基于物联网的水产养殖环境监测系统——毕业论文

广东石油化工学院本科毕业(设计)论文：基于物联网的水产养殖环境监测系统基于物联网的水产养殖环境监测系统The Environmental Monitoring System for Aquaculture Based on the Internet of Things摘 要随着水产养殖行业的快速发展，科技的快速发展，水产养殖规模的扩大，传统的养殖模式已逐渐不能满足要求，渐渐的被科技化工厂化的模式取代。将物联网技术应用在水产养殖能有效解决旧模式下的饲养控制模糊，人手不足等等的突出的问题。随着无线网络技术的发展，ZigBee技术具有低功耗、低成本、低复杂度和高可靠性的特点，而串口WI-FI技术是具有低成本、传通信技术输范围广的无线通信技术，在此两者下，提出了ZigBee技术的无线传输网络与串口WI-FI无线传输网络的物联网水产养殖环境监测系统的设计。本篇文章首先对ZigBee无线传输网络技术与串口WI-FI无线传输技术进行介绍，而后并根据国内外的对于无线传感网络的研究现状进行分析，以及系统的功能与实际应用进行相关的需求分析，从而提出本系统的整体设计方案。在系统硬件的电路设计部分中，选取单片机CC2530作为ZiBee无线通信系统的模块的核心处理器，然后引出各个引脚用于外围接口电路的连接。在系统软件的设计部分中，针对ZigBee的协议栈以及其各层的协议作出相关的介绍，阐述其功能和任务。将采集数据的模块划分为多个传感器小模块，并对每个模块作出程序设计的分析。然后，用AT指令对串口WI-FI模块进行配置，实现ZigBee/串口WI-FI网关的功能。关键词：水产养殖 ZigBee 无线传感器网络 串口WI-FI CC2530AbstractWith the rapid development of aquaculture industry, the rapid development of science and technology, the expansion of aquaculture, the traditional cultivation mode has been gradually cannot meet the requirements, gradually replaced by the science and technology factory model.The application of iot technology in aquaculture can effectively solve the problem of the problem of the lack of control, the shortage of human hands, etc.Along with the development of wireless network technology, ZigBee technology with low power consumption, low cost, the characteristics of low complexity and high reliability, and serial port wi-fi technology is a low cost, mass communications transmission range of the wireless communication technology, under the both, put forward the technology of ZigBee wireless transmission network with a serial port WI-FI wireless transmission network iot aquaculture environment monitoring system design.This article first to the ZigBee wireless network technology and serial port WI-FI wireless transmission technology is introduced, then according to for wireless sensor network research status at home and abroad is analyzed, and the demand of the system function and practical application of related analysis, and put forward the overall design scheme of this system.In the part of the system hardware circuit design, selection of single chip microcomputer CC2530 as ZiBee core processor module of the wireless communication system, and then raises for each pin of peripheral interface circuit connection.In the design section of the system software, the protocol stack of ZigBee and its various layers of protocols are introduced, and its functions and tasks are explained.The data collection module is divided into several sensor modules, and each module is analyzed for programming.Then, using the AT command to configure the serial port WI-FI module, the function of ZigBee/serial port WI-FI gateway is implemented.Key words:Aquaculture ZigBee wireless sensor network serial port WI-FI CC2530目录摘 要1Abstract2目录3第一章 绪论51.1 引言51.2 本课题的研究目的及意义61.3 无线传感器网络介绍71.3.1 概念71.3.2 ZigBee的优势81.3.3 通信的标准91.4 WI-FI通信技术101.4.1 WI-FI通信技术的简介101.4.2 WI-FI技术的优势101.5 无线传感器网络的国内外研究现状111.5.1 国外的研究现状111.5.2 国内的研究现状12第二章 系统的整体设计132.1 系统功能分析142.1.2 系统性能需求分析142.2 系统的结构152.3 无线传感器网络设计152.3.1 无线传感器节点设计162.3.2 无线传感器协调器以及网关的设计172.3.3 ZigBee无线传感器网络结构设计172.4 WI-FI传输网络182.5 监控应用中心的设计192.6 本章小结19第三章 系统硬件电路设计203.1 系统硬件电路设计概述203.2 传感器模块设计203.2.1 温度电路设计20工作原理：20特点：213.2.2 水位传感器设计213.2.3 温度湿度电路设计213.2.4 光照强度电路设计223.2.5 ZigBee无线通信模块设计223.2.6 串口WI-FI模块模块设计233.3本章小结24第四章 系统软件设计254.1 ZigBee协议栈254.1.1 ZigBee协议栈框架264.1.2 物理层264.1.3 数据链路层274.1.4 网络层274.1.5 应用汇聚层284.1.6 应用层284.2 程序运行的总流程图294.3 水温采集的程序设计304.4 水位采集的程序设计344.5 温湿度采集的程序设计364.6 光照强度采集的程序设计394.7 串口WI-FI端的程序设计464.8 应用控制中心的设计504.9本章小结57第五章 系统实验结果585.1 监测应用中心585.2 实物演示605.3 测试数据62第六章 总结666.1 系统设计总结666.2 个人总结67参考文献68致 谢69第1章 绪论1.1 引言在我们广东省是水产品养殖和水产品出口的大省，养殖水产品的面积达到了上千万亩，水产品的产量也达到百万吨每年。随着养殖规模的不断扩大，以往水产养殖模式的问题也不断的突出，为了可以解决这些人手不足，饲养控制模糊等突出的问题，最大限度的提高水产品的质量存活率，和养殖户的收益，在水产养殖加入更多的科技元素，改变养殖的模式迫在眉睫。开发一种基于物联网技术的智能水产养殖环境监测系统成了该产业迫在眉睫的切实需要，也是今后水产养殖业发展的必然趋势。如今大多数的水产养殖业主要还是会消耗大量资源、人力资源、粗放式经营、饲养控制等问题，基本上还是一个靠天吃饭的行业，它不可避免地受到气候、水质变化等自然环境的影响和制约，需要花费大量的精力时刻留意着养殖环境的变化。随着河流、湖泊和沿海水域的污染增加，水产养殖行业的风险也随之增加，花费在其上面的精力也不断增加，所以将先进的物联网技术应用于养殖行业是迫在眉睫。工厂化的水产养殖在从狭义的角度来讲指的是现在的生物学技术与现代工业技术相结合，在全自动或者半自动化的系统中是高密度养殖优质的水产品，在养殖的全过程实行全封闭式或者半封闭式管理的商业性、无污染化和科学化的一种水产养殖的生产方式。从广义的角度来分析指的是利用现代先进的科学技术来加以应用以实现全自动化或半自动化的水产养殖系统，在大型水产养殖中进行的一种无污染化的、先进的、科技化的、商业化的水产养殖模式。更具体的来说，工厂化的水产养殖是在全封闭或者半封闭的情况下，对水产养殖生产的整过过程实现饲养投饵、水中温度、水位高度、水的质量、排污处理、疾病预防、水流、水处理的循环使用等等的全自动化、半自动化的管理，就是集合电子机械、仪表仪器、土木工程、生物学和生物工程、自动控制等现在先进技术相结合与一体的。同时，也对水产养殖的品种、生长过程、生长的环境进行全方面的自动监测，使在大型的养殖环境情况下，节省人力资源，也能维持水产品的生理生长状态和水中的生态环境，从而达到最大化的提高水产养殖的质量和产量，使水产品健康快速生长的同时也不对环境造成污染的高效率的养殖方式。 在国外发达国家的养殖行业中，工厂化的养殖在高密度的网箱养殖的时候而开始的，经过了一段的时间的不断发展，在这方面中为了节约能源、水资源和环境的优化，已不再大规模的开挖养殖池，而是通过另一些方式-出台相关的相应的政策来推动工厂化养殖的发展。工厂化的水产养殖方式的高效益，高效率对生产者产生了诱惑力，随着市场的不断扩大，鲜活食品越来越受到大家的青睐，需求不断的提升，对水产养殖实行工厂化的水产养殖起到了很好的促进作用。在国内就目前而言，水产养殖的养殖设备设施大部分还是比较简单简陋的，相对于国外发达国家的水产养殖技术里的设备设施相比，显得非常的落后，存在着很大的差距，在我国很多地方的水产养殖户的养殖场里都是设施设备简单的养殖车间：动力提水设备，无伐重力式的过滤设备，沉淀池等等。在这种养殖模式里大多还是靠人力人工进行操作的，还要时刻在现在注意着水产养殖环境的情况，花费着大量的人力。而水产养殖的工艺只有简单的人工投料饲养，还通过人去进行环境的监测，控制观察，操作饲料的加工等等。这种方式不仅消耗人力，而且还产量相对于国外的养殖技术养殖来说还比较底、消耗时间长、能源消耗高等。因此物联网技术应用于养殖行业，将养殖行业科技化，肯定可以推进养殖行业的快速发展。1.2 本课题的研究目的及意义在物联网化的养殖模式里的主要技术中包括有数字网络化，环保的养殖管理模式，水质的监测等,其中的保证水的质量对于水产养殖是至关重要。水的质量的检测的主要目的就是监测和控制水中的环境的温湿度、水中的温度、水位的高度变化、环境的光照强度等等一些会对水产品的生长带来影响的因素的水中环境的参数变量,以控制这些参数稳定给水产品带来最好的生长环境,从而提高质量产量,就正所谓“养鱼先养水”。因此，若要增加水产品的产量，同时提高水产品的质量势必要使用到检测和控制的技术。我们通过科技的技术检测分析水环境的各个参数变量，从而得出水产品当前的养殖环境是否适合水产品的生长，同时也可以做出控制，控制这些参数变量的变化，使其稳定适合水产品最佳的生长环境，同时降低人工的投入，降低成本、也可以降低养殖人员造成损失的风险。从而提高产量质量，给人们带来价廉质优的水产产品。总而言之，有了监测的技术，水产养殖技术在向大型化、大规模发展的同时，减低人力的投入，也能提高质量，提高水平。这样的水产养殖也能节约水资源，大大的减少对水质的污染，还可以大大降低水产养殖所投入的成本。因此，在水产养殖加入监测和控制技术不仅可以给养殖人员提高产量的收入，还可以减低成本，降低风险，同时，也可以降低自然环境的污染，降低能源的消耗。在目前来看，很多养殖的设施是以有线的方式将各个设备连接起来，并连接到监控系统中心的，采用这种模式在水环境中会出现着许许多多的问题。在水环境中搭建这些线路在随着系统规模的不断提高也会变得越来越复杂，会使用到大量连接线路的连线，在水上搭建这些线路时也会很困难，导致成本增加，维护起来也相当麻烦，这样的灵活性也很低等等。随着无线传感器网络技术的飞速发展，所以，在水产养殖环境使用无线监控技术，将会降低设备设施的成本、采用无线技术的系统的灵活性比有线的更高、安装搭建更加简单方便。无线传感器网络技术也简称“WSN”，下面直接使用WSN进行称呼。在水产养殖加入WSN技术以使得养殖高科技化，网络数字化，智能化将是水产养殖的发展趋势。随着无线技术的飞速发展，近年来出现的ZigBee技术以价格低廉、组网灵活、复杂度低、可以工作在无线的2.4GHz频段等等优点，符合这WSN技术的要求。ZigBee的协议栈经过ZigBee联盟的不断完善，很适合在此基础上进行二次开发，它还被广泛的应用在智能家居，工业的控制，农业汽车自动化领域，多种消费性的电子设备控制等领域。所以，便提出了基于ZigBee自动组建无线网络的和串口WI-FI无线通信技术现结合的水产养殖环境监控系统的设计。首先，ZigBee无线传感器网络进行自动组网，然后通过ZigBee传感器节点采集水环境的各个参数变量-水中的温度、水位的高度、环境的光照强度、环境的温湿度，并发送至ZigBee网络中的协调器。结合着WI-FI无线通信技术可以远距离的通信，大数据高速传输等优点。协调器将数据通过WI-FI网关发送至云服务器端，实现养殖人员在何时何地都可以实时的掌握到自己水产养殖场的环境变化，真正的实现远程监控。所以，本系统具有很好的灵活性、通用性、低成本等优点，还可以实现环境变化参数的异常报警，全天候在线监测，减少了由于获取信息手段的缺乏而不能对水质进行及时的、实时的监测控制。1.3 无线传感器网络介绍1.3.1 概念在微机电系统技术，传感器技术，集成电路技术，无线通讯网络等技术的飞速发展下技术的不断创新突破。多功能、低功耗、低成本的微型的传感器大批的生产成为了可能，在这些微小型体积的传感器内集成了无线通信、信息的采集和数据的处理与一体的功能。无线传感器网络由在一个区域内大量的微型的传感器的节点通过无线电将各个传感器节点联合起来进行通信形成的一个自组织的网络系统，其功能是协作的感知、处理采集这个网络所覆盖的区域里检测到的对象的信息。传感器的体积越来越小、能量消耗的减低、多功能、价格低廉并且可以大批量的生产。将无线通讯、微控制器集合于一体集成微小体积的传感器，无线传感器网络就是在一个方围内大批微小型的传感器节点经过无线电的方式把这个范围所有的节点进行连接通讯组成一个网络系统。这个网络系统的功能就是联合感知其他节点以及处置和收集这个范围里可以监测到的节点对象的消息。这种小型的传感器因其具备着小体积、较轻，甚至可以向灰尘一洋飘浮于空中，可把这种散布在周边，监测着周围的变化。由于，这个特点，所以这种无线传感器网络得到了全球各界的广泛注意，美国在一开始便开始研究这种技术了，最早只是在军方中使用研发。随着这个技术的理论不断的优化不断的成熟，不仅仅在军事的领域里使用了，还开展到了智能家居、工业农业控制、医疗设备卫生、交通等各方面的领域上了。这种技术就是一种所谓“无处不在”的WSN技术，人们可以再任一地点，任一时刻，各种环境条件下都可以得到大量的关于这个物理世界的消息。美国知名的技术杂志和商业杂志就评论出了无线传感器网络将会给我们的生活带来生远的影响，在未来时，我们可以尽可能大的不断扩深我们对这个物理世界的认知能力，将通过散落在周围的各种传感器网络节点收集这个物理的信息，让我们更好的感知到这个世界。无线传感器传输网络技术就是将我们与我们的世界更好的融合在一起，改变我我们以往与这个物理世界的信息交换方式，是一个又将给我们未来的生活带来深远影响的技术。1.3.2 ZigBee的优势ZigBee具有安全、大网络容量、可靠性、传输时间短、价格低廉、省电等优势：安全：该项技术是经过了一种AES-128的加密算法，保证了数据的安全性，使得在这个网络传输数据时可以获得有效的保证，它还有鉴权功能，还可以检查传输信息的完整行。大网络容量：在一定的范围内，同一时间里最大允许有一百个ZigBee的网络，而一个ZigBee的网络里还允许存在有一个主设备和254个从设备。可靠性：ZigBee具有数据碰撞避免机制，可以提供固定的带宽的通讯业务，还拥有专门的时序。正因如此，可以在设备发送数据的时候，避免了冲突和竞争。ZigBee技术还有数据确认传输机制即应答机制，在传感器节点发送信息是都必须得要接收信息的节点回复应答说明信息已成功接收，这样保证了信息传输的可靠性。传输时间短：ZigBee的每一项时延与其他的无线通讯技术相比都比较短，ZigBee传感器截点从运行态转化至睡眠转态所需的时间只15ms，而加进网络只需30ms左右。价格低廉：ZigBee协议栈在ZigBee联盟不断的进行优化完善后，越来越简练，使得在软件的实现方面上变得越来越简单。这种网络传感器的节点的硬件需求上只要8位的MCU，只读内存最大可以到32KB，最小4KB，所以模块的成本也非常的低。消耗低：ZigBee网络节点在不发送信息接收信息的时候，就会自动减低功耗进入睡眠状态，当需要接收到其他节点信息的时候，网络中的协调器就会通知他们，从而从睡眠状态再转回正常运行态。传感器节点发送和接收消息的功耗很低，运行的时间周期短，因而减低了充电的频率，因而也减少了维护的成本。1.3.3 通信的标准从目前来看，在无线传感器网络技术的领域常用的无线通讯技术有红外线，蓝牙，WI-FI，ZigBee。红外线技术对于其他几种无线技术来讲是相对容易的，价格也比较低，实现起来也很简单，但存在一个很严重的缺点就是只能对点着链接，因此，移动性很差，在传输时中间也不能有物品阻挡，要构成无线网络是非常不实用的。蓝牙无线的协议相当复杂，要在此进行开发，就会给开发人员带来一定的难度，成本就会提高，它的传感器能量消耗也比较大，所以多应用在一些手机、计算机外设的使用开发中。而WI-FI无线通讯技术，它的通讯速率可达到11MBit/s，大多应用在多媒体方面，在应用实现传感器网络的方面比较少。ZigBee的传输信息的方式就象一群蜜蜂在发现食物的时候，蜜蜂通过调“ZigZag”这个型状的舞的方式来通知伙伴，它的伙伴就可以知道它所传递的消息。因此，就将这种模式称为了“ZigBee”，ZigBee由此而得来。它的通讯模式与其他的无线通讯技术的模式不一样，它的目标不是最求速率和传输的距离，而是根据智能家居，工业农业自动化，环境的监侧等特别的控制要求，在一定范围的短距离内，以几十KBps的传输速率进行自动组建通讯网络，还可以根据需要继续减低成本，降低复杂度和减少能量消耗等。ZigBee无线通讯技术是一种可以同时进行收发数据的双向通讯的无线通讯的标准，是一种具有较低的复杂度，价格低廉，传输速率低，传输距离近，能量消耗低的无线通讯方案。这种无线通讯在2.4GHz的频段，它是一种在无线标记与蓝牙通讯技术两者之间的技术方案。它可以使多个微小的传感器进行连接互通，它的通信效率是非常的高的，数据的传输速率于10至250KB/s之间，数据传送的距离也在10至75之间。这种无线网络的传输方式是将信息从一个节点传送到另一个节点，一个接一个依次传送，由于这种方式，所以在这些节点之间的功耗很低。无线通讯传输技术不断突破发展，它的优点特点也得到全球众多著名公司，知名高校的关注。在2001年，便在美国成立ZigBee联盟，同时提出了ZigBee无线通讯技术的协议准则。到了2002年，飞利浦，三菱，摩托罗拉等著名企业也相继加入到ZigBee联盟，成员达到了180多个。中国著名的华为技术有限公司在2006年的时候也加入了Zigbee联盟。ZigBee协议准则在2003年被批准通过，在下一年便继续推出了第一个公开的版本协议准则规范的V1.0。在2005年的时候，允许开放下载。于2006年，ZigBee联盟继续通过了第二个公开版本内部编号为R13的ZigBee-2006版本，下年一月便开放下载。同年的十月份，有通过了第三个规范名为ZigBee-2007规范公开版本，编号为R17的版本。随着ZigBee技术的不断完善发展，很多芯片厂商的芯片都可以支持ZigBee传输协议功能。国外的很多ZigBee产品的也是遥遥领先，例如意大利的一家公司基于飞思卡尔芯片的ZigBee智能洗衣机等等。由于ZigBee技术的诸多优点，国内的很多知名的科技公司，研究院也纷纷加入ZigBee的研发，推出了很多ZigBee技术的产品。ZigBee强大的协议栈，使得在其基础上进行二次研发变得很方便。很多公司更偏向这种方式而进行ZigBee产品的开发，使得研发的周期大大缩短。我国对ZigBee技术的推广和普及开发也做出了一定的贡献。1.4 WI-FI通信技术1.4.1 WI-FI通信技术的简介WI-FI的全称为Wireless Fidelity，WI-FI技术和ZigBee一样也是使用在2.4GHz左右的频段。WI-FI具有比其他无线通讯技术的优点是传送数据的距离比蓝牙，红外，ZigBee技术的都要长，传送的速度高，多用于多媒体等方面的应用。而串口WI-FI则是在WI-FI的协议上加以封装优化，其模块使用了串行接口的特性，内部有个8位的MCU和TCP/IP的协议栈。只要通过简单的AT指令操作WI-FI模块，可以在不需要接触到底层的网络协议，就可以使用WI-FI与Internet网络进行数据交换，信息传输的功能。使得开发人员像用到WI-FI功能但有不用接触那些复杂的网络协议，缩短开发的周期。此外，模块还具有体积小，能量消耗低，价格也相对变异等优点。还可以实现用户无线网络，UART，以太网三种接口可以交换信息。这种WI-FI模块被广泛应用于家居智能化、WI-FI遥控飞机、WI-FI网络收音机、医疗仪器、手持设备、设备参数监测、工业控制等。1.4.2 WI-FI技术的优势1，WI-FI具有四种方式：USRT转WI-FI方式，USRT服务器方式，USRT传以太网方式，以太网转WI-FI方式。而USRT转WI-FI模式使设备通过USRT就可以容易的接进网络，进行透明的、全双工的数据交换。最大的保证了它的兼容性，灵活性，易于操作性；可靠地长时间工作的系统应用，以及系统关键适用的安全性；3.工作温度:在工业级中为 -25到75C；4.内置无线基带、射频前端以及多种外设总线和16M的RAM和4M的FLAS、360M的MIPS CPU；5.支持透明协议数据传输模式，支持IEEE 802.11 b/g/n，并通过了FCC和CE认证；6.支持绝大多数WI-FI算法和加密方式，WAP2-PSK/WAPIWEP/WAP-PSK/，加密类型 TKIP/AES/WEP64/WEP128；7.支持无线可以工作在AP模式和节点(Station)模式，真正的硬件AP，还支持AP和节点模式同时在线功能，支持android系统和iphone手机等所有WI-FI连接；8.支持网络协议：ICMP/HTTP/TCP/UDP/ARP/DNS/DHCP，可选择TCP Client/TCP Server/UDP 的工作模式；9.可以运行在AP的方式下，还能给从设备分配IP，还有自动获取IP的功能；10.串口速率可以调节，最高可以支持230400。11.提供AT+指令集配置，还拥有强大的技术支持，还可制定指定的需求功能等。1.5 无线传感器网络的国内外研究现状1.5.1 国外的研究现状美国一家著名的商业周刊在2003年的时候，在其的科技专栏中也特别的指出：WSN技术是四大高科技创新技术之一，这种技术在未来将给我们的生活方式，上产方式产生深远的影响，无线传感器传输网络技术的应用前景相当广泛。 WSN庞大的商业价值，还有其广阔的应用前景使其在全球引起了广泛的关注。美国的Internet公司宣称将着力于发展微型的WSN技术在环境检测、医学、行星探查、森林防火等领域地应用，因而，美国在2002年的时候便成立了一个关于这种新型小型无线传感网络技术的研究专项，在2003年的时候，美国很多著名的高校也纷纷加入了研究无线传感器传输网络的这个领域里，不断的开展一些相关的研究计划项目。美国的自然科学积金会也开展了WSN技术的研究开发项目，这个项目是要建立一个全球感知的网络信息世界，使用WSN技术对我们周围的生活生产带来全方面的控制，和监测。推动了无线传感器传输的快速发展，随着WSN技术的发展,参加研究无线传感器网络的成员不断增加。美国的很多知名企业，欧洲的一些国家，日本等也加入了这方面的研究方面。在2004年的时候欧州在德国举办了相关技术的谈论会，在数据传输领域，机械电子领域等方面的很多专家也纷纷加入了这个谈论会。日本也举行了以无限传感器技术为中心的研讨会，同时还宣布研发出了最小体积的无线节点，而这个无线节点集合了温度，加速度，红外线等功能与一身。1.5.2 国内的研究现状在国外推动无线传感器网络技术发展的同时，国内的许多知名的企业，高校，研究院也纷纷加入了无线传感器传输网络技术的研发和应用方面，诸如像清华大学，华为技术有限公司，华南理工大学等等。我国在无线传感器传输网络的方面的，及时抓住了机遇，在发展和研发的道路上与美国等发达国家在同一起跑线上。国内的许多知名企业也加入到ZigBee联盟，在推进ZigBee的发展也起到了很大的作用。我国在1999年的一个创新工程试点的领域研究的报告中便提出了无线WSN技术的重要性。指出了它是信息，自动化等领域的重大项目之一。在中国科学院的带领之下各个方面不断的发展无线传感器传输网络技术的研发，在上海成立了相关的研发中心进行微系统，无线传感器技术的研究。还制定了多个相关的重大研究项目，确定了研究方向。随着相关工作的不断推进，在2007年，在杭州举行了我国关于WSN技术产业的研究方向和发展反向的论坛，并成立一个关于无线传感器传输网络的发展联盟。到了2008年，启动了一项国家级别的专线-新一带的移动通讯网，其第六个课题中便是专门针对WSN技术设立的，正是由于此专项的建立，推动了我国WSN技术研究和应用到周围的飞速发展。在2012年，ZigBee还在我国建立了农业物联网中心，加强了我国与国外的合作，也使得我国的农业物联网得到了快速发展。我国并参与农业物联网领域的国际标准制定。第2章 系统的整体设计在我省的养殖水产品的水域非常广阔，养殖户都很分散，水产品的养殖种类繁杂、多种养殖的方式、而且大多是以一个家庭承包为主。根据这些方面以及各个复杂的因素进行考虑，为了让本系统可以有普遍的适用性，灵活性，因此，在传感器节点自动组网传输中使用ZigBee的无线传感器传输网络是最好的选择，以此实现对养殖环境参量的收集，实时的进行检测、传输数据，另外再采用串口WI-FI无线通信网络技术以实现远距离的监测和控制，本系统就针对这些情况，和理念而出来的方案。在长久以来，由于大多数的养殖户大多是着重以短时间的经济收益，由此在有限的区域里，为了增强产量，加大了养殖密度。由此导致了在养殖环境里的病害逐年增加，再加上养殖户对养殖水环境的保护意识不高，发现病情通常通过药物来解决，使用药物不加以控制，从而致使养殖水产生物的环境受到严重的破坏，环境受到破坏从而水中生物的生长健康也会受到影响，不好的水产品进行贩卖，从而也对消费者的健康造成影响，形成了一个恶性循环。农业部渔业局也因此情况而提出水产养殖业应该要走一条产品安全型、节约资源型、与环境友好型的持续可发展的道路。那么在研究设计系统的时候，就要把这些原因加入考虑的范围之内，制定出一个在给养殖户增加收益的同时，也不对环境造成污染影响。水产养殖环境的关键参数中有水中的温度、水位的高度、环境的温湿度、环境的光照强度等，而这些信息我们用手也摸不到，眼睛也看不到，只有通过无线传感器技术，将这些数据进行收集，所以把物联网技术应用到养殖的环境中去是很有必要的。2.1 系统功能分析本系统的设计主要是监测水产养殖的环境的变化状态，同时控制环境的变化，使其适合水产品的生长。而水产养殖的养殖环境的面积是很大的。所以采用了无线传输网络的方式，在传感器节点采集环境的参数时通过ZigBee无线传感器网络自动组网进行传递到这个网络的“协调器”中，在通过串口WI-FI技术将数据传输到云服务器，在远程使用监测中心时就可以通过云服务器读取到数据，养殖人员便可以及时的实时的对养殖环境进行监控、调节水产养殖的各个环境的参数变量，可以大大的减少了养殖者的人力精力的投入，并可以对采集的历史数据进行分析，有效的预防可能会发生的各种病情，从而实现了成本低廉，收入高的优点。本系统从需求的角度、功能的需求角度做出了以下的分析：1、系统能在一天二十四小时里不间断进行监测控制，无线传输传感器节点自动采集环境参数的数据，并定时将数据传输至网络中的“协调器”中，用户还可以根据自身的情况制定合适自己监测养殖场的时间间隔。2、网络中的“协调器”的作用者负责将无线传感器节点采集来的信息进行整理再发送至远程的云服务器端，实现远程监控的功能，水产养殖户不在养殖场里也可以实时了解自己养殖场里的环境。3、应用监控中心对采集到的所有数据进行实时显示，作出走势图，方便养殖者进行观看作出分析。4、养殖人员可通过手机和网页登录到应用监控中心远程的实时监测环境参数的变化。5、养殖人员可通过手机和网页登录到应用监控中心远程控制相关设备的启动，以维护水环境参量的平衡。2.1.2 系统性能需求分析通过分析我省的水产养殖业的情况，针对这些情况存在的问题，制定出了的养殖环境监控系统应该要具备以下的一些功能：如制造系统成本的价格成本要低，维护简单方便，操作简单方便，测量出的环境参数准确性要高，减少人力的投入可以无人看守现场环境，所消耗的能源要小，不对环境造成污染等。1）监测系统具可扩展性；随着水产养殖的不断发展，科学的不断创新进步，对水产养殖环境的监控的要求会不断提高，系统的能要不断的完善，因而系统要可以实现易扩展，容易升级。2）监测系统必须要稳定可靠；一个系统的首要就要稳定可靠地运行，若系统稳定性差，维护的成本就会增加，成本也就跟着提高，同时也会带来各种各样的问题。系统只有稳定，养殖户才能及时获取到消息，以作出分析决策，及时发现潜在的风险，降低风险。3）监测系统要有灵活性，普遍的实用性；由于我国地域大，以致我国水产养殖户的养殖环境各种各样，不尽相同，养殖水产品种类也非常丰富，要想满足绝大部分水厂养殖用户的需要，系统的通用性灵活性就要很强，维护起来简单方便便于移植，安装方便等。2.2 系统的结构根据上面分析水产养殖的一些问题原因，从而针对这些原因问题提出解决方案，进而分析系统能能的设计，制定了一套基于ZigBee无线传感器网络和串口WI-FI通信技术相结合的水产养殖环境多参数监测系统，研究内容主要包含两大部分，一个是开发ZigBee无线传感器网络，用于监测和控制水环境中的各个参量，另一个是通过智能网关串口WI-FI将采集的数据传输至云服务器，以实现无线传感器网络信息与远端服务器的通信，同时开发远程服务器端应用监控软件，完成数据的接收处理分析，以及界面显示等。总体结构如图：Zigbee网络传感器节点1传感器节点2协调器节点网关：串口WI-FI云服务器监测中心应用手机app因特网因特网2/3/4G网络图2.1 总体结构图2.3 无线传感器网络设计2.3.1 无线传感器节点设计无线传感器节点即环境参量数据的采集节点，是无线传感器网络的最前端，一般具有的功能有数据信息的采集和信息的发送接收。它一般是由以下几个部分构成：传感器模块（包括各种传感器的采集，如温度传感器、水位传感器）、电源供应模块、无线射频模块和微控制器模块。本系统中的传感器模块部分包括水中温度、水位的高度、继电器的控制、环境光照强度、环境的温湿度；系统中采用的CC2530soc,这种芯片模块已经把无线射频模块和微控制器（MCU）模块集合到了一块。微控制器单元主要进行计算存储等操作，最后通过无线射频模块发送给协调器节点。这里只给出其中二个传感器节点的设计，如图2.2和图2.3所示。传感器模块温度传感器水位传感器继电器CC2530微控制器Zigbee无线收发器电源图2.2传感器节点1传感器模块温度湿度传感器光照传感器CC2530微控制器Zigbee无线收发器电源图2.3传感器节点22.3.2 无线传感器协调器以及网关的设计协调器又称为汇聚节点，主要有两个方面的功能：一方面就是负责建立一个ZigBee无线传感器自动组网的网络，另一方面就是将ZigBee无线传感器网络与串口WI-FI通信网络之间的“桥梁”，主要将无线传感器节点采集的数据汇聚起来加以整理，进而把监测结果发送到云服务器的中心，所以协调器节点是本系统的控制中心。它主要组成部分由CC2530 soc、电源供电单元、串口WI-FI组成，其结构框图如图2.4所示。如此，协调器节点不但可以通过CC2530模块接收传感器节点发送过来的数据，还可以通过串口WI-FI模块将数据发送到云服务器。CC2530微控制器Zigbee收发器电源串口WI-FI模块图2.4协调器系统网关框图2.3.3 ZigBee无线传感器网络结构设计ZigBee的结构中主要包括有树簇型、对等拓扑、主从设备的星型结构，如图2.5所示。树簇型主要有路由节点、采集节点、协调器节点，采集节点的数据是要通过路由节点的转发才可以到达协调器的节点，它的功耗也更大，但比星型网传输距离远。路由节点主要完成信息的路由功能，协调器节点是负责网络数据的管理；对等网络中每一个节点都具有信息转发的功能，数据信息的转发是以多跳的模式而进行，节点间彼此之间是互通互联的，这是一种最繁杂的网络结构，但其优点是自身的稳定性恢复能力强，消息传输的距离长以及网络更加稳定可靠，但功耗较大；星型网络的采集节点之间彼此不能通信，须经过协调器节点转发，由一个或多个采集节点和一个协调器节点组成，但其特点是传输距离有限，功耗低，本系统中主要使用的是星型网络，这样在满足水产养殖环境监测需求的同时，又能节省成本和降低能源消耗。图2.5 ZigBee网络拓扑结构2.4 WI-FI传输网络在ZigBee无线传感器网络中完成自动组建成检控网络后，为了可以实现远程监测控制，本系统采用了串口WI-FI技术实现连接网络，实现数据信息的远距离传输，WI-FI的距离是很大的，因此在水产养殖的区域内使用是比较适合的，WI-FI的全称是Wireless Fidelity，支持串口透明传输，支持自动和工作命令模式，支持DHCP，支持AT+编辑命令控制，支持多种网络协议，如TCP/UDP等，以太网转WI-FI多功能WI-FI模块或者支持串口转WI-FI模块或者串口转以太网模块和串口服务器模块，让串口设备可以容易的联网，全透明双向数据传输，以保证最高限度的兼容性、易用性、支持频率范围：2.412到2.484 GHz。2.5 监控应用中心的设计本系统监控应用中心软件的设计主要是基于设备云平台进行的设计，监控应用中心软件的功能主要包括有对水产养殖的环境参数的数据信息进行接收存储，并根据信息数据作出各个环境参量变化的趋势图，实时环境参数的直接显示、历史数据信息查询、控制设备按钮。操作简单，界面显示直观，方便于养殖人员操作，还有对水产养殖的环境参数作出总结分析，预测出环境会出现的病况，通过控制设备按钮向无线传感器网络的“协调器”发送命令，能及时作出相应的控制操作，控制好环境参数的变化，降低精力的投入。2.6 本章小结本章首先从需求的角度与功能的角度作出分析，得出一个基于ZigBee技术和串口WI-FI技术相结合的水产养殖的检控系统。接着，分析了系统的结构，无线传感器网络节点的设计和无线传感器协调器以及网关的设计，最后是WI-FI传输网络和监控应用中心的设计。第3章 系统硬件电路设计3.1 系统硬件电路设计概述本系统中使用的CC2530soc自动组建的无线传感器传输网络，CC2530soc将功能都集成在一个心片里的，有低功耗，低系统成本的优点。他是第一个真正意义上的soc ZigBee 一站式产品，具有认证的ZigBee解决方案，还有芯片可编程闪存。本系统硬件设计包括各种传感器模块设计、ZigBee无线传感器网络模块的设计、串口通信模块的设计、串口WI-FI模块的设计五部分组成。系统硬件框图如图3-1所示。系统硬件框图如图：ZigBee无线通信模块设计串口通信传感器模块设计串口WI-FI模块图3.1 系统硬件框图3.2 传感器模块设计3.2.1 温度电路设计测水温采取的是DS18B20的温度传感器，DS18B20是常用的温度传感器，具有硬件的成本价格低廉，数据的准确度高，抗干扰能力强，体积小的特点。 工作原理：DS18B20测温原理如图3.2所示。首先，温度传感器里的寄存器，计数器一都会被自动设置在负55所相应的一个数据值当中。计数器一对与低温度系数晶振发生的频率信号会进行减法的计算，当计数器一的自动设置的数据减少到零时，计数器一又会从头开始对低温度的系数晶振发生的频率信号进行重复计数，计数器一的自动设置将从头被装进，温度寄存器的值就会进行加一操作，如此不断的循环一直等到计数器二计数为零时，停止温度寄存器数据的累计，此时就可以读取出温度寄存器中的数值，而这个数值就是我们要测量环境的温度数据。一般用在修正和补偿测温过程中的斜率累加器，它是非线性的，它输出用在修改计数器一的自动设置的数据。图中低温度参数晶振的振荡周期受到温度的作用就会降低，发生不变频率的消息传输到计数器一。高温度系数晶振随的温度变化它的频率就会产生改变发生的信号消息用在计数器二的脉冲输入。图3.2 DS18B20测温原理图 特点：独特的1-wire接口，传感器只需使用一条借口线就能够进行传输数据，使的分布式的温度传感器的使用更加简单了，并且不需要额外的元器件就能够使用数据总线进行提供电，其单位华氏大概在是负67F到257华氏度负10摄氏度至85摄氏度的变化内精度不超过0.5摄氏度。电压的变化范围在三伏至五点五伏之间不需备用电源，而测量温度变化范围在负55摄氏度至125摄氏度之间 。3.2.2 水位传感器设计本设计的水位传感器采用的是深圳的一家科技有限公司开发的一款的水滴感应的传感器。这个传感器具有接口简单方便，体积小质量轻，价格低廉等优点。可以感应到水滴，或者高度。产生模拟量发送给MCU微控制器，还具有以下优点：第1、 传感器采集的数据输出为基础模拟值；第2、 通过一条线就可与微处理器（MCU）进行连接占用的端口只有一个，适合多种微控制器像Arduino，51系列的单片机，STM32等等。；第3、 是将水量按照一定比例转化到模拟量的；第4、 能量消耗低，响应速度快，比同类的产品比较，体积更小，设计更加灵活通用。它的工作原理是在它的表面有附满一层导线，当有水在这个表面时就会产生一定比例的电压值。3.2.3 温度湿度电路设计本设计测量温度的温湿度采用的是DHT11传感器，该产品具有质量优越，响应速度快，抗干扰能力强，价格便宜功能强悍等优点。每个DHT11传感器都在准确的湿度进行校验室中进行校验。DHT11是可以直接输出数字信号的温湿度传感器，而不是输出模拟量再进行转化。准确度湿度不超过百分之五的RH， 温度误差不超过2摄氏度，湿度的量程范围