基于无线网桥与ZigBee技术的深海网箱养殖环境监测系统

刘敬彪，陈德文，杨玉杰

( 1杭州电子科技大学电子信息学院，浙江 杭州 310018；2 杭州电子科技大学海洋工程研究中心，浙江 杭州 310018)

深海网箱养殖作为一种新型的渔业养殖方式已经得到迅速发展，然而作为一种高投入与高风险并存的产业，保障养殖安全显得至关重要[1-4]。水质安全对养殖业的影响最大，需要对养殖水域的温度、酸碱度、溶氧、盐度、浊度等水质参数进行采集与分析，实时了解鱼类生长环境。随着无线传感网络的发展，针对深海网箱养殖水质的自动采集与传输方案已有较多实践，其中以ZigBee与GPRS相结合的数据传输方式较多[5]。柯跃前等[6]设计了一种基于ZigBee的海洋网箱养殖环境监测数据传输系统，由于受限于GPRS带宽问题，无法实现对养殖现场环境的实时监控；胡昱等[7]通过3G+VSaaS技术实现深海网箱养殖远程视频监控，但价格昂贵，且这种数据传输方式无法满足自定格式协议数据的传输。近年来，无线网桥技术飞速发展，在室外安防监控等领域得到了广泛使用与技术验证[8-9]。赵红等[10]将无线网桥与高速公路高清视频系统结合；张海臣等[11]在实验室采用Western Multiplex 3185C—42传输图像、数据、话音信号的通信系统组建方案；陈愚等[12]利用无线网桥设计一套远程“枪球联动”水文监测系统实现对野外河流的全天不间断监控。同时，国外对深海网箱养殖也有相关研究，但主要集中于养殖设施和养殖对象，并未将无线网桥应用于深海网箱养殖数据传输[13-15]。这些应用大多在陆地上进行，由于海水具有吸收电磁波的能力，对数据的传输会造成很大的干扰，在复杂的远海环境中应用较少。

设计了一种基于无线网桥与ZigBee技术相结合的深海网箱养殖水质与环境无线监测系统。利用ZigBee技术将深海网箱不同监测点的水质数据近距离无线传到远端数据中心后，再利用无线网桥将远端数据中心监测的水质参数与图像信息一起传输至陆地监控中心上位机，进行实时显示数据，方便用户实时查看各个监测点的水质信息，以及观察水下鱼类摄食情况，通过控制摄像头移动实时了解鱼类生活环境及状况。

1 系统结构

1.1 无线网桥

无线网桥是一种应用在无线网络领域中的桥接技术，也称无线桥接器，可以在两个或多个网络之间搭建通信的桥梁。无线网桥主要有传输速率高、多种工作模式、使用灵活、通讯距离较远、发射功率可调、可靠性高、抗干扰能力好和配置简单等优点。网桥采用成熟商业产品LA-5839无线网桥，设备自身搭载内置5.8 G、19 dbi双极化MMO天线，在可视环境下稳定传输距离达10 km。由于网箱养殖区与陆地之间距离较远，且海洋环境复杂，故采用点对点方式，在远端数据中心协调器节点附近架设天线并安置无线网桥，在陆地监控中心立起电线杆架设地面接受网桥与数据中心协调器节点通讯，然后通过数据中心协调器节点将各个监测节点的数据发送至总站，实现深海网箱环境的实时监测。

1.2 系统结构设计

系统由监测节点、数据中心协调器节点、ZigBee网络、无线网桥网络、监控中心和图像采集设备等组成，其中，监测节点包括温度、浊度、电导率、压力、pH、溶氧等传感器、信号调理电路和ZigBee终端节点。固定在网箱设备附近的监测节点，依据程序实时采集水质数据，采集水质数据完成后，通过ZigBee将数据发送到数据中心协调器节点，协调器将接收到的数据按照预定的协议打包，通过网口与交换机经无线网桥传输到陆地监控中心(图1)。同时，固定在网箱设备附近的图像采集设备也可以将采集到的实时图像信息通过网口与交换机经无线网桥实时传输至陆地监控中心。监控中心对从网箱内采集到的温度、浊度、盐度、pH、溶氧等水质信息与图像信息进行显示、保存，同时也可以生成全日、全周、全月的变化趋势曲线图，方便养殖人员对水质信息进行对比分析，对相关信息进行预判，减少损失，增加收益。监控中心也可发送指令给监测节点，调节水质信息采用频率，以及控制监测节点开启数据采集，同样，监控中心也可以通过控制指令移动水下摄像机，观察水下鱼类生活环境及状况。监控终端还能在线查看前端设备或仪器的运行状况和进度，设备出现故障或数据上传中断时及时通知相关人员。

图1 系统总体结构框图Fig.1 General structure block diagram of system

2 系统硬件设计

本系统主要用于对深海网箱养殖水质数据与图像信息的实时采集与传输、接收与管理，以及对监测节点与图像设备的远程控制。整个硬件电路部分采用24 V蓄电池供电，同时搭配风光互补发电供电系统作为辅助电源[16]。监测节点采用PT1000热电阻温度传感器直接将采集到的温度数据传至STM32运算处理；电导率测量采用交流测量法，硬件部分主要包括正弦信号发生电路、信号放大电路、温度测量电路、AD转换电路等。通过阻抗测试芯片AD5933来产生正弦激励信号，由单片机来计算出溶液的真实阻抗，通过温度补偿后最终得到海水的实际电导率[17]。pH传感器是电化学传感器，采集到的数据为微弱电压，经信号放大器和阻抗匹配电路放大至AD7793能够转换的电压值，转换成数字信号后经STM32处理转换成pH数值[18]。浊度、压力与溶氧传感器皆为一体式传感器，单片机可以通过RS485与传感器相连，直接读取相应数据。最后监测节点通过串口与ZigBee模块相连，将数据发送至协调器节点，该节点通过内置STM32将数据经网口与无线网桥相连，由无线网桥发送至监控终端上。同时，监控中心可以通过发送指令控制图像采集设备的工作状态，指令数据通过无线网桥网络经ZigBee协调器传至相应的控制节点，控制节点按照事先约定的协议解析指令控制云台，从而实现控制图像采集设备的工作状态(图2)。

图2 系统硬件结构图Fig.2 Hardware structure block diagram of system

3 系统软件设计

3.1 监测节点软件设计

系统软件设计应用模块化编程思想，分为监测节点软件设计、数据中心协调器节点软件设计和远程监控终端软件设计。监测节点上电开始工作，首先进行初始化，入网成功后，数据中心协调器节点为该节点分配一个16位的网络地址，同步时钟后，进入低功耗模式。当监测节点收到监控中心采集命令后，节点被唤醒，开始读取各个传感器数据，并将数据打包发送到数据中心协调器节点，最终经无线网桥网络发送至远端监控中心。如果数据发送成功，监测节点将再次进入休眠状态，直到下次采样时间再唤醒监测节点采集数据并发送。监测节点工作流程如图3所示。

3.2 数据中心协调器节点软件设计

数据中心协调器节点作为ZigBee网络中最重要的组成部分，通过扫描信道建立一个ZigBee网络[19-21]。由于应用场景的通信距离比较远，故选择星形网络结构，即以协调器为中心，所有监测节点只能与协调器进行通信，网络中的监测节点如果需要通信，先将各自的数据发送至协调器，然后由协调器转发给对方[22]。数据中心协调器节点上电完成硬件与ZigBee 协议栈初始化，扫描信道，建立ZigBee网络，当收到监测节点申请加入网络信号时，协调器节点允许其加入ZigBee网络，并给其分配一个16位的网络地址并创建地址列表，当所有的节点都加入网络时进入休眠状态。当收到远端监控中心的工作命令后被唤醒，对命令进行解析后，发送采集命令至各个监测点或者控制图像采集设备开启后，开始数据采集任务。数据中心协调器节点的主要工作是创建ZigBee网络、接收监测节点数据、控制图像采集设备与远端监控中心通信。

图3 监测节点工作流程Fig.3 Monitoring node workflow flow chart

3.3 远程监控终端软件设计

远程监控终端软件采用C#语言开发，主要由数据的接收与处理、报表制作、数据入库、查询分析、权限控制、系统管理、故障报警等功能组成。操作人员通过登录账号进入监控终端，单击“运行系统”按钮后，监控终端经过无线网桥网络与数据中心协调器节点通信，连接建立之后单击“外围设备”按钮，监控终端软件向监测节点发送采集命令，监测节点收到数据后，经解析命令后，按照设定的采样频率对温度、浊度、pH、电导率、溶氧等数据采集，然后采用点对点方式将数据发送到数据中心协调器节点，最终发送到远程监控终端软件进行显示和保存；同时，监控中心还可以控制监测节点的采样频率，控制图像采集设备。单击“显示监视窗口”按钮，即可以将控制图像采集设备的命令发送到数据中心协调器节点，协调器节点接收并解析命令后，图像采集设备开始工作。图像采集设备采集到的实时图像信息将通过无线网桥网络发送到远程监控终端进行显示与保存。

4 系统调试

本系统实地测试前在实验室先进行系统调试，主要包括无线网桥组网测试、ZigBee组网测试、水质数据采集测试、PC端监控终端软件调试以及整个系统的调试。

(1)无线网桥组网测试：借助PC机与TCP/UDP调试助手调试，验证PC机与数据中心协调器节点间通讯是否正常、信号传输稳定性等。(2)ZigBee组网测试：将编译好的程序通过下载器下载至模块中，各个节点上电运行，协调器中心节点建立网络，扫描信道，将其他节点加入ZigBee网络，如果各个节点的LED指示灯工作正常，表明ZigBee组网成功。(3)水质数据采集测试：将编译好的STM32程序通过下载器下载至水质数据采集板，将采集的数据与标准数据进行对比分析改进，确保能够稳定地采集到正确数据。(4)PC端监控终端软件测试：将数据协调器节点的数据通过串口或者无线网桥网络发送至PC机，通过监控终端观察数据的有效性。(5)整个系统调试：在确保之前的每一环节均能稳定且正确运行后，监控终端点击开始运行后，观察各个监测点数据变化与图像监控信息情况。

5 结果与分析

5.1 试验结果

为验证系统功能与可靠性，在浙江舟山某海域进行现场试验。应用本系统对海域内3个监测点进行监测，获取各个监测点的温度、pH、盐度、溶氧、盐度等信息，同时对一路摄像机进行远程控制，实现高清图像信息的采集与实时传输以及监控中心实现水质数据信息与图像信息实时显示与数据入库等功能。现场的监测点模拟为方形浮式深水网箱，布设在离陆地5 km左右的岛屿周围。试验时所用的传感器有：PT1000热电阻温度传感器(北京华控兴业科技发展有限公司)，WQ-201型pH传感器(美国Global Water公司)；WQ-730浊度传感器(美国Global Water公司)，WQ-COND电导率传感器(美国Global Water公司)；KDS-25B型溶氧传感器(日本费加罗公司)，MIK-P300型压力传感器(杭州美控自动化技术有限公司)。高清摄像机为杭州海康威视数字技术股份有限公司生产的DS-2CD6233F型300万高清网络摄像机。将各个监测点的传感器固定在水下大约2 m处，对养殖区进行长时间不间断测试，结果表明，本系统能够实现对各个监测点水质数据实时监测与图像信息的实时采集，监控中心实时显示与数据入库、远程控制等功能。部分水质监测数据见表1。

从表1可看出，通过本系统可以实时获取各个监测点内的温度、pH、溶氧、浊度、盐度等水质参数信息，所获数据与现场实际测量数据基本吻合，采集到的各个网箱的水质数据可信。结果表明，该监控系统可以正常开展养殖环境现场的实时采集监控。

表1 水质监测点数据Tab.1 Data of water quality monitoring points

5.2 分析

基于无线网桥与ZigBee技术相结合的深海网箱养殖水质与环境无线监测系统，经过实验室调试与现场测试满足系统设计要求，除满足养殖人员对养殖网箱内水质环境参数实时监控预警外，还能满足对鱼类生长环境以及水面实时图像信息的需求，可提高深海网箱养殖的安全与技术含量，降低养殖风险。采用ZigBee与GPRS相结合的传输网络只能传输水质数据[23]，本系统设计的ZigBee与无线网桥相结合的传输网络不仅能实现水质与控制数据的实时传输，而且还能获取实时传输视频图像数据。但是，该系统依然存在较多不足，如系统使用过程中无线网桥与图像采集设备的耗电问题、无线网桥的安装问题、无线网桥局域网宽带利用率不足等。未来系统升级可以解决上述问题，提高宽带利用率和深海网箱养殖的自动化程度。

6 结论

本系统充分发挥了无线网桥通讯距离远、信号传输性能稳定、安全、可靠性高等优点，既能实现对养殖区内各个监测点的水质数据实时监测，还可实现对网箱养殖区域内水面与水下环境信息的实时监控，方便养殖人员对网箱区的水质与环境信息的实时掌握。该系统还具有操作简便、响应快速、成本较低、可靠性强等优点。

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