基于WSN的稻田养鱼基地环境监测平台研究与设计

丁霞军　蒋晓丹

摘 要：通过系统硬件、软件以及通信协议的设计，在稻田养鱼基地架构了用于环境监测的WSN系统，实现水稻和鱼群生长环境的自动监测与远程传输、数据采集与处理。并解决了系统在应用过程中产生的网络通信以及网络使用上存在通讯不畅通、网络生命周期会提前结束等问题，提高网络通信效率并延长网络的生命周期。

关键词：无线传感器网络；环境监测；通信协议；能耗处理

中图分类号：X17 文献标识码：A 文章编号：2095-1302（2015）06-00-02

0 引 言

金鱼养殖专业合作社的稻田养鱼基地，主要是探索稻田示范养鱼，通过改造稻田500亩，进行水产养殖。坚持粮食不减产、不破坏稻田耕作层和减少农药化肥使用量为原则，充分利用稻田“一水两用，一地两收”的有效资源，坚持把稻田渔业增产、农民增收作为稻田养鱼工作的重点，提高稻田渔业综合生产能力，开辟渔业新的经济增长点，同时向市场提供优质绿色大米，提高市场竞争力。而原先合作社在具体监测水稻和鱼群的生长环境参数，包括空气温湿度、光照强度、土壤温湿度、水质、pH值等都采用简单的仪表仪器和凭借管理者的目测或者经验来判断，既不科学，也很容易出错。因此，通过在稻田养鱼基地架构无线传感器网络来监测和控制适宜水稻和鱼群的生长环境非常迫切。

系统主要是当传感器节点接收到协调器的询问后，开始采集包括空气温湿度、土壤温湿度、光照强度、pH值、水质等在内的环境传感数据，经节点汇聚进行分类汇总后通过基站、网关节点等通信设施将数据发送到用户终端，系统总体架构如图1所示。

1 系统总体架构设计

构建了一个适用于稻田养鱼基地环境监测的无线传感器网络系统，应用基于WSN系统，可以实现稻田养鱼基地内水稻与鱼群生长环境的自动监测、远程传输、数据采集与处理。系统总架构包括五层，分别是数据感知层、WSN网络层、采集汇聚层、中央服务层以及应用决策层，如图2所示。

2 硬件系统设计

硬件系统包括传感器节点、汇聚节点、网关节点、数据服务器以及上位PC机等。当传感器节点接收到协调器的询问后，开始采集包括温度、湿度、光照度等在内的环境传感数据，通过汇聚节点进行分类汇总后将数据通过网关节点发送到用户终端，实现用户足不出户，便可及时看到监测环境的实时值及变化曲线，了解环境状况。并且可以制定出相应的最优水稻种植和鱼群养殖方案。

图1 稻田养鱼环境监测系统架构图

图2 基于WSN的环境监测系统总体架构设计

3 软件系统设计

（1）传感器节点的软件设计

传感器节点的主要任务是通过无线传输方式将采集到的温湿度数据送到其父节点。节点完成对传感器和协议栈的初始化之后，再对协议栈进行初始化，寻找合适的网络，发送加入网络请求，得到确认后，对是否接收到网关节点的测控命令进行选择，如果接收到则对传感器采集到的数据进行处理和向网关发送，如果不是则进入休眠状态，等待定时器唤醒。收到唤醒指令后，开始通过传感器采集温湿度信息，并将它上传其父节点。如图3所示。

图3 传感器节点的软件流程

（2）监测软件设计

通过传输通信接收节点数据，并利用监测软件以数据和图表的方式显示出监测区域的环境信息，随时在线查阅分析监测到的数据，简便实用。软件系统主要包含实时监测和数据管理两部分。实时监测主要包括监测参数配置、数据接收、数据处理以及网络拓扑。数据管理部分包括数据查询、数据显示以及数据报警三块，如图4所示。

图4 软件系统结构图

（3）数据传输控制

系统数据传输及流程：通过数据感知层的传感器节点采集稻田养鱼基地的空气温湿度、土壤温湿度、光照强度、水质状况以及pH值等参数，通过无线传感器网络传输实时数据显示至监测屏幕，同时通过系统来对稻田养鱼生产环境的各种参数进行控制，把数据上传至系统数据库，系统管理员或者其他用户可以通过互联网远程查询相关数据，具体的系统数据流向如图5所示。

图5 系统数据流向图

通过无线传感器网络系统总体架构设计，合作社的负责人可以通过该系统掌握监测区域的第一手资料，及时分析并制定出相应环境解决方案。环境信息监测涉及的范围较广，监测的环境参数主要包括空气温度湿度、光照强度、土壤温湿度、水质和pH值等。

4 结 语

本文通过在稻田养鱼基地架构无线传感器网络监测系统来实现对基地水稻生长环境和鱼群生活环境的有效、实时监测和预警，该系统通过感知层、传输层和应用层的设计，实现了稻田养鱼的科学化、智能化，具有一定的指导和借鉴意义。

参考文献

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