李瑞華,孔曉紅,何軍和

（河南科技學(xué)院,河南新鄉(xiāng)453003）

基于WSN的遠(yuǎn)程水產(chǎn)養(yǎng)殖監(jiān)控系統(tǒng)

李瑞華,孔曉紅,何軍和

（河南科技學(xué)院,河南新鄉(xiāng)453003）

設(shè)計(jì)一種基于無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)的水產(chǎn)養(yǎng)殖監(jiān)控系統(tǒng).方案利用CC2530芯片和外圍接口搭建系統(tǒng)硬件,基于ZigBee協(xié)議棧與GPRS結(jié)合的技術(shù),實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控.采用VB語(yǔ)言編寫(xiě)系統(tǒng)的上位機(jī)界面,通過(guò)網(wǎng)絡(luò)實(shí)時(shí)監(jiān)控現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行情況,并且可以根據(jù)實(shí)際情況調(diào)整設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài),自動(dòng)記錄歷史數(shù)據(jù),方便查詢(xún)分析.

無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)；ZigBee；CC2530；水產(chǎn)養(yǎng)殖；GPRS

傳統(tǒng)水產(chǎn)養(yǎng)殖業(yè)普遍存在缺少有效的監(jiān)控方式,人工作業(yè)量大等缺點(diǎn).為了能夠解決這些問(wèn)題,本文設(shè)計(jì)基于無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)的自動(dòng)監(jiān)控系統(tǒng),采用無(wú)線(xiàn)通信方式監(jiān)測(cè)養(yǎng)殖場(chǎng)所的各種參數(shù)和設(shè)備運(yùn)行情況,極大提高事故預(yù)警和反應(yīng)時(shí)間,使得遠(yuǎn)程監(jiān)控可靠方便.目前,無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)在家電智能化、醫(yī)療領(lǐng)域、城市停車(chē)控制等諸多領(lǐng)域有著廣泛的使用[1-7].基于ZigBee技術(shù)的無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)WSN（wireless sensor network）具有：通訊頻段多、組網(wǎng)能力強(qiáng)、功耗低、實(shí)時(shí)監(jiān)控能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn).ZigBee無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)通過(guò)眾多節(jié)點(diǎn)無(wú)線(xiàn)組網(wǎng),不需要架設(shè)固定線(xiàn)路,維護(hù)管理簡(jiǎn)單,便于擴(kuò)展.GPRS是通用分組無(wú)線(xiàn)服務(wù)技術(shù),適用于間斷的、突發(fā)性的和頻繁的數(shù)據(jù)傳輸.因此,本文采用ZigBee與GPRS結(jié)合的無(wú)線(xiàn)通訊技術(shù),實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的遠(yuǎn)程監(jiān)控和數(shù)據(jù)傳輸[2-3].二者優(yōu)勢(shì)互補(bǔ),既能實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制,又可以靈活方便的控制,還降低了成本.

1 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

1.1 系統(tǒng)總體框架

如圖1所示,根據(jù)功能要求設(shè)計(jì)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)由GPRS模塊,ZigBee協(xié)調(diào)器模塊,ZigBee路由器模塊, ZigBee終端節(jié)點(diǎn)模塊,繼電器模塊,傳感器模塊等組成[8-10].

監(jiān)控中心通過(guò)GPRS公網(wǎng)連接到現(xiàn)場(chǎng)GPRS模塊,GPRS模塊通過(guò)RS-232接口與ZigBee協(xié)調(diào)器連接.各個(gè)ZigBee終端節(jié)點(diǎn)定時(shí)檢測(cè)各個(gè)設(shè)備的工作狀態(tài),并且實(shí)時(shí)上傳到ZigBee協(xié)調(diào)器,協(xié)調(diào)器將收到的數(shù)據(jù)通過(guò)GPRS模塊傳到監(jiān)控中心,上位機(jī)軟件對(duì)收到的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析,并且實(shí)時(shí)顯示現(xiàn)場(chǎng)信息.用戶(hù)也可以在監(jiān)控中心,通過(guò)上位機(jī)遠(yuǎn)程發(fā)送控制指令到GPRS模塊,該模塊將數(shù)據(jù)傳給ZigBee協(xié)調(diào)器, ZigBee協(xié)調(diào)器采取廣播的方式,將控制指令發(fā)送給各個(gè)ZigBee路由器模塊和ZigBee終端節(jié)點(diǎn)模塊,通過(guò)控制與之相連的繼電器模塊的通斷,最終達(dá)到遠(yuǎn)程監(jiān)控養(yǎng)殖場(chǎng)的目的.

圖1 系統(tǒng)總體框圖Fig.1 The overall frame

1.2 無(wú)線(xiàn)傳輸模塊

ZigBee網(wǎng)絡(luò)的協(xié)調(diào)器、路由器模塊和終端節(jié)點(diǎn)模塊都涉及無(wú)線(xiàn)傳輸,只是功能設(shè)定不同.本設(shè)計(jì)采用的無(wú)線(xiàn)傳輸模塊如圖2所示,以CC2530芯片為主要元件構(gòu)成硬件平臺(tái),在該硬件平臺(tái)上移植ZigBee協(xié)議棧Z—Stack,實(shí)現(xiàn)無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)的自組網(wǎng)以及網(wǎng)絡(luò)模塊間信息的傳遞.

圖2 無(wú)線(xiàn)傳輸模塊Fig.2 Wireless transmission module

1.3 串口通信接口

系統(tǒng)協(xié)調(diào)器和GPRS模塊之間采用RS232接口通訊,使用簡(jiǎn)單方便,接口電路見(jiàn)圖3.

圖3 串口接口電路Fig.3 A serial port interface circuit

1.4 繼電器模塊

在控制現(xiàn)場(chǎng),有一些設(shè)備需要根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行開(kāi)關(guān),如供氧系統(tǒng).通過(guò)終端節(jié)點(diǎn)發(fā)送控制信號(hào)控制繼電器的通斷,以控制現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的啟停.繼電器電路見(jiàn)圖4.

圖4 繼電器電路Fig.4 Relay circuit

1.5 環(huán)境參數(shù)測(cè)量電路

在水產(chǎn)養(yǎng)殖環(huán)境中,最重要的幾個(gè)參數(shù)是溶氧量、pH值、溫度等.以溫度為例,終端節(jié)點(diǎn)通過(guò)熱敏電阻傳感器測(cè)量環(huán)境的溫度,其他參數(shù)分別用對(duì)應(yīng)傳感器采集,電路見(jiàn)圖5.

圖5 溫度測(cè)量電路Fig.5 Temperature measurement circuit

2 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)主要包括：上位機(jī)、GPRS模塊、ZigBee協(xié)調(diào)器、ZigBee路由器和ZigBee終端節(jié)點(diǎn)5部分.

2.1 ZigBee協(xié)調(diào)器

協(xié)調(diào)器負(fù)責(zé)選擇一個(gè)信道和網(wǎng)絡(luò)ID（也稱(chēng)為PAN ID,即Personal Area Network ID）,建立整個(gè)網(wǎng)絡(luò).同時(shí)協(xié)調(diào)器在整個(gè)系統(tǒng)中起到現(xiàn)場(chǎng)和監(jiān)控中心之間數(shù)據(jù)傳遞作用,判別不同的信號(hào)類(lèi)型調(diào)用相應(yīng)的處理函數(shù),協(xié)調(diào)器模塊工作過(guò)程如圖6所示.

圖6 ZigBee協(xié)調(diào)器軟件設(shè)計(jì)流程Fig.6 The design process of ZigBee coordinator software

2.2 ZigBee路由器

系統(tǒng)采用樹(shù)狀網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu),路由器模塊的功能有：允許其他設(shè)備加入網(wǎng)絡(luò),多跳路由和協(xié)助它自己的終端設(shè)備的通訊.路由器工作過(guò)程如圖7所示.

圖7 ZigBee路由器軟件流程Fig.7 The process of ZigBee router software

2.3 ZigBee終端節(jié)點(diǎn)

終端節(jié)點(diǎn)用來(lái)發(fā)送現(xiàn)場(chǎng)信息和接收來(lái)自協(xié)調(diào)器、路由器的消息,在睡眠或者喚醒狀態(tài)之間切換.對(duì)于新加入的節(jié)點(diǎn),首先搜索所在區(qū)域的父節(jié)點(diǎn),查找網(wǎng)絡(luò)深度最淺的節(jié)點(diǎn),并向其發(fā)送加入網(wǎng)絡(luò)的請(qǐng)求,該父節(jié)點(diǎn)收到信息之后,發(fā)出網(wǎng)絡(luò)關(guān)聯(lián)的命令,工作流程如圖8所示.終端節(jié)點(diǎn)加入網(wǎng)絡(luò)開(kāi)始工作之后,不停地測(cè)量現(xiàn)場(chǎng)信息,定時(shí)把數(shù)據(jù)傳送給父節(jié)點(diǎn)；同時(shí)與設(shè)備相關(guān)的終端節(jié)點(diǎn)一直檢測(cè)設(shè)備的工作狀態(tài),一旦檢測(cè)到當(dāng)前設(shè)備工作不正常,立刻發(fā)送AT指令,該指令包含故障設(shè)備的編號(hào),通過(guò)GPRS模塊以短信形式發(fā)送到工作人員移動(dòng)設(shè)備,發(fā)現(xiàn)以便快速處理.

圖8 終端節(jié)點(diǎn)軟件流程Fig.8 The process of terminal node software

2.4 GPRS模塊

GPRS模塊通過(guò)串口芯片與ZigBee協(xié)調(diào)器之間進(jìn)行通信,實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)透?jìng)?并且與用戶(hù)之間進(jìn)行短信的收發(fā),一旦現(xiàn)場(chǎng)出現(xiàn)異常時(shí),確保信息立即通知給用戶(hù)或工作人員.當(dāng)GPRS模塊檢測(cè)協(xié)調(diào)器傳送有數(shù)據(jù)時(shí),接收數(shù)據(jù)寫(xiě)到緩沖區(qū),然后將緩沖區(qū)中的數(shù)據(jù)通過(guò)GPRS網(wǎng)絡(luò)發(fā)送上位機(jī).GPRS模塊軟件流程如圖9所示.

（1）通過(guò)串行接口,GPRS終端從用戶(hù)設(shè)備中讀取用戶(hù)數(shù)據(jù)；

（2）將讀取的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理,然后以分組的形式將數(shù)據(jù)發(fā)送到GSM基站；

（3）對(duì)分組數(shù)據(jù)進(jìn)行封裝,然后發(fā)送到GPRS骨干網(wǎng).

圖9 GPRS模塊軟件流程Fig.9 The process of GPRS module software

2.5 上位機(jī)

上位機(jī)程序的開(kāi)發(fā)采用的是微軟公司的VB（Visual Basic）推出一種編程語(yǔ)言,該編程語(yǔ)言可以利用微軟提供的不同種類(lèi)的控件,實(shí)現(xiàn)所需要的功能,能夠方便快捷地開(kāi)發(fā)出滿(mǎn)足項(xiàng)目需求的程序.研究中上位機(jī)要實(shí)現(xiàn)的主要功能就是從下位機(jī)（會(huì)聚節(jié)點(diǎn)）發(fā)送的消息解析出溫度信息、pH值和當(dāng)前溶氧量.上位機(jī)收到數(shù)據(jù)校驗(yàn)通過(guò)后,對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行提取,下位機(jī)發(fā)送的時(shí)候,把溫度、PH值和溶氧量包含在一幀數(shù)據(jù)中.其中溫度數(shù)據(jù)占兩個(gè)字節(jié)、PH值占一個(gè)字節(jié)、溶氧量占兩個(gè)字節(jié),提取出數(shù)據(jù)后,進(jìn)行運(yùn)算得到相應(yīng)的數(shù)值,以曲線(xiàn)和實(shí)時(shí)數(shù)值的形式同時(shí)顯示出來(lái).

3 仿真驗(yàn)證

實(shí)驗(yàn)采用串口控件采集串口數(shù)據(jù),第一次打開(kāi)串口的時(shí)候,有時(shí)候收到的數(shù)據(jù)會(huì)存在亂碼的現(xiàn)象,在上位機(jī)接收數(shù)據(jù)的時(shí)候采用了簡(jiǎn)單的自定義數(shù)據(jù)校驗(yàn).如果校驗(yàn)不通過(guò),則直接忽略此次接收的數(shù)據(jù).大大提高了接收數(shù)據(jù)的有效性,從而提高了系統(tǒng)的總體穩(wěn)定性.上位機(jī)用戶(hù)界面顯示養(yǎng)殖現(xiàn)場(chǎng)的最新動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)（見(jiàn)圖10）,用戶(hù)可以方便實(shí)現(xiàn)為手動(dòng)控制方式和自動(dòng)控制方式,自動(dòng)控制方式只需要配置好相關(guān)參數(shù)即可,控制方便靈活,自動(dòng)化程度高.

圖10 上位機(jī)界面Fig.10 PC interface

4 小結(jié)

本文基于無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)了一種水產(chǎn)養(yǎng)殖的遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng),該系統(tǒng)集現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)采集和遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)傳輸于一體,數(shù)據(jù)傳輸可靠,組網(wǎng)穩(wěn)定,安裝施工簡(jiǎn)單方便,不需要專(zhuān)用線(xiàn)路,模塊化安裝,上位機(jī)自動(dòng)顯示現(xiàn)場(chǎng)參數(shù),用戶(hù)可以遠(yuǎn)程操作,有效快捷.

[1]王艷玲,李正明.基于GPRS技術(shù)的農(nóng)田信息遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)[J].農(nóng)機(jī)化研究,2007,17（8）：65-67.

[2]陳鴻飛.基于ZigBee與GPRS的遠(yuǎn)程無(wú)線(xiàn)抄表系統(tǒng)智能終端設(shè)計(jì)[D].長(zhǎng)沙：中南大學(xué),2009.

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（責(zé)任編輯：盧奇）

Aquaculture remote monitoring system based on wireless sensor network

LI Ruihua,KONG Xiaohong,HE Junhe
（Henan Institute of Science and Technology,Xinxiang 453003,China）

A kind of aquaculture monitoring system was designed based on wireless sensor network in this paper. The system hardware was made by CC2530 chip and the peripheral interface.Combining ZigBee protocol stack and GPRS,the remote monitoring and control of system was realizee.Through the interface based on VB language,the user could monitor the field operation and adjust the running status of the equipment according to the actual situation.The system automatically records historical data and make query and analysis convenient.

wireless sensor network；ZigBee；CC2530；aquaculture；GPRS

TP277.2

A

1008-7516（2016）06-0051-06

10.3969/j.issn.1008-7516.2016.06.013

2014-09-14

河南省科技廳科技攻關(guān)項(xiàng)目（142102210112）；河南省教育廳自然科學(xué)研究項(xiàng)目（2011A120005）

李瑞華（1990—）,女,河南周口人,碩士生.主要從事計(jì)算機(jī)智能控制的研究.

孔曉紅（1972—）,女,河南信陽(yáng)人,博士,副教授.主要從事計(jì)算機(jī)智能控制的研究.