基于WSN的远程水产养殖监控系统

李瑞华,孔晓红,何军和

（河南科技学院,河南新乡453003）

基于WSN的远程水产养殖监控系统

李瑞华,孔晓红,何军和

（河南科技学院,河南新乡453003）

设计一种基于无线传感器网络的水产养殖监控系统.方案利用CC2530芯片和外围接口搭建系统硬件,基于ZigBee协议栈与GPRS结合的技术,实现远程监控.采用VB语言编写系统的上位机界面,通过网络实时监控现场运行情况,并且可以根据实际情况调整设备的运行状态,自动记录历史数据,方便查询分析.

无线传感器网络；ZigBee；CC2530；水产养殖；GPRS

传统水产养殖业普遍存在缺少有效的监控方式,人工作业量大等缺点.为了能够解决这些问题,本文设计基于无线传感器网络的自动监控系统,采用无线通信方式监测养殖场所的各种参数和设备运行情况,极大提高事故预警和反应时间,使得远程监控可靠方便.目前,无线通信技术在家电智能化、医疗领域、城市停车控制等诸多领域有着广泛的使用[1-7].基于ZigBee技术的无线网络WSN（wireless sensor network）具有：通讯频段多、组网能力强、功耗低、实时监控能力强等优点.ZigBee无线传感器网络通过众多节点无线组网,不需要架设固定线路,维护管理简单,便于扩展.GPRS是通用分组无线服务技术,适用于间断的、突发性的和频繁的数据传输.因此,本文采用ZigBee与GPRS结合的无线通讯技术,实现系统的远程监控和数据传输[2-3].二者优势互补,既能实现远程控制,又可以灵活方便的控制,还降低了成本.

1 系统硬件设计

1.1 系统总体框架

如图1所示,根据功能要求设计系统结构由GPRS模块,ZigBee协调器模块,ZigBee路由器模块, ZigBee终端节点模块,继电器模块,传感器模块等组成[8-10].

监控中心通过GPRS公网连接到现场GPRS模块,GPRS模块通过RS-232接口与ZigBee协调器连接.各个ZigBee终端节点定时检测各个设备的工作状态,并且实时上传到ZigBee协调器,协调器将收到的数据通过GPRS模块传到监控中心,上位机软件对收到的数据进行分析,并且实时显示现场信息.用户也可以在监控中心,通过上位机远程发送控制指令到GPRS模块,该模块将数据传给ZigBee协调器, ZigBee协调器采取广播的方式,将控制指令发送给各个ZigBee路由器模块和ZigBee终端节点模块,通过控制与之相连的继电器模块的通断,最终达到远程监控养殖场的目的.

图1 系统总体框图Fig.1 The overall frame

1.2 无线传输模块

ZigBee网络的协调器、路由器模块和终端节点模块都涉及无线传输,只是功能设定不同.本设计采用的无线传输模块如图2所示,以CC2530芯片为主要元件构成硬件平台,在该硬件平台上移植ZigBee协议栈Z—Stack,实现无线网络的自组网以及网络模块间信息的传递.

图2 无线传输模块Fig.2 Wireless transmission module

1.3 串口通信接口

系统协调器和GPRS模块之间采用RS232接口通讯,使用简单方便,接口电路见图3.

图3 串口接口电路Fig.3 A serial port interface circuit

1.4 继电器模块

在控制现场,有一些设备需要根据实际情况进行开关,如供氧系统.通过终端节点发送控制信号控制继电器的通断,以控制现场设备的启停.继电器电路见图4.

图4 继电器电路Fig.4 Relay circuit

1.5 环境参数测量电路

在水产养殖环境中,最重要的几个参数是溶氧量、pH值、温度等.以温度为例,终端节点通过热敏电阻传感器测量环境的温度,其他参数分别用对应传感器采集,电路见图5.

图5 温度测量电路Fig.5 Temperature measurement circuit

2 系统软件设计

系统软件设计主要包括：上位机、GPRS模块、ZigBee协调器、ZigBee路由器和ZigBee终端节点5部分.

2.1 ZigBee协调器

协调器负责选择一个信道和网络ID（也称为PAN ID,即Personal Area Network ID）,建立整个网络.同时协调器在整个系统中起到现场和监控中心之间数据传递作用,判别不同的信号类型调用相应的处理函数,协调器模块工作过程如图6所示.

图6 ZigBee协调器软件设计流程Fig.6 The design process of ZigBee coordinator software

2.2 ZigBee路由器

系统采用树状网络拓扑结构,路由器模块的功能有：允许其他设备加入网络,多跳路由和协助它自己的终端设备的通讯.路由器工作过程如图7所示.

图7 ZigBee路由器软件流程Fig.7 The process of ZigBee router software

2.3 ZigBee终端节点

终端节点用来发送现场信息和接收来自协调器、路由器的消息,在睡眠或者唤醒状态之间切换.对于新加入的节点,首先搜索所在区域的父节点,查找网络深度最浅的节点,并向其发送加入网络的请求,该父节点收到信息之后,发出网络关联的命令,工作流程如图8所示.终端节点加入网络开始工作之后,不停地测量现场信息,定时把数据传送给父节点；同时与设备相关的终端节点一直检测设备的工作状态,一旦检测到当前设备工作不正常,立刻发送AT指令,该指令包含故障设备的编号,通过GPRS模块以短信形式发送到工作人员移动设备,发现以便快速处理.

图8 终端节点软件流程Fig.8 The process of terminal node software

2.4 GPRS模块

GPRS模块通过串口芯片与ZigBee协调器之间进行通信,实现远程数据透传,并且与用户之间进行短信的收发,一旦现场出现异常时,确保信息立即通知给用户或工作人员.当GPRS模块检测协调器传送有数据时,接收数据写到缓冲区,然后将缓冲区中的数据通过GPRS网络发送上位机.GPRS模块软件流程如图9所示.

（1）通过串行接口,GPRS终端从用户设备中读取用户数据；

（2）将读取的数据进行处理,然后以分组的形式将数据发送到GSM基站；

（3）对分组数据进行封装,然后发送到GPRS骨干网.

图9 GPRS模块软件流程Fig.9 The process of GPRS module software

2.5 上位机

上位机程序的开发采用的是微软公司的VB（Visual Basic）推出一种编程语言,该编程语言可以利用微软提供的不同种类的控件,实现所需要的功能,能够方便快捷地开发出满足项目需求的程序.研究中上位机要实现的主要功能就是从下位机（会聚节点）发送的消息解析出温度信息、pH值和当前溶氧量.上位机收到数据校验通过后,对数据进行提取,下位机发送的时候,把温度、PH值和溶氧量包含在一帧数据中.其中温度数据占两个字节、PH值占一个字节、溶氧量占两个字节,提取出数据后,进行运算得到相应的数值,以曲线和实时数值的形式同时显示出来.

3 仿真验证

实验采用串口控件采集串口数据,第一次打开串口的时候,有时候收到的数据会存在乱码的现象,在上位机接收数据的时候采用了简单的自定义数据校验.如果校验不通过,则直接忽略此次接收的数据.大大提高了接收数据的有效性,从而提高了系统的总体稳定性.上位机用户界面显示养殖现场的最新动态数据（见图10）,用户可以方便实现为手动控制方式和自动控制方式,自动控制方式只需要配置好相关参数即可,控制方便灵活,自动化程度高.

图10 上位机界面Fig.10 PC interface

4 小结

本文基于无线传感器网络设计了一种水产养殖的远程监控系统,该系统集现场数据采集和远程数据传输于一体,数据传输可靠,组网稳定,安装施工简单方便,不需要专用线路,模块化安装,上位机自动显示现场参数,用户可以远程操作,有效快捷.

[1]王艳玲,李正明.基于GPRS技术的农田信息远程监测系统的实现[J].农机化研究,2007,17（8）：65-67.

[2]陈鸿飞.基于ZigBee与GPRS的远程无线抄表系统智能终端设计[D].长沙：中南大学,2009.

[3]蒋朝根.基于ZigBee和GPRS技术的嵌入式家具报警系统设计与实现[D].成都：西南交通大学,2009.

[4]CALLAWAY E,GORDAY P,HESTER L.Home networking with IEEE 802.15.4：A developing standard for low-rate wireless personal area networks[J].IEEE Communication Magazine,2002,40（8）：70-77.

[5]HAK J L,SUN H L,HA K S.Ubiquitous healthcare service Using Zigbee and mobile phone for elderly patients[J].International journal of Medical informatics,2009,7（6）：193-198.

[6]谢秋菊,苏中滨,王雪,等.基于WSN的猪舍环境监测系统设计[J].黑龙江八一农垦大学学报,2015,26（2）：113-117.

[7]宋继红.WSN技术在空间定位系统中的应用[J].长春大学学报,2011,21（2）：26-28.

[8]沬闫.ZigBee协议栈的分析与设计[D].福建：厦门大学,2007.

[9]MARCO D,SEBASTIAN V,THOMAS G.Wireless Communication over ZigBee for automotive Inclination measurement[J].China Communications,2008,8（3）：80-112.

[10]董乐.基于无线网络的智能家居系统网络节点和网关的设计与实现[D].天津：天津工业大学,2012.

（责任编辑：卢奇）

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

河南省科技厅科技攻关项目（142102210112）；河南省教育厅自然科学研究项目（2011A120005）

李瑞华（1990—）,女,河南周口人,硕士生.主要从事计算机智能控制的研究.

孔晓红（1972—）,女,河南信阳人,博士,副教授.主要从事计算机智能控制的研究.