基于ZigBee水产养殖环境监测系统的设计

基于ZigBee水产养殖环境监测系统的设计

◆　丁思发

摘要：为弥补传统布线和人工巡视方式在水产养殖环境监测中的不足，论文以ZigBee技术为核心，开发设计一套无线水产养殖环境监测系统。通过在养殖水域中安放若干个终端节点和一个协调器节点，构建一个无线传感器网络。终端节点实现水域环境信息的采集，包括PH值，ORP等，各个终端节点采集的数据通过 ZigBee自组网络传输至协调器节点。协调器节点采用串口触摸屏，实现对数据的实时显示和系统的简单控制。

关键词：Zigbee；无线传感网络；终端节点；协调器节点

一、前言

我国是水产养殖业大国，近些年来水产养殖业发展十分迅速，但大部分还是采用传统的粗放式养殖方式。生产效率低，成本高，对环境破坏严重，这些都成为制约我国水产养殖业发展的“瓶颈”。传统水产养殖环境监测以布线和人工巡视为主。布线方式成本高，且线路在水池中易于受到腐蚀和鱼类啃咬，使得数据传输可靠性不高。人工巡视需要工作人员现场监测，工作量大，并且无法第一时间掌握养殖水域环境信息，效率低下，不符合我国现代渔业朝信息化发展的需求。随着“互联网+”战略的深入，传统产业也在积极探索互联网环境下的新发展。据有关调查资料显示，使用物联网技术实施养殖的水产品的品质远远优于粗放式养殖的水产品，同时可以有效节约成本达 20%以上。在实现优质高产方面具有很好的经济效益和社会效益。

二、系统总体方案设计

水产养殖环境面积较广，为了提高监测的稳定性和精确性，需要大面积布置设备节点。如果采用传统的布线方式，不仅成本高，数据采集的灵活性也会大大降低。通过在大面积养殖区中安放若干个终端节点和路由节点，在岸边安放一个协调器节点，构建一个树形拓扑结构的ZigBee无线传感器网络。由于Zigbee点对点的传输距离有限，因此在网络中增设路由节点，实现更远距离的传输。终端节点中的传感器采集水环境的PH值和氧化还原电位值[1]

。采集到的数据信息通过ZM2410射频模块基于ZigBee自组网络传输至附近的路由节点或协调器节点，数据最终都汇聚于协调器节点。用户可以通过协调器节点的串口触摸屏获取养殖区水环境的数据信息。同时可以通过串口触摸屏控制继电器工作，如控制增氧机的启动。具体系统结构如图1所示。

图1无线传感网络整体结构图三、无线传感网络硬件设计

无线传感器网络节点由PH传感器、ORP传感器、单片机、ZM2410射频模块、显示模块和电源等模块组成。为了降低ZigBee无线传感器网络组网的复杂性，减少系统的开发周期，在满足系统需要的前提下，在设计系统网络节点时，所有终端节点和路由节点采用相同的硬件结构，具体作用和功能通过软件来实现。协调器节点的硬件设计是在终端节点的基础上加上一个串口显示屏，具有数据接收，远程传输，实时显示等功能。系统设备节点具体结构如图2所示。

图2 各节点硬件电路结构图

终端节点和路由节点采用太阳能电池板或蓄电池供电。光伏板经转换器提供12V的电源电压，通过L7805将12V电压转换为5V直流电压[2]。直接给单片机和ZM2410模块供电。协调器节点由于要持续工作，不间断的传递数据，耗电量比较大，且协调器节点安放在水池岸边，因此采用外接电源供电。

显示模块采用广州大彩科技研制的串口组态触摸屏，触摸屏提供的是RS232数据接口，要求的电压±10V，单片机的I/O口最大输出电压为5V，因此需要用到MAX232芯片进行电平转换，将5V电平转换为10V电平，从而实现电平匹配。

四、无线传感网络软件设计

（一）协调器节点软件设计

协调器上电后，首先进行初始化，然后开始准备建立自己的网络。建网时，会选择一个合适的信道，并为自己的网络选择一个PAN（Personal Area Network 个人区域网络）_ID，然后周期性向周围发送 beacon request包，就此协调器就建立自己的网络。将终端节点和路由节点上电，选择信道以后，会向周围发送beacon request包来寻求协调器的响应。

当协调器收到这个包后会发送一个超帧，将自己MAC（64

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TECHNOLOGY　　　　　技术应用

位）长地址分配给终端节点和路由节点。终端节点和路由节点利用这个地址向协调器发出一个Association Request包，当收到协调器MAC层的确认帧之后，紧接着发送一个Data Request的包来寻求协调器给其分配16位网络短地址，当终端节点和路由节点收到短地址包并进行配置后，便可以和协调器进行通信。协调器程序流程如图3所示。

图3协调器节点主程序流程图

（二）终端设备节点软件设计

终端节点上电后，首先进行初始化操作，请求加入Zigbee网络，读取传感器数据，并周期性将数据发送出去，数据发送至协调器或路由器后，便会收到协调器或路由器的确认帧，之后便进入休眠状态，直到下一个采样时刻到来。如此重复执行，具体流程如图4所示。

图4 终端节点主程序流程图

（三）路由节点软件设计

路由节点在整个网络中不仅可以测量水环境数据，而且可以转发终端节点发来的数据，将它们发送至协调器。其软件设计基本与终端节点相同，只不过再此加上路由功能。路由节点需要对数据进行融合，提高发送效率[3]。

五、界面显示

界面显示模块采用大彩科技的串口组态触摸屏，屏幕界面显示功能直接通过PC配置即可完成，无需单片机的参与，减少程序开发量[4]。将需要显示的界面各个内容的图片存储在屏内，并且每张图片都有唯一ID 号，需要显示什么图片，就必须指定坐标值，指定图片ID，然后发送进行显示。通过

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PC端将屏幕界面配置完成后，触摸屏模块通过RS232与单片机连接，点击触摸之后，屏幕会下发一个坐标信息，单片机接收到这个坐标值信息，就可以判断当前屏幕哪个位置被按下了，然后发送对应指令进行显示。本设计中界面显示分为五个内容，包括主界面，选择界面，监测界面和控制界面。部分界面截图如下所示。

图5主界面显示图

系统启动后需要通过账号密码登入系统，进入系统后便弹出选择界面，用户可以通过选择界面选择观察各个节点的数据，本系统目前暂设四个节点。也可以选择进入控制界面

控制各个继电器启动。选择界面如图6所示，节点1数据监测界面如图7所示。

图6选择界面 图7监测界面

六、结语

养殖水域环境较为复杂，采用布线方式设计的传感器网络存在很多局限性，如鱼类啃咬，工作船勾到均易使线路损坏，水池的酸碱性也易腐蚀线路[5]。基于zigbee设计的无线传感器网络能够弥补布线式的不足，且具有低成本，低功耗，安装方便，维护简单等特点，是物联网技术在水产养殖中的一项重要运用。H参考文献

[1] 冯是良, 贺红川. 国内外设施渔业发展概况[J]. 重庆水产,2013,4(77):27-30.

[2] 姜景田, 梁平, 王华生. 我国设施渔业的综合分析[J]. 北京水产,2014(6):34-36.

[3] 高亮亮, 李道亮, 梁勇. 水产养殖监管物联网应用系统建设与管理研究[J]. 山东农业科学,45(8):1-3.

[4] 崔双虎. 温室无线传感器网络监测系统的设计研究[J]. 中国农业大学学报,2012.

[5] 谢红彪, 王斌, 李文静,等. 基于 ZigBee 的田间灌溉自动测控系统设计[J]. 农机化研究,2014,(9):89-93.

（基金项目：福建省教育厅中青年教师教育科研项目，基于无线传感网络水产养殖环境监测系统（编号：ＪＡＴ１７０７１９））

（作者单位：仰恩大学工程技术学院）