ZigBee無(wú)線(xiàn)網(wǎng)箱養殖監控系統方案

一、概述

隨著(zhù)淡水養殖業(yè)中網(wǎng)箱養殖和水池養殖模式的日益推廣和普及，養殖密度的不斷提高，飼料的投放、疾病防治、水溫、水中溶解氧濃度的檢測與控制對提高養殖產(chǎn)量與質(zhì)量非常重要，其中溶解氧濃度檢測與控制成為提高養殖密度和產(chǎn)量的關(guān)鍵。由于水中的溶解氧濃度受水體溫度和季節變化影響，在淡水養殖中，水體加氧是一般根據經(jīng)驗，隨意性較大，由于加氧不及時(shí)而造成養殖損失的現象時(shí)在發(fā)生。

目前，國內應用先進(jìn)的控制技術(shù)進(jìn)行水體溫度和溶解氧濃度監控一般是使用單片機系統，監測信號傳輸使用有線(xiàn)方式，但這種方式存在成本高、系統較為復雜、監測范圍小、抗干擾性差等缺點(diǎn)。無(wú)線(xiàn)傳感器技術(shù)是傳感器技術(shù)與無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )技術(shù)的結合，是一種新興的智能監測與控制技術(shù)，由于其具有低成本、體積小、實(shí)時(shí)性強、功耗低、抗干擾性強、嵌入性好等特點(diǎn)，廣泛應用在工農業(yè)生產(chǎn)中。在淡水養殖生產(chǎn)中，應用無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )技術(shù)進(jìn)行水體溫度與溶解氧濃度等數據的采集與傳送、控制信號的傳輸與加氧控制，改變傳統的生產(chǎn)方式，對提高淡水養殖產(chǎn)量、降低生產(chǎn)成本、減輕勞動(dòng)強度具有重要的意義。

我國海岸線(xiàn)長(cháng)，極其適合發(fā)展深海網(wǎng)箱養殖技術(shù)。但是深海環(huán)境復雜，海水溫度變化大，風(fēng)浪大，給深海網(wǎng)箱養殖技術(shù)的進(jìn)一步推廣帶來(lái)困難。網(wǎng)箱養殖對象的生長(cháng)與外界環(huán)境條件有著(zhù)密切的聯(lián)系，其中起決定性作用的是水體中的溶氧量、餌料和溫度等。由于溫度驟變而未能及時(shí)采取相應預防措施，給網(wǎng)箱養殖業(yè)帶來(lái)巨大的損失是一個(gè)技術(shù)上難以解決的問(wèn)題[.一般用戶(hù)不可能及時(shí)察覺(jué)網(wǎng)箱周?chē)Ｋ疁囟鹊淖兓?，尤其是在晚上。若人為監控溫度變化，可能會(huì )由于各種因素導致漏報或者延時(shí)報警，降低準確性和及時(shí)性。為了進(jìn)一步提高網(wǎng)箱養殖的效率，在合理選擇網(wǎng)箱養殖區域、提高網(wǎng)箱養殖技術(shù)的同時(shí)，無(wú)線(xiàn)自動(dòng)溫度監測系統是發(fā)展深海養殖業(yè)迫切的需要。

二、系統組成

1、數據采集器

數據采集器主要是由電源模塊、溫度傳感器模塊、pH傳感器模塊、水體透明度檢測模塊、溶氧度檢測模塊、單片機控制模塊等組成。電源電路供電，單片機接收獲取溫度傳感器、pH傳感器等采集到的數據，采集到的數據經(jīng)過(guò)單片處理后，送到數據采集器的數據輸出口（RS232或者485）。

2、無(wú)線(xiàn)傳輸設備

前端采用四信F8914 ZigBee模塊，通過(guò)232/485（端子接口）和路燈監控終端內的PLC相連，Zigbee作為一種無(wú)線(xiàn)連接，可工作在2. 14 GHz（全球流行）、868 MHz （歐洲流行）和915 MHz （美國流行） 3個(gè)頻段上，分別具有最高至250 kbit/ s、20 kbit/ s、40 kbit/ s的傳輸速率。該型號設備一般為終端節點(diǎn)，互相之間不能通訊，完成信息的發(fā)送和接收。

ZigBee中心節點(diǎn)采用四信F8114 ZigBee+GPRS模塊，中心節點(diǎn)收到的數據可以通過(guò)串口直接是輸出到服務(wù)器上（前端與服務(wù)器的距離較近）；還可有通過(guò)GPRS把其收到的數據發(fā)送的遠端的服務(wù)器上，GPRS部分采用國際標準TCP/IP通信協(xié)議，且兩種方式都是實(shí)現數據透明傳輸功能。省去了每個(gè)終端的GPRS模塊，只需要中心節點(diǎn)一個(gè)，節約了成本。

3、數據管理中心

1）根據數據采集器每次傳送到數據中心的數據，可以看到網(wǎng)箱各個(gè)水質(zhì)參數的變化情況；網(wǎng)箱的集中管理，可以知道每個(gè)網(wǎng)箱的情況。

2）管理人員可在中心控制室在管理平臺上設定正常溫度范圍，初始位置時(shí)傳感器各軸所測得的加速度分量aX0、aY0、aZ0反映了顯示器相對水平面的傾角（圖4中的θ1、θ2）。如果某網(wǎng)箱溫度超過(guò)設定范圍則中心控制單元通過(guò)聲光等方式報警。

3）并顯示出故障設備的名稱(chēng)、地址和故障類(lèi)型，管理人員可根據養殖實(shí)際情況增添或減少監控網(wǎng)箱節點(diǎn)數目，獲發(fā)明專(zhuān)利一項及廣東省科技進(jìn)提示巡更信號已成功觸發(fā)?？蓪v史數據進(jìn)行記錄，實(shí)現對公共汽車(chē)、地鐵和多人乘坐的車(chē)輛與各種公共交通運輸方式有效地聯(lián)接。并可根據不同組合條件進(jìn)行查詢(xún)，使MCU可以完全按照USB協(xié)議，并生成報表。

三、系統總架構

1、F8914 —— F8914組網(wǎng)

F8914（前端）通過(guò)標準的232/485與路燈監控一級終端里的PLC連接通信，獲取的數據直接通過(guò)2.4G頻率發(fā)送到F8914（中心節點(diǎn)）。F8914（中心節點(diǎn)）通過(guò)串口與服務(wù)器連接，把數據送到后臺，后臺管理軟件對數據進(jìn)行分析。

2、F8914——F8114組網(wǎng)

1）原理框架

F8114首先進(jìn)行GPRS撥號上網(wǎng)，然后自動(dòng)向數據管理中心發(fā)起TCP連接，握手成功后開(kāi)始數據透明傳輸。路燈監控終端把數據集中采集通過(guò)PLC把數據傳給F8914，F8914接到數據后即時(shí)的將數據通過(guò)ZigBee網(wǎng)絡(luò )傳送到F8114.F8114通過(guò)GPRS數據管理中心將上傳的數據進(jìn)行分析處理，得出直觀(guān)的結果和相應的指令通過(guò)GPRS網(wǎng)絡(luò )發(fā)送給F8114，再通過(guò)ZigBee網(wǎng)絡(luò )傳送到F8914即時(shí)通過(guò)232/485傳送給PLC，PLC根據指令對路燈做出相應的控制處理。

2）數據中心網(wǎng)絡(luò )接入方式

◆專(zhuān)線(xiàn)接入

中心采用APN專(zhuān)線(xiàn)，所有點(diǎn)都采用內網(wǎng)固定IP客戶(hù)中心通過(guò)一條2M APN專(zhuān)線(xiàn)接入移動(dòng)公司GPRS網(wǎng)絡(luò )，雙方互聯(lián)路由器之間采用私有固定IP地址進(jìn)行廣域連接，在GGSN與移動(dòng)公司互聯(lián)路由器之間采用GRE隧道。為客戶(hù)分配專(zhuān)用的APN，普通用戶(hù)不得申請該APN.用于GPRS專(zhuān)網(wǎng)的SIM卡才能進(jìn)入專(zhuān)網(wǎng)APN，防止其他非法用戶(hù)的進(jìn)入。用戶(hù)在內部建立RADIUS服務(wù)器，作為內部用戶(hù)接入的遠程認證服務(wù)器（或在A(yíng)PN路由器內，啟用路由器本地認證功能）。只有通過(guò)認證的用戶(hù)才允許接入，用以保證用戶(hù)內部安全。

用戶(hù)在內部建立DHCP服務(wù)器（或在A(yíng)PN路由器內，啟用DHCP功能），為通過(guò)認證的用戶(hù)分配用戶(hù)內部地址。移動(dòng)終端和服務(wù)器平臺之間采用端到端加密，避免信息在整個(gè)傳輸過(guò)程中可能的泄漏。雙方采用防火墻進(jìn)行隔離，并在防火墻上進(jìn)行IP地址和端口過(guò)濾。此種方案無(wú)論實(shí)時(shí)性，安全性和穩定性較前一種方案都有大大提高，適合于安全性要求較高、數據點(diǎn)比較多、實(shí)時(shí)性要求較高的應用環(huán)境。在資金允許的情況下之最佳組網(wǎng)方式。

◆ADSL撥號連接（動(dòng)態(tài)公網(wǎng)IP地址）

中心采用ADSL等INTELNET公網(wǎng)連接，采用公網(wǎng)動(dòng)態(tài)IP+DNS解析服務(wù)的?？蛻?hù)先與DNS服務(wù)商聯(lián)系開(kāi)通動(dòng)態(tài)域名，IP MODEM先采用域名尋址方式連接DNS服務(wù)器，再由DNS服務(wù)器找到中心公網(wǎng)動(dòng)態(tài)IP，建立連接。此種方式可以大大節約公網(wǎng)固定IP的費用，但穩定性受制于DNS服務(wù)器的穩定，所以要尋找可靠的DNS服務(wù)商。此種方案適合小規模應用。

◆通過(guò)固定公網(wǎng)IP連接

中心采用ADSL等INTELNET公網(wǎng)連接，采用公網(wǎng)固定IP服務(wù)的。此種方案先向INTERNET運營(yíng)商申請ADSL等寬帶業(yè)務(wù)，中心有公網(wǎng)固定IP的。IP MODEM直接向中心發(fā)起連接。運行可靠穩定，推薦此種方案。