【优秀硕士博士论文】网箱养殖多参数无线监控系统的研究与设计

硕士学位论文MASTERSTHESIS中文论文题目网箱养殖多参数无线监控系统的研究与设计英文论文题目RESEARCHANDDESIGNOFMULTIPARAMETERWIRELESSMONITORINGSYSTEMINCAGECULTURE学科专业控制理论与控制工程摘要中国是世界上最大的渔业生产国，然而由于对渔业资源的过度捕捞，国家渔业总产量增长率呈下降趋势，因此，发展水产养殖尤其是拥有诸多优点的网箱养殖就显得非常重要。然而传统的网箱养殖大多是凭养殖户的经验和频繁巡查，当大型养殖渔场网箱较多时，就很难使网箱维持在最佳状态，限制了养殖产出。基于此，本文针对网箱养殖现场分布的特点，利用各类传感器，结合无线网络技术、嵌入式与自动控制等技术，确立多层网络拓扑结构，优化网络传输，设计了基于无线传感网络的可对网箱内多种参数进行实时监测和控制的自动化控制系统，对加强渔场参数监控，提高喂养质量与养殖产量具有现实意义。本文主要完成的工作如下1、综述了养殖水质检测和无线传感网络技术的发展现状，分析了网箱养殖的特点，提出了基于无线传感网络和INTERNET网络的网箱养殖多参数无线监控系统的总体设计方案。2、针对网箱养殖水温、溶解氧等参数检测与传输特性，分析了TI的ZSTACK协议栈，构建了传感器节点、汇集网关以及WEB服务器等可行的系统结构，完成了信号采集与调理、无线通信、SIM卡接口电路等硬件设计，搭建了网箱养殖多参数无线传感网络实验系统。3、针对网箱养殖特点与功能要求，建立了基于PROTOTHREAD状态机的软件系统运行机制，研究了基于WINCE60嵌入式系统内核裁剪以及基于此内核的应用软件的编程方法，为多参数网络系统数据传输的实时可靠奠定了基础，并分析了STM32内部存储器结构及其与COTEXM3内核的对应关系，设计了可应用于网箱养殖的传感器固件远程更新的方法。4、完成了数据采集、串口通信、以太网通信、远程控制和远程固件无线更新等功能模块设计，制作了基于DJANGO的WEB界面，设计了监控画面，并在搭建的系统上进行了实验测试。结果表明，本系统具有实时性强、可靠性高、操作简单等特点，可在多种智能终端上进行联网监测，具有较高的实用价值。关键词网箱养殖；数据采集；无线传感网络；监控系统；远程固件无线更新IRESEARCHANDDESIGNOFMULTIPARAMETERWIRELESSMONITORINGSYSTEMINCAGECULTUREABSTRACTCHINAISTHELARGESTPRODUCERINFISHERYALLAROUNDTHEWORLDHOWEVER,THEGROWTHRATEOFNATIONALFISHERYOUTPUTISONTHEDECLINEDUETOOVERFISHINGOFFISHERYRESOURCESTHEREFORE,ITISVERYIMPORTANTTODEVELOPAQUACULTUREINDUSTRY,ESPECIALLYCAGECULTUREWITHMANYADVANTAGESHOWEVER,TRADITIONALCAGECULTUREMOSTLYDEPENDSONTHEEXPERIENCEANDFREQUENTPATROLOFFARMERSITISDIFFICULTTOKEEPTHECAGESINTHEBESTCONDITIONINLARGESCALEAQUAFARMWITHMANYCAGES,WHICHLIMITSTHEAQUACULTUREOUTPUTBASEDONTHISSITUATION,THISPAPERUSESMULTIPLESENSORSANDCOMBINESWITHTHEWIRELESSNETWORKTECHNOLOGY,EMBEDDEDANDAUTOMATICCONTROLTECHNOLOGYTOESTABLISHMULTILAYERNETWORKTOPOLOGYSTRUCTUREANDOPTIMIZETHENETWORKTRANSMISSIONACCORDINGTOTHECHARACTERISTICSOFCAGESDISTRIBUTION,ANDDESIGNSANAUTOMATIONCONTROLSYSTEMBASEDONWIRELESSSENSORNETWORK,WHICHCANMONITORANDCONTROLMULTIPARAMETERSOFCAGESINREALTIMEINAWORD,ITHASPRACTICALSIGNIFICANCETOSTRENGTHENTHEMONITORINGOFAQUAFARMPARAMETERSANDIMPROVEFEEDQUALITYANDAQUACULTUREOUTPUTINTHISPAPER,THEMAINWORKISASFOLLOWS1THISPAPERREVIEWSTHEBACKGROUNDANDDEVELOPMENTOFWATERQUALITYDETECTIONANDWSNTHECHARACTERISTICSOFCAGECULTUREISANALYZEDBASEDONTHEWIRELESSSENSORNETWORKANDINTERNETNETWORK,THEOVERALLDESIGNOFMULTIPARAMETERWIRELESSMONITORINGSYSTEMINCAGECULTUREISPROPOSED2AIMEDATTHEDETECTIONANDTRANSMISSIONCHARACTERISTICSOFPARAMETERSSUCHASTEMPERATURE,DISSOLVEDOXYGEN,THETIZSTACKPROTOCOLSTACKISANALYZEDTHEFEASIBLESYSTEMSTRUCTUREWITHSENSORNODE,SENSORGATEWAYANDWEBSERVERISBUILTTHEHARDWAREDESIGN,INCLUDINGSIGNALACQUISITIONANDREGULATION,WIRELESSCOMMUNICATION,SIMCARDINTERFACECIRCUITANDOTHERS,ISCOMPLETEDMULTIPARAMETEREXPERIMENTSYSTEMBASEDONWIRELESSSENSORNETWORKINCAGECULTUREISSET3AIMEDATTHECHARACTERISTICSANDFUNCTIONREQUIREMENTSOFCAGECULTURE,THERUNNINGIIMECHANISMOFSOFTWARESYSTEMBASEDONTHEPROTOTHREADSTATEMACHINEISESTABLISHEDTHEEMBEDDEDSYSTEMKERNELCUTTINGBASEDONWINCE60ANDTHEAPPLICATIONSOFTWAREPROGRAMMINGMETHODBASEDONTHEKERNELARESTUDIED,WHICHLAYSTHEFOUNDATIONOFREALTIMEANDRELIABLEDATATRANSMISSIONINMULTIPLEPARAMETERSNETWORKSYSTEMTHESTM32INTERNALSTORAGESTRUCTUREANDITSCORRESPONDINGRELATIONSHIPWITHCOTEXM3KERNELAREANALYZEDTHEMETHODOFREMOTEFIRMWAREUPDATINGWHICHBEAPPLIEDTOCAGECULTUREISDESIGNED4THEFUNCTIONMODULESINCLUDINGDATAACQUISITION,SERIALCOMMUNICATION,ETHERNETCOMMUNICATION,REMOTECONTROLANDREMOTEFIRMWAREUPDATINGOVERTHEAIRAREIMPLEMENTEDTHEWEBINTERFACEANDMONITORINGSCREENBASEDONDJANGOAREDESIGNEDAFTEREXPERIMENTSONTHEBUILTSYSTEM,THERESULTSSHOWTHATTHISSYSTEMHASTHECHARACTERISTICSSUCHASSTRONGREALTIMEPERFORMANCE,HIGHRELIABILITYANDSIMPLEOPERATION,ANDCANBEMONITOREDONAVARIETYOFINTELLIGENTTERMINALOVERTHENETWORKINAWORD,THISSYSTEMHASPRACTICALVALUEKEYWORDSCAGECULTUEDATAACQUISITIONWIRELESSSENSORNETWORKMONITORINGANDCONTROLSYSTEMREMOTEFIRMWAREUPDATEOVERTHEAIRIII目录摘要IABSTRACTII目录IV第一章绪论111课题的背景与意义112国内外的研究现状213研究内容及章节内容安排4第二章系统总体方案设计621网箱养殖的需求分析622传感器节点设计723汇集网关设计824基于WEB的服务器软件设计925本章小结9第三章系统硬件设计1031传感器节点硬件设计10311无线通信模块设计10312信号调理电路设计1232汇集网关硬件设计14321GPRS通信模块设计15322供电电源模块设计15323SIM卡接口电路设计1733本章小结17第四章系统软件设计1841无线传感网络的搭建18411无线传感器网络相关概念18412无线传感网络的体系架构18413基于ZSTACK协议栈的无线传感网络搭建19IV42传感器节点软件设计22421PROTOTHREAD状态机22422简易FIFO缓存机制2443汇集网关软件设计26431WINCE60开发平台26432应用软件的开发与设计3044WEB服务器的设计和开发33441DJANGO框架简介33442DJANGO开发环境搭建33443后台管理界面开发34444网箱数据上传和处理36445前端界面开发3745本章小结39第五章远程固件无线更新方法研究4051远程固件无线更新的基础40511YMODEM协议简介40512STM32内嵌BOOTLOADER的研究4152远程固件无线更新方法设计与实现43521通信协议研究和设计43522YMODEM协议移植45523自定义BOOTLODER程序设计4553本章小结53第六章系统调试和实验结果分析5461实验系统搭建5462远程固件无线更新方法验证5663本章小结58第七章总结和展望59参考文献61攻读硕士学位期间研究成果65致谢66V第一章绪论11课题的背景与意义中国是世界上最大的渔业生产国，渔业发展给中国国民经济带来很大的贡献，而且在全球整个渔业发展势头日渐趋于平缓的情况下，国内的渔业仍能保持一个较好的增长势头。同时，渔业发展还对改善国民生活、生态环境保护等方面有着重要深远的意义。然而，如今又不得不面对一个严峻的事实，就是虽然国内渔业产值年年增加，但增幅却是年年在下降，究其原因发现，近现代渔业产业正逐渐实现工业化，水产捕捞技术也在不断地提高，再加上日益增加的人口所带来的消费需求以及国民经济发展的需要，就使得要增加捕捞规模不断地来摄取渔业资源，甚至超出了渔业资源自身更新的能力，因此就造成了增幅下降。如果任由这种情况发展下去，将会给渔业资源带来毁灭性的打击。在这样的情况下，发展水产养殖就显得非常重要，而且显而易见，水产养殖经济效益十分可观。水产养殖有很多种方式，而网箱养殖是其中一种重要的形式。该方式方便实行混养、密养、成活率高，可达到创高产目的，同时饲养周期短、管理方便、机动灵活、操作简便、起捕容易。传统的网箱养殖大多是凭靠养殖户的经验，往往容易出现误判，难以使网箱维持在最佳状态，而且人员难以做到24小时值守，必然存在监管盲区，同时网箱内鱼苗、蟹苗等经济价值较高，不少对养殖环境要求苛刻，一旦出现问题，养殖户损失较大，因此对养殖环境及时准确的监控就显得十分重要。不同于其他行业，网箱养殖的特点决定了现场环境复杂、分布广泛、数目众多的特点，难以采用普通的工业监控方式来设置。对网箱养殖信息的获取、分析处理、系统智能化等问题是各类研究机构关注的焦点，已成为国际上研究现代渔业的重要课题。现今在水产养殖业中信息快速采集技术方面的研究情况仍与其他领域的信息技术的水平有较大差距，制约了渔业养殖水平的进一步提高，成为了现代渔业养殖这个“木桶”中的“短板”。课题主要针对网箱养殖现场分布的特点，利用各类传感器，结合无线网络技术、嵌入式与自动控制等技术，确立多层网络拓扑结构，优化网络传输，对网箱内各种参数进行实时监测。该项目符合我国现阶段发展海洋经济的战略，且项目的实施有助于实现对渔业养殖过程中参数的实时检测，降低获取此类数据的难度，为相关的渔业研究水平、管理能力的提升提供了有力的保证；有利于渔业监测从室内走向室外，从单一环境转向1复杂环境；还有利于推进智能检测及自动化技术在渔业科研与生产监测中的应用，使网箱养殖的品质控制从产后管理向产中管理延伸，消除盲区，促进我省渔业养殖中科技改革，为渔业增收、区域经济的发展发挥重要作用。12国内外的研究现状养殖水体水质检测方法经历了三个阶段，分别是传统经验法、化学法和仪器法1。然而不管是用化学分析法还是仪表测试法，都需要要面对漫长的监测周期和高额的监测成本，需要付出很大的人力和物力，而且还不能实时地获取水环境的状态2,3，种种弊端很大程序上制约了水产养殖监控系统进一步的发展。随着传感技术、通信技术、自动化控制技术等技术的不断发展和完善，养殖水质监控系统不断地被研究和更新。旧有的检测方式已满足不了日益发展的需要，此时更新一代的养殖水质监控系统应运而生，它能够利用各种水质检测相关的传感器来采集养殖水体的各种状态，并能够完成实时有效可靠监测养殖水环境的状态参数，是一个运用先进的网络技术，自动控制技术以及各种数据分析处理方法，能够实现数据采集，处理分析，存储以及查看等功能的完整系统4。现今已有的以串行总线、现场总线等有线的方式为基础的水质自动监测系统，主要采用了分散管理，集中控制的有线控制方式。虽然这类有线系统可以满足一定的生产需求，但整个系统很难适应水产养殖环境的高湿度、高盐度和高酸碱度，而且复杂的养殖环境使得现场布线施工困难，线路容易受腐蚀，维护成本高，因此在一定程度上也是制约了水产养殖监控系统的发展5,6。目前，国内外已在无线传感器网络在水产养殖监控相关方面做了一定的应用研究。欧美国家在水质监测系统方面发展比较快，设施很先进，将自动监测技术应用于水产养殖已经有一、二十年的历史，他们己经拥有丰富的经验和成功的案例。文献7基于水产养殖监控系统提出了一套软件仿真框架，该软件框架由过滤和数据集成模块、状态建模模块、数据分析模块等组成，能以最小的努力获取来自传感数据的集成信息。文献8构建了一个渔场养殖自动化监控系统，搭建了可以实时监控渔场水环境的监控网络，具有低成本、低功耗和易操作等特点，同时又研究设计了一个可持续供电的供电系统，可在市电供电和电池供电之间自由切换，并为电池供电系统设计了太阳能充电方案。文献9设计并详细介绍了以传感器数据记录为核心的水环境状态监控系统，并且可以在任何地方通过INTERNET网络或者移动网络接入监控系统来查看监控数据。而相较国外来说，国内在无线传感网络方面所做的研究工作总体来说还是比较缺乏的，尤其是在基于无线传2感网络所做的水产养殖监控系统方面的研究和应用，目前看来仍是处于起步阶段10，然而尽管如此，国内近期在这方面还是做了不少的探索研究。以下就是本文所做的一些总结，文献11提出将无线传感网络应用到水产养殖中，并构建了一个无线监控系统，同时研究优化了LEACH路由协议，经验证其能够满足规模化水产养殖大量数据传输的需要以及保证通信安全可靠。文献12对路由协议进行研究比较，且在以自适应分群分层路由协议为研究基础，研究了可根据节点电池剩余能量动态地进行数据传输方式切换的方法，从达到了节能和延长网络生命周期的目的。文献13提出了基于无线传感器网络的参数测量和节能型变频增氧控制，进一步优化通信网络，达到各节点供电电池剩余能量的均衡，提升了网络有效寿命，同时采用PIPID控制算法对溶解氧含量进行自动变频控制，实现了对养殖水环境最重要的溶解氧因子的闭环控制。文献14构建了基于无线传感器网络的水产养殖水质监测系统，研究了设计PH值传感器、溶解氧传感器等传感器信号采集和标定，使得水质参数检测小型化成为可能，经验证系统运行稳定、测量准确可靠。文献15基于物联网技术设计了多功能水产养殖监控系统，可通过无线传感技术、射频识别等技术方法，全面地管理和监测养殖环境，并结合实际项目进行验证其具有高数据采集准确性和高数据传输稳定性。可见随着无线传感网络技术的不断发展，给水产养殖水体监控带来很大的发展。有了无线传感网络的帮助，对于养殖户来说，可以更加方便地进行管理养殖生产；可以实时查看水环境状态，对异常情况可以第一时间做出处理；可以减少饲料浪费，减少环境污染等；为能生产出安全，绿色，高质量的水产品提供了保障16,17。可见其有美好的发展前景，然而不得不提的是，针对无线传感网络在我国水产养殖应用中仍存在一些问题，如生产过程缺乏病害预警机制与预防策略、水质实时监测与报警比较落后，相关技术还不够成熟以及系统设备的高成本等问题，这些问题同样也会限制养鱼规模的扩大和产量的提高，进而制约整个行业的发展18,19。综上所述，基于水产养殖监控系统和无线传感网络技术的发展现状，本论文针对网箱养殖监控系统存在的如下两方面的问题开展研究和设计1、网箱养殖监控系统一般在户外，拆卸非常不方便。如果系统程序需要做优化升级，但是设备早已发给客户，此时如果挨家挨户的取下设备做升级，显然是不太现实；2、现有网箱养殖监控系统监控方式比较单一，养殖户监控水环境状态一般都是通过运行在PC机上的监控软件来查看，这就在空间和时间上带来很大的局限，如果可以接入多种终端，如手机、PAD等，系统监控将更加方便。313研究内容及章节内容安排针对上述不足，本文基于无线传感网络、移动网络以及INTERNET网络等网络技术，以面向网箱养殖的水环境状态监控为应用背景，研究设计了一套具有水环境多参数采集，汇集和上传，同时可实现对水环境参数随时随地查看等功能的网箱养殖多参数无线监控系统。在系统中，以无线通信模块和微控制器双核结构为基础的传感器节点与以嵌入式系统平台为基础的汇集网关进行自组网，之后传感器节点通过外设资源和信号调理电路等进行网箱水环境参数的采集、处理和发送，汇集网关接收各个传感器节点所采集的参数并打包转发到系统所设计的WEB服务器进行数据存储，用户可通过多种智能设备打开WEB界面进行网箱养殖水环境状态监控。同时，系统具有远程控制和传感器固件无线远程更新的功能。论文各章节安排内容如下第一章详细介绍了在网箱养殖监控系统方面所做研究的背景和意义，基于无线传感网络技术的水产养殖监控系统的国内外研究现状，并总结现有系统的不足，提出本论文主要研究内容，最后介绍各章节内容安排。第二章详细分析了网箱养殖的特点和需求，系统所开发设计的传感器节点和汇集网关的主要功能和节点结构以及系统所开发设计的WEB服务器软件的优势和主要功能。第三章详细介绍了传感器节点和汇集网关这两个系统关键组成部分的相关硬件设计，传感器节点硬件设计涉及到对无线通信模块的天线设计，各水质传感器调理电路的设计等方面；汇集网关硬件设计主要包括对GPRS通信模块的主电路，供电电源电路和SIM卡接口电路等方面。第四章详细介绍了系统软件设计部分，主要包括传感器节点软件设计，汇集网关软件设计和WEB服务器软件的设计。其中传感器节点软件设计主要包括对PROTOTHREAD状态机的研究和应用、FIFO缓存机制的研究设计与应用等方面；嵌入式系统WINCE软件设计主要包括对WINCE60系统的裁剪与移植，应用软件的设计与开发等方面；WEB服务器软件设计主要包括对DJANGO框架的研究和应用等方面。第五章详细介绍了一种基于自定义BOOTLOADER和YMODEM协议的远程固件无线更新的方法，设计研究了用于汇集网关与无线通信模块和传感器节点与无线通信模块之间通信的自定义协议，研究改进了YMODEM文件传输协议使其更适合论文所设计的系统，提出了远程固件无线更新的思路，并据此研究了STM32启动过程和中断方式，设计开发了自定义BOOTLOADER程序，并研究设计了软件程序与自定义BOOTLOADER程序之间的跳4转代码。第六章详细介绍系统实物整体运行情况，包括软件和硬件，以及记录和分析相关数据，并验证系统设计的远程固件无线更新方法的有效性。第七章总结课题所做的工作以及所取得的成果，提出论文的不足点，且对下一步的工作进行展望。5第二章系统总体方案设计21网箱养殖的需求分析网箱养殖是近几年来发展起来的一项具备高科技水平的养殖项目，它是利用人造的网状箱体，放入水体中，形成一个适宜鱼类生活的活水环境，能以较高的效益获得较高的产出。网箱养鱼之所以能高产，很大程序上是因为网箱养殖是利用大自然自动调节能力来完成养殖水体的更新和交换；同时网箱有限的养殖空间可以限制鱼体大范围的活动，进而可以加速鱼体的增长；另外，网箱的网状结构本身就有保护鱼少受其他生物危害的作用。除此之外，网箱养鱼方法具有机动、灵活、简便、高产、水域适应性广等诸多特点，在我国海、淡水养殖业中有广阔的发展前途2022。在实际的网箱养殖过程中，选择合适的养殖环境非常重要。一般而言，设置网箱的地点应考虑如下条件水域宽阔稳定，温度阳光适宜，环境安静无污染；要有稳定的水流，不易过大过小，一般00502米/秒为宜；选择富含丰富的浮游生物，且不仅适合鱼体生长，又适合富有生物生长的水域。网箱培育鱼种是高密度的养殖，需要根据网箱中水的更新速度，水体中浮游生物含量和饲养管理技术水平等来确定放养密度。密度跟成活率密切相关，衡量网箱养殖的水平高低的重要一条就是产量和成活率。此外还需要考虑养殖、采捕过程中的水温条件，平时的风浪条件、以及喂食、防病等事项23。总体而言，整个网箱养殖需要监控的参数众多，如水中溶解氧、水温、PH值、水流速度、水质透明度等参数，同时网箱培育鱼种必须科学投喂，做到定质、定量、定时、定位地进行投饵。为做到科学养殖，养殖户需要针对不同情况进行多方案投饵，根据不同的季节和不同的水温进行动态调整投饵量。具体投饵量还需要视天气和鱼的吃食情况来灵活掌握，因此投饵过程也需要智能控制。整个网箱养殖系统在地域上往往处于边远郊区，而且都是露天环境，现场环境极其复杂，对此利用普通工业现场总线联网的方案往往难以实现，因此课题提出基于无线监控的方案。系统主要以ZIGBEE无线传感网络、GPRS移动网络以及INTERNET网络等网络技术为基础，以嵌入式系统和WEB服务器为载体，并结合传感、信号变换等技术，实现了网箱养殖水环境的实时远程监测与控制。系统总体框图如下图21所示。图中一个传感器节点对应一个网箱，汇集网关将N个传感器节点将数据汇集起来，6再通过移动网络发往因特网。一般而言，一个汇聚节点对应一个养殖场。若是多个养殖场的监控就需要多个汇集网关。这一过程中汇聚节点通过ZIGBEE无线传感网络利用ZSTACK协议与采集节点连接，将养殖场中各个网箱的水环境参数信息并整合，通过GPRS移动网络中转上传到WEB服务器，储存到相应的数据库中。最终养殖户可以用PAD、手机或者PC机等设备访问WEB服务器，通过课题设计开发的基于WEB的服务器端软件实现各个网箱的水环境参数的监测，同时还可以远程操纵网箱各执行机构的运行状态。对应上述系统总体结构，课题在工作上主要也就上述三大部分展开，即传感器节点设计、汇聚节点设计和基于WEB的服务器端软件设计。图21系统总体结构22传感器节点设计传感器节点主要具备采集网箱水环境参数，打包和发送数据以及响应远程控制指令等功能，并能对执行机构进行控制。节点采用由ST（意法半导体）的STM32F103RBT6微控制器和TI（德州仪器）的CC2530微控制器组合使用的双核方案来实现节点功能。其中STM32F103RBT6微控制器主要负责水环境各参数的采集，电池电压的检测和充氧泵等执行机构的控制，CC2530微控制器主要负责进行组网以及传输数据和控制指令，传感器节点结构图如图22所示。7执行机构模块STM32F103RCT6单片机控制模块传感器模块CC2530无线通信模块电源模块太阳能充电模块UART图22传感器节点结构图23汇集网关设计汇集网关结构图如图23所示。WEB服务器W801GGPRS通信模块CC2530无线通信模块电源模块以太网接口UARTEASYARMIMX283嵌入式系统平台UART图23汇集网关结构图汇集网关主要具备汇集和上传各传感器节点数据、转发远程控制指令等功能。本文采用广州周立功单片机科技有限公司的EASYARMIMX283嵌入式系统平台来完成节点功能，平台以FREESCALE公司的基于ARM9内核的IMX283多媒体应用处理器为核心，其主频为454MHZ，支持DDR2和NANDFLASH，并提供3路UART、1路I2C、1路SPI、4路12BITADC、1路10/100M以太网接口、1路SDIO、1路I2S接口、1路USBOTG接口、1路USBHOST接口、支持TFT液晶屏和电阻式触摸。平台的资源丰富，同时其资源基本都以接口或者排针的形式引出，可方便外接其他功能模块来扩展平台功能。系统通过一路UART接口与CC2530无线通信模块相连，通过ZSTACK无线协议进行组网，利用无线网络将整个无线传感网络中的各个网箱的水环境参数进行汇集，并加以处8理；通过一路以太网接口或者GPRS接口可将平台与INTERNET网络进行绑定，将已汇聚的各节点数据上传到WEB服务器的数据库中。24基于WEB的服务器软件设计服务器端信息综合管理系统软件需要具备对现场众多节点监测和部分执行器件控制的功能，主要体现两种优势A强大的数据处理与功能；B灵活的接入方式，支持手机、PAD等多种终端；基于以上两点考虑，系统软件将会选择WEB应用方式，在服务器端发布，不同用户可利用计算机、PAD或者手机随时访问，并可以根据需要加入信息推送功能，将监控状态直接推送到用户手中，比如报警信息，以便客户在第一时间进行应对。同普通网站不同，课题涉及的节点众多，系统的数据量非常庞大，系统拟采用PYTHON语言作为主要编程语言，用MYSQL55来承担系统数据库设计，利用DJANGO框架的进行前端界面的开发。软件功能部分需要设计包含数据采集存储、多参数数据曲线显示、数据查询等各部分功能。25本章小结本章首先对网箱养殖的相关知识及其特点进行介绍，之后对传感器节点和汇集网关的节点结构以及主要功能进行详细介绍，最后分析了WEB服务器软件的优势并系统所设计的WEB服务器的主要功能。9第三章系统硬件设计网箱养殖监控系统中涉及到众多检测水参数的传感器，而不同的传感器信号需要进行不同的调理输出，数据的采集需要微控制器的支持，数据的传输需要通信模块支持，整个系统功能的实现需要有硬件平台作为基础支持，因此课题开展了相应的硬件设计工作。对于传感器节点而言，硬件设计的主要内容包含无线通信模块设计、信号处理单元设计、ARM处理器控制模块设计等。对于汇聚网关而言，硬件设计的主要内容包含无线通信模块设计（同传感器节点的设计）、GPRS通信模块设计等。31传感器节点硬件设计311无线通信模块设计课题采用TI（德州仪器）的符合无线MAC和物理层网络规范国际标准的24G射频收发器CC2530，工作频率范围介于240024836MHZ之间，在全球范围内支持16个免许可证的频段通道，数据传输率可最高达250KBPS24，具有成本低，组网速度快，网络稳定等特点，是一款广泛应用于智能家居、智能农业、安全监控等行业的片上系统解决方案。DVDDAVDD5/AVDD_SOCAVDD_DREGAVDD3DGND_USBAVDD2USB_MAVDD1USB_PAVDD4DVDD_USBAVDD_GUARDP2_0P2_1RF_PP2_2P1_0P1_1P1_2P1_3RF_NP1_4P1_5P1_6P2_4P1_7P2_3P0_0P0_1XOSC32M_Q1P0_2P0_3XOSC32M_Q2P0_4P0_5DCOUPLP0_6P0_7RBIASRESET_NGND332223Y132768KC1015PFVDD_33VL12NHC3911UC10101C21101C241C5C6C120101220P01C122UIC110392112342427282931L2522NHE1P20DDDCLED1LED2P12P13CSNSCKMOSIMISOP00P01P02P03P04P05P06P07363534119876538371918171615141312C251C2522550OH18P1PC26122PC254L261262NH18P32C2621PVDD_33VY2RXTXR310K401VCC1832M30C927PFC1115PFRESET_N2041C141UFC827PFC701CC2530F256RHARR556K图31CC2530应用电路如上图31所示是CC2530的应用电路，从图中可以看出CC2530的最小系统有电10源，时钟电路，复位电路和天线电路等组成，而天线电路是设计的关键部分，其一般采用2种设计方案一种是SMA天线，一种是PCB天线，在距离稍远的实际应用中，一般采用SMA天线，如果需要还可以在天线前端增加功率放大模块，来进一步增加发射功率从而提高传播距离。课题采用SMA方案。课题对阻抗匹配的基本原理做了一些研究。一般来说，阻抗匹配主要是通过负载阻抗与激励源内部阻抗进行互相适配来实现，目的是为了获得最大功率输出。下图32所示的电源负载电路，其中E为电压源，R为电源E的内阻，R为负载电阻。由于R的存在，当R很小时趋于短路状态；而当R很大时，电路趋于开路状态25。根据公式31，负载在开路或者短路状态下都不能获得最大功率。PI2RERR2E2RRR24R31只有当RR时，即公式中的4RE2RR2RR分母中的RR2的值取最小值0时，负载才能获得最大输出功率。因此，得出当要向负载输出最大功率，就要满足负载电阻等于电源内阻时。同理，在设计天线电路时，为了输出最大的天线发射功率，就需要做到天线线路的输出阻抗与天线阻抗等大。ERR图32电源负载电路从上图31所示的天线电路可以看出CC2530输出的射频信号是差分信号。差分电路具有高增益、抗电磁干扰、抗电源噪声、抗地噪声能力很高、抑制偶次谐波等优点，如今在RF电路和低频电路中，差分电路的使用越来越广泛。如果将芯片的两路射频信号直接拉出，即可设计成双天线，这种类型的天线属于平衡型天线，而区别于这种天线，系统设计包括课题所设计的系统一般选用的天线是同轴电缆，是不平衡传输，为了不影响天线信号的发射，就要避免在天线的屏蔽层，也就是外皮，出现高频电流。因此，就需要要在天线和电缆之间加入平衡不平衡转换器，将本将流入天线外皮的高频信号截断1126。要实现这样的效果有很多种办法，课题采用巴伦配置电路来完成平衡不平衡转换27。为实现上述转换，可直接选用价格较贵的集成的巴伦模块，但如果对带宽和频率要求不高，完全可用LC分立元件实现。为了更直接的了解和掌握天线设计的流程，课题采用LC分立元件来完成巴伦电路的设计。如下图33所示是LC巴伦结构。RILCC平衡端输入RL不平衡端输出L图33LC巴伦结构其中，分立元件LC取值计算公式32如下，其中RI和RL分别为单端和输出端口的阻抗。2FZCRIRLLZCC1ZC32312信号调理电路设计由于网箱养殖所涉及的参数众多，需要不同的传感器，有些是模拟输出的，有些是数字输出，不同的传感器往往又涉及到不同信号处理和获取的方法。课题选取其中两个传感器信号来加以描述，限于篇幅，其他传感器设计部分不再赘述。1、PH传感器信号调理模块课题采用的PH传感器是基于复合电极制成的PH传感器，图34所示是PH传感器的调理电路，传感器接到图中所示的P1座子上。系统选用的PH传感器是采用PH玻璃电极和参比电极组合而成的结构，其输出信号即为两个电极的相对电压。传感器在酸碱性不同溶液中会输出正负变化的电压值，当参比电极处于中性溶液中时，酸性溶液输出正压，碱性溶液输出负压28。然而负压对于所选STM32F103RC微控制器的AD（模数转换）来说是不可接受的，所以就利用其输出信号时相对于参比电极的电压差值这个特性，给参比电极，也就是传感器的PH端，加上一个合适的电压值，保证信号电极电压恒为正值。此电压通过TL431基准源产生，再通过电压跟随器平稳输出，再配合放大器12放大输出得到在控制器AD工作电压范围内的电压。在实际调试过程中，需根据控制器AD的工作电压范围来调节滑动变阻器W1来调整输出，保证其在一定范围内。TL431提供的基准电压计算公式33如下VKVREF1W1/R4,VREF25V33传感器信号经由下图34的调理电路输出的电压信号，可由下面的公式34计算得出PH_OUTPHR3/R234测量出的电压信号到最后的使用，还需进行校准标定。尽管PH计尽管种类很多，但其PH值与传感器输出的电压信号是成线性关系，一般校准方法是采用两点校准法，即选择两种标准缓冲液一种PH7标准缓冲液，第二种是PH9标准缓冲液或PH4标准缓冲液。课题选用雷磁的邻苯二甲酸氢钾溶液（PH400,25）和混合磷酸盐溶液（PH686,25），这两种溶液进行传感器标定校准。图34PH传感器的调理电路2、溶解氧传感器信号调理模块课题采用的溶解氧传感器是基于极谱式电极制成的电流式溶解氧传感器，采用P（阴极）和AG/AGCL（阳极）作为极谱式溶氧电极，采用01M氯化钾KCL溶液作为电解液，采用用硅橡胶渗透膜作透气膜。根据透过渗透膜的氧量与水中溶解氧浓度成正比，可得电极间的极限扩散电流与水中溶解氧浓度成正比29，因此，只需用检测此扩散电流，再经转换运算就可得到溶液中的氧含量。图35所示是溶解氧传感器的调理电路，主要完13成将传感器输出的420MA的电流信号转成STM32F103RC微控制器可接受的电压信号，电路中R7电阻选型比较讲究，要求精度高，温漂小，其作用是将输入的电流信号转变成相应的电压值，之后利用运算放大器输入高阻的特性，将上述转换过来的电压分压输入到双运算放大器TLC27L2的一个放大器中并进行10倍放大处理，再经过防止负压的处理电路输入到TLC27L2的另一个运算放大器中，进行负反馈恒压输出处理，最后，整个电路需要通过调整滑动变阻器W1进行输出校准。经过该电路处理即可完成溶解氧传感器输出，从而可进行后续处理分析。传感器信号经由下图35的调理电路输出的电压信号，可由下面的公式35计算得出VIR7W1PR4,IO为传感器输出电流，P为滑动变阻器分压比35OIR7W1R5若W1电阻的阻值选型尽可能的大，则R7W1将近似等于R7，即可简化上述公式。R7W1图35溶解氧传感器的调理电路32汇集网关硬件设计课题选用EASYARMIMX283硬件平台作为汇集网关的研究开发平台，主要是考虑到作为系统采集数据和控制数据传输的中心，要求汇集网关需要比较高的性能，要有较大的数据缓存、较快的数据处理、多任务快速切换调度和管理等能力。EASYARMIMX283平台所拥有的丰富外设资源，足以满足课题所需的数据采集、数据传输以及更高水平更复杂的应用。另外，课题设计中需要通过1路以太网接口或者GPRS接口将系统接入INTERNET网络，其中对于以太网接口来说，上述所选的硬件平台已集成有以太网接口及相应的驱动电路，这块更多的是集中在软件方面的研究，论文将在第四章中详细阐述，本节则主要来介绍GPRS通信模块的设计。14321GPRS通信模块设计课题所设计的GPRS通信模块，可被称为数据传输单元DTU（DATATRANSFERUNIT），是专门用于将串口数据转换为IP数据或将IP数据转换为串口数据通过无线移动网络进行传送的无线终端设备30。在课题所设计的系统中，EASYARMIMX283硬件平台通过串口与GPRS模块相连，实现将各网箱所采集的水环境参数通过串口发给GPRS模块，经过拆包打包通过移动网络和INTERNET网络转发到相应的服务器。如下图36所示是课题设计的GPRS无线通信模块，GPRS模块选用北京COMWAY公司的W801G模块，下面将介绍GPRS通信模块硬件设计的几个关键部分图36GPRS通信模块15322供电电源模块设计课题所选用的GPRS模块采用单电源供电，供电范围33V42V之间，然而模块发射射频信号时电流峰值最高会达到2A以上，因此在电源设计时就选择供电能力要尽可能达到2A31，所以课题设计采用T（德州仪器）的开关型集成稳压集成芯片LM2576ADJ来作为供电稳压芯片，其最大输出电流可达3A和可调输出电压都能满足模块正常稳定工作所需的电压和电流，若不正确的选择，就会导致在模块使用过程中出现电压跌落的情况，从而导致模块关机和重启等异常情况。另外，考虑到整个监控系统是布置在户外，环境比较恶劣，模块供电很容易受到外部干扰，为了增强模块电源抗干扰能力，设计中在外部电源输入端加入一些TVS管等器件，在供电芯片输出端加一些NF、PF级电容，滤除干扰32。12VLM2576W801GGNDINGNDOUTGNDVCCGND图37GPRS通信模块合理布局此外，经课题研究发现，GPRS通信模块工作稳定性的好坏与模块PCB的布局和布线有着很大的关系。若模块PCB设计不进行合理的布局和布线，在模块开机注册网络、TCP/IP传输数据频繁大数据量、信号强度不好等需要比较大电流的情况下时，模块就很可能也会出关机或重启现象。如上图37所示是课题研究设计比较合理的布局。在PCB布线中，还要特别注意地线的布线，因为地线在整个回流路径中出现长短不一或者阻抗的不连续，也会造成电源跌落，进而会影响模块正常工作。课题设计中，将地线做如下的处理GPRS模块的GND，稳压芯片的GND，电源适配器的GND间用一块完整的铜皮相连接，保持阻抗连续性，另外，整个PCB板尽量多打地孔，从而保证电源和地的回流路径最小。为了能达到更好的稳压效果，设计中还需要在靠近模块的VCC引脚处接上大电容，16进一步地确保供电电压的稳定，进而可以增加模块工作的稳定性。323SIM卡接口电路设计课题所选的GPRS模块支持18V或者30V的SIM卡，模块会根据SIM卡的类型自动选择输出电压，可以为30V10或者18V10。考虑到模块与SIM卡的通信也是很容易受到环境和供电的影响，如图36所示，课题故作如下的设计VSIM需要并100或220NF电容，以稳定电源输出，减小纹波；SIMIO建议并PF级电容，防止高频干扰；SIMRST建议并NF级电容，防止高频干扰；为了增强SIM卡部分的可靠性，在靠近SIM卡卡座的接口处增加ESD静电保护器件33。PCB布局和布线时，将SIM卡卡座尽量靠近模块，避免走线过长，导致无法识别SIM卡。上述提到的电容、ESD等器件放置要靠近SIM卡座。33本章小结本章结合自身实际应用的经验具体介绍了传感器节点和汇集网关的硬件设计中的几个关键点。在传感器节点硬件设计这方面，主要对各传感器调理电路的设计，无线通信模块的天线设计等方面进行了介绍；在汇集网关硬件设计这方面，主要对GPRS通信模块的主电路，电源电路和SIM卡接口电路等方面进行了介绍。17第四章系统软件设计针对网箱养殖特点与功能要求，在本文硬件设计的基础上，采用多种软件平台和软件运行机制，完成了网箱水环境参数的采集，传输以及保存查看等软件功能的开发设计。对应于传感器节点、汇聚网关以及WEB服务器，课题开展了相应的软件设计工作。对于传感器节点而言，软件设计的主要内容包含无线传感网络搭建、PROTOTHREAD状态机、简易FIFO缓存机制等。对于汇聚网关而言，软件设计的主要内容包含WINCE60嵌入式操作系统的裁剪与移植、应用软件开发与设计等。对于WEB服务器而言，软件设计的主要内容包括DJANGO开发环境搭建、后台管理界面开发、网箱数据上传和处理以及前段界面开发等。41无线传感网络的搭建411无线传感器网络相关概念无线传感器网络（WIRELESSSENSORNETWORKS,WSN）就是由部署在监测区域中大量的廉价微型传感器节点组成，通过无线通信方式形成的一个多跳的自组织网络系统，其目的是协作地实现网络覆盖区域中感知对象信息的感知、采集和处理，并发送给观察者34。无线传感网络是大规模、自组织、动态性、可靠性强的网络，又是以数据为中心的网络，是与应用相关的网络，这完全可以符合课题的需要。412无线传感网络的体系架构图41无线传感网络的体系架构如第二章所述，课题构建了较为合理的无线传感网络，包括随机部署在检测区域内18部或附近的传感器节点、收集检测区域内各传感器节点数据的汇聚节点以及在云端对检测区域内各节点数据进行查看管理的管理节点35。传感器节点收集的数据可直接传给汇集节点，当距离过远或者信号过差，还可沿着其他传感器节点进行路由传输，经过多次转发后到达汇聚节点。最后，数据还可通过各种网络媒介到达管理节点。用户通过管理节点收集和处理数据或者对传感器网络进行操作设置36。整个无线传感网络的架构如上图41所示。图42IAR工程目录413基于ZSTACK协议栈的无线传感网络搭建1、ZSTACK协议栈课题设计的系统在传感器和汇聚节点之间，选用了ZSTACK网络协议进行组网通信，它是TI公司研发，通过ZIGBEE联盟认证的免费协议栈，协议内部也包括了OS的模型，协议栈具有国际化，标准化的特点，协议栈已提供十几种（未来会更多）应用场景剖面（如RF4CE、智慧能源等）可以非常轻松的让用户开发出满足国际标准的产品37,38。上图42所示是ZSTACK协议栈的IAR工程目录。软件程序一般是从MAIN函数开始，ZSTACK协议栈亦然，通过研究分析ZSTACK协议栈的工程发现，协议栈主要完成两个任务一个是完成系统各硬件外设和软件架构的初始化，另一个任务就是执行操作系统抽象层实体。A各硬件外设和软件架构的初始化为了使操作系统抽象层的软件程序正常运行，系统上电启动需要完硬件平台和软件架构的初始化，主要有系统时钟初始化、芯片工作电压检测、初始化堆栈、I/O外设初19开始OASL_INT_DISABLE关闭所有中断HAL_BOARD_INIT初始化系统时钟OSAL_START_SYSTEM执行操作系统ZGINIT初始化一些非易失变量AFINIT初始化应用框架层OSAL_INIT_SYSTEM初始化操作层OSAL_INT_ENABLE使能全部中断INITBOARDOB_RREDY初始化KEYZMAIN_DEV_INFO显示设备信息始化、FLASH存储初始化、芯片MAC地址获取、非易失变量初始化、应用框架层初始化、操作系统抽象层初始化等，其具体初始化流程如下图43所示。ZMAIN_VDD_CHECK检查芯片电压是否正常ZMAIN_RAM_INIT初始化堆栈INITBOARDOB_COLD初始化I/O