基于无线传感器网络技术的水产养殖场信息获取系统

摘 要：随着耕地与水资源的日益减少和人们对高质量水产品需求量的不断增大，越来越多的人们开始尝试推广工厂化的高密度水产养殖方式。而目前尚欠缺一种适应于工厂化高密度水产养殖模式的高效、安全且经济适用的养殖场水体环境在线监测系统。文中的基于ZigBee技术构建水体信息无线实时监测网络方案便是为解决这一问题而做出的有效尝试。

关键词：无线传感器网络；工厂化水产养殖；水环境；实时监测

中图分类号：TP212 文献标识码：A 文章编号：2095-1302（2014）08-0032-02

0 引 言

中国是水产养殖大国，世界上百分之七十左右的水产养殖产量来自于中国境内。目前，国内多数的水产养殖场在技术上都处于较为原始的阶段，主要依据个人经验进行生产管理。由于市场竞争日趋激烈，大量养殖场都转而采用大幅度提高养殖密度的方式来获得更多利润，这使得过去在自然水体中进行散养的陈旧经验不再可靠。对水环境不能及时了解，是养殖场面临的最大风险。一次严重的缺氧就可能对生产造成毁灭性的打击。同时，水环境管理不善使得鱼病丛生，养殖者不得不使用大量的药物保证养殖对象的存活，这又对食品安全造成了很大威胁。随着全社会对食品安全的持续关注，这样的生产方法已经不能适应社会的需求。水产养殖行业急需一种更精细的生产管理模式。

而阻碍水产养殖业进行精细化生产转型的最大阻力便是成本，尤其是各种测量和通信设备的安装和使用成本。目前欧美发达国家的养殖场普遍套用工厂的管理模式，大量使用现场总线和工业计算机等自动化设备对各类传感器进行组网，并聘用懂得使用此类设备的高技术人才进行运营。这些设备的一次性投入过于巨大，超出了国内绝大多数养殖场的承受能力，且对使用者的要求过高，目前国内的绝大多数养殖场尚无可能招聘到此类人才从事养殖工作。

随着物联网技术的不断完善，一种基于无线传感器网络技术的新型信息管理方案有望解决这一困局。

1 技术方案

1.1 适用场合

本文所论述的解决方案适用于已经初步具备高密度水产养殖能力的装备了人工增氧和基本水处理设备，而尚无可靠的水环境信息获取能力的养殖场所。

1.2 系统结构

本方案包含一个基于ZigBee技术的无线传感器网络，实现各类信息采集设备的无线通讯，并将采集得来的信息经汇总后发送到用户需要的终端。

用于信息采集的设备主要是各类传感器。传感器可收集水体溶氧、温度、浊度、氧化还原电位等信息。每个传感器均与一个ZigBee终端及一个小型充电电池组成一个完整的探测单元。该探测单元可以被自由的安放在任何需要的位置，无需布线。ZigBee终端可与ZigBee的其它单元配合形成一个自组织的无线网络，并通过ZigBee网关将探头收集的数据传输至网络。用户可通过电脑或移动终端通过网络随时查阅这些信息。图1所示是无线传感器网络组网结构示意图。

1.3 系统参数

本方案使用的芯片为采用IEEE 802.15.4标准的CC2430系列ZigBee芯片。在硬件设计上，针对路由节点的功率不同采用两种可选方案。

其中普通方案适用于养殖场所中安放ZigBee测量终端与路由节点的位置相隔不太远且可视的情况。普通路由节点使用CC2430片上系统集成的CC2420RF收发器，经测试可保证可视距离60 m内的数据传输。此种设计最大的优势就是供电方式非常灵活，且续航时间长。

而针对养殖场各个部分相距较远或中间有物理隔断的情况，可选择大功率路由节点。大功率路由节点在普通节点的基础上增加了一个CC2591射频前端，并通过TPS73033电源模块进行供电。经测试，大功率路由节点可间隔3堵厚约30 cm的混凝土墙或400 m以上的可视距离进行数据传输。

1.4 网络拓扑

为了尽可能适应复杂多变的养殖场结构，本方案采用网状网路由的方式对网络进行自组织。此种网络拓扑方式采用自组织按需矢量简化算法（AODVjr ），适用于养殖场的数据传输需要，即拓扑或通信环境有时会发生变化且需要传输的数据量不大（主要是温度、溶氧量、浊度、氧化还原电位等简单数值信息）的情况。

2 功能应用

2.1 数据获取

利用CC2430片上系统自带的ADC模块，可将各类传感器提供的电压信号转化成数字信号，并统一编码发送。可集成的传感器有溶氧探头、温度探头、浊度探头、氧化还原电位探头等。基本满足了水产养殖的水环境监测要求。

2.2 数据传输

采用ZigBee技术的数据传输速度介于20～250 Kb/s，而每个传感器每次所需传输的数据只有几个字节的大小，数据传输的延迟几乎感受不到。

2.3 节点分布

ZigBee网关的安放应在保证可以连接英特网的情况下尽量位于养殖场的中心位置。每个路由节点的安放应保证其有效通信半径内包含网关或至少一个可与网关通信的路由节点。每个测量终端的安放应保证其位于至少一个路由节点的有效通信半径内。

2.4 信息获取

用户可简单的通过移动设备或电脑访问英特网查询养殖场的实时水环境信息。该信息会依据设置定期刷新。用户与养殖场的通信联络如图2所示。

3 技术优势

与西方目前普遍采用的基于现场总线和工业计算机的养殖场数据采集方式相比，本文所论述的方案在某些方面具有优势，具体情况如表1所列。

4 结 语

本文提供了一个用于提高水产养殖场管理水平和信息化程度的基于物联网技术的解决方案。该方案尚不包括对养殖场中的设备进行自动化控制的功能。这种控制功能的实现还有待于一个专家系统的建立作为依据，依照系统中储存的对特定养殖对象最合适的环境参数对养殖场的设备工作情况进行统筹的安排。这将是本方案未来继续改进和提高的方向。

参 考 文 献

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