水产养殖无线监控系统.doc

水产养殖无线监控系统
刘星桥，桂芬
(江苏大学电气信息工程学院,镇江212013)摘要—水产养殖监测环境具有区域内监测点数量多、监测时间长、监测情况复杂等特点，针对传统环境监测方案遇到的布线困难、成本高等问题，设计了一种基于ZigBee协议的水产养殖监控系统。实现了对溶解氧、PH值、温度等多参数的采集、处理和显示，并通过无线网络实现了传感器检测节点和协调器节点之间数据快速、准确的传输，进而对多参数进行实时远程监测。本系统结构简单，数据传输速度快，功能易扩展，网络自组织、自愈能力强，适用于工厂化水产养殖、水环境、智能温室等诸多领域。
关键词：溶解氧；PH；温度；cc2430；ZigBee引言
在现代化水产养殖场中，池塘水的环境条件不仅极大地影响鱼类生长的安全，而且直接影响鱼类养殖的产量，因此为了提高水产养殖的自动化和智能化程度，对养殖水体进行温度、溶解氧、透明度、盐度及PH等参数进行自动监测和控制是十分必要的[1]。为了提高工厂化养殖水平，自20世纪90年代以来,国内一些省市先后从国外引进了一批现代化的工厂化养殖设备及控制系统。但是这些设备和系统价格昂贵,运行成本高,在国内推广普及困难[2]。而且，以往的水产养殖监控网络通常采用传统的数据通信网络系统，不具备开放性和互联性[3]。随着智能监控技术的发展，为了进一步提高水产养殖远程在线监控系统的可靠性、抗干扰性和灵活性，本文设计了一种基于Zigbee协议[4]的无线多参数监控系统，该系统采用Chipcon公司生产的无线收发芯片cc2430和利用无线通信技术构建无线网络，无需布设任何线路，自动组网，成本低廉，网络的自组织和自愈能力强，采集的数据可以通过液晶和监控画面实时监控，有效地实现了对水环境和水产养殖中各种参数的检测。
设计方法
ZigBee技术简介
ZigBee技术是一种具有低速率、近距离、低功耗、低复杂度、低成本、通信可靠、网络容量大等特点的无线网络通信技术，是针对小型设备的无线联网和控制而制定的协议规范，拥有一套非常完整的协议层次结构，由IEEE802.15.4和ZigBee联盟[5]共同制定完成。它工作于免付费和免申请的2.4GHzISM频段，具有电池寿命长、应用简单、可靠性高及组网能力强等特点。基于ZigBee的无线传感器网络通常由3种节点设备组成：协调器、路由器和终端设备。网络中只有一个节点作为协调器，负责网络的组织和维护，其他节点可作为路由器和终端设备。路由器负责网内信息的路由，终端设备是实现传感功能的节点，其中协调器和路由器还具有允许设备加入或离开网络的功能[6]。ZigBee网络支持3种拓扑结构：星型网(star)、树型网(tree)和网状网(mesh)，可根据实际应用选择不同的网络拓扑结构[7]。
系统硬件电路设计
本设计中选用了Chipcon公司最新推出的符合IEEE802.15.4标准的SOC系统芯片cc2430，它结合了一个高性能射频收发器核心CC2420和一颗工业级小巧高效的8051控制器[8]。根据水产养殖监测现场的环境，采用如图1所示的无线监控系统结构总框图。该监控网络由若干协调器节点、若干传感器节点、若干控制节点和一个监控中心组成。协调器节点和覆盖范围内的传感器节点采用能量消耗最低的星形网络拓扑结构。其中协调器节点是传感器节点、控制节点与监控中心之间连接的桥梁，所有采集数据均通过协调器节点发送到监控中心，而控制指令则由监控中心发出后通过协调器节点发送给控制节点，驱动执行机构执行控制任务。

图1无线监控系统框图
在该无线监控系统中，传感器节点将采集到的水环境参数模拟信号送到的CC2430的微控制器部分进行A/D转换（cc2430具有8路输入8～14位ADC），转换后的数字信号再经过计算处理，得到实际参数值，通过CC2430的无线射频部分发送出去，工作原理如图2所示。协调器节点的无线收发部分接收到数据后送到LCD和上位机监控软件显示，工作原理如图3所示。

图2传感器节点系统框图

图3协调器节点系统框图
溶解氧测量电路
本系统采用极谱式薄膜电极法测量溶解氧，传感器采用DO-952型溶解氧电极。其中，电极的阴极由4mm黄金片组成，阳极即参比电极为银片，两极之间充以电解液，顶端以聚四氟乙烯薄膜覆盖。当阴阳两极间加0.7V左右的极化电压后，渗透过薄膜的氧在黄金阴极上还原，由于电极上发生氧化―还原反应，电子的转换产生了正比于样品中氧分压的电流。无氧时，传感器中无电流；有氧时，溶解氧浓度以电流的形式被送入调理电路[9]。
溶解氧调理电路如图4所示。激励源电路采用正12V供电，D1为2.5V稳压，通过调节P1来获得极谱式覆膜电极所需的0.7V左右的电压（Ag极输出）。HYPERLINK"http://www.doohai.com/anfang/qtjcy/