ZigBee技术在水产养殖业中的应用.doc
ZigBee技术在水产养殖业中的应用近年来，随着我国经济的持续稳定发展，人民的生活水平大幅度提高，对水产品的需求持续增长。从事水产养殖的农户多了起来，反季节的大棚式网箱、水池养殖模式日益推广普及。但现行的一些养殖设备相当简陋，养殖工艺就是简单的调温、饲料加工、人工投料，常规的观察和检测大都靠人工完成。一方面造成人力和能源浪费，另一方面也无法提供最佳生长环境。这种养殖方式的产量低、耗能大、效率低。在水产养殖领域，水温、水中溶氧量等各个参数的准确测量和控制是一个十分重要的问题。水产品对水质有严格的要求，传统的控制手段很难满足精确和实时的要求，以水体溶氧量的控制为例，现行的做法是凭经验或用传统的测氧仪测量溶氧量来决定是否开启增氧机，劳动强度大(缺氧往往发生在凌晨，需人工值守)，不能实现长时间连续测控。为此，提出以ZigBee网络和ARM嵌入式系统为核心的水温、溶解氧浓度等多水体环境因子自动监控系统，能连续测量水体参数，并根据用户对测量阈值的设定自动开启或关闭加热炉、增氧机等相关设备或报警。在测控过程中还进行各参数的补偿和数据处理，有效地提高了测量准确度和控制的时效性。该系统成本低，功耗低，无线施工，运行可靠，便于大批量推广应用。1 ZigBee技术简介ZigBeecl是一种近距离、低功耗、低数据速率、低成本的无线网络通信技术。ZigBee协议在IEEE802154标准的PHY层和MAC层基础上增加NWK层和API层组成，网络中的所有设备都拥有一个64位的IEEE地址，在多个微小的末端设备之间相互协调实现通信。这些末端设备只需要很少的能量，以接力的方式通过无线电波将数据从一个节点发送到另一个节点，藉此达到大的测控范围和高的通信效率。相对于现有的各种有线和无线通信技术，ZigBee是最低功耗和最低成本的技术。同时由于ZigBee技术的低数据速率和接力通信的特点，也决定了它适合于承载数据流量较小的业务。目前，ZigBee技术的主要应用领域包括工业自动化、智能楼宇、家电自动化、医用设备控制瞳1和农业应用等。2基于ZigBee网络的水产养殖测控系统21 ZigBee网络在水体测控中的应用如图1所示，多环境因子水产养殖远程测控系统是一个ZigBee无线应用网络n，网络采用星形或树型拓扑结构，由一个负责协凋管理的主控节点和可扩展的若干个测控子节点和可选的路由节点(用来扩展无线通信距离)组成，其中主节点是本系统的控制核心，负责Zig一Bee网络的建立、维护、路由等功能，是一个ARM嵌入式系统，它除具有ZigBee全功能设备(FFD)的电路¨3和协议栈之外，还具有RS485串行通信电路，可以提供计算机的远程访问和控制功能，也可以本地执行用户的测控功能。子节点是一个包含单片机的ZigBee协议应用终端设备(RFD)，它用来测量水体的各个因子参数或执行水体改造设备的运行控制，它过自身的Zig一Bee模块和主节点或路由节点通信，并经过ZigBee和RS485网络间接接受用户的远程控制。路由节点也是一个ZigBee全功能设备(FFD)，它主要用来将多个星型子节点簇连接成一个树型网络，以扩展测控范围。具体应用时，远程计算机可以放置在用户的单位、居室等方便操作的地方，测量和控制子节点根据养殖现场规模的大小安置在水体适当的位置，必要的时候可以增加路由节点以扩大测控范围。主节点安置在水池岸边测控室内，主节点和远程计算机通过RS485网络通信。子节点每隔1rain测量并向主控节点发送一次传感器数值，当测量到水温或溶氧量偏低时，自动启动相应设备进行补偿，当水体pH值不正常时发出报警声，提示是否更换水质。22 系统的网络结构ZigBee网络可由ZigBee协调器、ZigBee路由器和ZigBee终端设备组成阳。其中，ZigBee协调器是必须的，它负责管理和维护网络，包括路由、安全性、节点的加入与离开等。ZigBee协议中明确定义了三种拓扑结构：星型结构、树型结构和网状结构，如图z所示。在树型网络中，路由者采用分级路由策略传送数据和控制信息。在星型拓扑中，网络由一个ZigBee协调器控制。ZigBee协调器负责初始化并维护网络中的所有其他设备，这些设备均作为终端设备直接与Zig一Bee协凋器通信。在水体因子监测中，采用星型或树型拓扑结构和层次化路由协议。根据水域大小，将网络中的所有节点分为若干个簇，簇的范围由网络覆盖面积决定。每个簇选举一个簇首，用于接收本簇内所有节点送来的数据并发送到ZigBee路由器或协调器。同时，簇首也可以接收ZigBee路由器或协调器的控制命令，并发给本簇内的所有节点。ZigBee测量节点将采集的数据(温度、溶氧量、pH值等)传送给簇首，再由簇首传给路由器或协调器，继而通过RS485网络传给远程监控计算机。监控中心对数据进行处理、分析，了解水体的实时环境情况，自动或手动做出进一步的反应，及时处理险情，减少损失。23主节点硬件设计主节点由ARM处理器、人机交互模块、ZigBee通信模块、RS485通信模块四大部分构成。JY-RF4100微功率无线数传模块采用高性能的无线射频IC, 以及工业级ARM7处理器相结合开发出的一款超低功耗RF无线通信终端，内嵌SimpliciTI软件协议栈,4路模拟量输入，RS232/RS485双串口，支持Modbus及自定义协议。终端采用全铝外壳，具有很强的抗干扰能力, 灵敏度高，体积小巧，透明传输, 功耗低，传输距离远的特点。可应用于非常广泛的领域。如图3所示，24子节点硬件设计子节点以TIChipcon的CC2430f81单片ZigBee无线收发电路和各传感器电路构成。CC2430是在CC2420的基础上增加8051微控制器、AD、DMA、AES协处理器、USART、RAM、FLASH等电路组成的，它是完整的ZigBee片上系统，只需外接简单的射频匹配电路和天线即可实现一个ZigBee的FFD或RFD节点，并可外扩常规的传感器电路和IO量。该设计中，测量节点外扩了温度传感器、溶氧传感器、pH值传感器测量电路，控制节点外扩了加热炉、增氧机等功率设备的启停控制电路，其中水体测量和调控用的温度传感器、溶氧传感器、pH值传感器、加热炉、增氧机等均采用成熟的专用设备。25软件设计为了扩大ZigBee应用领域，本系统大大降低了软件的工作量和难度。主节点的软件结构节点负责ZigBee网络的维护和管理，接受远程PC机的调度和控制，并且可以响应测控室内用户的按键，执行现场查询控制任务，需要进行复杂的多任务处理，因此主节点的软件采用基于uCOSIIDo嵌入式操作系统开发。在SEP3203处理器上移植弘C()S一和Zstack后，根据主节点的功能需求，构建ucos一系统任务、ZigBee组网任务、主节点与测控节点通信交互任务、远程端121监听任务、文件管理任务、按键任务等一系列应用，实现主控协调器软件的全部应用功能。测控子节点工作流程如图5所示，初始化后，先后关闭传感器模块、射频模块，内部时钟进人休眠模式，由休眠模式定时器产生定时中断信号来控制节点的测量工作，当设定的数据发送周期达到后，定时器发送一个中断信号唤醒节点，微处理器脱离休眠状态，恢复时钟并打开传感器和射频模块的功能，整个节点进入工作状态，微处理器接收传感器检测到的数据进行AD转换及一些初步处理，按照设定的数据格式送入射频模块调制成射频信号发送出去。主控节点接收这个信号再还原成数字量送给远程监控计算机。3结 语本系统采用无线传感器网络技术和微计算机控制技术，实现了水产养殖环境因子的智能化调控，它不但可以避免传统的手工化学测定存在的耗时费力、数据不全等弊端，还可以及时了解数据的变化情况，并对环境参数进行自动控制，使水产养殖管理上了一个新台阶。其应用能够为生产人员提供准确、实时的实验数据，使其对水产养殖的过程和规律有更进一步的认识，从而有利于优化养殖工艺、降低劳动强度、降低养殖成本、提高生产效率，加快水产养殖技术的实用化和商业化进程。因为ARM嵌入式系统具有强大的处理功能，其最小系统所具有的外设、接口等可以满足一般系统的需求，而ZigBee网络具有功耗和距离的双重优势。本产品在满足水塘环境因子测控需求的同时，还可以用于其他工农业控制和通信产品中，比如蔬菜大棚温湿度测控系统、智能化家居等，具有明显的技术优势和市场推广前景。
