ZigBee技术在淡水养殖应用的研究*

齐树鸣，李 丽

(1.佳木斯大学材料科学与工程学院；2.佳木斯大学信息电子技术学院，黑龙江 佳木斯 154007)

0 引言

随着我国经济不断发展，水产养殖集约化已然变成为养殖的主体。在淡水养殖中，温度、光照、溶氧量、PH值等因素都在不同程度上影响着养殖物种的生长。低溶氧量氧对鱼类的生长不利，养殖鱼类只有在溶氧量达到一定浓度之后才能维持其基本的生命活动，饲料的利用率也会随溶氧量的升高而增加，从而影响养殖鱼类的生长速度。鱼类是一种变温动物，养殖环境中水的温度会直接影响到鱼的生存繁殖，还需要水体水质有一定的弱碱性(PH为7～8.5)和低氨氮含量，从而减少对鱼类生长的损害，但随着水产养殖行业与养殖密度不断发展提高，饲料投放、水温、溶氧浓度、PH值的及时检测与控制，将对淡水养殖的产量和质量产生巨大的影响[1]。

1 ZigBee技术在淡水养殖应用的结构

1.1 总体设计方案的结构

淡水养殖中需要监测的面积大且分散，这就需要分布较多的监测点，如果使用的是点对点式的管理方法，则在监控管理上就很大的不便，面对许许多多的监测点很难做到统一的实时管理，而且不利于对所需环境数据的管理分析，通过无线传感器建立一个无线网络，将各个监测点通过无线连接的方式联系在一起，将所有数据汇总发送到数据处理中心，用户通过数据处理中心统一管理监控，这样就可以有效地减少管理者的工作量。根据淡水养殖中的具体监测环境系统和ZigBee的技术特点，选用ZigBee网络作为无线网络的基础，总体方案结构如图1所示[2]。

图1 总体方案结构图

淡水养殖无线监控系统的结构分为4层:数据采集模块(传感器节点)、路由器节点、汇聚节点(协调器节点)、数据处理终端。组网方式采用星型拓扑结构[3]。在实际的养殖环境中养殖场由多个小的区域构成，所以监控系统所监测的区域是由多个独立的小区域组成，在每个单独的小区域布置大量所需的传感器节点，通过各个传感器节点再组成无线传感器网络，采集各类环境数据再经过网络的多跳传输，通过USB有线传输到达数据处理中心。考虑到无线网络的多跳性，所以在实际的网络中监测的范围可以变得很大，根据不同的需要，从而有效地改变节点的数量使之动态地增加或减少，建立一个可以动态变化的监测网络，满足管理上的各种需求[4]。

1.2 PH传感器的测量方案设计

传感器采集模块PH传感器的测量范围在0～14，传感器引脚连接在CC2430的P 0.4脚上，为了满足节点硬件要求采用信号调理电路，其主要作用是电流电压转换，增强抗干扰能力，如图2所示[5]。

图2 PH测量电路接线图

1.3 水体溶解氧的测量方案设计

水体溶解氧的检测使用溶解氧浓度传感器，该传感器通过覆膜酸性电解质原电池原理来实现水体中溶氧浓度的测量[6]。设计使用DOC-96DS型溶氧传感器的测量范围在0～20 mg/L，灵敏度范围±0.5% FS，传感器引脚连接在CC2430的P 0.5引脚上，为了满足节点硬件使用要求，采用信号调理电路，其主要作用是电流/电压转换，增强抗干扰能力。水体溶解氧的测量电路如图3所示。

图3 水体溶解氧测量电路接线图

1.4 温度的测量方案设计

AD590型温度传感器的测量范围是-50℃～100℃，灵敏度范围±0.5℃，传感器引脚连接在CC2430的P 0.6引脚，为了满足节点硬件要求，采用信号调理电路，其主要作用是电流/电压转换、放大、增强抗干扰能力。通过AD590型温度传感器进行温度检测，输出数字量，CC2430数据处理模块进行处理后无线发送给协调端节点，协调端节点再通过USB传输给监控端，完成系统的监控工作[7]，温度测量电路如图4所示，由于淡水养殖无线监控系统的硬件结构很多，就不一一赘述。

图4 温度测量电路接线图

2 淡水养殖无线监控系统的软件设计

系统软件主要包括两个部分：ZigBee无线网络的节点程序与数据管理中心程序。网络节点程序包括网络中各节点的ZigBee协议栈应用程序设计；数据管理中心程序设计包括用户操作界面、数据库、数据处理子程序等的设计[8]。为了和硬件设计相对应，在此仅介绍ZigBee无线网络的节点程序。

2.1 协调器节点程序设计

协调器节点负责ZigBee无线网络建立、发送相关指令、接收、转发数据、与数据管理中心进行通信[9]，协调器节点程序流程如图5所示。

图5 协调器节点程序框图

2.2 传感器节点程序的设计

传感器节点负责数据的采集、发送。当节点无数据采集工作时进入休眠状态，以降低系统能耗，待到有新命令时进入工作状态，传感器节点的程序流程图如图6所示，首先传感器节点启动，进行初始化，将网络地址和各种信息发送到协调器中，之后进入休眠状态等待下一次数据采集命令的到来，之后开始工作。

图6 传感器节流程图

3 结束语

淡水养殖对环境的要求相对较高，需要周围环境中水源充足并且水质要好，进、排水操作方便，有充足的光照、饲料，交通方便等，对养殖池塘面积、方向、进排水系统都有许多要求，ZigBee协议以及三种无线网络拓扑结构的特征，协调器节点主要负责网络管理，路由器的功能是对网络控制功能的拓扑结构传输的功能节点，终端节点是传感器数据的采集节点，并与PC数据管理中心的监控系统互联，建立出一个小型无线传感器监控网络。系统网络的稳定可靠，节点访问传输距离可达120 m，节点间数据传输流畅，满足基本需求，通过网络拓扑动态变化可实现节点重新入网，抗干扰能力强，实现了无线网络技术在淡水养殖领域的应用。