朱建錫，鄭 濤，費 焱，陳長卿，徐文碩

（浙江省農(nóng)業(yè)機械研究院，浙江 金華 321017）

水產(chǎn)養(yǎng)殖業(yè)是目前發(fā)展最快的行業(yè)之一，從世界范圍來看自1970年起就以平均8.9%的速度在持續(xù)增長。中國是世界上水產(chǎn)養(yǎng)殖產(chǎn)量最大的國家之一，2006年中國水產(chǎn)養(yǎng)殖業(yè)年產(chǎn)量達(dá)到了0.413億噸占世界養(yǎng)殖總產(chǎn)量的69.6%。在20世紀(jì)80年代隨著從野外養(yǎng)殖到工廠化養(yǎng)殖的轉(zhuǎn)變，中國的水產(chǎn)養(yǎng)殖業(yè)得到了突飛猛進(jìn)的發(fā)展，魚類密集型養(yǎng)殖的產(chǎn)量得到了大幅度的提高［1］。然而中國水質(zhì)在線監(jiān)測系統(tǒng)的發(fā)展仍然還很不成熟，該類系統(tǒng)在水產(chǎn)養(yǎng)殖中的應(yīng)用更是少之又少。

無線監(jiān)控系統(tǒng)可以實現(xiàn)養(yǎng)殖環(huán)境的各種參數(shù)進(jìn)行實時連續(xù)監(jiān)測、分析和控制，而且減少了布線帶來的一系列問題。采用無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，研究設(shè)計水產(chǎn)養(yǎng)殖監(jiān)測系統(tǒng)，實現(xiàn)對水產(chǎn)養(yǎng)殖各種環(huán)境因子的實時監(jiān)測，為用戶科學(xué)養(yǎng)殖提供幫助，為進(jìn)一步降低養(yǎng)殖成本、優(yōu)化養(yǎng)殖過程、提高養(yǎng)殖收益、實現(xiàn)健康養(yǎng)殖提供一種可行的新方法。

1 基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的水質(zhì)監(jiān)測系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

圖1所示為一個典型的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，包括分布式傳感器節(jié)點、接收發(fā)送器、互聯(lián)網(wǎng)和用戶界面等。

圖1 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

2 水質(zhì)監(jiān)測系統(tǒng)中的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)

2.1 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)

在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)中，傳感器、感知對象和觀察者構(gòu)成傳感器網(wǎng)絡(luò)的三個要素，其中傳感器之間、傳感器與觀察者之間通過有線或無線網(wǎng)絡(luò)通信，節(jié)點間以Ad-Hoc方式進(jìn)行通信［2］。從結(jié)構(gòu)上來講，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)通常由無線傳感器節(jié)點、匯聚節(jié)點等構(gòu)成。

2.2 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點

2.2.1 節(jié)點硬件組成

傳感器節(jié)點一般由五個部分組成，包括處理器模塊、存儲模塊、無線通信模塊、傳感模塊和電源模塊［3］。

各模塊的功能描述如下：

（1）處理器模塊：作為傳感器節(jié)點的核心處理單元，負(fù)責(zé)任務(wù)調(diào)度、數(shù)據(jù)計算、通信協(xié)議和數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)存儲等工作。

（2）存儲模塊：存儲處理器轉(zhuǎn)送的數(shù)據(jù)。

（3）無線通信模塊：在信道上發(fā)送和接收信息的設(shè)備。

（4）傳感器模塊：采集監(jiān)控或觀測區(qū)域內(nèi)的物理信息。

（5）電源模塊：為各個功能模塊提供能量。

2.2.2 無線傳感器節(jié)點的設(shè)計要求

（1）微型化：無線傳感器節(jié)點在體積上應(yīng)足夠小，以保證對目標(biāo)系統(tǒng)本身的特性不造成顯著影響。

（2）低功耗：節(jié)點部署后需要長期在野外等環(huán)境工作，攜帶電量有限，所以無線傳感器節(jié)點必須具備低功耗的性能。

（3）低成本：無線傳感器網(wǎng)絡(luò)由大量密集分布的節(jié)點組成，只有低成本才有可能大量地布置在目標(biāo)區(qū)域中。

（4）穩(wěn)定性和安全性：節(jié)點的各個部件應(yīng)該能夠在給定的外部變化范圍內(nèi)正常工作。

（5）擴(kuò)展性和靈活性：無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點需要定義統(tǒng)一完整的外部接口，以便必要時在現(xiàn)有節(jié)點上直接添加新的硬件功能模塊，不需要開放新的節(jié)點。

2.2.3 常見的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點

（1）Mica系列節(jié)點

Mica系列節(jié)點是美國加州大學(xué)伯克利分校研制的傳感器網(wǎng)絡(luò)演示平臺，其軟硬件設(shè)計都是公開的，已經(jīng)成為傳感器網(wǎng)絡(luò)的主要研究平臺［4］。Mica系列節(jié)點包括Renee、Mica、Mica2、Mica2Dot和 MIcaZ。

由表1可以看出，Mica系列節(jié)點主要使用Atmel公司的處理器；Renee、Mica節(jié)點使用TR100無線通信芯片，Mica2、Mica2Dot節(jié)點采用CC1000無線通信芯片，MIcaZ節(jié)點采用CC2420 ZigBee芯片。

表1 Mica系列節(jié)點性能指標(biāo)

（2）Telos系列節(jié)點

Telos系列節(jié)點是美國加州大學(xué)伯克利分校研究的成果，是針對Mica系列節(jié)點功耗較大而設(shè)計的低功耗產(chǎn)品［5］。Telos系列節(jié)點使用兩節(jié)5號干電池供電，待機時功耗為2 μW，工作時為0.5 mW，發(fā)送無線信號時為45 mW。從待機模式到工作模式轉(zhuǎn)換時間為270 ns，最快為6 μs。當(dāng)采用網(wǎng)格型網(wǎng)絡(luò)拓結(jié)構(gòu)，工作模式和待機模式的占空比采用不足1%的設(shè)定，且與網(wǎng)絡(luò)交換一次同步信號的情況下，最長可以工作945 d。Telos室外最長的傳輸距離達(dá)100 m，室內(nèi)直線傳輸可達(dá)50 m。Telos具有A/D轉(zhuǎn)換器、D/A轉(zhuǎn)換器、UART、SPI等外圍接口，具有強大的可擴(kuò)展性。

（3）BT節(jié)點

BT節(jié)點是一種多功能自主的無線通信和計算平臺。與其它節(jié)點不同的是BT節(jié)點采用藍(lán)牙技術(shù)。

（4）Sun SPOT節(jié)點

Sun公司推出了一種新型的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)設(shè)備Sun SPOT。它采用32位的高性能ARM920T處理器及支持ZigBee的CC2420無線通信芯片，并開發(fā)出Squawk Java虛擬機，可以使用Java語言搭建無線傳感器網(wǎng)絡(luò)。在電源方面，節(jié)點內(nèi)集成了一個3.7 V，750 mA的可充電鋰電池，該電池?fù)碛凶员Ｗo(hù)機制用于防止過度充放電，節(jié)點在深度睡眠的情況下可以運行909 d，在全負(fù)荷運行的情況下可運行7 h。

（5）Gain系列節(jié)點

Gain系列節(jié)點是中國科學(xué)院計算所開放的節(jié)點，是國內(nèi)第一款自主開發(fā)的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點。Gain系列的最新節(jié)點GAINSJ節(jié)點采用JENNIC SoC芯片JN5121，該芯片將處理器和射頻芯片集成在一起，且兼容IEEE 802.15.4標(biāo)準(zhǔn)和ZigBee規(guī)范的協(xié)議棧，可以實現(xiàn)多種網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。節(jié)點休眠模式時的工作電流小于14mA，發(fā)送模式時的工作電流小于50 mA，接收模式時的工作電流小于45 mA。

2.3 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)

2.3.1 ZigBee技術(shù)

ZigBee是一種采用無線通信技術(shù)的開放式無線傳感器網(wǎng)絡(luò)。其中低功耗、低成本是 ZigBee技術(shù)的優(yōu)勢，而且適用于水產(chǎn)養(yǎng)殖水域的潮濕、多風(fēng)等場合，同時也滿足了電源供應(yīng)等實際限制條件。

2.3.2 Wi-Fi技術(shù)

Wi-Fi為IEEE定義的一個無線網(wǎng)絡(luò)通信工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，它是具有完全兼容性的IEEE802.11標(biāo)準(zhǔn)子集，而且對IEEE 802.11標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行了修改和補充。Wi-Fi技術(shù)的優(yōu)勢主要有以下方面：

（1）組網(wǎng)簡便：無需網(wǎng)絡(luò)布線，而且無線局域網(wǎng)的設(shè)備得到廣泛普及，不同的接人點（AP）和網(wǎng)絡(luò)接口之間可以實現(xiàn)交互操作。

（2）無線電波覆蓋范圍廣：WiFi通信半徑可達(dá)100 m，基于藍(lán)牙技術(shù)的電波覆蓋范圍只有15 m左右。

（3）廠商進(jìn)入該領(lǐng)域門檻較低：廠商只要在需要的地方放置“熱點”，并通過高速線路將因特網(wǎng)接入即可，只要用戶的終端設(shè)備在通信范圍內(nèi)即可高速接入因特網(wǎng)，從而節(jié)省成本。

2.3.3 藍(lán)牙技術(shù)

藍(lán)牙是由愛立信公司首先提出的一種短距離無線通信技術(shù)規(guī)范［6］。藍(lán)牙系統(tǒng)以Ad-Hoc的方式工作，每個藍(lán)牙設(shè)備都可以在網(wǎng)絡(luò)中實現(xiàn)路由選擇功能，形成移動自組織網(wǎng)絡(luò)。

2.3.4 超寬帶技術(shù)

超寬帶技術(shù)（UWB）也稱為脈沖無線電。在2003年之后，國際電信聯(lián)盟（ITU）的工作組開始對UWB進(jìn)行測試研究，在2005年10月確定了各國和各地區(qū)UWB頻譜分配的相關(guān)原則。UWB具有以下特點：

（1）頻帶寬，傳輸速率高。超寬帶脈沖信號和系統(tǒng)的頻帶較寬，一個相同作用范圍的超寬帶通信系統(tǒng)，其速率可達(dá)無線局域網(wǎng)802.11b系統(tǒng)的10倍以上，是藍(lán)牙系統(tǒng)的100倍以上，且其平均功率僅為上述系統(tǒng)的1/10-1/100。

（2）結(jié)構(gòu)簡單，成本低。在超寬帶脈沖無線通信系統(tǒng)中，不需要對正弦載波調(diào)制的各種電路和濾波器，因此其結(jié)構(gòu)簡單，成本較低。

（3）功耗小。由于超寬帶信號功率譜密度極低，超寬帶通信系統(tǒng)具有低載獲/低檢測特性。優(yōu)異的低功耗特性，使它適合于傳感器網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用。

（4）定位精度高。由于定位精度與其帶寬成反比，超寬帶系統(tǒng)能夠達(dá)到厘米級的定位精度。

2.3.5 近距離無線傳輸技術(shù)

近距離無線傳輸技術(shù)是一種類似于射頻識別技術(shù)的短距離無線通信技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，提供設(shè)備之間輕松、安全、迅速、自動的通信［7］。近距離無線傳輸技術(shù)具有能夠快速、自動地建立無線網(wǎng)絡(luò)，功耗低、安全性好等特點。2010年中國農(nóng)業(yè)大學(xué)萬傳飛等人設(shè)計的水產(chǎn)養(yǎng)殖監(jiān)測系該中的無線通信模塊采用上海桑瑞電子科技有限公司生產(chǎn)的SRWF-1型微功率無線傳輸模塊，而該模塊的通信模式就是采用這一傳輸技術(shù)，其最大傳輸距離可達(dá)300 m［8］。

2.3.6 水產(chǎn)養(yǎng)殖無線監(jiān)測系統(tǒng)中采用的無線通信技術(shù)

由于在水產(chǎn)養(yǎng)殖無線監(jiān)測系統(tǒng)中無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點分布范圍廣、節(jié)點數(shù)多、網(wǎng)絡(luò)節(jié)點電池更換困難等特點，基于ZigBee技術(shù)的無線網(wǎng)絡(luò)具有省電、網(wǎng)絡(luò)擴(kuò)展性強、網(wǎng)絡(luò)容量大、節(jié)點覆蓋范圍廣、安裝簡單和成本低廉等顯著特點，是水產(chǎn)養(yǎng)殖監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計的最佳選擇。

3 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀

3.1 國外研究現(xiàn)狀

2005年愛爾蘭都柏林城市大學(xué)的Karl Crowley等人設(shè)計了基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的貝類捕獲存儲中實時溫度監(jiān)測系統(tǒng)。在該系統(tǒng)中無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點通過近距離無線傳輸技術(shù)將數(shù)據(jù)傳送到基站中，然后由基站通過GSM將數(shù)據(jù)傳送到遠(yuǎn)程服務(wù)器上。在該系統(tǒng)中裝有溫度控制器能夠根據(jù)傳感器采集的溫度信息進(jìn)行自動控制魚箱里的溫度也可以由用戶通過網(wǎng)絡(luò)發(fā)送指令控制魚箱中的溫度。

Karl Crowley等人對該系統(tǒng)進(jìn)行測試試驗，在11：40將該系統(tǒng)放入魚箱中并且在17：20將該系統(tǒng)移出，該系統(tǒng)可以對溫度進(jìn)行比較穩(wěn)定且準(zhǔn)確的控制。

3.2 國內(nèi)研究現(xiàn)狀

（1）2010年中國農(nóng)業(yè)大學(xué)朱秀娜等人設(shè)計開放了一個遠(yuǎn)距離無線實時監(jiān)測系統(tǒng)，該系統(tǒng)主要應(yīng)用于工廠化水產(chǎn)養(yǎng)殖中。該系統(tǒng)主要由兩部分組成：遠(yuǎn)程監(jiān)測平臺和中心監(jiān)測平臺。為了能夠提前預(yù)測水質(zhì)狀況，他們將人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用于該系統(tǒng)中。因此該系統(tǒng)可以提前半個小時對水中的溶解氧濃度預(yù)測并發(fā)出警告。在22個月的試驗中該系統(tǒng)可以將95.2%的數(shù)據(jù)準(zhǔn)確的傳輸?shù)街行谋O(jiān)測平臺上（中心監(jiān)測平臺在北京農(nóng)業(yè)大學(xué)，遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)監(jiān)測平臺布置在山東一個魚類養(yǎng)殖廠中）。

（2）2011年浙江大學(xué)陳娜娜等人設(shè)計了基于ZigBee與GPRS的水產(chǎn)養(yǎng)殖環(huán)境無線監(jiān)控系統(tǒng)［9］。該無線監(jiān)控預(yù)警系統(tǒng)包括三層結(jié)構(gòu)，由遠(yuǎn)程管理中心、匯聚節(jié)點和基站組成。

陳娜娜等人對無線傳感器網(wǎng)絡(luò)路由協(xié)議進(jìn)行了設(shè)計研究，她們在現(xiàn)有Zig Bee路由協(xié)議的基礎(chǔ)上，針對養(yǎng)殖場無線傳感器網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控系統(tǒng)提出合理的路由方法，并對改進(jìn)的路由進(jìn)行了路由方式對錯發(fā)率的影響測試實驗。

（3）2012年江西生物科技職業(yè)學(xué)院周育輝等人開發(fā)了基于ZigBee技術(shù)的水產(chǎn)養(yǎng)殖水質(zhì)監(jiān)測系統(tǒng)［10］。該系統(tǒng)采用無線傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)對水產(chǎn)養(yǎng)殖中水體的溫度、溶解氧含量和pH等水環(huán)境因素實時采集。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點之間的通信采用ZigBee技術(shù)，將由無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點進(jìn)行線性化和溫度補償處理過的數(shù)據(jù)路由至網(wǎng)關(guān)節(jié)點的ZigBee基站。數(shù)據(jù)基站通過GPRS將這些數(shù)據(jù)發(fā)送至遠(yuǎn)程智能終端上讓用戶知道水質(zhì)情況。

4 總結(jié)與展望

4.1 良好的應(yīng)用前景

（1）中國水產(chǎn)養(yǎng)殖業(yè)的蓬勃發(fā)展尤其是野外養(yǎng)殖向工廠化養(yǎng)殖的轉(zhuǎn)變，為水產(chǎn)養(yǎng)殖無線監(jiān)測系統(tǒng)提供了廣闊的應(yīng)用平臺。

（2）近些年來許多高校和企業(yè)都致力于研究無線傳感器網(wǎng)絡(luò)，為水產(chǎn)養(yǎng)殖無線監(jiān)測系統(tǒng)提供了有力的技術(shù)保障。

（3）國內(nèi)外已研制成功并在實際中得以良好應(yīng)用的水產(chǎn)養(yǎng)殖無線監(jiān)測系統(tǒng)，為該類系統(tǒng)在今后的改進(jìn)奠定了良好的發(fā)展基礎(chǔ)。

4.2 存在的問題

（1）無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的供電；（2）無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)；（3）無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點在傳輸數(shù)據(jù)時的擁擠控制以及活動緩沖區(qū)監(jiān)測；（4）無線監(jiān)測系統(tǒng)的數(shù)據(jù)包丟失恢復(fù)技術(shù)；（5）無線監(jiān)測系統(tǒng)傳輸數(shù)據(jù)的安全性。

4.3 未來發(fā)展趨勢

4.3.1 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點應(yīng)具有良好的定位技術(shù)

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點定位技術(shù)是無線傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用的基本技術(shù)也是關(guān)鍵技術(shù)之一。在應(yīng)用無線傳感器網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行環(huán)境監(jiān)測從而獲取相關(guān)信息的過程中，往往需要知道所獲得數(shù)據(jù)的來源。在水產(chǎn)養(yǎng)殖水質(zhì)監(jiān)測系統(tǒng)中，可以從傳感器網(wǎng)絡(luò)獲取到數(shù)據(jù)異常的信息，但更重要的是要獲知哪塊區(qū)域的數(shù)據(jù)出現(xiàn)了異常。

4.3.2 具備移動能力的傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點

由許多攜帶傳感器的移動機器人通過無線通信連接構(gòu)成的分布式傳感器網(wǎng)絡(luò)稱為移動傳感器網(wǎng)絡(luò)，機器人要完成的任務(wù)是通過通信協(xié)調(diào)它們之間的動作。在這種分布式無線移動傳感器網(wǎng)絡(luò)中，每一個網(wǎng)絡(luò)節(jié)點由一個移動機器人構(gòu)成，所以節(jié)點均具有計算、感知、通信和移動能力，這使得移動傳感器網(wǎng)絡(luò)不同于一般的分布式傳感器網(wǎng)絡(luò)。

由于移動傳感器網(wǎng)絡(luò)的移動特點，經(jīng)常會出現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)渥兓那闆r。與固定傳感器節(jié)點組成的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)相比，移動傳感器網(wǎng)絡(luò)需要解決更多的技術(shù)問題，主要包括：

（1）移動機器人技術(shù)。如路徑規(guī)劃、避障、自主導(dǎo)航、多機器人協(xié)作等。

（2）節(jié)點間的通信技術(shù)。包括機器人間的通信和感知信息的傳輸。

（3）自定位技術(shù)。通過少量的錨節(jié)點進(jìn)行分布式協(xié)同定位，以獲得節(jié)點的絕對或相對位置。

（4）節(jié)點的部署及重部署技術(shù)。研究通過節(jié)點的優(yōu)化部署最大化網(wǎng)絡(luò)覆蓋區(qū)域。在某些節(jié)點失效情況下進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的重新部署，以延長網(wǎng)絡(luò)生存時間。

（5）多目標(biāo)跟蹤技術(shù)。利用機器人的移動功能，擴(kuò)大跟蹤范圍和增加跟蹤時間。

4.3.3 開發(fā)水下傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點

水下傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點即可以完全潛入到水下工作，并在水下傳輸數(shù)據(jù)的傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點。它與普通的傳感器節(jié)點相比主要存在如下問題：（1）硬件成本高；（2）電池更換困難；（3）部署范圍廣，遠(yuǎn)距離傳輸耗電；（4）傳輸數(shù)據(jù)精度降低；（5）有限的帶寬；（5）長距離傳送高度延遲，信號衰減。

4.3.4 由太陽能供電的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)

對于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點而言，電源是系統(tǒng)的關(guān)鍵部分之一。如果能夠利用太陽能對無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點進(jìn)行供電就可以解決在復(fù)雜的環(huán)境下網(wǎng)絡(luò)節(jié)點電池難以更換問題，也可以大幅度延長網(wǎng)絡(luò)節(jié)點工作壽命。