基于ZigBee无线传感器网络在水产养殖中应用.doc

基于ZigBee无线传感器网络在水产养殖中应用 　　摘要 介绍了一种新兴的短距离、低速率无线网络技术ZigBee，并对其网络体系和拓扑结构进行了分析，重点对基于ZigBee技术的无线传感器网络及其在水产养殖中的应用进行了探讨，提出了养殖水质在线监测系统应用ZigBee无线传感器网络的实现方案。 　　关键词 ZigBee；无线传感器网络；水产养殖；水质在线监测 　　中图分类号 TP212.9 文献标识码 A 文章编号 1007-5739（2013）18-0336-03 　　长期以来，在我国水产养殖领域中，由于养殖面积广，距离远，水质在线监控系统和DCS分布式控制系统具有有线网络的布线复杂、成本高、灵活性和可扩展性不好等缺点。如今，ZigBee是一种新兴的近距离、低复杂度、低功耗、低数据速率、低成本的无线网络技术，它是一种介于无线标记技术和蓝牙之间的技术提案，主要用于近距离无线连接。它依据802.15.4标准，在数千个微小的传感器之间相互协调实现通信。这些传感器只需要很少的能量，以接力的方式通过无线电波将数据从一个传感器传到另一个传感器，所以其通信效率非常高。 　　1 ZigBee结构 　　ZigBee技术是HomeRF的一个分支，又是一组基于IEEE的802.15.4无线标准研制开发的有关组网、安全和应用软件方面的技术，适合于承载数据流量较小的业务，并可方便地嵌入各种设备中，同时支持地理定位功能。其依赖的IEEE802.15.4规范也是一种经济、高效、低数据速率（ 　　3.3 系统软件开发 　　通过ZigBee开发套件，编写节点的模块选择、状态监控设置、数据采集、数据处理、查看数据、参数设置程序，并进行各种文件名称、时间、单位名称、本次监测实验名称等网络软件开发。 　　3.4 系统硬件开发 　　分布式控制系统（DCS）是以CAN总线和ZigBee技术为基础，实现水质监测参数按照规定协议准确、快速、可靠地传递给控制机房，经PC机处理后产生可执行指令，科学调度、管理执行机构工作；而当控制机房主机关断时，各分结点具有自动执行水质监测、保护执行机构安全运行的功能。 　　（1）板卡设计原理。系统板卡设计时，主要专注于多点通信和网络自组织能力的提高方面，并增强用户根据需要可以自由组合通信方式的能力。整个板卡的设计思想是模块化、通用性和集成性。完整的系统结构如图7所示。各模块根据需要可裁减。 　　（2）模块说明。数据收发接口板（DRTB板）：负责将通过总线或无线传输的数字信号汇总到一块FIFO存储区中，按照设计协议区分数据来自那条总线，汇总打包后通过RS232串口或USB口与PC机进行数据交互，并将处理信息按要求通过对应总线返回。 　　数据中继板（DMB板）：负责在用户组网时，根据不同选择对CAN总线、RS485总线、ZigBee无线方式进行转换或信号中继。 　　数采控制板（DACB板）：负责采集传感器数据，控制增氧机、投饲机、水泵等执行机构工作，按照给定算法进行自主控制，具有相应数量的IO接口。 　　隔离继电器板（IRB板）：负责将控制信号进行隔离输出，控制泵组等渔业机械运行。 　　（3）技术指标。有以下几个方面：①供电电源：24VDC；②波特率：9 600 b/s；③CAN结点：5个联调；④ZigBee无线结点：3个联调；⑤ZigBee通信距离：200 m；⑥电路板工作温度：-10～50 ℃。 　　3.5 集成系统 　　对主控PC机、通信网络的协调器、路由器和终端传感器节点的系统进行了集成和系统调试，依托上述板卡，集成开发了多种水产养殖水质监测系统和水产养殖投饲装备，实现了水产养殖场信息传输无线化，解决了场地大、布线困难的难题，建立一套低功耗、抗干扰、动态组网的无线网络水质参数在线采集系统[5]。 　　该文提出的养殖水质无线传感器网络是基于ZigBee技术并采用GPRS进行数据通信传感器网络，它由大量的无线传感器节点、汇节点和GPRS模块组成的分布式系统[6]，如图8所示。 　　系统由以下3个部分组成：① ZigBee无线监测网络。这一无线网络主要由分布在养殖监测区域的多参数水质传感器组成，各测量单位都配备有低成本的RFD ZigBee节点用于无线上传数据。监测区域内也按照距离的需要分布有FFD ZigBee节点组成了无线ZigBee网络，所有的养殖水质参数数据都可以通过这一网络上传到汇节点，其覆盖范围可以无限的扩展。②数据采集集中器。汇节点将通过ZigBee网络采集到的水质数据进行缓存，并且定期将数据通过GPRS网络上传到监测中心。ZigBee汇节点在无线传感器网络中充当的是传感器节点和GPRS网络之间的网关。③监测中心。处理和存储采集到的水质数据并进行分析汇总，为指导养殖生产提供决策依据。