基于无线传感器网络技术的水产养殖场信息获取系统

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。

图1无线传感器网络组网示意图

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。

图2用户查询养殖场信息方案图

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。

表1两种方案的优势对比

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。

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