【文章內(nèi)容簡介】 傳感器網(wǎng)絡在醫(yī)學、森林防火、環(huán)境監(jiān)測、行星探查等領(lǐng)域的應用。2003年，美國自然科學基金會制定了微型傳感器網(wǎng)絡研究計劃，在加州大學洛杉磯分校成立傳感器網(wǎng)絡研究中心，并同加州大學伯克利分校、南加州大學等學府展開“嵌入式智能傳感器”的研究項目，用來達到利用傳感器網(wǎng)絡對人類生活世界實現(xiàn)全方位的監(jiān)測和控制，從而建立起“感知世界”的全球網(wǎng)絡[27]，加州大學洛杉磯分校的 WINS 網(wǎng)絡，幾乎涵蓋了從信號處理到網(wǎng)絡協(xié)議的所有研究。近幾年，在美國無線傳感器網(wǎng)絡的研究更是有增無減，麻省理工學院、康奈爾大學、哈弗大學、斯坦福大學等著名大學，以及包括Inter、DUST、Microsoft、IBM、Crossbow在內(nèi)的著名企業(yè)都紛紛開展無線傳感器網(wǎng)絡方面的研究。在日本以及歐洲國家的一些大學，研究機構(gòu)也紛紛開展該領(lǐng)域的研究工作[28]。2004 年 3 月，日本總務省成立“泛在傳感器網(wǎng)絡(Ubiquitous Sensor Network)”調(diào)查研究會。日立制作所與YRP泛在網(wǎng)絡化研究所于2004年11月24日宣布開發(fā)出了全球體積最小的無線傳感器網(wǎng)絡終端，該終端為安裝電池的有源無線終端，可以搭建溫度、亮度、紅外線、加速度等各種傳感器。歐洲于 2004 年初在德國首都柏林舉行了第一屆“無線傳感器網(wǎng)絡論壇”，有 120名微電子、機械電子和信息傳輸方面的專家出席論壇。 國內(nèi)研究現(xiàn)狀我國現(xiàn)代意義上的無線傳感器網(wǎng)絡及應用研究幾乎與發(fā)達國家同步啟動，1999年首次正式出現(xiàn)于中國科學院 《知識創(chuàng)新工程試點領(lǐng)域方向研究》 的信息與自動化領(lǐng)域研究報告中[29]，作為該領(lǐng)域提出的五個重大項目之一。隨著知識創(chuàng)新工程試點工作的推進，2001年，中國科學院依托上海微系統(tǒng)成立了微系統(tǒng)研究與發(fā)展中心，引領(lǐng)院內(nèi)的相關(guān)工作，并通過該中心在無線傳感器網(wǎng)絡的方向上陸續(xù)部署了若干重大研究項目和方向性項目。2005年，國家自然科學基金把傳感器網(wǎng)絡中基礎(chǔ)理論和關(guān)鍵技術(shù)列入計劃[30]。2006年初公布的《國家中長期科學與技術(shù)發(fā)展規(guī)劃綱要》 為信息技術(shù)確立了3個前沿方向，其中2個和無線傳感器網(wǎng)絡的研究直接相關(guān)。同年，國家自然科學基金把水下移動傳感器網(wǎng)絡的關(guān)鍵技術(shù)納入重點研究。2007年11月17日在杭州了國內(nèi)第一次無線傳感器網(wǎng)絡產(chǎn)業(yè)發(fā)展高峰論壇，“中國無線傳感網(wǎng)產(chǎn)業(yè)發(fā)展聯(lián)盟”宣告正式成立。中國工業(yè)與信息化部于2008年啟動的“新一代寬帶移動通信網(wǎng)”國家級重大專項中，第6個子課題“短距離無線互聯(lián)與無線傳感網(wǎng)絡研發(fā)和產(chǎn)業(yè)化” 是專門針對無線傳感器網(wǎng)絡技術(shù)設(shè)立的。此專項的設(shè)立將會大大推進無線傳感器網(wǎng)絡技術(shù)在應用領(lǐng)域的快速發(fā)展。2010 年“十五” 計劃及遠景規(guī)劃中也將 無線傳感器網(wǎng)絡 列為重點發(fā)展的產(chǎn)業(yè)之一[31]。另據(jù)中國一卡通網(wǎng)2012年3月13日的消息，ZigBee聯(lián)盟確定在合肥建全球農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)中心，這標志著我國農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)專業(yè)企業(yè)參與到了農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域的國際標準制定，利用全球資源，開展廣泛的國際合作。目前，中國大陸地區(qū)已有多家企業(yè)加入ZigBee聯(lián)盟，包括參與者級別的深圳金勃實業(yè)有限司，促進者級別的華為技術(shù)有限公司，采納者級別的曼博科技有限公司、銳拔科深圳有限公司和北京技術(shù)有限公司[32]。國內(nèi)的許多高校也掀起了無線傳感器網(wǎng)絡的研究熱潮。清華大學、浙江大學、西安交通大學、華中科技大學、西北工業(yè)大學、天津大學、北京郵電大學、東北大學和上海交通大學等高校紛紛開展了有關(guān)無線傳感器網(wǎng)絡方面的基礎(chǔ)性研究工作。 本文的結(jié)構(gòu)安排本課題依托江蘇省高校優(yōu)勢學科建設(shè)工程資助項目（PAPD，蘇政辦發(fā)2011年6號）和常州市科技支撐計劃（CE20112016）資助。研制了一套基于ZigBee和GPRS的水產(chǎn)養(yǎng)殖的無線多參數(shù)監(jiān)控系統(tǒng)。全文共分為六章，內(nèi)容具體安排如下：第一章為緒論，首先引入了工廠化水產(chǎn)養(yǎng)殖的概念，然后是本課題研究的目的和意義，接著介紹了無線傳感器網(wǎng)絡的國內(nèi)外研究現(xiàn)狀，最后簡單介紹了本文的組織結(jié)構(gòu)。第二章從系統(tǒng)的功能和性能要求出發(fā)，提出了系統(tǒng)總體的設(shè)計方案，并對系統(tǒng)組成，工作原理以及系統(tǒng)特點等方面進行了必要闡述及分析。第三章詳細描述了系統(tǒng)各個硬件電路模塊的設(shè)計，主要包括傳感器模塊設(shè)計，ZigBee無線通信模塊設(shè)計，GPRS模塊設(shè)計等。第四章主要描述了系統(tǒng)軟件的設(shè)計，其中包括ZigBee無線網(wǎng)絡應用程序以及監(jiān)控中心管理軟件的設(shè)計。第五章 進行了系統(tǒng)功能測試，并對測試結(jié)果做出研究分析。第六章 主要對全文的研究內(nèi)容做了總結(jié)，并且提出未來工作需要進一步研究的問題與方向。17 第二章 系統(tǒng)的整體設(shè)計長期以來，我國水產(chǎn)養(yǎng)殖生產(chǎn)經(jīng)營者多以追求產(chǎn)量和近期經(jīng)濟效益為目標，養(yǎng)殖密度過高，加上保護養(yǎng)殖環(huán)境意識淡薄，養(yǎng)殖病害呈逐年加重態(tài)勢，隨之而來的是藥物濫用現(xiàn)象較為普遍，以致于水域環(huán)境遭到不同程度的破壞，水產(chǎn)品質(zhì)量安全勢必得不到有效保障，廣大消費者身體健康就會受到影響。針對這種情況，農(nóng)業(yè)部漁業(yè)局提出我國水產(chǎn)養(yǎng)殖業(yè)要走“資源節(jié)約型、環(huán)境友好型、產(chǎn)品安全型”的可持續(xù)發(fā)展道路[33]。那么，研究解決水產(chǎn)養(yǎng)殖水環(huán)境狀況也就成為了保證水產(chǎn)養(yǎng)殖業(yè)持續(xù)健康發(fā)展的重要課題。影響水產(chǎn)養(yǎng)殖環(huán)境的關(guān)鍵參數(shù)有溫度、渾濁度、溶氧、鹽度、PH、亞硝酸鹽等，但這些關(guān)鍵參數(shù)即看不見又摸不著很難準確把握。而且，我國水產(chǎn)養(yǎng)殖地域廣闊，基本是以家庭承包養(yǎng)殖為主，養(yǎng)殖戶多偏僻分散，水產(chǎn)養(yǎng)殖品種繁雜、養(yǎng)殖方式多樣。綜合考慮各方面復雜因素，同時為了使得本系統(tǒng)具有普遍適用性，因此，新興技術(shù)ZigBee無線傳感器網(wǎng)絡就是最好的選擇，實現(xiàn)了對水環(huán)境參數(shù)的實時監(jiān)測，另外再采用GPRS通信技術(shù)便可實現(xiàn)數(shù)據(jù)的遠距離傳輸，本系統(tǒng)設(shè)計方案就是基于這樣的理念而來的。 系統(tǒng)的需求分析本系統(tǒng)要監(jiān)測的是水產(chǎn)養(yǎng)殖的水環(huán)境狀況，而水產(chǎn)養(yǎng)殖現(xiàn)場面積大，直徑距離2000米以上是非常常見的，所以需要采取多點監(jiān)測廣覆蓋的措施。這樣做一方面可以準確獲知具體某一區(qū)域水體變化情況，另一方面在有某個監(jiān)測點問題出現(xiàn)時，其他節(jié)點同樣可以得到該區(qū)域水環(huán)境狀況數(shù)據(jù)。當采集節(jié)點將監(jiān)測數(shù)據(jù)通過無線網(wǎng)絡的方式傳送到遠程監(jiān)測中心后，養(yǎng)殖人員可及時地監(jiān)控、調(diào)節(jié)水產(chǎn)養(yǎng)殖的各種環(huán)境參數(shù)，這樣極大地減少養(yǎng)殖人員精力的投入，并能通過對歷史數(shù)據(jù)的分析，實時預測各種病情的發(fā)生，實現(xiàn)以較少的投入，獲得較大的效益。本文將從系統(tǒng)的功能需求和性能需求角度出發(fā)作出具體分析。 系統(tǒng)功能需求分析1) 無線遠程監(jiān)測，養(yǎng)殖人員不必親臨現(xiàn)場就可對養(yǎng)殖環(huán)境進行監(jiān)測。2) 系統(tǒng)要能24小時不間斷實時監(jiān)測，并定時向遠程的監(jiān)測中心發(fā)送采集數(shù)據(jù)，定時間隔可根據(jù)需要設(shè)定。3) 監(jiān)測中心可按照時間存儲歷史數(shù)據(jù)，定時生成監(jiān)測報表，方便養(yǎng)殖人員進行判斷分析，作出下一步工作部署。4) 具有故障處理功能，就是說當有監(jiān)測點出現(xiàn)損壞情況時，仍然可以對這一區(qū)域進行準確監(jiān)測。5) 若養(yǎng)殖人員不在監(jiān)控中心時，可通過手機等控制終端對監(jiān)測系統(tǒng)進行管理。 系統(tǒng)性能需求分析鑒于我國水產(chǎn)養(yǎng)殖業(yè)剛剛起步，經(jīng)濟基礎(chǔ)薄弱，水環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)須滿足如下得性能：成本低、能耗少、不污染環(huán)境、測量精確度高、操作性強和能適應野外無人值守的工作環(huán)境等等。1) 系統(tǒng)要穩(wěn)定可靠，水產(chǎn)養(yǎng)殖的水環(huán)境監(jiān)測是關(guān)系到養(yǎng)殖人員能否實現(xiàn)增產(chǎn)增收的先決條件，系統(tǒng)只有穩(wěn)定可靠運行，養(yǎng)殖人員才能獲得準確數(shù)據(jù)，對魚的生長狀況作出合理估計，以便采取適當措施，預防魚類疾病。2) 要有普遍實用性，我國是一個幅員遼闊，地形多樣的國家，各地區(qū)水產(chǎn)養(yǎng)殖從業(yè)人員經(jīng)濟能力，科學素質(zhì)各有不同，所以本系統(tǒng)要滿足建設(shè)和營運成本低，操作簡單，容易使用。3) 要具有可擴展性，由于水產(chǎn)養(yǎng)殖業(yè)不斷向前發(fā)展，對水環(huán)境監(jiān)測的要求越來越高，系統(tǒng)就要能實現(xiàn)低成本擴展和升級。 系統(tǒng)的布局結(jié)構(gòu)據(jù)上面從系統(tǒng)功能需求和性能需求角度的分析，本文設(shè)計了一套基于ZigBee無線傳感器網(wǎng)絡和GPRS通信技術(shù)相結(jié)合的水產(chǎn)養(yǎng)殖多參數(shù)監(jiān)測系統(tǒng)，研究內(nèi)容包括兩大部分，一個是開發(fā)ZigBee無線傳感器網(wǎng)絡，用于監(jiān)測水環(huán)境中的各個參數(shù)，另一個是開發(fā)GPRS遠程數(shù)據(jù)采集傳輸系統(tǒng)，實現(xiàn)無線傳感器網(wǎng)絡信息與遠端服務器的通信，同時開發(fā)遠程服務器端應用軟件，完成數(shù)據(jù)的接收處理，以及界面顯示等。總體結(jié)構(gòu)如圖21（這里的圖標與圖中的不符）所示。圖 01 基于ZigBee和GPRS的水產(chǎn)養(yǎng)殖無線監(jiān)控系統(tǒng) 無線傳感器網(wǎng)絡設(shè)計 傳感器節(jié)點設(shè)計傳感器節(jié)點即數(shù)據(jù)采集節(jié)點，是無線傳感器網(wǎng)絡的最前端，一般具有采集信息和路由轉(zhuǎn)發(fā)的功能。它的一般組成是：傳感器模塊、電源供應模塊、無線射頻模塊和處理器模塊。本設(shè)計中傳感器模塊部分包括溫度、溶解氧、鹽度、亞硝酸鹽、PH、濁度傳感器及相對應的調(diào)理電路；系統(tǒng)中采用的cc2430soc(前面文章里是大寫的CC2430)已經(jīng)把無線射頻模塊和處理器模塊集成到一起。本系統(tǒng)中傳感器節(jié)點的工作過程是：首先傳感器模塊采集水產(chǎn)養(yǎng)殖監(jiān)測區(qū)域內(nèi)的溫度、溶解氧、鹽度、亞硝酸鹽等信息，再傳送到cc243(前面文章里是大寫的CC2430)0的處理器單元進行計算存儲等操作，最后通過無線射頻模塊發(fā)送給協(xié)調(diào)器節(jié)點。這里只給出其中一個傳感器節(jié)點的設(shè)計，如圖22（這里的圖標與圖中的不符）所示。圖 02 傳感器節(jié)點系統(tǒng)框圖 協(xié)調(diào)器節(jié)點設(shè)計協(xié)調(diào)器節(jié)點又稱匯聚節(jié)點，一方面負責建立一個ZigBee無線傳感器網(wǎng)絡，另一方面是ZigBee無線傳感器網(wǎng)絡和GPRS通信網(wǎng)絡之間的“橋梁”，能夠?qū)崿F(xiàn)協(xié)議棧之間的通信協(xié)議轉(zhuǎn)換，進而把監(jiān)測結(jié)果發(fā)送到遠程監(jiān)測中心，所以協(xié)調(diào)器節(jié)點是本系統(tǒng)的控制中心。它主要組成部分由CC2430 SoC、電源供電單元、液晶顯示、DTR2000通訊模塊組成，其結(jié)構(gòu)框圖如圖23（這里的圖標與圖中的不符）所示。如此，協(xié)調(diào)器節(jié)點不但可以通過CC2430模塊接收傳感器節(jié)點發(fā)送過來的數(shù)據(jù)，還可以通過GPRS模塊發(fā)送到遠程監(jiān)測中心。圖 03 協(xié)調(diào)器節(jié)點系統(tǒng)框圖 ZigBee網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)設(shè)計ZigBee網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)包括有主從設(shè)備的星型、樹簇型和對等拓撲結(jié)構(gòu)。如圖24（這里的圖標與圖中的不符）所示。星型網(wǎng)絡由一個協(xié)調(diào)器節(jié)點和一個或多個采集節(jié)點組成，采集節(jié)點之間彼此不能通信，須經(jīng)過協(xié)調(diào)器節(jié)點轉(zhuǎn)發(fā)，它的特點是傳輸距離有限，功耗低；樹簇型包含協(xié)調(diào)器節(jié)點路由節(jié)點和采集節(jié)點，協(xié)調(diào)器節(jié)點負責網(wǎng)絡的管理，路由節(jié)點完成數(shù)據(jù)的路由功能，采集節(jié)點的信息一般要通過路由節(jié)點轉(zhuǎn)發(fā)才能到達協(xié)調(diào)器節(jié)點，它比星型網(wǎng)傳輸距離遠，但功耗也更大；對等網(wǎng)絡中節(jié)點間彼此互聯(lián)互通，數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)一般以多跳方式進行，每個節(jié)點都有轉(zhuǎn)發(fā)功能，這是一種最復雜的網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)，它的優(yōu)點是自愈能力強，傳輸距離長以及更加穩(wěn)定可靠，但功耗較大[34]。本系統(tǒng)中采用的是星型網(wǎng)絡，這樣既能滿足水產(chǎn)養(yǎng)殖環(huán)境監(jiān)測需求，又能降低能耗和節(jié)省成本。圖 04 ZigBee網(wǎng)絡拓撲結(jié)構(gòu) GPRS傳輸網(wǎng)絡 在組建完成ZigBee短距離無線監(jiān)測網(wǎng)絡后，為實現(xiàn)監(jiān)測數(shù)據(jù)的遠距離傳輸，本系統(tǒng)采用中國移動的GPRS網(wǎng)絡連接。據(jù)統(tǒng)計，目前中國移動的GPRS覆蓋范圍在中心城市幾乎達到了100%，在邊遠地區(qū)也達到了80%以上[35]，所以采用在GPRS網(wǎng)絡對于監(jiān)測分布在各個地方的水產(chǎn)養(yǎng)殖區(qū)域都是適合的。GPRS的全稱是General Packet Radio Service，它拋棄了傳統(tǒng)的獨占電路交換模式，采用分組交換技術(shù)，每個用戶可同時占用多個無線信道，同一無線信道又可以由多個用戶共享，有效地利用了信道資源；采用面向連接的TCP協(xié)議通信，避免了數(shù)據(jù)包丟失的現(xiàn)象，保證了數(shù)據(jù)可靠傳輸，而且遠程監(jiān)測中心可以與多個監(jiān)測點同時進行數(shù)據(jù)傳輸，互不干擾；GPRS數(shù)據(jù)傳輸設(shè)備在工作時只需與附近的移動基站通信即可, 平均功耗僅為200毫瓦左右，因本系統(tǒng)應用在野外環(huán)境中，供電采用蓄電池，節(jié)省能量就顯得格外重要。綜上考慮，本設(shè)計采用了公網(wǎng)平臺中國移動的GPRS網(wǎng)絡。 遠程監(jiān)控中心設(shè)計遠程監(jiān)控中心管理軟件的設(shè)計是為了完成對水產(chǎn)養(yǎng)殖監(jiān)測數(shù)據(jù)的接收、存儲以及分析，以便養(yǎng)殖人員及時掌握水產(chǎn)品生長環(huán)境變化，另外還可以監(jiān)控ZigBee無線傳感器網(wǎng)絡運行情況。對于操作人員來講，管理軟件需要有良好的運行在PC上的人機界面和和后臺數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)。Visual Basic （簡稱VB）編程語言能夠滿足這一要求，VB功能強大，內(nèi)容豐富，不但提供了可視化界面設(shè)計方法，而且還具有強大的數(shù)據(jù)庫管理功能，能夠方面、靈活的完成數(shù)據(jù)庫應用中涉及的諸如數(shù)據(jù)的添加、查詢和更新等各種操作，在本設(shè)計中，遠程監(jiān)控中心管理軟件基本功能有遠程網(wǎng)絡連接、實時數(shù)據(jù)顯示、歷史數(shù)據(jù)查詢、歷史曲線繪制等。遠程監(jiān)控軟件結(jié)構(gòu)圖如圖25（這里的圖標與圖中的不符）所示。圖 05 遠程監(jiān)控軟件結(jié)構(gòu)圖 本章小結(jié)本章對基于ZigBee和GPRS的水產(chǎn)養(yǎng)殖無線監(jiān)控系統(tǒng)研究的做出了總體設(shè)計。首先根據(jù)系統(tǒng)的實際應用進行了功能需求分析和性能需求分析，在此基礎(chǔ)上給出了系統(tǒng)的總體布局。接著，介紹了ZigBee無線傳感器網(wǎng)絡的設(shè)計，包括傳感器節(jié)點、協(xié)調(diào)器節(jié)點的設(shè)計以及組網(wǎng)設(shè)計，最后是GPRS傳輸網(wǎng)絡和遠程監(jiān)控中心的設(shè)計。第三章 系統(tǒng)硬件電路設(shè)計 系統(tǒng)硬件電路設(shè)計概述工廠化水產(chǎn)養(yǎng)殖水環(huán)境具有多變性，需要長期監(jiān)測，而且監(jiān)測區(qū)域分布廣泛需要布置大面積監(jiān)測。如果采用像現(xiàn)場總線技術(shù)監(jiān)測水產(chǎn)養(yǎng)殖水環(huán)境參數(shù)，不但布線困難，而且維護成本高，耗費大量人力物力。因此，本系統(tǒng)中采用TI公司的cc2430soc(C應該大寫，與上下文對應)組建無線傳感器網(wǎng)絡，它是第一個真正意義上的soc ZigBee 一站式產(chǎn)品，具有芯片可編程閃存以及通過認證的ZigBee解決方案，所有都集成在一個硅片內(nèi)，具有低系統(tǒng)成本、低功耗等優(yōu)點。本系統(tǒng)硬件設(shè)計包括傳感器模塊設(shè)計、ZigBee無線通信模塊設(shè)計、串口通信模塊設(shè)計、液晶模塊設(shè)計、GPRS模塊設(shè)計五部分組成。系統(tǒng)硬件框圖如圖31所示。圖 31 系統(tǒng)硬件框圖 傳感器模塊設(shè)計 亞硝酸鹽調(diào)理電路設(shè)計水環(huán)境中NO2 離子濃度的檢測和控制在水產(chǎn)養(yǎng)殖中至關(guān)重要。水中NO2 時，經(jīng)常使魚類等水族生物的抵抗力降低，容易感染各種疾病，而濃度達1020ppm時一