【基于Zigbee的海鲜产品安全养殖系统设计与实现17000字（论文）】

PAGEIPAGE基于Zigbee的海鲜产品安全养殖系统设计与实现摘要目前，我国海鲜养殖方式主要仍采用粗放式管理，养殖区的环境安全检测依靠人工操作，缺乏系统性的管理和智能化的监测，海鲜产品的安全健康成长环境无法得到保障。因此针对海鲜产品养殖的安全性问题，本文提出了基于Zigbee的海鲜产品安全养殖系统，主要通过Zigbee通讯技术、无线传感器技术，实现对养殖区水温、pH值、水位情况、环境湿度等进行实时的监测，并搭建海鲜产品安全养殖系统，养殖管理人员通过系统即可了解养殖环境的参数情况并能够及时进行调节，提高了海鲜养殖的自动化管理与监测控制水平，使海鲜产品养殖更具稳产、高产、安全性。关键词：Zigbee，无线传感器，海鲜养殖，环境监测目录1绪论 11.1论文背景及其意义 11.2国内外研究现状 21.3本文主要研究内容及论文结构 32系统关键技术与总体方案设计 52.1ZigBee无线通信技术 52.2系统方案设计分析 83系统硬件设计 113.1数据采集模块 113.2数据控制模块 153.3数据处理模块 163.4数据通信模块 174系统软件设计 204.1下位机软件开发设计 204.2上位机软件开发设计 225系统测试 255.1下位机测试 255.1上位机测试 286结论 306.1总结 306.2展望 30参考文献 311绪论1.1论文背景及其意义渔业海鲜产品在我国农产品出口中有着非常重要的位置，其经济优势、发展潜力十分的大，处于高速发展期。并且随着经济的发展，我国国民对生活物质要求不断提升，对高质量蛋白的需求日益增长，这使得海鲜产品的需求量开始快速增加，养殖户们也因为海鲜养殖增加了收入，改善了家庭经济条件，日子过得更好了。同时，放眼国际，目前在世界各国海鲜养殖中我国的海鲜养殖产量已经占据了很大的比例，所以说我国的海鲜前景更是不可估量，经统计，在2018年度，我国的海鲜产量已经达到了近六千五百万吨，其中野生捕捞约一千万吨，海鲜养殖约五千多万吨，比例达到了世界海鲜养殖产量的五分之三，是世界上唯一养殖产量超过野生捕捞量的国家。虽然我国海鲜养殖业在国际上产量遥遥领先，海鲜养殖业呈上升趋势，但每个养殖户每平方米面积中养殖的海鲜产量实际上是处于较低的水平。这源于，我国海鲜养殖产业的养殖方式仍采用粗放式管理。粗放式管理指的是在中型或者大型的水域中，将海鲜苗种放入水域，依赖水域中自身具备的生态链所产生的营养物质来满足海鲜的成长需求[1]。人们对海鲜需求的提升，造成了开始越来越多的人选择养殖海鲜，海鲜养殖量的大大增加，越来越多的养殖面积被用来养殖海鲜，正因如此，每立方米的养殖面积中所需要放置的海鲜苗也越来越多，养殖密度随之提高。但由于不同的海鲜种类所赖以生存的养殖环境要求不同，这类的传统养殖方式已经不能满足海鲜养殖的质量和效益等要求，养殖密度养殖产量无法达到理想状态。小部分养殖户们因此采用了高密度工厂化养殖模式为解决不同种类海鲜养殖环境要求不同的问题，高密度工厂化养殖类似于鱼缸养殖法，搭建了大型的水容器，通过控制水体温度水体pH值增加氧气投放饵料等方式人为的为海鲜营造一个自然生态环境，这一方式确实能提高每单元面积的海鲜产量，但也由此产生了许多的问题：第一，由于采用工厂化养殖模式，各个环境指标主要依赖养殖管理人员手动监测并控制，需要人工定时定点的对养殖区进行值班巡查，这样才能大概率的确保环境参数在标准值内，可养殖的海鲜产品多种多样，不同的海鲜产品对养殖环境的生态要求不同，人工记忆这么多不同的环境参数，容易混淆，增加了养殖管理的难度。第二，人工定时测量、手动调整的养殖方式，造成需要的养殖管理人员较多，可现在的农村处于空心化的状态，大批壮年劳动力大多选择去大城市寻找就业机会，人才紧缺，劳动力成本高，养殖户们增加了较大的经济压力，所以只有依靠高新技术设备改变养殖模式，才能吸引农村正值壮年的人才留下来，解决劳动力资源紧缺人力成本高的问题。第三，人工检测效率低，无法及时掌握当下的环境参数变化，数据的准确度可参考意义不高，但养殖环境参数有一点偏差都恐在短时间对海鲜产品造成影响，轻则海鲜生长迟缓，重则规模性的死亡，造成养殖户的巨大损失[2]，可见环境参数对海鲜生长有着巨大影响，对环境参数的监控应当实时智能化。从海鲜养殖产业未来方向考虑，如何使海鲜养殖的产量快速增长的同时保证质量安全性，实现养殖环境的智能实时监测、系统化管理，已经成为海鲜养殖业长久发展必须要解决的重要问题[3]。本文提出的海鲜产品安全养殖系统主要采用ZigBee技术与无线传感器网络相结合，养殖管理员通过上位机既可查看养殖区环境参数情况并可及时控制调整，有效解决了海鲜产品养殖的成本高、环境监测实时性等问题，新技术物联网与传统行业海鲜养殖业结合，使其发展更加快速智能！1.2国内外研究现状1.2.1国内研究现状在过去，我国的海鲜养殖户们大多依赖人工、人力的养殖方式，由养殖管理人员每天定时定点的对养殖区进行巡逻，手动对养殖区环境水质进行检测，此方法十分枯燥、麻烦且落后，需要的人工成本较高，养殖户们也慢慢不再以采用或完全依赖这种养殖方式[4]。在当时，和同时期的发达国家海鲜养殖业相比较，我国的海鲜养殖技术也比较落后，发展的时间较短，技术理念存在不足，缺少相应的技术设备和人才知识，为了加快海鲜养殖业的发展脚步，我国一开始选择向国外引进大量先进的养殖设备和技术。但由于向国外引进设备的成本过高，而我国的养殖户们大多都是小型个体户，他们的资金量并没有这么大，无法承担高昂的设备价格，并且只引进设备不掌握其根本的关键技术，不利于海鲜养殖行业的长远发展。因此，近些年来，我国开始了全方面的高速发展之路，要求大力支持自主技术研发，掌握高端科技技术，不断创新，使得我国海鲜养殖业的发展更加势不可挡。在国家的推动下，在国家形势的推动下，水质智能检测的课题被越来越多的大学所探究，也有不少的设备系统被开发出来，例如，一个可以同时监视检测多个水质参数的仪器设备在西安交通大学被诞生；北京机械工业学院将MODBUS技术融入到了水质分析仪当中，这个智能化的仪器可以对大部分环境下的水质进行采集检验和存储；哈尔滨工业大学也设计出了一个监测仪器，这个仪器的功能繁多，且成本非常低，精度很高，可以同时测量多个参数[5]。虽然，经过一段时间高校的研究发展，对于海鲜养殖的水质监测的智能化要求已经基本可以满足，但还存在着一些问题：传感器节点预计所能被使用的时间短，出现使用了没多久就需要更换的情况，采集到水质参数的准确度较低，实地布线复杂导致维修困难影响了养殖区的其他东西，并且无法一直待在水下进行数据信息采集，设备上位机的功能也较为单一。随着无限传感网络在这些年的发展越来越好，所应用到的领域也越来越广阔，它所具备的多协议兼容、快速部署性、高信息时效性、可扩展性高等智能化优点受到了大家的关注与青睐，因此开始尝试将无线传感网络应用在海鲜养殖业中，将传感器数据与无线传感网络相结合，以实现养殖环境水质实时、高效、智能的监测目标。1.2.2国外研究现状国外对海鲜养殖业的研究早于我国，因此在思考如何海鲜智能化养殖方面，如何检测养殖区水质环境方面，国外研究者在上世纪中叶已经开始尝试寻找解决方案，他们想到将生物工程、机器控制等相关技术运用其中，并且能够初步实现对设备的控制。之后科技继续发展，在1980到1989年，研究者又结合了无线电子技术和计算机技术，尝试实现监测的自动化，之后计算机的快速发展与普及化，更是让研究者开始利用计算机对问题展开了深入的研究[6]。目前国外常用的系统中，较规范的主要有两个：美国生产的EMNET系统与澳大利亚生产的F1eck系统，可是两者所能够采集的水质参数种类比较少，而且通信的速率较低、功耗较高，所以它们比较适合于研究。国外对于海鲜养殖的环境水质研究的应用主要分为两种，第一个是基于定时定点算法，类似于国内的人工定点检测，只不过该应用是机器按照一定的时间规律间断的进行监测，英国的鱼塘在线管理系统就是通过无线通信和定时定点算法实现对水质数据的采集，此方法使得数据的采集上传问题也得到了比较好的解决。第二个主要应用是以无线宽带通信技术为基础，使用者能够非常直接的进行从显示屏中进行监控操作，因此可以被广泛用于近海的海鲜养殖管理中。它不仅能实时传输水质数据，同时还能传输视频和画面，达到了对海鲜养殖可视化的管理[7]。1.3本文主要研究内容及论文结构通过对海鲜养殖业发展现状、养殖环境要求的了解，本文将基于无线传感器与ZigBee技术设计一款海鲜产品安全养殖系统，主要研究实现养殖区环境参数实时监测、养殖区管理人员通过上位机查看控制的要求。系统运用了ZigBee无线通信技术，采用高性能、低功耗的CC2530芯片、CH340串口转接芯片，实现终端节点与汇聚节点、汇聚节点与上位机之间数据传输通信；使用ds18b20温度传感器（防水型）、PH值采集传感器、土壤湿度传感器模块、DHT11湿度传感器、实现海鲜产品养殖所需的水体温度、水质pH值、水量、环境湿度等参数的实时智能化检测，并根据采集到的数据自动打开相应的参数调节装置，如风扇、开关继电器，通过stc89c51微控制器对各水质数据进行处理和存储；搭建海鲜产品安全养殖的系统平台，将采集的参数数据显示于养殖区中的上位机中，便于养殖管理人员查看，管理人员也可通过本系统打开参数调节，使参数调整至更理想的状态。论文结构如下：第1章，绪论，阐述本论文的背景以及研究的意义，通过国内国外两个方向了解海鲜养殖的现状及存在的问题，确定研究方向内容及论文结构第2章，系统关键技术与总体方案设计，介绍本系统所使用的关键技术，对系统进行需求分析，确定功能需求、系统搭建方案、设计系统框架。第3章，系统硬件设计，主要介绍了系统在硬件方面的设计，包括数据采集模块、数据控制模块、数据处理模块、数据通信模块的设计。第4章，系统软件设计，通过对ZigBee协议栈编程、各传感器软件编程、stc89c51单片机编程、VB编程语言的编写，实现系统的上下位机养殖软件的开发设计。第5章，安全养殖系统实现与测试，阐述系统调试过程，确保系统硬件与软件能够成功通信，测试证明系统的实现程度可行性。第6章，总结与展望，总结本文设计，反思、改进系统的不足之处，对未解决的问题，有待后续的相关研究中进一步探讨。

2系统关键技术与总体方案设计本章主要通过对ZigBee无线通信技术的研究，掌握其特色、基本原理及网络的构建过程，阐述了系统中的数据采集、传输所依赖的关键技术原理，采集节点的作用是把养殖环境数据无线传输给上位机，上位机来进行对数据的显示，而无线传输技术的实现则需要依靠ZigBee技术与串口通信。因此本章将对ZigBee技术做详细的说明，使得整个系统的数据传输过程更加清晰明确。在本章节还会对系统所需要的功能进行分析与阐述，并进行总体的框架设计。2.1ZigBee无线通信技术Zigbee是一种无线通信技术，它具有非常多的特点：例如，它可以实现短距离内的双向传输；在工作时，功率消耗不大，但却有着非常高的效率；价格低廉，性价比高；还拥有低复杂度的优点。并且它以IEEE802.15.4协议为依据，适用于工业控制检测。除此之外，ZigBee网络的容量非常大，具体体现在它能够同时容纳几万个网络节点，只要在ZigBee子网中不断扩大节点的数量，就可以通过多跳的形式，实现数据的大面积远距离传输，可接入设备多，并且每个ZigBee无线网络之间能够实现自行组网，各自不会互相影响，组网方式也十分简单快速灵活便捷，安全可靠的ZigBee无线通信网络数据传输，加密安全措施算法使得数据不易被劫持破解。2.1.1ZigBee节点类型Zigbee网络主要有三个节点设备的类型，分别是：协调器节点（Coordinator）。作为在整个网络中唯一协调器，它控制了ZigBee网络的调试和运行，它为每一个进入ZigBee网络的节点都分配一个唯一的地址，地址不可重复，这些进入ZigBee网络的节点信息和路由信息也由协调器节点来进行控制。路由节点（Router）。路由节点可以有多个，负责连接多个网络设备，实现路由的跳转，转发终端节点的数据。因此路由设备是无间断的工作状态。终端节点（End-Device）。终端节点的作用是通过一定时间间隔进行数据采集，可以有多个终端节点，可设置为睡眠状态来降低电源损耗。2.1.2ZigBee网络拓扑结构ZigBee有三种网络拓扑结构：星形网络、树形网络、网状网络。下面介绍他们的特点。（1）星形网络拓扑方式结构比较简单，是单跳结构，只有一个路径，ZigBee网络容易受协调器的限制，底层的所有终端节点只能够直接与上层的协调器进行数据通信，拓展性差，网络覆盖范围不大。如图2-1星形网络拓扑。图2-1星形网络拓扑树形网络拓扑结构是多跳结构，由终端节点、路由节点、协调器进行数据交互。协调器可以连接终端节点，或通过路由节点再连接路由直到终端节点，通过这样不断延伸，形成了树形网络结构，因此网络可覆盖范围更广。如图2-2树形网络拓扑。图2-2树形网络拓扑（3）网状拓扑结构包括了终端节点、路由节点、协调器，与树形网络有些类似，但是与树形网络相比更具可靠性、网络容错率更高，因为它的路由节点之间能够进行通信，两个节点的通信路径有多重选择，不会发生由于其中一个路由路径失效导致通信失败。当其中一个路由路径故障时，在原路径上的节点不会因此停止传输，相反，它会主动去寻求另一条可以正常运行的路径，来完成顺利的通信。图2-3网状网络拓扑当建立无线传感器网络时，可以根据以上三种网络拓扑的特点以及系统的不同功能需求偏向，选择拓扑结构。当覆盖面积不大，距离较近时，建议选择星形拓扑，部署更容易；当网络覆盖面积广，侧重点在满足更大的传输距离时，可选择树形拓扑来扩展网络覆盖范围；如果系统更看重的是网络可靠性高，保证数据的传输，那么网络拓扑结构可以达到这样的性能需求，路由器之间的直接通信、动态更新的路由表、多种的通信路径让其中一个路由节点失效也可选择其他路径继续通信，结构可靠性高。2.1.3ZigBee协议栈体系结构ZigBee协议栈是从OSI七层模型中演变而来，由其中的四层组成（从上至下）：APL应用层和NWK网络层是ZigBee联盟制定的、MAC媒体访问控制层、PHY物理层是国际电子电机工程协会制订的，如图2-4ZigBee协议栈体系结构。每一层都有自己的所需要负责的任务，并且为上一次提供相应的操作，数据传输服务这一功能的实现是由数据实体进行负责，除此之外的管理服务需求则全部由管理实体负责，每个服务实体为上层提供了一个接口和服务接入点。图2-4ZigBee协议栈体系结构（1）PHY物理层物理层的主要功能是为上层媒体访问控制层提供接口和服务接入点，可以对信道的不同通讯频率进行选择，每个国家的通讯频率不同可能会造成工作频率不同，随即通讯传输速度也不同，因此需要物理层进行信道频率的选择。（2）MAC媒体访问控制层媒体访问控制层规定了4个帧结构（信标帧、数据帧、确认帧、和MAC命令帧），协调器的作用是让设备同步，通信通道能够安全发送信息，支持PAN关联，仅限于个域网络，同时也支持着取消关联的功能，这都是依靠了它所发送的信标帧。（3）NWK网络层网络层主要是负责建立维护拓扑结构，保证媒体访问控制层的正常运行，并且能够与应用层顺利的进行网络对接，是ZigBee的核心部分。能够用来通过不同的协议头能够从应用层生产网络层的PDU，确定网络拓扑结构配置新的设备，然后建立启动网络，加入离开网络，为ZigBee协调器路由器加入网络分配空间，然后发现记录路由表，然后接受控制信息。（4）APL应用层应用层有三个部分组成：应用支持子层（ApplicationSupportSub-Layer,APS）,应用框架（ApplicationFramework,AF）和ZigBee设备对象（ZigBeeDeviceObject，ZDO）。其关键部分就是应用对子层对支持。应用层的主要功能就是管理群地址，将网络地址映射为16位或者进行反向映射。2.2系统方案设计分析对于海鲜产品养殖来说，养殖环境、水质参数在人工养殖过程中至关重要，一点点的环境变化，都有可能造成严重的养殖产品损失，例如水温过高会影响海鲜的生长发育、代谢强度，海鲜的味道肉质也不如正常水温的美味肥厚；养殖区中的水体酸碱性PH值也是水质的主要指标，水中含有非常大量的化学物质，在一定的范围内，这些化学物质的含量对海鲜生物是安全的，但是一旦PH值不稳定，偏高或者偏低，这些物质就会进行变化，从正常的化学物质转为有毒的物质，影响海鲜生物的呼吸，对海鲜的生长会造成十分严重的后果，所以要实时对PH值进行监测，以保证PH值能稳定在正常数值内；水是海鲜养殖的必需品，没有水何谈海鲜养殖，因此水量的检测可以使得养殖管理人员了解是否缺水；环境湿度对海鲜虽然没有直接的影响，但是高湿度会造成养殖区养殖设施生锈发霉，间接造成水质污染也将影响养殖区内放置的饲料质量情况，因此也值得进行检测[8]。由此看来，想要保证海鲜产品安全健康的成长，需要为他们提供一个适宜的安全的养殖成长环境，设计一个智能实时监测海鲜产品养殖环境的系统是非常有必要的，满足海鲜养殖业的发展需求。2.2.1系统需求分析根据养殖区的环境调查，对海鲜生长影响因素的数据分析，结合部分案例，对本海鲜产品安全养殖系统提出需求如下：(1)通过无线通信的方式进行养殖区内环境数据监测系统的搭建，减少布线带来的后续维修负担。(2)养殖区本地上位机能够显示当前实时的养殖环境参数，当发现数据出现异常的时候，自动控制系统会准确识别，并且自动打开设备开关，来对养殖环境进行改变，使数值保持在一个稳定安全的区域范围内。除此之外，管理员也可以远程地操控开关，来达到维护养殖环境的目的。(3)系统要便于养殖管理人员使用，简单操作，数据清晰明了。(4)水温实时检测、自动参数调整功能。通过分析决定将水温标准值设置在22℃。要求检测设备24小时全天打开实时监测对水温情况，如果水温过高超过标准值，则自动打开风扇，风扇的目的是为了让环境温度降低。当温度回到正常值内时，风扇关闭。养殖区上位机电脑上显示温度情况。(5)PH值实时检测、自动参数调整功能。要求检测设备24小时全天打开实时监测水质酸碱度，通过分析决定将PH标准值控制在7.6左右，当PH值超过设定的标准值，打开PH值控制开关的继电器，添加相关化学试剂进行自动调整，当PH值回到标准值内时，PH值控制开关继电器关闭，停止自动调整。养殖区上位机电脑上实时显示当前PH值的数值情况。(6)养殖区水量实时检测、自动参数调整功能。要求检测设备24小时全天打开，检测水量情况，当养殖区中的水量没达到检测设备处在的位置时，自动打开水量调整开关的继电器进行补水，当水量到达检测设备处在的位置时，自动关闭水量调整开关继电器停止补水。养殖区上位机电脑上显示水位情况。(7)环境湿度实时检测、自动参数调整功能。根据分析，设定环境湿度标准值在68℃。要求检测设备24小时全天打开对环境湿度进行监测，当湿度过大时，打开风扇，进行湿度调整，当湿度回到标准值，风扇自动关闭。养殖区上位机电脑上显示湿度情况。(8)养殖区上位机电脑上要求实时显示当前养殖环境的水温、PH值、水量、环境湿度的参数情况，其中当水量到达检测设备所处位置时显示正常，水量不足检测设备所处位置时，显示缺水。并且设置三个按钮开关，风扇开关、PH值开关、水量开关，确保养殖管理人员可根据具体情况特殊处理，人为的打开风扇或者PH值控制水量调整的继电器[9]。2.2.2系统总体设计方案系统的组成部分分为两块：上位机部分，本系统将养殖区的电脑作为上位机的首选。通过对多个系统平台开展的分析研究，表明，PC机拥有高稳定性的优点，因此，选择使用电脑的可行性是最优良的。下位机部分有串口通信接口、ZigBee模块、水温、pH值、水量、环境制度的传感器、控制模块的小风扇和补水开关继电器、pH值调节继电器。上下位机利用串口通信接口进行数据传输、指令的下达。如图2-5系统总体框架图。图2-5系统总体框架图2.2.3系统无线通信方式选择目前常用的近距离无线通信方式有蓝牙、WIFI、ZigBee。三种都有各自的特点和缺点，其中蓝牙更适合于短距离的文件传输，抗干扰能力差，WIFI速率高，功耗成本也很高，节点数量少，适用于楼宇、家庭的传输[10]。综合下来ZigBee更适用于本系统，满足能耗低、成本低、覆盖距离远近可根据节点进行控制等要求，结合实际的养殖环境，选择ZigBee星形拓扑网络并且将采用CC2530芯片，利用它的高性价比、低成本实现强大的网络，进行数据通信。

3系统硬件设计通过对上一章对系统主要关键技术的研究、总体需求的分析及方案设计，基本确定了系统所要实现的功能，给出了具体的实施计划。本章将对系统进行硬件方面的设计，在硬件方面按模块划分成数据采集模块、数据控制模块、数据处理模块、数据通信模块四部分，主要包含了温度采集、PH值采集、水量检测采集、湿度采集、继电器、小风扇、stc89c51单片机、ZigBee模块、CH340串口模块。3.1数据采集模块数据采集模块处于本系统中的最底层，整个海鲜安全养殖系统都是围绕着它所采集到的传感器数据进行开发的，因此根据需求选择合适的数据准确度高的传感器决定了系统最根本的好坏。经过多方面的研究，对传感器使用效果、性价比等角度的比较，最终数据采集模块主要使用的传感器是DS18B20防水型温度传感器检测水温、DHT11湿度传感器检测养殖环境湿度、检测水量情况的土壤湿度传感器、检测水体酸碱程度的PH值采集传感器。3.1.1温度采集养殖区的水体温度使用的是DS18B20防水型的数字温度传感器进行数据采集，它的特点是体积小便于放置在较小的养殖水域中；成本低使得养殖户们降低了养殖的经济负担，提高了性价比；抗干扰能力强、精度高、耐磨损适应了科技的发展，并且它可以用于检测养殖水体温度、农业大棚、超市冷藏库、学校教学机房等不是特殊极热极冷严峻温度的场合。它的感温范围值在-55℃~+125℃，它的供电电压在3.0V~5.5V之间，如图3-1所示温度检测电路。所以本系统选择了这款防水的DS18B20温度传感器，它满足了本系统的养殖区水温监测需求，非常适合。图3-1温度检测电路当DS18B20的分辨率发生了改变以后，其他的参数也会随着改变,就例如温度值位数,温度发生明显变化时，晶振的振荡频率会发生变化，同时温度转换的延时时间变短。DS18B20的数据通信只靠一根线和微处理器中的I/O口连接就可以完成与微处理器的通讯，所以为了让它的记忆和控制功能能够正常使用，首先需要实现ROM设定，通过六个ROM指令操作后，采集到的水温信息就在传感器存储器上了。DS18B20的控制方法:第一步把传感器打开然后对温度进行检测，检测完后对寄存器进行读取信息，这些信息基本都是二进制形式的数字，大小为9个字节，再分别写入寄存器和E2PROM中的TH字节和TL字节中，最后一步给CPU发送检测完的信号，以发送电源供电方式。3.1.2PH值采集PH值采集本系统使用的是PH值采集传感器模块（带温度补偿），该传感器模块成本低、使用方便、测量精度高，可以直接输出0-5V或者0-3V的模拟电压信号。主要参数如下：A.工作电流：5-10mAB.检测浓度范围：PH0-14C.检测温度范围：0-80℃D.输出方式：模拟电压信号输出E.响应时间：≤5SF.稳定时间：≤60SPH传感器模块的组成如下图所示。该模块通过BNC接头与PH复合电极进行连接，可以通过DS18B20温度传感器接口进行软件温度补偿设计，但在本系统下不需要进行温度补偿。通过顺时针旋转10K蓝色电位器旋钮能够增大放大倍数，逆时针旋转减小放大倍数。该模块的引脚组成有：VCC供电电压正极5V，注意不能使用3.3V、GND供电电压负极、GND模拟信号输出负极、PO输出电压范围在0-5V的模拟信号输出正极，基准电压2.5V输出正极，只用做测试使用，不可以外接电源和T1的温度传感器DS18B20信号输出口。如图3-2PH传感器信号调理模块电路设计。图3-2PH传感器信号调理模块电路设计该传感器需要与越磁E-201型PH复合电极配合使用，如图3-3。在使用PH模块之前，需要先进行PH校准，避免电极存在个体差异、电位器的电阻误差，然后连接PH传感器模块与PH电极、旋下PH电极保护帽。给模块提供5V电压，越接近5V，精度越高，然后以此将PH电极放入PH值为6.86的标准缓冲溶液中，调节电位器旋钮至PO口输出电压为2.51V左右。如果AD转换采集电压范围需要0~3.3V，可调节PO口输出电压为1.7V左右。再将PH电极放入PH值为4.00的标准缓冲溶液中，调节电位器旋钮至PO口输出电压为3.00V左右。如果AD转换采集电压范围需要0~3.3V，可调节PO口输出电压为2.2V左右，最后将PH电极放入PH值为9.18的标准缓冲溶液中，调节电位器旋钮至PO口输出电压为2.12V左右。如果AD转换采集电压范围需要0~3.3V，可调节PO口输出电压为1.3V左右。测试完毕，最后连接PH模块至AD转换芯片或单片机ADC采集接口。图3-3PH值采集传感器模块与越磁E-201型PH复合电极3.1.3水量情况采集水量情况的采集将根据系统的需求设计，需要把相应传感器放置在水量最上沿的位置，当水体覆盖过该传感器，则显示水量正常，当水体没有到达该传感器所在的位置时显示缺水，基于以上情况，选用外表覆盖镀镍的土壤湿度传感器模块，它具有较高的导电性能，此型号扩大了感应面积，能有效的提高其导电性，增强性能[11]。土壤湿度传感器是当有水覆盖过传感器时湿度大于设定值，DO输出低电平，当没有水就没有湿度时，湿度低于设定值，DO输出高电平。数字量输出D0与单片机直接相连，通过单片机来检测高低电平，以此判断是否缺水，如图3-4土壤湿度传感器电路图。图3-4土壤湿度传感器电路图该传感器是4线制的，由3.3V-5V的VCC、外接的GND接地、DO小板数字量输出接口（0和1）、AO小板电压模拟量输出组成。如图3-5所示土壤湿度传感器模块说明。图3-5土壤湿度传感器模块说明3.1.4湿度采集本系统中养育海鲜的区域的湿度采集模块使用了DHT11传感器，虽然这个传感器不仅能够采集湿度，还能够采集环境温度，但在本系统中仅仅使用了它湿度的功能模块，自己就带有数字信号输出，它不需要ADC的转换，这个信号已经被校准过了，同时还具有可靠性高，稳定性高的特点。其测量湿度精度在±5%RH，湿度范围在5-95%RH。这款传感器适用于机房、材料加工厂等环境，因此也适用于养殖区的环境湿度采集。DHT11根据湿敏元件的电阻值特性和负温度系数热敏电阻制成。校准系数通过一段程序存放在OTP存储器中。当传感器检测信号时，通过校准系数实现数据处理。系统集成通过串行输出的方式变得高效便捷。DHT11共有四个引脚（VDD用于3-5.5VDC的电压供电、DATA单总线的串行数据、NC空脚、GND,接地的电源负极），连接十分方便，上电之后，有一秒的时间不需要发指令，这一秒的时间是用来等待度过传感器数据的不稳定状态的，如图3-6所示DHT11连接电路图。图3-6DHT11连接电路图DHT11数字湿温度传感器采用的也是一根线的单总线通信接口，就是在单个数据引脚端口完成输入输出双向传输，一次通讯时间最大3ms。DATA用于微处理器与DHT11之间的通讯和同步，传感器所发送的一个完整的数据包，一共有40bit，分别是：8bit湿度整数数据和8bit湿度小数数据加上8bit温度整数数据加上8bit温度小数数据加上8bit校验和，高位先出，校验和数据为前四个字节相加[12]，如表3-1传感器数据输出编码。表3-1传感器数据输出编码湿度温度校验整数小数整数小数8Bit8Bit8Bit8Bit8Bit3.2数据控制模块3.2.1继电器模块系统的功能需求中需要对水质环境参数进行调节，以此使用了继电器进行开关的控制，当PH值超过设定的标准值时，打开PH值调节控制开关继电器进行调节，当水量显示缺水时，打开补水开关控制继电器进行调节，这使得养殖区的管理更加智能自动化。继电器控制通断的开关，根据控制指令，控制相应的执行设备，本系统一共有控制2个继电器开关，目的分别调节养殖区水体的温度、pH值继电器1负责补水阀门的开关控制、继电器2负责PH酸碱值的控制开关，如图3-7所示继电器模块流程图。图3-7继电器模块流程图本系统采用的是双路继电器模块，将单片机与继电器的IN1口相连，输入低电平，这时候继电器将会开合一次，指示灯亮起表明成功运转。同理，将继电器的另一个IN2口输入低电平，继电器开合，指示灯成功亮起。如图3-8所示，继电器模块电路图。图3-8继电器模块电路图3.2.2小风扇模块此模块需要根据温湿度阈值自动打开风扇。首先通过温度传感器和湿度传感器采集当前的温度和湿度信息，将温湿度的数据发送到协调器，协调器在接收到数据后，它再用广播的方式传送到风扇终端，风扇终端设定了温湿度的阈值，倘若不在设定的阈值范围内，来判断是否自动打开风扇，图3-9为小风扇的电路设计。图3-9小风扇电路图3.3数据处理模块本系统使用的是stc89c51单片机，主要优势在于，封装体积小，价格与其他微控制器相比较低、功率的损耗低、容易扩展、相比同系列单片机性能更优，程序烧写也非常方便，它具有如下功能：8k字节的程序存储空间，512字节数据存储空间，4K字节EEPROM存储空间，可以直接使用串口下载，全双工串行口[13]。单片机通过内部总线使得CPU、随机存储器、只读存储器等功能能够进行数据通信，stc89c51单片机具有丰富的引脚，引脚包括了供电的电源电路、接地、复位电路、连接显示屏电路和用到的传感器模块的接口引脚。单片机内部有一个高增益反相放大器用来产生重复正弦波或者方波电子讯号的电子元件，会构成振荡电路，高增益反相放大器的输入端是引脚RXD输出端是TXD。时钟是由两种方式产生的，外部方式和内部方式，内部方式利用了单片机内部的振荡器，通过在RXD和TXD引脚上外接晶振，就构成了会稳定的自激振荡期。外部方式的时钟电路RXD接地，TXD接外部振荡器。片内时钟发生器把振荡频率两分频，产生一个两相时钟P1和P2，供单片机使用。如图3-10所示stc89c51单片机原理图。图3-10stc89c51单片机原理图。3.4数据通信模块3.4.1ZigBee无线通信模块ZigBee模块的性能和系统的可靠性之间有很大关系，其主要是负责网络的组建。考虑通信距离及成本，本文所选用的CC2530芯片是性能高、功耗低的微控制器，数据保持不变且拥有RF收发器，抗干扰能力强，输出功率高。CC2530是TI公司开发的用于2.4-GHzIEEE802.15.4、ZigBee和RF4CE应用的一个真正的片上系统（SoC）解决方案。它是一个系统解决方案，包含芯片、片内软件以及电路原理图。cc2530有片上系统集成协议栈，系统集成了无线通信协议。开发过程就是在TI给的工程上二次开发。可以快速应用无线通信。cc2530已经有了基本功能和软件框架，开发就是在这个框架下添加新的功能。CC2530芯片由用晶体谐振器和非常少的根据电路的功能，电路的用途等设计的外围电路就能够组成最小电路，可见它的集成度之高，电路中有用来使电路恢复到起始状态的复位电路，有晶振频率在32兆赫和32.768千赫兹的晶体谐振器，在一般情况下，我们会选择32兆赫，如果需要休眠定时唤醒则选择32.768千赫兹。电源的去耦和滤波一般使用C1、C3、C4、C5、C6、c7、c8、c9、c10[14]。CC2530芯片本身有四十个引脚，但因为它本身是要接地的也就是焊盘，所以可以把这个焊盘也当作一个引脚，有两个晶体振荡器，两个都有不同的用处，其中一个是主要为了能够让芯片高速工作的，另一个则是为了让芯片精确度提高的一个低振荡频率的晶体振荡器，这个精确度提高的体现在于定时器或看门狗这种类似的时钟源。用来复位的引脚是20号能够进行无线信号接收与发送功能的引脚是25和26号，电容和电阻的是否准确对接是特别需要注意的，不然可能发生一些小问题，除此之外，还有这一些通用的引脚，这一共有21个，分别是p0和p1还有p2的0-7号引脚，如图3-11CC2530电路图。图3-11CC2530电路图ZigBee的组网步骤是首先把电源开关打开，启动协调器汇聚节点，等待网络初始化的结束后协调器会选择相对空闲的信道，协调器开始组网。然后等待终端节点进入该网络，收到终端节点的加入该网络申请后，协调器为它分配网络唯一的地址，以星形网络举例，网络中出现唯一的协调器和一个终端节点就意味着网络组件成功了，就可以开始无线通信了。3.4.2上位机串口通信由于现在大部分的笔记本电脑、台式电脑都只配有USB接口，并没有串口，因此本系统使用了USB转串口工具，实现与电脑的通信。CH340是一个USB总线的转接芯片，实现USB转串口、USB转IrDA红外或者USB转打印口，可以理解为是设备与外界通讯交流的出口，如图3-9CH340转USB。通常的串行通信串口方式下，CH340提供常用的MODEM联络信号，用于将串口设备与USB进行通讯[15]，如图3-12CH340转USB。图3-12CH340转USBUSB转3线制RS232串口，电路与7.2.节的功能相同，只是输出RS232信号的电平幅度略低。CH340的R232引脚为高电平，启用了辅助RS232功能，只需外加二极管、三极管、电阻和电容就可代替7.2.节中专用的电平转换电路U5，所以硬件成本更低，如图为3-13CH340电路图。CH340串口与电脑进行连接后，使用驱动精灵安装CH340驱动，既可正常通信。图3-13CH340电路图

4系统软件设计 本章节的内容主要是对海鲜产品安全养殖系统的软件设计进行介绍，其中这个设计由两个部分组成分别是上位机和下位机，下位机的设计基于ZigBee终端节点软件设计Z-Stack通信协议设计和传感器模块的数据采集程序组成。上位机主要有VB语言进行养殖系统软件的编写。4.1下位机软件开发设计下位机的软件开发主要基于Z-Stack协议栈实现的,其中这个协议是由TI公司开发的ZigBee协议栈软件，集成开发环境是IAREmbeddedWorkbench。该协议栈的底层协议值提供了编程接口，上层的操作系统和应用层是开源的，由此可得Z-Stack协议栈是半开源的，用户实现所需功能只要在应用层加入就行[16]。Z-Stack和简单的操作系统OS比较类似，处理任务主要通过消息机制和事件轮询，系统可以分为5个阶段：电源启动、硬件初始化、OS初始化、操作系统启动、任务轮询。系统会根据各个任务的优先级从队列名为tasksEvents[]的里面把它们一个个提取并执行。如果某个任务能够在设定的时间内完成，就把[该任务清除;但如果没完成，则把其重新装入队列之中，并把其标志位进行存储，等到下一次进行循环的时候，再对该任务执行。将任务“数据采集”加入到任务列表，定时去启动并运行。在初始化之后，各传感器模块启动，进行数据采集，然后对数据作处理，本次数据采集结束，然后等待下次数据采集任务的开启。4.1.1ZigBee终端节点软件设计养殖环境水质数据的采集、处理发送都是由ZigBee终端节点负责。ZigBee终端检测程序流程是先对硬件初始化，例如初始化传感器，等初始化成功后数据采集程序会开始查找由协调器组件的ZigBee网络，当检测到信标，查找到网络后向协调器发起入网请求，等待成功入网。协调器通过入网请求，会开始读取每个传感器上的数据并进行编码，接下来按一定的周期性调用无线发送函数来将数据发送至协调器[17]。4.1.2传感器数据采集(1)水温/环境湿度数据采集DS18B20和DHT11是数字信号输出的传感器，不需要信号调理电路，减轻使用者因为预处理而造成的负担，可以通过单总数据传输线连接到STC90C58AD单片机上。主要的步骤概况来说就是初始化、发送读写命令、读温度暂存器，如图4-1所示为DS18B20的驱动流程。图4-1DS18B20的驱动流程(2)其他传感器数据采集本系统所使用的其他传感器都采用模拟信号的输出方式，其中pH传感器模拟信号检测到的数据都要经过放大电路，才能够送入单片机内进行AD装换。本设计中，通过STC90C58AD单片机的内部自带的8路10位高速A/D转换器，如图4-2所示为AD数据转换流程图。图4-2AD数据转换流程图4.1.3控制模块软件设计温度、湿度、pH值首先获取到按键设置的极限值参数，当采集到的温度湿度数据超过极限值，并自动打开风扇，进行参数调整，当采集到到pH值超过极限值，自动打开pH值调整开关继电器jdq2，当水量情况为缺水时，打开补水开关继电器jqd1。如图4-3控制模块关键代码。图4-3控制模块关键代码4.2上位机软件开发设计上位机平台软件的开发本系统之所以选择使用VisualBasic语言，是因为它是一种高级的可视化和结构化设计语言，可以利用可视化界面高效得进行开发。上位机平台主要拥有的功能是：实时显示水温、环境湿度、水量情况、PH值的情况，以及下达风扇、PH值继电器、水量继电器的开关控制命令，存放采集到的数据，如图4-4系统功能模块图。图4-4系统功能模块图4.2.1串口、显示模块串口连接通过选择CH340使用的是哪个串口号，打开该串口实现上位机与下位机的数据通信。显示模块负责显示对应传感器所采集到的水体温度数据、环境湿度数据、水位情况及水质pH值的数据，图4-5是上位机软件显示关键代码。图4-5上位机软件显示关键代码4.2.2控制模块控制模块是养殖管理人员能够在软件上手动打开相应环境数据的调节开关，例如管理人员希望温度和湿度处在更为合适的数据，就可以点击风扇，打开风扇开关，进行参数调节，养殖区再多加点水，水位高一点，就可以点击水泵，打开水泵的继电器开关，pH值调节也如此，点击按钮，打开酸碱性调节的继电器开关。风扇水泵pH继电器的控制按钮，使用MSComm控件通过串行端口传输和接收数据，为应用程序提供串行通讯功能，通过Output属性发送数据，如图4-6。图4-6上位机控制开关按钮代码4.2.3数据库设计采集到的海鲜养殖区环境数据存放在数据库中，本系统使用的是MicrosoftOfficeAccess数据库，海鲜产品安全养殖系统软件通过Adocn.Open函数打开数据库，调用Connection函数使得数据显示在软件页面上，如图4-7所示上位机数据显示页面。图4-7上位机数据显示页面在设计数据库的时候，首先进行概念设计，对海鲜养殖区所采集到的数据进行分类、组织，确定实体、实体的属性、实体之间的联系类型，如图4-8数据库实体图。传感器采集数据传感器采集数据温度湿度水位pH值图4-8数据库实体图启动海鲜安全养殖软件系统之后，每天都会新建一张以当天日期命名的表，表中存放的是ds18b20传感器采集的水温数据、dht11传感器采集的环境湿度数据、土壤湿度传感器采集的水位情况数据、pH检测传感器采集的pH值，如表4-1海鲜养殖采集数据信息表所示。表4-1海鲜养殖采集数据信息表字段名数据类型长度大小字段说明温度adVarWChar短文本20采集到的水温湿度adVarWChar短文本20采集到的环境湿度水位adVarWChar短文本20采集到的水位情况pHadVarWChar短文本20采集到的pH酸碱度

5系统测试本系统在硬件软件总体设计完成后，开始动手操作，通过焊接完成了电路板并连接各个传感器、ZigBee等设备，最后进行了测试。测试主要目的是检测系统中各个部件是否能够正常使用通信、系统功能需求是否得到满足，本章分为上位机测试和下位机测试。5.1下位机测试首先进行下位机的测试，首先上电，连接电源，测试时连接的是移动电源，显示屏中T代表当前水温，D代表环境湿度，P代表pH值如图4-7所示。图4-7下位机实物接着将ds18b20防水型温度传感器放置在模拟的养殖容器中，获得水温：26°C。图4-8水温测试测试的温度低度设定的标准温度32°C，所以风扇没有转动，如果水温大于32°C，风扇会自动开启。DHT11传感器检测环境湿度放置在模拟的养殖环境中，测得湿度为85%，如图4-9。图4-9环境湿度测试测试的环境湿度高度标准湿度值，因此风扇开启，转动进行湿度调整。水位情况是通过土壤湿度传感器检测，首先把它放在没有水的养殖容器，右侧继电器红色指示灯亮，代表开启水泵补水装置，如图4-10。图4-10无水右侧补水继电器开启再将土壤湿度传感器处在有水的养殖容器中，右侧水泵补水继电器指示灯不亮，代表继电器关闭，如图4-11。图4-11有水右侧补水继电器关闭pH值检测传感器对水中的酸碱性进行检测，这个测试依赖不同酸碱值的PH校正缓冲液模拟不同酸碱性的水质情况。设定的标准酸碱度为7.7，首先将pH值检测传感器首先放入PH值为6.86的校正缓冲液中，测的pH值为6.8。由于测得的pH值在标准酸碱度7.7之下，所以不打开pH调整控制开关，左侧继电器灯暗，如图4-12所示。图4-12酸碱性为6.8时，左侧继电器灯暗接下来，将首先pH值检测传感器首先放入PH值为9.18的校正缓冲液中，测的pH值为9.0，由于测得的pH值超过标准酸碱度，所以左侧继电器灯亮，打开pH调节控制开关，如图4-13。图4-13酸碱性为9.0时，左侧继电器灯暗5.1上位机测试上位机测试通过CH340接口连接电脑如图4-14，打开软件，打开串口，软件正常显示当前的水温、pH值、环境湿度、水位的情况，如图4-15所示。并且软件有控制功能，当采集到的数值均除标准值内时，管理人员想要更理想的数据，可以点击软件中的对应按钮进行控制打开风扇、补水、pH值调节设备，例如在pH值未超过标准值7.7时，点击pH按钮，还是能够将控制pH调节开关继电器的打开。图4-14CH340接口连接电脑图4-15软件界面同时软件有控制功能，当采集到的数值均除标准值内时，管理人员想要更理想的数据，可以点击软件中的对应按钮进行控制打开风扇、补水、pH值调节设备，例如在pH值未超过标准值7.7时，点击pH按钮，也能够将控制pH调节开关继电器的打开，点击风扇，能够让风扇转动，点击水泵按钮，能够让水泵补水开关继电器打开。综上各功能模块达到系统的设计功能要求，实现了数据的实时在线监测的效果，测试成功！

6结论6.1总结本文以海鲜产品安全养殖的角度出发，对海鲜养殖区的水质、环境因素对海鲜的生长影响进行研究，了解了当前我国海鲜养殖发展的现状及问题。于是，结合ZigBee无限传感网络、从海鲜产品安全养殖智能