基于ZigBee和GPRS技术的水产养殖远程无线监控系统的应用研究——毕业论文

分类号： 密级： 公开 UDC注1： 编号： 硕 士 学 位 论 文基于ZigBee和GPRS技术的水产养殖远程无线监控系统的应用研究Application Research on Wireless Remote Monitoring system in Aquaculture指 导 教 师 作 者 姓 名 申请学位级别 硕 士 学科(专业) 农业电气化与自动化 论文提交日期 论文答辩日期 学位授予单位和日期 答辩委员会主席_评阅人_摘 要随着水产养殖业的快速发展，传统的池塘养殖模式正在被工厂化水产养殖取代。在工厂化水产养殖的关键技术中主要涉及智能水质检(监)控、健康养殖管理和数字化物流等，其中水质监控是实现健康养殖的关键环节。ZigBee是近年来兴起的一种低复杂度、低成本、低功耗、低速率和高可靠性的无线网络技术；而GPRS技术是一种传输范围广、传输速率高的无线通信技术，基于此，本文提出了ZigBee无线传感器网络与GPRS传输网络相结合的水产养殖无线远程监控系统的设计。本文首先介绍了ZigBee无线传感器网络和GPRS技术的相关知识，并介绍了无线传感器网络国内外研究现状。然后根据系统的实际应用进行了功能和性能需求分析，提出了系统设计(的)整体方案。在系统硬件电路部分，分别设计了常规水质参数调理电路，选取了单片机CC2430作为ZigBee无线通信模块核心处理器，设计了其外围接口电路，包括RS232串行接口电路、液晶显示接口电路等，最后完成了GPRS模块设计。在系统软件设计部分，首先对ZigBee协议做了简单介绍；然后阐述了各层协议的功能及任务，其中着重介绍了应用层的程序设计；在此基础上本文设计了传感节点的软件、协调器节点的软件以及串口通信软件；最后介绍了VB远程监控中心软件的设计。在系统构建和功能测试部分，首先对调理电路进行标定实验，得到各参数拟合公式；然后用AT指令对GPRS模块进行配置，实现ZigBee/IP网关功能；最后是功能测试，经过反复实验表明现场液晶显示数据同远程监控中心接收数据保持一致，并与水参数实际值接近，在误差允许范围内。(这边句子顺序应该颠倒一下：并在误差允许范围内，与水参数实际值接近)整个系统的实时性和稳定性都比较好，具有广阔的应用前景。关键词：ZigBee，无线传感器网络，GPRS，水产养殖，CC2430ABSTRACTWith the increasing development of aquaculture, Traditional pond-farming model is giving way to industrial aquaculture. Its key technologies involve intelligent water quality control, good aquacultural management, digitization logistics and so on. Among them, intelligent water quality monitoring is the crucial link that achieves health culture.ZigBee technology is a new wireless network communication technology with features of easy structure, low power consumption, low rate, low cost and high reliability. GPRS technology has the remarkable advantages such as strong broad scope, quick transmission speed and so on. Just based on these, this paper presents a design project combined GPRS with ZigBee technology in order Wireless remote monitoring of aquacultural water environment.This paper first introduces the fundamental knowledge of ZigBee WSN and GPRS, and proposes the whole project after analyzing functional and performance requirements, according to the practical application of the system.In the hardware design of monitoring network, processing circuses of general parameters are designed respectively, the chip CC2430 is selected as core processor of ZigBee Wireless Sensor Networks and peripheral interface circuits of CC2430 are designed including RS232 serial interface circuit , liquid display interface circuit and so on. In the end, the design of GPRS communication module is accomplished.In the software design, firstly, a brief introduction on ZigBee Stack is given, secondly, function and task of every layer are illuminated. Particularly application layer program is introduced. On the ground, the software of sensor node, Coordinator node and serial communication is designed . In the end, the software of VB remote monitoring center is designed.In functional testing and construction of the system, firstly,the fitting formulas of parameters are obtained by calibration experiments for processing circuses.Secondly, GPRS module is Configured by AT instructions in order to realize ZigBee/IP gateway functions. The last section is functional testing. The experimental results prove The local data keep identical with remote data that monitoring center receives,furthermore, it is near actual value within acceptable error range. Real-time and stability of system are quite good and the system has the good practical value and application prospect.Keywords: Wireless sensor network, ZigBee, GPRS, CC2430, aquaculture目录摘 要4ABSTRACT5目录6第一章 绪论81.1 引言81.2 本课题的研究目的及意义91.3 无线传感器网络介绍101.3.1 无线传感器网络的概念101.3.2 无线传感器网络的通信标准111.3.3 ZigBee技术的优势23131.4 GPRS通信技术简介141.5 无线传感器网络的国内外研究现状151.5.1 国外研究现状151.5.2 国内研究现状151.6 本文的结构安排16第二章 系统的整体设计182.1 系统的需求分析182.1.1 系统功能需求分析182.1.2 系统性能需求分析192.2 系统的布局结构192.3 无线传感器网络设计202.3.1 传感器节点设计202.3.2 协调器节点设计212.3.3 ZigBee网络结构设计222.4 GPRS传输网络232.5 远程监控中心设计232.6 本章小结24第三章 系统硬件电路设计253.1 系统硬件电路设计概述253.2 传感器模块设计253.2.1 亚硝酸盐调理电路设计253.2.2 温度调理电路设计283.2.3 盐度调理电路设计293.2.4 溶解氧调理电路设计323.2.5 PH调理电路设计353.2.6 浑浊度调理电路设计373.3 ZigBee无线通信模块设计403.4 串口通信模块设计423.5 液晶显示模块设计433.6 GPRS模块设计443.6.1 GPRS模块硬件设计443.6.2 GPRS模块的选择463.7 本章小结46第四章 系统软件设计474.1 ZigBee协议栈474.2 ZigBee协议框架484.2.1 应用层484.2.2 应用汇聚层524.2.3 网络层524.2.4 数据链路层534.2.5 物理层534.3 传感器节点软件设计544.4 协调器节点软件设计564.5 串行通信软件设计574.6 VB远程监控系统设计584.6.1 VB与GPRS的通信程序设计594.6.2 数据库设计634.7 本章小结67第五章 系统实验测试685.1 标定实验685.1.1 亚硝酸盐的标定695.1.2 温度的标定705.1.3 盐度的标定715.1.4 PH的标定725.1.5 浊度的标定745.1.6 溶氧的标定765.2 GPRS模块配置765.3 现场检测仪表的测试785.4 远程监控中心功能测试815.5 本章小结83第六章 总结与展望846.1 本文工作总结846.2 未来工作展望85参考文献86致 谢89在校期间发表的论文90第一章 绪论1.1 引言我国是世界最大的水产品生产国，水产品产量连续十二年位居世界第一1，据悉，2012年水产品产量将达到5800万吨以上2。然而我国又是一个水产弱国，水产养殖业主要沿用消耗大量资源和粗放式经营的传统方式，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，并且产量低，养殖品种单调。随着河流湖泊、近海水域环境污染的不断加剧，养殖业的风险也随之加大，这种粗放型的传统养殖方式被工厂化水产养殖方式取代已成为一种必然3。工厂化水产养殖广义地来讲（鱼、虾、水生生物）是指利用现代科技武装起来的半自动化或全自动化养殖系统，在小水体中进行高密度养殖水生生物的一种先进的，无污染的商业化养殖方式；狭义的定义应该是指采用现代工业技术和现代生物学技术相结合，在半自动或全自动的系统中高密度养殖（包括育苗）优质鱼、虾、贝，并对全过程实行半封闭或全关(好像多个“关”字)封闭管理的一种无污染、商业性和科学化的养殖生产方式。再具体的(地)讲，工厂化养殖是集土建工程、机械电子、仪器仪表、化学、生物、生物工程、自动控制和社会经济学等现代科技于一体，在半封闭或全封闭条件下，对养殖生产全过程的水质、水流、水温、投饵、排污、疾病预防、水处理、循环使用等实行半自动或全自动化管理，同时，对养殖的品种、营养、生长过程等进行全面自动监控，使其能在高密度养殖条件下，自始至终维持最佳生理、生态条件，从而达到健康、快速生长、营养合理和最大限度地提高单位水体产量和质量，且不产生内外环境污染的一种高效养殖模式4。 国外的工厂化水产养殖是以高密度的网箱养鱼而开始的，经过60、70年代的不断发展，一些发达国家为了优化环境、节约能源和水资源，已不在大规模开挖养鱼池，而是出台经济、财政、金融、立法等相应政策来推动工厂化养鱼。由于海水育苗的成功，大大加快了集约化育苗、养殖的进程；工厂化养鱼方式的高效率和高效益对生产值(者)产生了诱惑力，加之鲜活食品越来越受到青寐，市场不断扩大，反过来对工厂化养殖的发展起了良好的促进作用。我国目前现行的工厂化养鱼设施设备相当简陋，只有一般的提水动力设备、充气泵、沉淀池、重力式无伐过滤池、调温池、养鱼车间、开放式流水管伐等。前无严密的水处理设施，后无废水处理设备而直接排放入海。养殖工艺也只有简单的调温、饲料加工、人工投料、一般性的观察和检测，大部分是靠人工手动操作，处于一种普通流水和温流水养鱼的一种过渡形式，属于工厂化养鱼的初级阶段5。这种养殖方式的产量低（单位水体产量10-15公斤/平方米.年）、耗能大、效率低，与先进国家技术密集型的封闭式循环流水养鱼相比，无论在设备、工艺、产量（达40-100公斤/平方米.年）和效益等方面都存在着相当大的差距6。1.2 本课题的研究目的及意义在工厂化水产养殖的关键技术中主要涉及智能水质检(监)控、健康养殖管理和数字化物流等，其中水质监控是实现健康养殖的关键环节7。“养鱼先养水”水质监控主要目的是控制养殖水体的温度、PH、溶解氧、盐度、亚硝酸盐等对水产品生长环境有重大影响的水质参数，为水产品提供最佳的生长环境。因此，工厂化水产养殖要提高产量、增加生产的稳定性就离不开监测技术。通过监测鱼类的生活环境，我们才知道鱼类是否生活在一个最佳的理想环境中，从而对其进行调整，使其适合鱼类的生长，减少水产养殖者的风险损失，是鱼类生产打(达)到稳定、高产，为人们提供质优价廉的鱼类产品。总之(,)有了检测技术，工厂化渔业生产才可能向大规模、高水平、高质量发展。封闭、循环式工厂化渔业生产大大减少了对江河湖海的污染，并节约了水资源，大大降低了自然水产养殖所需的燃料等其他能源。因此(,)检测技术应用于水产养殖不仅能够给工业化养鱼带来高产和安全，同时对于保护自然环境和节约能源也起到了积极的作用。 目前多数是通过有线的方式连接传感器设备和监控系统，这种方法面临许多问题，例如(:)对于湖泊和河流水质的测量，由于浮标常年位于水中，为它架设专门的通信线路显得不合适；另外由于测试点多而杂使得测试系统线路非常复杂。此外随着工业测控系统规模的不断扩大，大量连线造成成本增加，灵活性差，施工困难等弊端，为了提高水环境监测系统的效能，必须对现有的监测实行技术更新和改造。虽然当前无线监控技术得到了快速发展，但关于水质无线监控的研究发展较晚，而且研究多为温室、农田、河流、湖泊和地下水环境信息的远程监测8。利用无线传感器网络9技术实现集约化水产养殖的数字化、网络化、分布式的本地或远程的实时动态水质调控是未来的发展趋势。基于无线技术的网络化、智能化传感器试(是)生产现场的数据能够通过无线链路直接在网络上进行传输、发布和共享，并同时实现执行机构的智能反馈控制是当今信息信息(多一个信息)技术发展的必然结果。ZigBee是近年来出现的面向低成本设备无线传感器网络要求的技术，它是一种近距离、低复杂度、低功耗、低数据速率、低成本的双向无线通信技术，其应用领域包括工业控制、消费性电子设备、汽车自动化、农业自动化和医用设备控制等。无线通信技术中的GPRS，即通用分组无线技术（General Packet Radio Service）因其具有传输范围广、传输速率高、分组交换的传输方式、永远在线等多方面优势，使得采用GPRS技术监测对系统数据传输频繁，数据量较小，要求实时性高等特点的水产养殖环境非常合适。正因为如此，本文提出了基于ZigBee和GPRS技术的水环境监控系统的设计方案，利用ZigBee技术组建无线传感器网络，能实时在线测量和控制温度、溶解氧、PH、盐度、亚硝酸盐等重要的水质参数。再利用GPRS无线通信技术，实现大范围、远距离、高速率的数据传输，使用异地操作端及时掌握水产养殖环境的情况并作出相应调整，实现水产养殖环境的远程监控。因此，该系统可以满足我国集约化水产养殖厂需求，具有较高性价比和通用性，能够实现集约化水产养殖条件下的水质环境参数的全天候、数字化在线监测、预警和控制，减少因为信息获取手段缺乏不能对水质进行实时调控从而造成不必要的经济损失(这句需要重新修改太拗口了)。具有较高的研究意义和经济价值。1.3 无线传感器网络介绍1.3.1 无线传感器网络的概念随着无线通信，集成电路，传感器以及微机电系统等技术的飞速发展和日益成熟。低成本、低功耗、多功能的微型传感器的大量生产成为可能。这些传感器的微小体积内通常集成了信息采集、数据处理和无线通信的功能。无线传感器网络就是由部署在检测区域内大量的微型传感器节点通过无线电形成的一个多跳的自组织网络系统，其目的是协作的感知、采集和处理网络覆盖区域里被检测对象的信息，并发送给读者10。由于微型传感器的体积小，重量轻，有的甚至可以像灰尘一样在空气中浮动，因此，人们又称无线传感器网络为“智能尘埃”，将他(它)散布于四周以实时感知物理世界的变化。无线传感器网络的出现引起了全世界范围的广泛关注。最早开始无线传感器网络技术研究的是美国军方，此后美国国家自然基金委员会设立了大量与其相关的项目。随着无线传感器网络理论与技术的不断成熟，其应用已经由军事国防领域扩展到了环境监测，交通管理，医疗卫生，工商服务等诸多领域，使人们在任何时间，任何地点和任何环境条件下都能够获取大量详实可靠的信息，最终成为一种“无处不在”的传感技术11。无线传感器网络涉及传感技术、网络通信技术、无线传输技术、嵌入式技术、分布式信息处理技术、微电子制造技术、软件编程技术等，是多学科高度交叉、新兴、前沿的一个热点研究领域。他(它)是继因特网之后，将对21世纪人类生活方式产生重大影响的IT技术之一。美国的商业周刊杂志和技术评论杂志近年来所评出对人类未来生活产生深远影响的十大新兴技术中，传感器网络技术名列前茅11-12。如果说因特网构成了逻辑上的信息世界，改变了人与人之间的沟通方式，那么，无线传感器网络就是将逻辑上的信息世界与客观上的物理世界融合在一起，改变人与自然界的交互方式13。未来的人们将通过遍布四周的传感器网络直接感知客观世界，从而极大地扩展网络的功能和人类认识世界的能力。1.3.2 无线传感器网络的通信标准目前，在WSN（wireless sensor network）的无线通信方面可以采用的主要有ZigBee、蓝牙、Wi-Fi和红外等技术。其中红外技术的实现和操作相对简单，成本低廉，但红外光线易受遮挡，可移动性差，只支持点对点视距连接，无法灵活地构建网络；蓝牙技术是工作在2.4GHz频段的无线技术，目前在计算机外设方面应用较广泛，但由于其协议本身较复杂、开发成本高、节点功耗大等缺点，从而限制了其在工农业方面的进一步推广；Wi-Fi技术的通信速率为11Mbit/s，通信距离为50100m，适合于多媒体的应用，但其本身实现成本高，功耗大，安全性能低，从而在WSN中应用较少14。“ZigBee”一词源自于蜜蜂群在发现花粉位置时，通过跳ZigZag形舞蹈来告知同伴，传递所发现新食物源的位置、距离和方向等信息。所以，ZigBee网络技术就是模仿蜜蜂通过跳舞传递信息的方式，通过网络节点之间信息的互传，将信息从一个节点传输到远处的另一个节点15。与其它通信技术不同，ZigBee并不追求远距离和高速率，而针对的是特定的智能家居、环境监测、智能建筑及工业自动化的某些特定控制的需求，锁定在几十kbps的速率和几米到几十米的距离实现无线组网通信能力，最后再确定其它微功耗、低复杂度、低价格等技术要求16。ZigBee技术是一种面向自动化和无线控制的短距离、低功耗、低成本、低数据速率、低复杂度的无线网络方案，工作于无需申请且全球统一的频段2.4GHz。它是一种介于蓝牙和无线标记技术之间的技术方案，是一种可双向传输的无线通信标准，传输距离为 1075m，传输速率为 10250kb/s。主要应用于近距离无线连接，它根据IEEE 802.15.4标准，在数千个微小传感器之间实现相互协调通信。 这些传感器只需要很少的能量(这边的字体有问题)，便会以接力的方式通过无线电波把数据从一个传感器传送到另一个传感器，依次传递，就可以构成一个或多个无线传感器网络，它的通信效率是非常高的17。随着无线通信技术的蓬勃发展，基于ZigBee的无线传感器网络获得了国际上众多知名大学和公司的密切关注。2001 年 8 月，美国 Honeywell 等公司发起成立 ZigBee 联盟，它们提出的ZigBee 技术被认可为 IEEE 802.15.4 标准。2002 年10月，美国摩托罗拉、飞利浦和日本三菱等公司加入了 ZigBee 联盟，现在联盟内部共有180 多个成员企业，2006年中国的华为技术有限公司也加入了该联盟18。在2003 年，IEEE802.15.4 标准获准通过，并在 2004 年推出 ZigBee 技术规范V1.0 版本，作为第一个ZigBee规范公开版本，于2005年6月开放下载，其内部文件编号为r06，现在称为ZigBee-200419。2006年10月，ZigBee联盟通过ZigBee-2006规范，这是继ZigBee-2004后第二个ZigBee规范公开版本，于2007年1月开放下载，其内部编号为r13，现在称为ZigBee-200620。2007年10月，ZigBee联盟又通过ZigBee-2007规范，这是第三个Zigbee规范公开版本，于2008年1月开放下载，内部编号为r17，现称为ZigBee-2007或ZigBee PRO21。目前支持ZigBee通讯协议的芯片有Tl公司的CC2430、CC2431、CC2530、CC2531等，Jenic的JN5121，Ember的EM250、EM260，飞思卡尔(Freescale) 的MC13191、MC13192和MC13193。国外在ZigBee产品的开发上也走在前列，如韩国最大的电信公司SKTelecom公司在2005年 10月推出新的数字智能家庭服务，其核心的技巧为 Ember公司供给的ZigBee无线技术，意大利家电巨头 Indesit公司推出了基于ZigBee技术的智能洗衣机，该款智能洗衣机采用了飞思卡尔的ZigBee模块。国内目前像湖南斯凯电子科技有限公司和深圳市无线龙电子有限公司都已经推出ZigBee开发系统，北京赫立讯公司开发的无线定位方案已经在煤矿行业打开了市场，还有诸如深圳金图旭昂公司、中国科学院计算技术研究所宁波分所等都有相关产品，都对无线传感器网络的研究与推广做出一定的贡献22，但更多的公司是在已有的芯片基础上进行二次开发，或着直接使用其它公司的产品。1.3.3 ZigBee技术的优势231) 省电：ZigBee网络节点设备工作周期较短，收发信息功率低，并且采用了休眠模式（当不传送数据时处于休眠状态，当需要接收数据时由ZigBee网络中称作“协调器”的设备负责唤醒他们），所以ZigBee技术特别省电，避免了频繁更换电池或充电，从而减轻了网络维护的负担。2) 可靠：由于采用了碰撞避免机制并为需要固定带宽的通信业务预留了专用时隙，避免了发送数据时的竞争和冲突，而且MAC层采用了完全确认的数据传输机制，每个发送的数据都必须等待接收方的确认信息，因此从根本上保证了数据传输的可靠性。3) 廉价：由于ZigBee协议栈设计简练，因此它的研发和生产成本相对较低。普通网络节点硬件上只需8位微处理器（如80c51），最小4KB、最大32KB的ROM；软件实现上也简单。随着产品产业化，ZigBee通信模块价格预计降到1.5至2.5美元。4) 短时延：ZigBee技术与蓝牙技术的时延对比可知，ZigBee的各项时延指标都非常短。ZigBee节点休眠和工作状态转换只需15ms，入网约30ms，而蓝牙为3至10s。5) 大网络容量：1个ZigBee网络最多可以容纳254个从设备和一个主设备，1个区域内最多可以同时存在100个ZigBee网络。6) 安全：ZigBee技术提供了数据完整性检查和鉴权功能，加密算法采用AES-128，并且各应用可以灵活地确定其安全属性，使网络安全能够得到有效保障。1.4 GPRS通信技术简介GPRS是一种基于GSM全球通信系统的无线分组交换技术，提供端到端的、广域无线IP连接。GPRS 可提供高达150kbit/s的传输速率，其分组交换接入时间短，能够提供快速及时Internet连接24 。GPRS网络建设方便简单，使用GPRS模块及相应配件，直接与带有RS232串行口的监测设备连接，与中心数据服务器构建透明的数据传输通道。它运行可靠，数据采集实时性强，运行费用低，漏码误码极少。在保证数据传输及时、准确的前提下，将系统运行费用也降到了极低。同时，通信链路有专业的运营商来维护，避免了用户在使用监测系统的同时，还需要耗费很大的精力去维护通信线路的问题。作为现有GSM网络向第三代移动通信演变的过渡技术，GPRS有许多方面都具有显著的优势25：1) GPRS通讯方式依赖移动通讯公司庞大的GPRS网络，建设成本与运行维护成本都很低，远小于自行建设独立运行的专用通讯网络（如电台、微波等）。2) 接入时间短，GPRS接入等待时间短，可快速建立连接，平均为两秒。3) 提供实时在线功能“alwaysonline”，用户将始终连线和在线状态，这将使访问服务变得非常简单、快速。4) 按流量计费，GPRS用户只有在发送或接收数据期间才占用资源，用户可以一直在线，按照用户接收和发送数据包的数量来收取费用，没有数据流量的传递时，用户即使挂在网上也是不收费的。1.5 无线传感器网络的国内外研究现状1.5.1 国外研究现状无线传感器网络是新一代的传感器网络，具有非常广泛的应用前景，其发展和应用将会给人们的生活和生产的各个领域带来深远的影响。美国技术评论杂志在讨论未来新兴十大技术时，更是将无线传感器网络列入其中，2003 年，美国商业周刊在其“未来技术专版” 里(字体有问题)发表文章指出：传感器网络是全球未来的四大高新技术产业之一26。无线传感器网络广阔的应用前景以及巨大的商业应用价值在国际上引起了广泛重视，美国因特尔公司在2002年10月24日，发布了“基于微型传感器网络的新型计算发展规划”。该规划宣称，英特尔公司将致力于微型传感器网络在医学、森林防火、环境监测、行星探查等领域的应用。2003年，美国自然科学基金会制定了微型传感器网络研究计划，在加州大学洛杉矶分校成立传感器网络研究中心，并同加州大学伯克利分校、南加州大学等学府展开“嵌入式智能传感器”的研究项目，用来达到利用传感器网络对人类生活世界实现全方位的监测和控制，从而建立起“感知世界”的全球网络27，加州大学洛杉矶分校的 WINS 网络，几乎涵盖了从信号处理到网络协议的所有研究。近几年，在美国无线传感器网络的研究更是有增无减，麻省理工学院、康奈尔大学、哈弗大学、斯坦福大学等著名大学，以及包括Inter、DUST、Microsoft、IBM、Crossbow在内的著名企业都纷纷开展无线传感器网络方面的研究。在日本以及欧洲国家的一些大学，研究机构也纷纷开展该领域的研究工作28。2004 年 3 月，日本总务省成立“泛在传感器网络(Ubiquitous Sensor Network)”调查研究会。日立制作所与YRP泛在网络化研究所于2004年11月24日宣布开发出了全球体积最小的无线传感器网络终端，该终端为安装电池的有源无线终端，可以搭建温度、亮度、红外线、加速度等各种传感器。欧洲于 2004 年初在德国首都柏林举行了第一届“无线传感器网络论坛”，有 120名微电子、机械电子和信息传输方面的专家出席论坛。1.5.2 国内研究现状我国现代意义上的无线传感器网络及应用研究几乎与发达国家同步启动，1999年首次正式出现于中国科学院 知识创新工程试点领域方向研究 的信息与自动化领域研究报告中29，作为该领域提出的五个重大项目之一。随着知识创新工程试点工作的推进，2001年，中国科学院依托上海微系统成立了微系统研究与发展中心，引领院内的相关工作，并通过该中心在无线传感器网络的方向上陆续部署了若干重大研究项目和方向性项目。2005年，国家自然科学基金把传感器网络中基础理论和关键技术列入计划30。2006年初公布的国家中长期科学与技术发展规划纲要 为信息技术确立了3个前沿方向，其中2个和无线传感器网络的研究直接相关。同年，国家自然科学基金把水下移动传感器网络的关键技术纳入重点研究。2007年11月17日在杭州了国内第一次无线传感器网络产业发展高峰论坛，“中国无线传感网产业发展联盟”宣告正式成立。中国工业与信息化部于2008年启动的“新一代宽带移动通信网”国家级重大专项中，第6个子课题“短距离无线互联与无线传感网络研发和产业化” 是专门针对无线传感器网络技术设立的。此专项的设立将会大大推进无线传感器网络技术在应用领域的快速发展。2010 年“十五” 计划及远景规划中也将 无线传感器网络 列为重点发展的产业之一31。另据中国一卡通网2012年3月13日的消息，ZigBee联盟确定在合肥建全球农业物联网中心，这标志着我国农业物联网专业企业参与到了农业物联网领域的国际标准制定，利用全球资源，开展广泛的国际合作。目前，中国大陆地区已有多家企业加入ZigBee联盟，包括参与者级别的深圳金勃实业有限司，促进者级别的华为技术有限公司，采纳者级别的曼博科技有限公司、锐拔科深圳有限公司和北京技术有限公司32。国内的许多高校也掀起了无线传感器网络的研究热潮。清华大学、浙江大学、西安交通大学、华中科技大学、西北工业大学、天津大学、北京邮电大学、东北大学和上海交通大学等高校纷纷开展了有关无线传感器网络方面的基础性研究工作。1.6 本文的结构安排本课题依托江苏省高校优势学科建设工程资助项目（PAPD，苏政办发2011年6号）和常州市科技支撑计划（CE20112016）资助。研制了一套基于ZigBee和GPRS的水产养殖的无线多参数监控系统。全文共分为六章，内容具体安排如下：第一章为绪论，首先引入了工厂化水产养殖的概念，然后是本课题研究的目的和意义，接着介绍了无线传感器网络的国内外研究现状，最后简单介绍了本文的组织结构。第二章从系统的功能和性能要求出发，提出了系统总体的设计方案，并对系统组成，工作原理以及系统特点等方面进行了必要阐述及分析。第三章详细描述了系统各个硬件电路模块的设计，主要包括传感器模块设计，ZigBee无线通信模块设计，GPRS模块设计等。第四章主要描述了系统软件的设计，其中包括ZigBee无线网络应用程序以及监控中心管理软件的设计。第五章 进行了系统功能测试，并对测试结果做出研究分析。第六章 主要对全文的研究内容做了总结，并且提出未来工作需要进一步研究的问题与方向。15 第二章 系统的整体设计长期以来，我国水产养殖生产经营者多以追求产量和近期经济效益为目标，养殖密度过高，加上保护养殖环境意识淡薄，养殖病害呈逐年加重态势，随之而来的是药物滥用现象较为普遍，以致于水域环境遭到不同程度的破坏，水产品质量安全势必得不到有效保障，广大消费者身体健康就会受到影响。针对这种情况，农业部渔业局提出我国水产养殖业要走“资源节约型、环境友好型、产品安全型”的可持续发展道路33。那么，研究解决水产养殖水环境状况也就成为了保证水产养殖业持续健康发展的重要课题。影响水产养殖环境的关键参数有温度、浑浊度、溶氧、盐度、PH、亚硝酸盐等，但这些关键参数即看不见又摸不着很难准确把握。而且，我国水产养殖地域广阔，基本是以家庭承包养殖为主，养殖户多偏僻分散，水产养殖品种繁杂、养殖方式多样。综合考虑各方面复杂因素，同时为了使得本系统具有普遍适用性，因此，新兴技术ZigBee无线传感器网络就是最好的选择，实现了对水环境参数的实时监测，另外再采用GPRS通信技术便可实现数据的远距离传输，本系统设计方案就是基于这样的理念而来的。2.1 系统的需求分析本系统要监测的是水产养殖的水环境状况，而水产养殖现场面积大，直径距离2000米以上是非常常见的，所以需要采取多点监测广覆盖的措施。这样做一方面可以准确获知具体某一区域水体变化情况，另一方面在有某个监测点问题出现时，其他节点同样可以得到该区域水环境状况数据。当采集节点将监测数据通过无线网络的方式传送到远程监测中心后，养殖人员可及时地监控、调节水产养殖的各种环境参数，这样极大地减少养殖人员精力的投入，并能通过对历史数据的分析，实时预测各种病情的发生，实现以较少的投入，获得较大的效益。本文将从系统的功能需求和性能需求角度出发作出具体分析。2.1.1 系统功能需求分析1) 无线远程监测，养殖人员不必亲临现场就可对养殖环境进行监测。2) 系统要能24小时不间断实时监测，并定时向远程的监测中心发送采集数据，定时间隔可根据需要设定。3) 监测中心可按照时间存储历史数据，定时生成监测报表，方便养殖人员进行判断分析，作出下一步工作部署。4) 具有故障处理功能，就是说当有监测点出现损坏情况时，仍然可以对这一区域进行准确监测。5) 若养殖人员不在监控中心时，可通过手机等控制终端对监测系统进行管理。2.1.2 系统性能需求分析鉴于我国水产养殖业刚刚起步，经济基础薄弱，水环境监测系统须满足如下得性能：成本低、能耗少、不污染环境、测量精确度高、操作性强和能适应野外无人值守的工作环境等等。1) 系统要稳定可靠，水产养殖的水环境监测是关系到养殖人员能否实现增产增收的先决条件，系统只有稳定可靠运行，养殖人员才能获得准确数据，对鱼的生长状况作出合理估计，以便采取适当措施，预防鱼类疾病。2) 要有普遍实用性，我国是一个幅员辽阔，地形多样的国家，各地区水产养殖从业人员经济能力，科学素质各有不同，所以本系统要满足建设和营运成本低，操作简单，容易使用。3) 要具有可扩展性，由于水产养殖业不断向前发展，对水环境监测的要求越来越高，系统就要能实现低成本扩展和升级。2.2 系统的布局结构据上面从系统功能需求和性能需求角度的分析，本文设计了一套基于ZigBee无线传感器网络和GPRS通信技术相结合的水产养殖多参数监测系统，研究内容包括两大部分，一个是开发ZigBee无线传感器网络，用于监测水环境中的各个参数，另一个是开发GPRS远程数据采集传输系统，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软件，完成数据的接收处理，以及界面显示等。总体结构如图2-1（这里的图标与图中的不符）所示。图 0-1 基于ZigBee和GPRS的水产养殖无线监控系统2.3 无线传感器网络设计2.3.1 传感器节点设计传感器节点即数据采集节点，是无线传感器网络的最前端，一般具有采集信息和路由转发的功能。它的一般组成是：传感器模块、电源供应模块、无线射频模块和处理器模块。本设计中传感器模块部分包括温度、溶解氧、盐度、亚硝酸盐、PH、浊度传感器及相对应的调理电路；系统中采用的cc2430soc(前面文章里是大写的CC2430)已经把无线射频模块和处理器模块集成到一起。本系统中传感器节点的工作过程是：首先传感器模块采集水产养殖监测区域内的温度、溶解氧、盐度、亚硝酸盐等信息，再传送到cc243(前面文章里是大写的CC2430)0的处理器单元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。这里只给出其中一个传感器节点的设计，如图2-2（这里的图标与图中的不符）所示。图 02 传感器节点系统框图2.3.2 协调器节点设计协调器节点又称汇聚节点，一方面负责建立一个ZigBee无线传感器网络，另一方面是ZigBee无线传感器网络和GPRS通信网络之间的“桥梁”，能够实现协议栈之间的通信协议转换，进而把监测结果发送到远程监测中心，所以协调器节点是本系统的控制中心。它主要组成部分由CC2430 SoC、电源供电单元、液晶显示、DTR2000通讯模块组成，其结构框图如图2-3（这里的图标与图中的不符）所示。如此，协调器节点不但可以通过CC2430模块接收传感器节点发送过来的数据，还可以通过GPRS模块发送到远程监测中心。图 03 协调器节点系统框图2.3.3 ZigBee网络结构设计ZigBee网络结构包括有主从设备的星型、树簇型和对等拓扑结构。如图2-4（这里的图标与图中的不符）所示。星型网络由一个协调器节点和一个或多个采集节点组成，采集节点之间彼此不能通信，须经过协调器节点转发，它的特点是传输距离有限，功耗低；树簇型包含协调器节点路由节点和采集节点，协调器节点负责网络的管理，路由节点完成数据的路由功能，采集节点的信息一般要通过路由节点转发才能到达协调器节点，它比星型网传输距离远，但功耗也更大；对等网络中节点间彼此互联互通，数据转发一般以多跳方式进行，每个节点都有转发功能，这是一种最复杂的网络结构，它的优点是自愈能力强，传输距离长以及更加稳定可靠，但功耗较大34。本系统中采用的是星型网络，这样既能满足水产养殖环境监测需求，又能降低能耗和节省成本。图 04 ZigBee网络拓扑结构2.4 GPRS传输网络 在组建完成ZigBee短距离无线监测网络后，为实现监测数据的远距离传输，本系统采用中国移动的GPRS网络连接。据统计，目前中国移动的GPRS覆盖范围在中心城市几乎达到了100%，在边远地区也达到了80%以上35，所以采用在GPRS网络对于监测分布在各个地方的水产养殖区域都是适合的。GPRS的全称是General Packet Radio Service，它抛弃了传统的独占电路交换模式，采用分组交换技术，每个用户可同时占用多个无线信道，同一无线信道又可以由多个用户共享，有效地利用了信道资源；采用面向连接的TCP协议通信，避免了数据包丢失的现象，保证了数据可靠传输，而且远程监测中心可以与多个监测点同时进行数据传输，互不干扰；GPRS数据传输设备在工作时只需与附近的移动基站通信即可, 平均功耗仅为200毫瓦左右，因本系统应用在野外环境中，供电采用蓄电池，节省能量就显得格外重要。综上考虑，本设计采用了公网平台中国移动的GPRS网络。2.5 远程监控中心设计远程监控中心管理软件的设计是为了完成对水产养殖监测数据的接收、存储以及分析，以便养殖人员及时掌握水产品生长环境变化，另外还可以监控ZigBee无线传感器网络运行情况。对于操作人员来讲，管理软件需要有良好的运行在PC上的人机界面和和后台数据库系统。Visual Basic （简称VB）编程语言能够满足这一要求，VB功能强大，内容丰富，不但提供了可视化界面设计方法，而且还具有强大的数据库管理功能，能够方面、灵活的完成数据库应用中涉及的诸如数据的添加、查询和更新等各种操作，在本设计中，远程监控中心管理软件基本功能有远程网络连接、实时数据显示、历史数据查询、历史曲线绘制等。远程监控软件结构图如图2-5（这里的图标与图中的不符）所示。图 05 远程监控软件结构图2.6 本章小结本章对基于ZigBee和GPRS的水产养殖无线监控系统研究的做出了总体设计。首先根据系统的实际应用进行了功能需求分析和性能需求分析，在此基础上给出了系统的总体布局。接着，介绍了ZigBee无线传感器网络的设计，包括传感器节点、协调器节点的设计以及组网设计，最后是GPRS传输网络和远程监控中心的设计。第三章 系统硬件电路设计3.1 系统硬件电路设计概述工厂化水产养殖水环境具有多变性，需要长期监测，而且监测区域分布广泛需要布置大面积监测。如果采用像现场总线技术监测水产养殖水环境参数，不但布线困难，而且维护成本高，耗费大量人力物力。因此，本系统中采用TI公司的cc2430soc(C应该大写，与上下文对应)组建无线传感器网络，它是第一个真正意义上的soc ZigBee 一站式产品，具有芯片可编程闪存以及通过认证的ZigBee解决方案，所有都集成在一个硅片内，具有低系统成本、低功耗等优点。本系统硬件设计包括传感器模块设计、ZigBee无线通信模块设计、串口通信模块设计、液晶模块设计、GPRS模块设计五部分组成。系统硬件框图如图3-1所示。图 31 系统硬件框图3.2 传感器模块设计3.2.1 亚硝酸盐调理电路设计水环境中NO2- 离子浓度的检测和控制在水产养殖中至关重要。