【正文】 學價值[36]，本小節(jié)著重討論亞硝酸鹽硬件檢測電路設(shè)計。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。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。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。接著，介紹了ZigBee無線傳感器網(wǎng)絡(luò)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(luò)和遠程監(jiān)控中心的設(shè)計。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。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(yīng)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(luò)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(luò)運行情況。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(yīng)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。圖 04 ZigBee網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu) GPRS傳輸網(wǎng)絡(luò) 在組建完成ZigBee短距離無線監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)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(luò)連接。星型網(wǎng)絡(luò)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(luò)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(luò)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(fù)雜的網(wǎng)絡(luò)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]。圖 03 協(xié)調(diào)器節(jié)點系統(tǒng)框圖 ZigBee網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)設(shè)計ZigBee網(wǎng)絡(luò)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)。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。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。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(yīng)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。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(luò)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(luò)的最前端，一般具有采集信息和路由轉(zhuǎn)發(fā)的功能。 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(luò)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(luò)，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(luò)信息與遠端服務(wù)器的通信，同時開發(fā)遠程服務(wù)器端應(yīng)用軟件，完成數(shù)據(jù)的接收處理，以及界面顯示等。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。 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(yīng)野外無人值守的工作環(huán)境等等。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。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。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。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)。綜合考慮各方面復(fù)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(luò)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。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。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]。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。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(luò)應(yīng)用程序以及監(jiān)控中心管理軟件的設(shè)計。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。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)。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(luò)方面的基礎(chǔ)性研究工作。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]。2010 年“十五” 計劃及遠景規(guī)劃中也將 無線傳感器網(wǎng)絡(luò) 列為重點發(fā)展的產(chǎn)業(yè)之一[31]。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(luò)研發(fā)和產(chǎn)業(yè)化” 是專門針對無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)設(shè)立的。同年，國家自然科學基金把水下移動傳感器網(wǎng)絡(luò)的關(guān)鍵技術(shù)納入重點研究。2005年，國家自然科學基金把傳感器網(wǎng)絡(luò)中基礎(chǔ)理論和關(guān)鍵技術(shù)列入計劃[30]。 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(luò)及應(yīng)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。日立制作所與YRP泛在網(wǎng)絡(luò)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(luò)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。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]。2003年，美國自然科學基金會制定了微型傳感器網(wǎng)絡(luò)研究計劃，在加州大學洛杉磯分校成立傳感器網(wǎng)絡(luò)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(luò)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(luò)[27]，加州大學洛杉磯分校的 WINS 網(wǎng)絡(luò)，幾乎涵蓋了從信號處理到網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的所有研究。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)廣闊的應(yīng)用前景以及巨大的商業(yè)應(yīng)用價值在國際上引起了廣泛重視，美國因特爾公司在2002年10月24日，發(fā)布了“基于微型傳感器網(wǎng)絡(luò)的新型計算發(fā)展規(guī)劃”。 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的國內(nèi)外研究現(xiàn)狀 國外研究現(xiàn)狀無線傳感器網(wǎng)絡(luò)是新一代的傳感器網(wǎng)絡(luò)，具有非常廣泛的應(yīng)用前景，其發(fā)展和應(yīng)用將會給人們的生活和生產(chǎn)的各個領(lǐng)域帶來深遠的影響。3) 提供實時在線功能“alwaysonline”，用戶將始終連線和在線狀態(tài)，這將使訪問服務(wù)變得非常簡單、快速。作為現(xiàn)有GSM網(wǎng)絡(luò)向第三代移動通信演變的過渡技術(shù)，GPRS有許多方面都具有顯著的優(yōu)勢[25]：1) GPRS通訊方式依賴移動通訊公司龐大的GPRS網(wǎng)絡(luò)，建設(shè)成本與運行維護成本都很低，遠小于自行建設(shè)獨立運行的專用通訊網(wǎng)絡(luò)（如電臺、微波等）。在保證數(shù)據(jù)傳輸及時、準確的前提下，將系統(tǒng)運行費用也降到了極低。GPRS網(wǎng)絡(luò)建設(shè)方便簡單，使用GPRS模塊及相應(yīng)配件，直接與帶有RS232串行口的監(jiān)測設(shè)備連接，與中心數(shù)據(jù)服務(wù)器構(gòu)建透明的數(shù)據(jù)傳輸通道。 GPRS通信技術(shù)簡介GPRS是一種基于GSM全球通信系統(tǒng)的無線分組交換技術(shù)，提供端到端的、廣域無線IP連接。5) 大網(wǎng)絡(luò)容量：1個ZigBee網(wǎng)絡(luò)最多可以容納254個從設(shè)備和一個主設(shè)備，1個區(qū)域內(nèi)最多可以同時存在100個ZigBee網(wǎng)絡(luò)。4) 短時延：ZigBee技術(shù)與藍牙技術(shù)的時延對比可知，ZigBee的各項時延指標都非常短。普通網(wǎng)絡(luò)節(jié)點硬件上只需8位微處理器（如80c51），最小4KB、最大32KB的ROM；軟件實現(xiàn)上也簡單。2) 可靠：由于采用了碰撞避免機制并為需要固定帶寬的通信業(yè)務(wù)預(yù)留了專用時隙，避免了發(fā)送數(shù)據(jù)時的競爭和沖突，而且MAC層采用了完全確認的數(shù)據(jù)傳輸機制，每個發(fā)送的數(shù)據(jù)都必須等待接收方的確認信息，因此從根本上保證了數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃?。國?nèi)目前像湖南斯凱電子科技有限公司和深圳市無線龍電子有限公司都已經(jīng)推出ZigBee開發(fā)系統(tǒng)，北京赫立訊公司開發(fā)的無線定位方案已經(jīng)在煤礦行業(yè)打開了市場，還有諸如深圳金圖旭昂公司、中國科學院計算技術(shù)研究所寧波分所等都有相關(guān)產(chǎn)品，都對無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的研究與推廣做出一定的貢獻[22]，但更多的公司是在已有的芯片基礎(chǔ)上進行二次開發(fā)，或著直接使用其它公司的產(chǎn)品。目前支持ZigBee通訊協(xié)議的芯片有Tl公司的CC24CC243CC25CC2531等，Jenic的JN5121，Ember的EM250、EM260，飛思卡爾(Freescale) 的MC1319MC13192和MC13193。2006年10月，ZigBee聯(lián)盟通過ZigBee2006規(guī)范，這是繼ZigBee2004后第二個ZigBee規(guī)范公開版本，于2007年1月開放下載，其內(nèi)部編號為r13，現(xiàn)在稱為ZigBee2006[20]。2002 年10月，美國摩托羅拉、飛利浦和日本三菱等公司加入了 ZigBee 聯(lián)盟，現(xiàn)在聯(lián)盟內(nèi)部共有180 多個成員企業(yè)，2006年中國的華為技術(shù)有限公司也加入了該聯(lián)盟[18]。隨著無線通信技術(shù)的蓬勃發(fā)展，基于ZigBee的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)獲得了國際上眾多知名大學和公司的密切關(guān)注。主要應(yīng)用于近距離無線連接，它根據(jù)IEEE ，在數(shù)千個微小傳感器之間實現(xiàn)相互協(xié)調(diào)通信。ZigBee技術(shù)是一種面向自動化和無線控制的短距離、低功耗、低成本、低數(shù)據(jù)速率、低復(fù)雜度的無線網(wǎng)絡(luò)方案。所以，ZigBee網(wǎng)絡(luò)技術(shù)就是模仿蜜蜂通過跳舞傳遞信息的方式，通過網(wǎng)絡(luò)節(jié)點之間信息的互傳，將信息從一個節(jié)點傳輸?shù)竭h處的另一個節(jié)點[15]。其中紅外技術(shù)的實現(xiàn)和操作相對簡單，成本低廉，但紅外光線易受遮擋，可移動性差，只支持點對點視距連接，無法靈活地構(gòu)建網(wǎng)絡(luò)；，目前在計算機外設(shè)方面應(yīng)用較廣泛，但由于其協(xié)議本身較復(fù)雜、開發(fā)成本高、節(jié)點功耗大等缺點，從而限制了其在工農(nóng)業(yè)方面的進一步推廣；WiFi技術(shù)的通信速率為11Mbit/s，通信距離為50~100m，適合于多媒體的應(yīng)用，但其本身實現(xiàn)成本高，功耗大，安全性能低，從而在WSN中應(yīng)用較少[14]。未來的人們將通過遍布四周的傳感器網(wǎng)絡(luò)直接感知客觀世界，從而極大地擴展網(wǎng)絡(luò)的功能和人類認識世界的能力。美國的《商業(yè)周刊》雜志和《技術(shù)評論》雜志近年來所評出對人類未來生活產(chǎn)生深遠影響的十大新興技術(shù)中，傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)名列前茅[1112]。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)涉及傳感技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)、無線傳輸技術(shù)、嵌入式技術(shù)、分布式信息處理技術(shù)、微電子制造技術(shù)、軟件編程技術(shù)等，是多學科高度交叉、新興、前沿的一個熱點研究領(lǐng)域。最早開始無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)研究的是美國軍方，此后美國國家自然基金委員會設(shè)立了大量與其相關(guān)的項目。由于微型傳感器的體積小，重量輕，有的甚至可以像灰塵一樣在空氣中浮動，因此，人們又稱無線傳感器網(wǎng)絡(luò)為“智能塵?！保瑢⑺?它)散布于四周以實時感知物理世界的變化。這些傳感器的微小體積內(nèi)通常集成了信息采集、數(shù)據(jù)處理和無線通信的功能。 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)介紹 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的概念隨著無線通信，集成電路，傳感器以及微機電系統(tǒng)等技術(shù)的飛速發(fā)展和日益成熟。因此，該系統(tǒng)可以滿足我國集約化水產(chǎn)養(yǎng)殖廠需求，具有較高性價比和通用性，能夠?qū)崿F(xiàn)集約化水產(chǎn)養(yǎng)殖條件下的水質(zhì)環(huán)境參數(shù)的全天候、數(shù)字化在線監(jiān)測、預(yù)警和控制，減少因為信息獲取手段缺乏不能對水質(zhì)進行實時調(diào)控從而造成不必要的經(jīng)濟損失(這句需要重新修改太拗口了)。正因為如此，本文提出了基于ZigBee和GPRS技術(shù)的水環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計方案，利用ZigBee技術(shù)組建無線傳感器網(wǎng)絡(luò)，能實時在線測量和控制溫度、溶解氧、PH、鹽度、亞硝酸鹽等重要的水質(zhì)參數(shù)。ZigBee是近年來出現(xiàn)的面向低成本設(shè)備無線傳感器網(wǎng)絡(luò)要求的技術(shù)，它是一種近距離、低復(fù)雜度、低功耗、低數(shù)據(jù)速率、低成本的雙向無線通信技術(shù)，其應(yīng)用領(lǐng)域包括工業(yè)控制、消費性電子設(shè)備、汽車自動化、農(nóng)業(yè)自動化和醫(yī)用設(shè)備控制等。利用無線傳感器網(wǎng)絡(luò)[9]技術(shù)實現(xiàn)集約化水產(chǎn)養(yǎng)殖的數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化、分布式的本地或遠程的實時動態(tài)水質(zhì)調(diào)控是未來的發(fā)展趨勢。此外隨著工業(yè)測控系統(tǒng)規(guī)模的不斷擴大，大量連線造成成本增加，靈活性差，施工困難等弊端，為了提高水環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)的效能，必須對現(xiàn)有的監(jiān)測實行技術(shù)更新和改造。因此(,)檢測技術(shù)應(yīng)用于水產(chǎn)養(yǎng)殖不僅能夠給工業(yè)化養(yǎng)魚帶來高產(chǎn)和安全，