【摘 要】介紹了一種適用于水產(chǎn)養(yǎng)殖的多水因子遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)，該系統(tǒng)由上位機、網(wǎng)關(guān)單元、ZigBee節(jié)點、手機組成，網(wǎng)關(guān)基于S3C2440嵌入式開發(fā)板、GSM模塊、ZigBee匯聚節(jié)點開發(fā)，測控節(jié)點基于ZigBee節(jié)點擴展溫度傳感器、溶解氧電極、PH值電極、輸出繼電器組成，系統(tǒng)可以通過GPRS網(wǎng)絡(luò)及時的向用戶發(fā)送監(jiān)測數(shù)據(jù)，也可以通過以太網(wǎng)絡(luò)向上位機發(fā)送。

【關(guān)鍵詞】水產(chǎn)養(yǎng)殖 物聯(lián)網(wǎng) 嵌入式系統(tǒng) ZigBee

在名貴水產(chǎn)品育種和養(yǎng)殖中，除了餌料的準(zhǔn)確投放外，對水質(zhì)的要求也很高，水的溫度、溶氧量、氨氮濃度、渾濁度、PH值等參數(shù)的實時測量[1]和控制是一個十分關(guān)鍵的問題。有的參數(shù)容易獲得，比如水位高低[2]、渾濁程度肉眼就可以看到，有的參數(shù)，比如溶氧量、氨氮濃度、PH值，單憑經(jīng)驗很難精確和實時的估摸，需要借助儀器才能測知?，F(xiàn)在的做法是，養(yǎng)殖戶購買單獨的儀表分別測量某個參數(shù)，市售的儀表有手持式的PH計、溶氧計、氨氮計，雖然也出現(xiàn)了在線式的測量儀器，但是這些設(shè)備在使用上還是存在一些問題。手持式儀表雖然攜帶方便，但是不能長時間在線測量，只有用戶覺得水質(zhì)異常時才主動監(jiān)測，所以測量不及時。而現(xiàn)有的在線測量的儀表功能又比較單一，比如只能測量溶氧量或者氨氮量，用戶必須購買所有這些不同廠家生產(chǎn)的測量儀器然后分別得到測量的結(jié)果，不能實現(xiàn)長時間多參素的連續(xù)測控，并且需要人的頻繁的參與，不能滿足生產(chǎn)的自動化管理需求。為此，我們提出了物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)為核心的水溫、溶解氧濃度等水體多環(huán)境因子自動監(jiān)控系統(tǒng)[3]，能連續(xù)在線測量多個水體參數(shù)，并根據(jù)用戶對測量閾值的設(shè)定自動開啟或關(guān)閉水閥、增氧機等相關(guān)設(shè)備或報警。在測控單元還進(jìn)行各參數(shù)的補償和數(shù)據(jù)處理，有效地提高了測量準(zhǔn)確度和控制的時效性，另外根據(jù)用戶的要求增加了存放歷史數(shù)據(jù)的上位機。

一、ZigBee技術(shù)與物聯(lián)網(wǎng)

水產(chǎn)養(yǎng)殖戶需要隨時了解水池的物理狀況，也就是水塘各參數(shù)通過互聯(lián)網(wǎng)或者移動通信網(wǎng)呈現(xiàn)在用戶面前，其實就是物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的水產(chǎn)養(yǎng)殖應(yīng)用。物聯(lián)網(wǎng)是指通過各種信息傳感設(shè)備，實時采集任何需要監(jiān)控、連接、互動的物體或過程等各種需要的信息，通過各種有線通信、無線通信技術(shù)或者移動通信網(wǎng)絡(luò)與互聯(lián)網(wǎng)結(jié)合形成的一個巨大網(wǎng)絡(luò)。其目的是實現(xiàn)物與物、物與人，所有的物品與網(wǎng)絡(luò)的連接，方便識別、管理和控制，在這種互連中，物聯(lián)網(wǎng)需要解決的是最后100米的問題，ZigBee[4]技術(shù)是目前公認(rèn)的最后100米主要技術(shù)解決方案，它比現(xiàn)有的WiFi、藍(lán)牙等無線技術(shù)更加安全、可靠，同時由于其組網(wǎng)能力強、具備網(wǎng)絡(luò)自愈能力并且功耗更低，ZigBee無線技術(shù)的這些特點非常適合物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展要求。

ZigBee協(xié)議是在IEEE 802.15.4標(biāo)準(zhǔn)的物理層和媒介層基礎(chǔ)上增加網(wǎng)絡(luò)層和應(yīng)用層組成的，網(wǎng)絡(luò)中的所有設(shè)備都擁有一個64位的IEEE地址，在多個微小的末端設(shè)備之間相互協(xié)調(diào)實現(xiàn)通信。這些末端設(shè)備只需要很少的能量，以接力的方式通過無線電波將數(shù)據(jù)從一個節(jié)點發(fā)送到另一個節(jié)點，以達(dá)到更大的測控范圍和更高的通信效率。作為物聯(lián)網(wǎng)主要支撐技術(shù)之一，ZigBee技術(shù)的主要應(yīng)用領(lǐng)域包括智慧城市、工業(yè)自動化、數(shù)字家庭、醫(yī)療設(shè)備和農(nóng)業(yè)應(yīng)用等，在水環(huán)境參數(shù)監(jiān)測中，對數(shù)據(jù)量和通信速度的要求并不高，采用ZigBee技術(shù)既發(fā)揮了該技術(shù)的優(yōu)點，又滿足了測控需要，節(jié)省系統(tǒng)成本。

二、基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的水產(chǎn)養(yǎng)殖測控系統(tǒng)

（一）系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

水產(chǎn)養(yǎng)殖測控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示，由ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)、有線以太網(wǎng)絡(luò)、GPRS移動通信網(wǎng)絡(luò)組成。ZigBee網(wǎng)絡(luò)采用星形拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)[5]，由一個負(fù)責(zé)協(xié)調(diào)管理的匯聚節(jié)點和可擴展的若干個測控子節(jié)點組成，其中匯聚節(jié)點是無線網(wǎng)絡(luò)的控制核心，負(fù)責(zé)ZigBee網(wǎng)絡(luò)的建立、維護、路由等功能，它除具有ZigBee全功能設(shè)備（FFD）的電路和協(xié)議棧之外，還具有RS232串行通信電路，可以提供ARM的訪問和控制功能。測控子節(jié)點是一個包含單片機的ZigBee協(xié)議應(yīng)用終端設(shè)備（RFD），它用來測量水體的各個參數(shù)或執(zhí)行水塘維護設(shè)備的運行控制，它通過ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)和匯聚節(jié)點通信，并經(jīng)過匯聚節(jié)點和以太網(wǎng)絡(luò)或GPRS網(wǎng)絡(luò)間接接受用戶的遠(yuǎn)程控制。

（二）網(wǎng)關(guān)的設(shè)計

網(wǎng)關(guān)包括ARM處理器、人機交互模塊、ZigBee通信模塊、GSM通信模塊、以太網(wǎng)通信模塊五部分構(gòu)成。ARM處理器采用SAMSUNG公司的S3C2440A[6]，S3C2440A為用戶提供了面向移動終端應(yīng)用的豐富外設(shè)、低功耗管理和低成本的外圍配置。S3C2440A內(nèi)嵌ARM920T 32位ARM內(nèi)核，運行在200MHz，集成了支持640*480真彩色LCD控制器；支持低成本的NAND Flash并可從其直接啟動，支持SDRAM等存儲器件，四通道的定時器和三通道的PWM，三個UART控制器滿足了GSM模塊、ZigBee模塊的擴展以及開發(fā)過程中的串口調(diào)試的需求。

如圖2所示，主節(jié)點以S3C2440A為核心，通過片內(nèi)存儲控制器外擴32MB的NAND Flash和64MB SDRAM構(gòu)成存儲子系統(tǒng)，通過片內(nèi)的LCD控制器和GPIO外擴640×480的TFT LCD和4個按鍵構(gòu)成人機交互界面，通過片內(nèi)UART外擴RS485通信電路，通過片內(nèi)SPI接口外擴ZigBee模塊。ZigBee模塊以TI/Chipcon的CC2420單片ZigBee 無線收發(fā)電路構(gòu)成，GSM模塊采用西門子TC35成品，保證了穩(wěn)定性和可靠性，也降低了系統(tǒng)成本。

（三）測控節(jié)點的設(shè)計

測控節(jié)點以TI/Chipcon的CC2530單片ZigBee無線收發(fā)電路和各傳感器電路構(gòu)成。CC2530是在CC2420的基礎(chǔ)上增加微控制器、A/D、DMA、AES協(xié)處理器、USART、RAM、Flash等電路組成的，它是完整的ZigBee片上系統(tǒng)，只需外接簡單的射頻匹配電路和天線即可實現(xiàn)一個ZigBee的FFD或RFD節(jié)點，并可外擴常規(guī)的傳感器電路和I/O量。本設(shè)計中，測控節(jié)點外擴了溫度傳感器、溶氧傳感器、PH值傳感器測量電路，控制節(jié)點外擴了水閥繼電器、加熱爐、增氧機等功率設(shè)備的啟?？刂齐娐?，其中水體測量和調(diào)控用的溫度傳感器、溶氧傳感器、PH值傳感器、加熱爐、增氧機等均采用水產(chǎn)養(yǎng)殖專用設(shè)備。

（四）軟件設(shè)計

網(wǎng)關(guān)主要負(fù)責(zé)ZigBee網(wǎng)絡(luò)的維護和管理，接受遠(yuǎn)程PC機的調(diào)度和控制，并且可以響應(yīng)測控室內(nèi)用戶的按鍵操作，執(zhí)行現(xiàn)場查詢控制任務(wù)，需要進(jìn)行復(fù)雜的多任務(wù)處理，因此主節(jié)點的軟件采用基于uCLinux嵌入式操作系統(tǒng)[7]開發(fā)。在S3C2440處理器上移植uCLinux后，根據(jù)網(wǎng)關(guān)的功能需求，構(gòu)建uCLinux驅(qū)動程序和應(yīng)用任務(wù)、ZigBee組網(wǎng)任務(wù)、主節(jié)點與測控節(jié)點通信交互任務(wù)、遠(yuǎn)程端口監(jiān)聽任務(wù)、文件管理任務(wù)、按鍵任務(wù)等一系列應(yīng)用，實現(xiàn)主控協(xié)調(diào)器軟件的全部應(yīng)用功能。

測控子節(jié)點加電初始化后，先后關(guān)閉傳感器模塊、射頻模塊、內(nèi)部時鐘進(jìn)入休眠模式，由休眠模式定時器產(chǎn)生定時中斷信號來控制節(jié)點的測量工作，當(dāng)設(shè)定的數(shù)據(jù)發(fā)送間隔時間達(dá)到后，定時器發(fā)送一個中斷信號喚醒測控節(jié)點，微處理器脫離休眠狀態(tài)進(jìn)入工作狀態(tài)，恢復(fù)時鐘并打開傳感器和射頻模塊的功能，整個節(jié)點微處理器采集傳感器檢測到的數(shù)據(jù)進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換及一些初步處理，按照設(shè)定的數(shù)據(jù)格式送入射頻模塊調(diào)制成射頻信號發(fā)送出去，匯聚節(jié)點接收這個信號再還原成數(shù)字量送給遠(yuǎn)程監(jiān)控計算機。

（五）系統(tǒng)的應(yīng)用

受目前技術(shù)的限制，溶氧量傳感器價格昂貴，又需要定期維護，使用較為麻煩，PH值傳感器雖然相對便宜，但是也需要定期維護，只有溫度傳感器便宜并且很少需要維護，所以建議溶氧傳感器數(shù)量少些，只放置在魚群集中的地方、PH值傳感器和溫度傳感器的數(shù)量可以適當(dāng)多一些。具體應(yīng)用時，上位機放置在用戶方便操作的地方，網(wǎng)關(guān)安置在水池附近的測控室內(nèi)，上位機和網(wǎng)關(guān)之間通過有線以太網(wǎng)通信，測控子節(jié)點根據(jù)養(yǎng)殖現(xiàn)場規(guī)模的大小安置在水體適當(dāng)?shù)奈恢?，網(wǎng)關(guān)也通過GSM網(wǎng)絡(luò)和用戶的手機通信。測控節(jié)點定時測量并通過網(wǎng)關(guān)向上位機和手機發(fā)送一次傳感器數(shù)值，當(dāng)測量到水溫或溶氧量偏低時，自動啟動相應(yīng)設(shè)備進(jìn)行補償，當(dāng)水體PH值不正常時發(fā)出報警聲，手機會收到是否更換水質(zhì)的提示，用戶只需要回復(fù)短信即可打開相應(yīng)設(shè)備，借助本系統(tǒng)的再現(xiàn)測控功能，用戶可以及時處理險情，減少損失。

本系統(tǒng)采用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)和嵌入式系統(tǒng)控制技術(shù)，實現(xiàn)了水產(chǎn)養(yǎng)殖多個水體環(huán)境參數(shù)的實時測控，不僅避免了傳統(tǒng)的手工測定存在的耗時費力、數(shù)據(jù)不及時等弊端，還可以隨時了解數(shù)據(jù)的變化情況，并對環(huán)境參數(shù)進(jìn)行自動控制，降低了水產(chǎn)養(yǎng)殖的投入成本和勞動強度，提高了生產(chǎn)效率，加快水產(chǎn)養(yǎng)殖業(yè)的商業(yè)化進(jìn)程。產(chǎn)品在滿足水塘環(huán)境因子測控需求的同時，還可以用于其他工農(nóng)業(yè)控制和通信產(chǎn)品中，具有明顯的技術(shù)優(yōu)勢和市場推廣前景。

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作者簡介：華大龍，1972-5-1，男，漢族，籍貫：江蘇淮安市，淮安信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院，副教授 本科，研究方向：計算機應(yīng)用方面。