李瑞華,孔曉紅,何軍和

（河南科技學(xué)院,河南新鄉(xiāng)453003）

基于WSN的遠(yuǎn)程水產(chǎn)養(yǎng)殖監(jiān)控系統(tǒng)

李瑞華,孔曉紅,何軍和

（河南科技學(xué)院,河南新鄉(xiāng)453003）

設(shè)計一種基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的水產(chǎn)養(yǎng)殖監(jiān)控系統(tǒng).方案利用CC2530芯片和外圍接口搭建系統(tǒng)硬件,基于ZigBee協(xié)議棧與GPRS結(jié)合的技術(shù),實現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控.采用VB語言編寫系統(tǒng)的上位機界面,通過網(wǎng)絡(luò)實時監(jiān)控現(xiàn)場運行情況,并且可以根據(jù)實際情況調(diào)整設(shè)備的運行狀態(tài),自動記錄歷史數(shù)據(jù),方便查詢分析.

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)；ZigBee；CC2530；水產(chǎn)養(yǎng)殖；GPRS

傳統(tǒng)水產(chǎn)養(yǎng)殖業(yè)普遍存在缺少有效的監(jiān)控方式,人工作業(yè)量大等缺點.為了能夠解決這些問題,本文設(shè)計基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的自動監(jiān)控系統(tǒng),采用無線通信方式監(jiān)測養(yǎng)殖場所的各種參數(shù)和設(shè)備運行情況,極大提高事故預(yù)警和反應(yīng)時間,使得遠(yuǎn)程監(jiān)控可靠方便.目前,無線通信技術(shù)在家電智能化、醫(yī)療領(lǐng)域、城市停車控制等諸多領(lǐng)域有著廣泛的使用[1-7].基于ZigBee技術(shù)的無線網(wǎng)絡(luò)WSN（wireless sensor network）具有：通訊頻段多、組網(wǎng)能力強、功耗低、實時監(jiān)控能力強等優(yōu)點.ZigBee無線傳感器網(wǎng)絡(luò)通過眾多節(jié)點無線組網(wǎng),不需要架設(shè)固定線路,維護管理簡單,便于擴展.GPRS是通用分組無線服務(wù)技術(shù),適用于間斷的、突發(fā)性的和頻繁的數(shù)據(jù)傳輸.因此,本文采用ZigBee與GPRS結(jié)合的無線通訊技術(shù),實現(xiàn)系統(tǒng)的遠(yuǎn)程監(jiān)控和數(shù)據(jù)傳輸[2-3].二者優(yōu)勢互補,既能實現(xiàn)遠(yuǎn)程控制,又可以靈活方便的控制,還降低了成本.

1 系統(tǒng)硬件設(shè)計

1.1 系統(tǒng)總體框架

如圖1所示,根據(jù)功能要求設(shè)計系統(tǒng)結(jié)構(gòu)由GPRS模塊,ZigBee協(xié)調(diào)器模塊,ZigBee路由器模塊, ZigBee終端節(jié)點模塊,繼電器模塊,傳感器模塊等組成[8-10].

監(jiān)控中心通過GPRS公網(wǎng)連接到現(xiàn)場GPRS模塊,GPRS模塊通過RS-232接口與ZigBee協(xié)調(diào)器連接.各個ZigBee終端節(jié)點定時檢測各個設(shè)備的工作狀態(tài),并且實時上傳到ZigBee協(xié)調(diào)器,協(xié)調(diào)器將收到的數(shù)據(jù)通過GPRS模塊傳到監(jiān)控中心,上位機軟件對收到的數(shù)據(jù)進行分析,并且實時顯示現(xiàn)場信息.用戶也可以在監(jiān)控中心,通過上位機遠(yuǎn)程發(fā)送控制指令到GPRS模塊,該模塊將數(shù)據(jù)傳給ZigBee協(xié)調(diào)器, ZigBee協(xié)調(diào)器采取廣播的方式,將控制指令發(fā)送給各個ZigBee路由器模塊和ZigBee終端節(jié)點模塊,通過控制與之相連的繼電器模塊的通斷,最終達(dá)到遠(yuǎn)程監(jiān)控養(yǎng)殖場的目的.

圖1 系統(tǒng)總體框圖Fig.1 The overall frame

1.2 無線傳輸模塊

ZigBee網(wǎng)絡(luò)的協(xié)調(diào)器、路由器模塊和終端節(jié)點模塊都涉及無線傳輸,只是功能設(shè)定不同.本設(shè)計采用的無線傳輸模塊如圖2所示,以CC2530芯片為主要元件構(gòu)成硬件平臺,在該硬件平臺上移植ZigBee協(xié)議棧Z—Stack,實現(xiàn)無線網(wǎng)絡(luò)的自組網(wǎng)以及網(wǎng)絡(luò)模塊間信息的傳遞.

圖2 無線傳輸模塊Fig.2 Wireless transmission module

1.3 串口通信接口

系統(tǒng)協(xié)調(diào)器和GPRS模塊之間采用RS232接口通訊,使用簡單方便,接口電路見圖3.

圖3 串口接口電路Fig.3 A serial port interface circuit

1.4 繼電器模塊

在控制現(xiàn)場,有一些設(shè)備需要根據(jù)實際情況進行開關(guān),如供氧系統(tǒng).通過終端節(jié)點發(fā)送控制信號控制繼電器的通斷,以控制現(xiàn)場設(shè)備的啟停.繼電器電路見圖4.

圖4 繼電器電路Fig.4 Relay circuit

1.5 環(huán)境參數(shù)測量電路

在水產(chǎn)養(yǎng)殖環(huán)境中,最重要的幾個參數(shù)是溶氧量、pH值、溫度等.以溫度為例,終端節(jié)點通過熱敏電阻傳感器測量環(huán)境的溫度,其他參數(shù)分別用對應(yīng)傳感器采集,電路見圖5.

圖5 溫度測量電路Fig.5 Temperature measurement circuit

2 系統(tǒng)軟件設(shè)計

系統(tǒng)軟件設(shè)計主要包括：上位機、GPRS模塊、ZigBee協(xié)調(diào)器、ZigBee路由器和ZigBee終端節(jié)點5部分.

2.1 ZigBee協(xié)調(diào)器

協(xié)調(diào)器負(fù)責(zé)選擇一個信道和網(wǎng)絡(luò)ID（也稱為PAN ID,即Personal Area Network ID）,建立整個網(wǎng)絡(luò).同時協(xié)調(diào)器在整個系統(tǒng)中起到現(xiàn)場和監(jiān)控中心之間數(shù)據(jù)傳遞作用,判別不同的信號類型調(diào)用相應(yīng)的處理函數(shù),協(xié)調(diào)器模塊工作過程如圖6所示.

圖6 ZigBee協(xié)調(diào)器軟件設(shè)計流程Fig.6 The design process of ZigBee coordinator software

2.2 ZigBee路由器

系統(tǒng)采用樹狀網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu),路由器模塊的功能有：允許其他設(shè)備加入網(wǎng)絡(luò),多跳路由和協(xié)助它自己的終端設(shè)備的通訊.路由器工作過程如圖7所示.

圖7 ZigBee路由器軟件流程Fig.7 The process of ZigBee router software

2.3 ZigBee終端節(jié)點

終端節(jié)點用來發(fā)送現(xiàn)場信息和接收來自協(xié)調(diào)器、路由器的消息,在睡眠或者喚醒狀態(tài)之間切換.對于新加入的節(jié)點,首先搜索所在區(qū)域的父節(jié)點,查找網(wǎng)絡(luò)深度最淺的節(jié)點,并向其發(fā)送加入網(wǎng)絡(luò)的請求,該父節(jié)點收到信息之后,發(fā)出網(wǎng)絡(luò)關(guān)聯(lián)的命令,工作流程如圖8所示.終端節(jié)點加入網(wǎng)絡(luò)開始工作之后,不停地測量現(xiàn)場信息,定時把數(shù)據(jù)傳送給父節(jié)點；同時與設(shè)備相關(guān)的終端節(jié)點一直檢測設(shè)備的工作狀態(tài),一旦檢測到當(dāng)前設(shè)備工作不正常,立刻發(fā)送AT指令,該指令包含故障設(shè)備的編號,通過GPRS模塊以短信形式發(fā)送到工作人員移動設(shè)備,發(fā)現(xiàn)以便快速處理.

圖8 終端節(jié)點軟件流程Fig.8 The process of terminal node software

2.4 GPRS模塊

GPRS模塊通過串口芯片與ZigBee協(xié)調(diào)器之間進行通信,實現(xiàn)遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)透傳,并且與用戶之間進行短信的收發(fā),一旦現(xiàn)場出現(xiàn)異常時,確保信息立即通知給用戶或工作人員.當(dāng)GPRS模塊檢測協(xié)調(diào)器傳送有數(shù)據(jù)時,接收數(shù)據(jù)寫到緩沖區(qū),然后將緩沖區(qū)中的數(shù)據(jù)通過GPRS網(wǎng)絡(luò)發(fā)送上位機.GPRS模塊軟件流程如圖9所示.

（1）通過串行接口,GPRS終端從用戶設(shè)備中讀取用戶數(shù)據(jù)；

（2）將讀取的數(shù)據(jù)進行處理,然后以分組的形式將數(shù)據(jù)發(fā)送到GSM基站；

（3）對分組數(shù)據(jù)進行封裝,然后發(fā)送到GPRS骨干網(wǎng).

圖9 GPRS模塊軟件流程Fig.9 The process of GPRS module software

2.5 上位機

上位機程序的開發(fā)采用的是微軟公司的VB（Visual Basic）推出一種編程語言,該編程語言可以利用微軟提供的不同種類的控件,實現(xiàn)所需要的功能,能夠方便快捷地開發(fā)出滿足項目需求的程序.研究中上位機要實現(xiàn)的主要功能就是從下位機（會聚節(jié)點）發(fā)送的消息解析出溫度信息、pH值和當(dāng)前溶氧量.上位機收到數(shù)據(jù)校驗通過后,對數(shù)據(jù)進行提取,下位機發(fā)送的時候,把溫度、PH值和溶氧量包含在一幀數(shù)據(jù)中.其中溫度數(shù)據(jù)占兩個字節(jié)、PH值占一個字節(jié)、溶氧量占兩個字節(jié),提取出數(shù)據(jù)后,進行運算得到相應(yīng)的數(shù)值,以曲線和實時數(shù)值的形式同時顯示出來.

3 仿真驗證

實驗采用串口控件采集串口數(shù)據(jù),第一次打開串口的時候,有時候收到的數(shù)據(jù)會存在亂碼的現(xiàn)象,在上位機接收數(shù)據(jù)的時候采用了簡單的自定義數(shù)據(jù)校驗.如果校驗不通過,則直接忽略此次接收的數(shù)據(jù).大大提高了接收數(shù)據(jù)的有效性,從而提高了系統(tǒng)的總體穩(wěn)定性.上位機用戶界面顯示養(yǎng)殖現(xiàn)場的最新動態(tài)數(shù)據(jù)（見圖10）,用戶可以方便實現(xiàn)為手動控制方式和自動控制方式,自動控制方式只需要配置好相關(guān)參數(shù)即可,控制方便靈活,自動化程度高.

圖10 上位機界面Fig.10 PC interface

4 小結(jié)

本文基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)設(shè)計了一種水產(chǎn)養(yǎng)殖的遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng),該系統(tǒng)集現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集和遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)傳輸于一體,數(shù)據(jù)傳輸可靠,組網(wǎng)穩(wěn)定,安裝施工簡單方便,不需要專用線路,模塊化安裝,上位機自動顯示現(xiàn)場參數(shù),用戶可以遠(yuǎn)程操作,有效快捷.

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（責(zé)任編輯：盧奇）

Aquaculture remote monitoring system based on wireless sensor network

LI Ruihua,KONG Xiaohong,HE Junhe
（Henan Institute of Science and Technology,Xinxiang 453003,China）

A kind of aquaculture monitoring system was designed based on wireless sensor network in this paper. The system hardware was made by CC2530 chip and the peripheral interface.Combining ZigBee protocol stack and GPRS,the remote monitoring and control of system was realizee.Through the interface based on VB language,the user could monitor the field operation and adjust the running status of the equipment according to the actual situation.The system automatically records historical data and make query and analysis convenient.

wireless sensor network；ZigBee；CC2530；aquaculture；GPRS

TP277.2

A

1008-7516（2016）06-0051-06

10.3969/j.issn.1008-7516.2016.06.013

2014-09-14

河南省科技廳科技攻關(guān)項目（142102210112）；河南省教育廳自然科學(xué)研究項目（2011A120005）

李瑞華（1990—）,女,河南周口人,碩士生.主要從事計算機智能控制的研究.

孔曉紅（1972—）,女,河南信陽人,博士,副教授.主要從事計算機智能控制的研究.