论文部分内容阅读
摘要：水产养殖企业的水质好坏关系到水产动物的生活环境，直接影响了企业经济效益。通过无线传感器网络，实现水产养殖水质状况的实时监测。池塘各个检测点的传感器获取池塘的水温、溶氧值、酸碱度等参数；无线传感器网络各节点传感器采集到的数据经路由汇总，通过GPRS模块及时远传至监控中心；依据水质指标系统数据，从而制定相应的水质调节措施或自动启动相应设备调节水质，实现足不出户监测池塘的水质状况。
关键词： 无线传感器网络；水产养殖；水质监测；ZigBee
中图分类号：TP393 文献标识码：A 文章编号：1009-3044（2015）05-0263-03
Monitoring of Water Quality in Aquaculture Based Wireless Sensor Networks
ZHANG Lin-jiang，LIU Zhi-long，TANG Guo-pan
（Henan University of Animal Husbandry and Economy， Zhengzhou 450011，China）
Abstract：Water quality of aquaculture enterprises related to aquatic animals living environment， directly affect the economic efficiency of enterprises. Through wireless sensor networks， real-time monitoring of water quality in aquaculture. Sensor detection points each pond obtain pond water temperature， dissolved oxygen value， pH and other parameters； wireless sensor network each node sensor data collected by the route summary， through GPRS module remote in time to the monitoring center； water quality index system based on the data， thus develop appropriate water quality regulation measures or automatically start the appropriate equipment to regulate water quality， to achieve water quality monitoring homes pond.
Key words： Wireless sensor networks； aquaculture； water quality monitoring； ZigBee
长期以来，我国水产养殖企业多以追求产量、短期经济效益为目标，保护养殖水质意识淡薄，养殖病害逐年加重，时有药物滥用现象发生，养殖水域环境遭到不同程度的破坏，水产品质量安全得不到有效保障，解决水产养殖水质状况已经成为水产养殖业持续健康发展的重要研究方向。水质良好程度对水产养殖（鱼、虾、螃蟹等）具有十分重要的作用。从水产养殖环境的角度出发，及时掌握水产养殖水质变化，有效规避养殖风险，提高养殖产量，建立成本合理、反馈实时性高的水质监测网络才能有效保障养殖安全。
1 水产养殖水质监测现状分析
目前，国内水产养殖业大多还是通过人工取样、化学分析的检测方式进行水质监测，耗时费力、实效性差，一些水质指标的检测还需要有专业人员进行操作。由于市场上的水质监测仪器价格昂贵，各水产养殖公司、水产研究机构和水产院校除极少数配备了以外，一般单位不会采用这种监测仪器。随着水产养殖业的信息化技术的发展，水产行业将发生经营手段的转变，逐步选择先进的、成本低廉的水质监测系统服务于养殖作业流程。
2 无线传感器网络水质监测技术
本研究基于无线传感器网络，通过ZigBee、GPRS、视频监控等信息化技术手段，实现水产企业远程水质环境信息监测，顺应信息化时代的要求。
2.1 无线传感器网络
无线传感器网络主要包含有节点、网关和软件。在无线传感器网络中，测量节点与传感器连接，路由器就是一种测量节点，它能延长无线传感器网络的传输距离，并能增加可靠性。数目巨大的传感器节点通过随机或固定布撒的方式，布置在给定的监测区域，每个节点收集监测目标区域的信息，采集到的数据通过多跳的方式传送到网关节点，称为汇聚节点（sink节点）。汇聚节点将收集到的数据直接或通过互联网和卫星上报给管理者。使用软件平台对数据进行采集、加工、分析和显示。无线传感器网络如图1所示。
2.2 ZigBee
本研究所采用的ZigBee技术是一种成本、功耗和速率都较低的双向无线通讯技术。主要用于短距离、低功耗、传输速率要求不高的各种电子设备之间进行数据传输，可工作在2.14GHz、868MHz和915MHz3个频段上，它的传输距离在10m至75m的范围内。具有ZigBee功能的设备能非常容易的在一个小范围内组成临时专用网络，方便地建立一种标准的无线连接，取代有线电缆进行数据传输。
2.3 传感器
传感器能按一定规律能将感受到被测量的信息转换成为电信号，输出其他所需形式的信息，满足信息的传输处理和存储等要求。传感器的智能化让物体有了人类一样的触觉、味觉、嗅觉等感应器官。使用环境监测传感器采集池水温度、PH值、溶氧值、亚硝酸盐、氨氮、硫化氢、CO2浓度等衡量池塘水质好坏的环境信息，监控养殖场环境，确保养殖安全。 2.4 GPRS
GPRS（General Packet Radio Service），是一项基于GSM系统高速数据处理的无线分组交换技术，以"分组"的形式传送资料到使用者，提供端到端与广域的无线IP连接。本研究通过GPRS网络实现了水质监测数据的远程网络监控。
2.5 B/S和移动终端
B/S（浏览器/服务器）的客户端用户界面是浏览器，服务器端由WEB和数据库服务器进行数据交互的系统架构。水质监测系统采用B/S架构模式， 简化了系统开发的流程，管理者可以随时随地在系统平台监测水产养殖环境信息，使用和维护非常方便快捷。
2.6 视频监控
在水产养殖场，实现对养殖环境全过程视频监控，能够及时发现由于极端天气引起的养殖场水质快速变化和水产动物异常反应问题，并采取相应措施，在节约人力成本、提升安全管理水平方面起到明显作用。项目采纳了深圳福斯康姆智能科技有限公司的视频监控方案，在养殖场安装无线网络视像头，通过WIFI连接互联网，基于百度云平台实现了养殖场的视频管理监控。同时，视频监控实现了手机APP的在线浏览，管理者可以通过手机实现养殖场各种场景的实时视频监控。
3 无线传感器网络水质监测系统设计研究
基于ZigBee技术，设计以由CC2530微处理器芯片和CC2591射频前端组建的无线传感器网络硬件电路，构建由协调器、路由器、传感器节点等组成的无线传感器网络系统。以无线传感器网络为主要研究对象，根据水产养殖水质环境监测的特点，采用ZigBee无线传感器网络技术建立了一个水产养殖水质监测系统。在该系统中，传感器节点可对养殖水质环境信息进行采集，然后将采集到的信息通过无线网络发送到协调器节点；协调器节点再通过串口将数据按照规定的格式发往数据管理中心，数据中心根据这些数据进行合理的决策和管理，从而实现了科学的水产养殖。基于无线传感器网络的水质监控系统由传感器节点、数据采集汇聚节点、GPRS数据传输、智能控制系统（PC机或手机智能控制）四部分组成，如图2所示。
3.1 传感器节点
考虑到亚硝酸盐传感器、氨氮传感器、硫化氢传感器价格比较贵，实验池塘监测代价可能太高，目前设计为三路传感器，分别为水温传感器、PH 值传感器、溶解氧传感器，智能控制平台预留检测模块，方便以后扩充检测功能。传感器环境节点负责对水质环境信息的采集、处理和发送。
3.2 数据采集汇聚节点
汇聚节点网关部分主要包括CC2530微处理器芯片和CC2591射频前端，遵循RS232串口通信协议进行通信、数据传输，依据ZigBee协议进采集各个传感器节点发送来的数据。该模块放在一防护等级为 IP65 的防水盒中（可防止淋雨），主要实现对多路传感器节点信号的路由、采集、放大、曲线校准、串口发送、告警等功能。数据通过 RS232 串口发送给GPRS数传设备。
3.3 GPRS数据传输
采用GPRS无线网络实现远距离数据双向透明传输的设备，无需搭建有线网，建设和维护成本低。在 GPRS 传输过程中数据按客户数据帧传输，避免一帧用户数据被多次打包发送，从而导致流量增大的情况；采用动态域名解析方式，节省服务器端固定IP 的使用费；自带设备与 SIM 卡绑定功能，防止 SIM 卡被盗用替换；数据按帧发送，采用完备的防掉线机制，节省流量，保证数据终端永远在线。
3.4 智能控制系统
传感器采集存储的养殖水环境的水温、PH值、溶氧度（DO）等多个水质参数，可通过GPRS向数据监测中心发送采集的数据，并通过手机短信的方式向集约化水产养殖管理者发送水质DO预警信息。管理者除了可通过计算机或智能手机查看和控制，按照设定的时间采集水质状况数据，将数据呈现在曲线图上，根据实际水质状况，系统自动或手动打开增氧机、喷洒水质调理剂等方式改善水质。
4 基于无线传感器网络的水质监测优势
1）预防风险。基于无线传感器网络的水质监测系统操作简单、数值输出快而精确，实时的监控并快速采取相应措施，预防极端气候造成水质指标超标引起的病害，规避水产养殖业的养殖风险。
2）安装和扩展方便。本监测系统免布线、维护方便、扩展性好，ZigBee无线网络可以独立于具体的应用环境，对系统进行相应的修改就可很容易扩展到其他应用领域。
3）不间断监测。可实时24小时连续的采集和记录监测点位的水温、溶氧、氨氮、PH值等各项参数情况，实时显示和记录存储监测信息。
4）监控方便。不管在办公室还是在家中，通过任何一台接入互联网的电脑或智能手机都可以访问监控数据，在线查看监控点位的水质变化情况，实现远程监测。
5）强大的数据处理能力。监测系统能绘制柱状图和饼图，可随时打印每时刻的水温、溶氧，氨氮、PH值等数据及运行报告。
5 结束语
随着我国农业信息化应用的迅速发展，水产集约化养殖采用新的网络技术已逐渐成为养殖业的关注的热点。研究设计基于ZigBee技术的无线传感器网络水质监测系统，对水产养殖各种水质环境因子的实时监测，并且为进一步降低养殖成本，规避风险，提高养殖收益，实现科学养殖提供一种可行的信息化技术手段。
参考文献：
[1] 刘新辉， 曹博， 刘新光 等. 基于GPRS短消息的水质参数无线监测系统设计[J]. 兰州工业高等专科学校学报， 2012（12）： 1-5.
[2] 李余琪. 基于多传感器信息融合的水质监控系统研究[J]. 计算机测量与控制， 2013（4）： 968-971.
[3] 王钟， 张盛龙， 房安康 等. 基于无线传感器网络的温室控制系统的设计[J]. 安徽农业科学， 2015（9）： 374-376.
[4] 夏朝俊， 顾春新， 李彬. 精准农业无线传感器网络的研究与实现[J]. 机电工程， 2015（3）： 439-442.
[5] 曾宝国， 刘美岑. 基于物联网的水产养殖水质实时监测系统[J]. 计算机系统应用， 2013（6）： 53-56.
[6] 李文仲， 段朝玉. ZigBee2007/PRO协议栈实验与实践[M]. 北京： 北京航空航天大学出版社， 2009.
[7] 王立岩， 杨世凤. 基于ZigBee技术的温室环境检测系统设计[J]. 天津科技大学学报， 2011（2）： 60-63.
[8] KAPOOR N， BHATIA N， KUMAR S， et al.Wireless sensor networks：a profound technology[J]. International Journal on Computer Science and Technology， 2011， 2（2）： 211-215.
关键词： 无线传感器网络；水产养殖；水质监测；ZigBee
中图分类号：TP393 文献标识码：A 文章编号：1009-3044（2015）05-0263-03
Monitoring of Water Quality in Aquaculture Based Wireless Sensor Networks
ZHANG Lin-jiang，LIU Zhi-long，TANG Guo-pan
（Henan University of Animal Husbandry and Economy， Zhengzhou 450011，China）
Abstract：Water quality of aquaculture enterprises related to aquatic animals living environment， directly affect the economic efficiency of enterprises. Through wireless sensor networks， real-time monitoring of water quality in aquaculture. Sensor detection points each pond obtain pond water temperature， dissolved oxygen value， pH and other parameters； wireless sensor network each node sensor data collected by the route summary， through GPRS module remote in time to the monitoring center； water quality index system based on the data， thus develop appropriate water quality regulation measures or automatically start the appropriate equipment to regulate water quality， to achieve water quality monitoring homes pond.
Key words： Wireless sensor networks； aquaculture； water quality monitoring； ZigBee
长期以来，我国水产养殖企业多以追求产量、短期经济效益为目标，保护养殖水质意识淡薄，养殖病害逐年加重，时有药物滥用现象发生，养殖水域环境遭到不同程度的破坏，水产品质量安全得不到有效保障，解决水产养殖水质状况已经成为水产养殖业持续健康发展的重要研究方向。水质良好程度对水产养殖（鱼、虾、螃蟹等）具有十分重要的作用。从水产养殖环境的角度出发，及时掌握水产养殖水质变化，有效规避养殖风险，提高养殖产量，建立成本合理、反馈实时性高的水质监测网络才能有效保障养殖安全。
1 水产养殖水质监测现状分析
目前，国内水产养殖业大多还是通过人工取样、化学分析的检测方式进行水质监测，耗时费力、实效性差，一些水质指标的检测还需要有专业人员进行操作。由于市场上的水质监测仪器价格昂贵，各水产养殖公司、水产研究机构和水产院校除极少数配备了以外，一般单位不会采用这种监测仪器。随着水产养殖业的信息化技术的发展，水产行业将发生经营手段的转变，逐步选择先进的、成本低廉的水质监测系统服务于养殖作业流程。
2 无线传感器网络水质监测技术
本研究基于无线传感器网络，通过ZigBee、GPRS、视频监控等信息化技术手段，实现水产企业远程水质环境信息监测，顺应信息化时代的要求。
2.1 无线传感器网络
无线传感器网络主要包含有节点、网关和软件。在无线传感器网络中，测量节点与传感器连接，路由器就是一种测量节点，它能延长无线传感器网络的传输距离，并能增加可靠性。数目巨大的传感器节点通过随机或固定布撒的方式，布置在给定的监测区域，每个节点收集监测目标区域的信息，采集到的数据通过多跳的方式传送到网关节点，称为汇聚节点（sink节点）。汇聚节点将收集到的数据直接或通过互联网和卫星上报给管理者。使用软件平台对数据进行采集、加工、分析和显示。无线传感器网络如图1所示。
2.2 ZigBee
本研究所采用的ZigBee技术是一种成本、功耗和速率都较低的双向无线通讯技术。主要用于短距离、低功耗、传输速率要求不高的各种电子设备之间进行数据传输，可工作在2.14GHz、868MHz和915MHz3个频段上，它的传输距离在10m至75m的范围内。具有ZigBee功能的设备能非常容易的在一个小范围内组成临时专用网络，方便地建立一种标准的无线连接，取代有线电缆进行数据传输。
2.3 传感器
传感器能按一定规律能将感受到被测量的信息转换成为电信号，输出其他所需形式的信息，满足信息的传输处理和存储等要求。传感器的智能化让物体有了人类一样的触觉、味觉、嗅觉等感应器官。使用环境监测传感器采集池水温度、PH值、溶氧值、亚硝酸盐、氨氮、硫化氢、CO2浓度等衡量池塘水质好坏的环境信息，监控养殖场环境，确保养殖安全。 2.4 GPRS
GPRS（General Packet Radio Service），是一项基于GSM系统高速数据处理的无线分组交换技术，以"分组"的形式传送资料到使用者，提供端到端与广域的无线IP连接。本研究通过GPRS网络实现了水质监测数据的远程网络监控。
2.5 B/S和移动终端
B/S（浏览器/服务器）的客户端用户界面是浏览器，服务器端由WEB和数据库服务器进行数据交互的系统架构。水质监测系统采用B/S架构模式， 简化了系统开发的流程，管理者可以随时随地在系统平台监测水产养殖环境信息，使用和维护非常方便快捷。
2.6 视频监控
在水产养殖场，实现对养殖环境全过程视频监控，能够及时发现由于极端天气引起的养殖场水质快速变化和水产动物异常反应问题，并采取相应措施，在节约人力成本、提升安全管理水平方面起到明显作用。项目采纳了深圳福斯康姆智能科技有限公司的视频监控方案，在养殖场安装无线网络视像头，通过WIFI连接互联网，基于百度云平台实现了养殖场的视频管理监控。同时，视频监控实现了手机APP的在线浏览，管理者可以通过手机实现养殖场各种场景的实时视频监控。
3 无线传感器网络水质监测系统设计研究
基于ZigBee技术，设计以由CC2530微处理器芯片和CC2591射频前端组建的无线传感器网络硬件电路，构建由协调器、路由器、传感器节点等组成的无线传感器网络系统。以无线传感器网络为主要研究对象，根据水产养殖水质环境监测的特点，采用ZigBee无线传感器网络技术建立了一个水产养殖水质监测系统。在该系统中，传感器节点可对养殖水质环境信息进行采集，然后将采集到的信息通过无线网络发送到协调器节点；协调器节点再通过串口将数据按照规定的格式发往数据管理中心，数据中心根据这些数据进行合理的决策和管理，从而实现了科学的水产养殖。基于无线传感器网络的水质监控系统由传感器节点、数据采集汇聚节点、GPRS数据传输、智能控制系统（PC机或手机智能控制）四部分组成，如图2所示。
3.1 传感器节点
考虑到亚硝酸盐传感器、氨氮传感器、硫化氢传感器价格比较贵，实验池塘监测代价可能太高，目前设计为三路传感器，分别为水温传感器、PH 值传感器、溶解氧传感器，智能控制平台预留检测模块，方便以后扩充检测功能。传感器环境节点负责对水质环境信息的采集、处理和发送。
3.2 数据采集汇聚节点
汇聚节点网关部分主要包括CC2530微处理器芯片和CC2591射频前端，遵循RS232串口通信协议进行通信、数据传输，依据ZigBee协议进采集各个传感器节点发送来的数据。该模块放在一防护等级为 IP65 的防水盒中（可防止淋雨），主要实现对多路传感器节点信号的路由、采集、放大、曲线校准、串口发送、告警等功能。数据通过 RS232 串口发送给GPRS数传设备。
3.3 GPRS数据传输
采用GPRS无线网络实现远距离数据双向透明传输的设备，无需搭建有线网，建设和维护成本低。在 GPRS 传输过程中数据按客户数据帧传输，避免一帧用户数据被多次打包发送，从而导致流量增大的情况；采用动态域名解析方式，节省服务器端固定IP 的使用费；自带设备与 SIM 卡绑定功能，防止 SIM 卡被盗用替换；数据按帧发送，采用完备的防掉线机制，节省流量，保证数据终端永远在线。
3.4 智能控制系统
传感器采集存储的养殖水环境的水温、PH值、溶氧度（DO）等多个水质参数，可通过GPRS向数据监测中心发送采集的数据，并通过手机短信的方式向集约化水产养殖管理者发送水质DO预警信息。管理者除了可通过计算机或智能手机查看和控制，按照设定的时间采集水质状况数据，将数据呈现在曲线图上，根据实际水质状况，系统自动或手动打开增氧机、喷洒水质调理剂等方式改善水质。
4 基于无线传感器网络的水质监测优势
1）预防风险。基于无线传感器网络的水质监测系统操作简单、数值输出快而精确，实时的监控并快速采取相应措施，预防极端气候造成水质指标超标引起的病害，规避水产养殖业的养殖风险。
2）安装和扩展方便。本监测系统免布线、维护方便、扩展性好，ZigBee无线网络可以独立于具体的应用环境，对系统进行相应的修改就可很容易扩展到其他应用领域。
3）不间断监测。可实时24小时连续的采集和记录监测点位的水温、溶氧、氨氮、PH值等各项参数情况，实时显示和记录存储监测信息。
4）监控方便。不管在办公室还是在家中，通过任何一台接入互联网的电脑或智能手机都可以访问监控数据，在线查看监控点位的水质变化情况，实现远程监测。
5）强大的数据处理能力。监测系统能绘制柱状图和饼图，可随时打印每时刻的水温、溶氧，氨氮、PH值等数据及运行报告。
5 结束语
随着我国农业信息化应用的迅速发展，水产集约化养殖采用新的网络技术已逐渐成为养殖业的关注的热点。研究设计基于ZigBee技术的无线传感器网络水质监测系统，对水产养殖各种水质环境因子的实时监测，并且为进一步降低养殖成本，规避风险，提高养殖收益，实现科学养殖提供一种可行的信息化技术手段。
参考文献：
[1] 刘新辉， 曹博， 刘新光 等. 基于GPRS短消息的水质参数无线监测系统设计[J]. 兰州工业高等专科学校学报， 2012（12）： 1-5.
[2] 李余琪. 基于多传感器信息融合的水质监控系统研究[J]. 计算机测量与控制， 2013（4）： 968-971.
[3] 王钟， 张盛龙， 房安康 等. 基于无线传感器网络的温室控制系统的设计[J]. 安徽农业科学， 2015（9）： 374-376.
[4] 夏朝俊， 顾春新， 李彬. 精准农业无线传感器网络的研究与实现[J]. 机电工程， 2015（3）： 439-442.
[5] 曾宝国， 刘美岑. 基于物联网的水产养殖水质实时监测系统[J]. 计算机系统应用， 2013（6）： 53-56.
[6] 李文仲， 段朝玉. ZigBee2007/PRO协议栈实验与实践[M]. 北京： 北京航空航天大学出版社， 2009.
[7] 王立岩， 杨世凤. 基于ZigBee技术的温室环境检测系统设计[J]. 天津科技大学学报， 2011（2）： 60-63.
[8] KAPOOR N， BHATIA N， KUMAR S， et al.Wireless sensor networks：a profound technology[J]. International Journal on Computer Science and Technology， 2011， 2（2）： 211-215.