齊樹(shù)鳴，李 麗

(1.佳木斯大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院；2.佳木斯大學(xué)信息電子技術(shù)學(xué)院，黑龍江 佳木斯 154007)

0 引言

隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)不斷發(fā)展，水產(chǎn)養(yǎng)殖集約化已然變成為養(yǎng)殖的主體。在淡水養(yǎng)殖中，溫度、光照、溶氧量、PH值等因素都在不同程度上影響著養(yǎng)殖物種的生長(zhǎng)。低溶氧量氧對(duì)魚(yú)類的生長(zhǎng)不利，養(yǎng)殖魚(yú)類只有在溶氧量達(dá)到一定濃度之后才能維持其基本的生命活動(dòng)，飼料的利用率也會(huì)隨溶氧量的升高而增加，從而影響?zhàn)B殖魚(yú)類的生長(zhǎng)速度。魚(yú)類是一種變溫動(dòng)物，養(yǎng)殖環(huán)境中水的溫度會(huì)直接影響到魚(yú)的生存繁殖，還需要水體水質(zhì)有一定的弱堿性(PH為7～8.5)和低氨氮含量，從而減少對(duì)魚(yú)類生長(zhǎng)的損害，但隨著水產(chǎn)養(yǎng)殖行業(yè)與養(yǎng)殖密度不斷發(fā)展提高，飼料投放、水溫、溶氧濃度、PH值的及時(shí)檢測(cè)與控制，將對(duì)淡水養(yǎng)殖的產(chǎn)量和質(zhì)量產(chǎn)生巨大的影響[1]。

1 ZigBee技術(shù)在淡水養(yǎng)殖應(yīng)用的結(jié)構(gòu)

1.1 總體設(shè)計(jì)方案的結(jié)構(gòu)

淡水養(yǎng)殖中需要監(jiān)測(cè)的面積大且分散，這就需要分布較多的監(jiān)測(cè)點(diǎn)，如果使用的是點(diǎn)對(duì)點(diǎn)式的管理方法，則在監(jiān)控管理上就很大的不便，面對(duì)許許多多的監(jiān)測(cè)點(diǎn)很難做到統(tǒng)一的實(shí)時(shí)管理，而且不利于對(duì)所需環(huán)境數(shù)據(jù)的管理分析，通過(guò)無(wú)線傳感器建立一個(gè)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)，將各個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)通過(guò)無(wú)線連接的方式聯(lián)系在一起，將所有數(shù)據(jù)匯總發(fā)送到數(shù)據(jù)處理中心，用戶通過(guò)數(shù)據(jù)處理中心統(tǒng)一管理監(jiān)控，這樣就可以有效地減少管理者的工作量。根據(jù)淡水養(yǎng)殖中的具體監(jiān)測(cè)環(huán)境系統(tǒng)和ZigBee的技術(shù)特點(diǎn)，選用ZigBee網(wǎng)絡(luò)作為無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的基礎(chǔ)，總體方案結(jié)構(gòu)如圖1所示[2]。

圖1 總體方案結(jié)構(gòu)圖

淡水養(yǎng)殖無(wú)線監(jiān)控系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)分為4層:數(shù)據(jù)采集模塊(傳感器節(jié)點(diǎn))、路由器節(jié)點(diǎn)、匯聚節(jié)點(diǎn)(協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn))、數(shù)據(jù)處理終端。組網(wǎng)方式采用星型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)[3]。在實(shí)際的養(yǎng)殖環(huán)境中養(yǎng)殖場(chǎng)由多個(gè)小的區(qū)域構(gòu)成，所以監(jiān)控系統(tǒng)所監(jiān)測(cè)的區(qū)域是由多個(gè)獨(dú)立的小區(qū)域組成，在每個(gè)單獨(dú)的小區(qū)域布置大量所需的傳感器節(jié)點(diǎn)，通過(guò)各個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)再組成無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)，采集各類環(huán)境數(shù)據(jù)再經(jīng)過(guò)網(wǎng)絡(luò)的多跳傳輸，通過(guò)USB有線傳輸?shù)竭_(dá)數(shù)據(jù)處理中心。考慮到無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的多跳性，所以在實(shí)際的網(wǎng)絡(luò)中監(jiān)測(cè)的范圍可以變得很大，根據(jù)不同的需要，從而有效地改變節(jié)點(diǎn)的數(shù)量使之動(dòng)態(tài)地增加或減少，建立一個(gè)可以動(dòng)態(tài)變化的監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)，滿足管理上的各種需求[4]。

1.2 PH傳感器的測(cè)量方案設(shè)計(jì)

傳感器采集模塊PH傳感器的測(cè)量范圍在0～14，傳感器引腳連接在CC2430的P 0.4腳上，為了滿足節(jié)點(diǎn)硬件要求采用信號(hào)調(diào)理電路，其主要作用是電流電壓轉(zhuǎn)換，增強(qiáng)抗干擾能力，如圖2所示[5]。

圖2 PH測(cè)量電路接線圖

1.3 水體溶解氧的測(cè)量方案設(shè)計(jì)

水體溶解氧的檢測(cè)使用溶解氧濃度傳感器，該傳感器通過(guò)覆膜酸性電解質(zhì)原電池原理來(lái)實(shí)現(xiàn)水體中溶氧濃度的測(cè)量[6]。設(shè)計(jì)使用DOC-96DS型溶氧傳感器的測(cè)量范圍在0～20 mg/L，靈敏度范圍±0.5% FS，傳感器引腳連接在CC2430的P 0.5引腳上，為了滿足節(jié)點(diǎn)硬件使用要求，采用信號(hào)調(diào)理電路，其主要作用是電流/電壓轉(zhuǎn)換，增強(qiáng)抗干擾能力。水體溶解氧的測(cè)量電路如圖3所示。

圖3 水體溶解氧測(cè)量電路接線圖

1.4 溫度的測(cè)量方案設(shè)計(jì)

AD590型溫度傳感器的測(cè)量范圍是-50℃～100℃，靈敏度范圍±0.5℃，傳感器引腳連接在CC2430的P 0.6引腳，為了滿足節(jié)點(diǎn)硬件要求，采用信號(hào)調(diào)理電路，其主要作用是電流/電壓轉(zhuǎn)換、放大、增強(qiáng)抗干擾能力。通過(guò)AD590型溫度傳感器進(jìn)行溫度檢測(cè)，輸出數(shù)字量，CC2430數(shù)據(jù)處理模塊進(jìn)行處理后無(wú)線發(fā)送給協(xié)調(diào)端節(jié)點(diǎn)，協(xié)調(diào)端節(jié)點(diǎn)再通過(guò)USB傳輸給監(jiān)控端，完成系統(tǒng)的監(jiān)控工作[7]，溫度測(cè)量電路如圖4所示，由于淡水養(yǎng)殖無(wú)線監(jiān)控系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)很多，就不一一贅述。

圖4 溫度測(cè)量電路接線圖

2 淡水養(yǎng)殖無(wú)線監(jiān)控系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)軟件主要包括兩個(gè)部分：ZigBee無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點(diǎn)程序與數(shù)據(jù)管理中心程序。網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)程序包括網(wǎng)絡(luò)中各節(jié)點(diǎn)的ZigBee協(xié)議棧應(yīng)用程序設(shè)計(jì)；數(shù)據(jù)管理中心程序設(shè)計(jì)包括用戶操作界面、數(shù)據(jù)庫(kù)、數(shù)據(jù)處理子程序等的設(shè)計(jì)[8]。為了和硬件設(shè)計(jì)相對(duì)應(yīng)，在此僅介紹ZigBee無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點(diǎn)程序。

2.1 協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)程序設(shè)計(jì)

協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)負(fù)責(zé)ZigBee無(wú)線網(wǎng)絡(luò)建立、發(fā)送相關(guān)指令、接收、轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)、與數(shù)據(jù)管理中心進(jìn)行通信[9]，協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)程序流程如圖5所示。

圖5 協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)程序框圖

2.2 傳感器節(jié)點(diǎn)程序的設(shè)計(jì)

傳感器節(jié)點(diǎn)負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)的采集、發(fā)送。當(dāng)節(jié)點(diǎn)無(wú)數(shù)據(jù)采集工作時(shí)進(jìn)入休眠狀態(tài)，以降低系統(tǒng)能耗，待到有新命令時(shí)進(jìn)入工作狀態(tài)，傳感器節(jié)點(diǎn)的程序流程圖如圖6所示，首先傳感器節(jié)點(diǎn)啟動(dòng)，進(jìn)行初始化，將網(wǎng)絡(luò)地址和各種信息發(fā)送到協(xié)調(diào)器中，之后進(jìn)入休眠狀態(tài)等待下一次數(shù)據(jù)采集命令的到來(lái)，之后開(kāi)始工作。

圖6 傳感器節(jié)流程圖

3 結(jié)束語(yǔ)

淡水養(yǎng)殖對(duì)環(huán)境的要求相對(duì)較高，需要周圍環(huán)境中水源充足并且水質(zhì)要好，進(jìn)、排水操作方便，有充足的光照、飼料，交通方便等，對(duì)養(yǎng)殖池塘面積、方向、進(jìn)排水系統(tǒng)都有許多要求，ZigBee協(xié)議以及三種無(wú)線網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的特征，協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)主要負(fù)責(zé)網(wǎng)絡(luò)管理，路由器的功能是對(duì)網(wǎng)絡(luò)控制功能的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)傳輸?shù)墓δ芄?jié)點(diǎn)，終端節(jié)點(diǎn)是傳感器數(shù)據(jù)的采集節(jié)點(diǎn)，并與PC數(shù)據(jù)管理中心的監(jiān)控系統(tǒng)互聯(lián)，建立出一個(gè)小型無(wú)線傳感器監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)。系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)的穩(wěn)定可靠，節(jié)點(diǎn)訪問(wèn)傳輸距離可達(dá)120 m，節(jié)點(diǎn)間數(shù)據(jù)傳輸流暢，滿足基本需求，通過(guò)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋭?dòng)態(tài)變化可實(shí)現(xiàn)節(jié)點(diǎn)重新入網(wǎng)，抗干擾能力強(qiáng)，實(shí)現(xiàn)了無(wú)線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)在淡水養(yǎng)殖領(lǐng)域的應(yīng)用。