司的自动气象站，该气象站提供一个RS232接口，通过ModBus协议指令传输大气温度、大气湿度、风速和风向等参数。自动气象站和智能电表网络结构如图6所示。根据国家相关标准，智能电表提供一个RS485接口，通过ModBus协议传输诸如消耗总电量或当天消耗电量等信息。为了能够有效地统一检测节点的传输信号，该无线传感网为智能电表和自动气象站设计了特殊的终端节点，这些终端节点通过RS232接口或者RS485接口发送Modbus协议命令，把获得的结果保存在指定的内存中，这样监控中心的计算机就可以使用统一的指令访问终端节点。从本质上来说，这种特殊的终端节点起到了RS232与RS485之间桥梁的作用，有了这种转化设备，就能有效地提高传感网络的集成度，方便监控中心计算机访问。

2 监控软件设计

监控软件分为本地客户端和远程服务器端。本地客户端主要负责收集每个传感器的信息，并定时把传感器数据传输给服务器端；服务器端保留所有的历史数据，并对历史数据进行分析整理。养殖中心管理者可以通过互联网访问传感器历史数据库，查看所有监测节点的数据。

2.1 监测软件客户端

监测软件客户端采用Delphi7开发。监控软件客户端包括串口设置、接口设置、数据通信、数据上传和GSM通信5大功能。串口设置功能可以配置与网络协调器相连的串口，例如串口端口号、数据位、停止位和奇偶校验等参数。接口设置功能主要用于设置和查询终端节点的参数，这些参数不但包含ZigBee模块的地址，还包括与之相连传感器的信息。数据通信功能用于启动和停止传感器数据采集，并及时解析采集的数据。数据上传功能负责把传感器的数据传送给远程数据库。GSM功能可以通过手机短信的方式，向养殖管理者发送报警信息，养殖中心管理者还可以通过短信查询各传感节点参数和增氧机的运行状态。

2.2 监控软件服务器端

监控软件服务器端使用Delphi7.0的CLXbase7开发环境及CBX应用服务器、Microsoft SQL server 2000进行软件开发。CLXbase7是基于Delphi7.0的强化版本。CBX是一个完备的体现RIA思想的应用开发框架，实现将开发的应用程序发布到互联网，客户端仅通过浏览器便能进行访问。

监控软件服务器端有传感器数据查询、传感器历史数据统计、电子地图、用户权限管理、养殖中心能耗管理和执行器远程控制等功能。

本文设计的基于ZigBee的无线传感监控系统已成功应用于某镇水产养殖基地，半年多来系统运行稳定，传感器数据采集、无线传输和执行器远程控制等功能达到设计要求，提高了养殖中心的管理效率。该系统结合无线通信技术、传感器技术和GSM通信技术，不但可以监测水温、溶解氧和pH值等水环境参数，还可以监测大气环境参数和养殖中心能耗状况。研究结果表明：

(1)无线传感网络监控系统可以解决基于总线技术的监控系统布线困难、范围较小等问题。相比于传统的监控手段，无线传感网具有灵活、低成本和低功耗等特点，将会越来越多地应用在农业生产中。

(2)基于ZigBee的养殖环境监测系统可以实时地监测养殖环境中各项水体参数，并通过远程数据库保留监测数据，这些水环境相关的历史数据是鱼类的生长繁殖重要的参考资料。系统运行至今，各传感节点工作稳定可靠。太阳能电池板和铅蓄电池组成的工作系统可以保证阴雨天气下系统连续运行。

(3)除了环境监测功能之外，智能电表监测功能还可以帮助管理者了解能耗状态。GSM功能和能耗监控功能提高了养殖中心的管理效率。

[1]汪懋华.“精细农业”发展与工程技术创新[J].农业工程学报，1999(1):1-8.

[2]马从国，赵德安，秦云.基于现场总线技术的水产养殖过程智能监控系统[J].农业机械学报,2007,38(8):113-119.

[3]池涛，陈明.基于现场总线的现代化水产养殖基地智能监控系统[J].机电一体化,2009(7):35-37.

[4]ZigBee Alliance.ZigBee Specifitions,version 1.0[DB/OL].http://www.Zigbee.org.2005.

[5]包长春，李志红，张立山,等.基于ZigBee技术的粮库检测系统设计[J].农业工程学报,2009,25(9):197-201.

[6]王立岩，杨世凤.基于ZigBee技术的温室环境检测系统设计[J].天津科技大学学报,2011,26(1):60-63.

[7]郭斌，钱建平，张太红,等.基于 Zigbee的果蔬冷链配送环境信息采集系统[J].农业工程学报,2011,27(6):208-213.

[8]Xiao Kehui，Xiao Deqin，Luo Xiwen.Smart water-saving irrigation system in precision agrlculture based on wireless sensor network[J].Transactions of the CSAE,2010,26(11):170-175.

[9]张喜海，张长利，房俊龙.面向精细农业的土壤温度监测传感器节点设计[J].农业机械化,2009,40(Z1):237-240.

[10]HUIRCAN J I,MUNOZ C，YOUNGA H.ZigBee-based wireless sensor network localization for cattle monitoringin grazing felds[J].Computers and Electronics in Agriculture,2010(74):258-264.