ZigBee无线网箱养殖监控系统方案
一、引言
随着淡水养殖业中网箱养殖和水池养殖模式的日益推广和普及, 养殖密度的不断提高，饲料的投放、疾病防治、水温、水中溶解氧浓度的检测与控制对提高养殖产量与质量非常重要, 其中溶解氧浓度检测与控制成为提高养殖密度和产量的关键。由于水中的溶解氧浓度受水体温度和季节变化影响, 在淡水养殖中, 水体加氧是一般根据经验, 随意性较大, 由于加氧不及时而造成养殖损失的现象时在发生。
目前, 国内应用先进的控制技术进行水体温度和溶解氧浓度监控一般是使用单片机系统, 监测信号传输使用有线方式, 但这种方式存在成本高、系统较为复杂、监测范围小、抗干扰性差等缺点。无线传感器技术是传感器技术与无线网络技术的结合, 是一种新兴的智能监测与控制技术, 由于其具有低成本、体积小、实时性强、功耗低、抗干扰性强、嵌入性好等特点, 广泛应用在工农业生产中。在淡水养殖生产中,应用无线传感器网络技术进行水体温度与溶解氧浓度等数据的采集与传送、控制信号的传输与加氧控制,改变传统的生产方式, 对提高淡水养殖产量、降低生产成本、减轻劳动强度具有重要的意义。
我国海岸线长,极其适合发展深海网箱养殖技术。但是深海环境复杂,海水温度变化大,风浪大,给深海网箱养殖技术的进一步推广带来困难。网箱养殖对象的生长与外界环境条件有着密切的联系,其中起决定性作用的是水体中的溶氧量、饵料和温度等。由于温度骤变而未能及时采取相应预防措施,给网箱养殖业带来巨大的损失是一个技术上难以解决的问题[。一般用户不可能及时察觉网箱周围海水温度的变化,尤其是在晚上。若人为监控温度变化, 可能会由于各种因素导致漏报或者延时报警,降低准确性和及时性。为了进一步提高网箱养殖的效率,在合理选择网箱养殖区域、提高网箱养殖技术的同时,无线自动温度监测系统是发展深海养殖业迫切的需要。
二、项目分析
2.1 系统组成
2.1.1数据采集器
数据采集器主要是由电源模块、温度传感器模块、pH传感器模块、水体透明度检测模块、溶氧度检测模块、单片机控制模块等组成。电源电路供电,单片机接收获取温度传感器、pH传感器等采集到的数据,采集到的数据经过单片处理后，送到数据采集器的数据输出口（RS232或者485）。
2.1.2无线传输设备
前端采用四信F8914 ZigBee模块，通过232/485（端子接口）和监控终端内的PLC相连，Zigbee作为一种无线连接,可工作在2. 14 GHz(全球流行) 、868 MHz (欧洲流行)和915 MHz (美国流行) 3个频段上,分别具有最高至250 kbit/ s、20 kbit/ s、40 kbit/ s的传输速率。该型号设备一般为终端节点，互相之间不能通讯，完成信息的发送和接收。实物如图1
图1 F8914
ZigBee中心节点采用四信F8114 ZigBee+GPRS模块，中心节点收到的数据可以通过串口直接是输出到服务器上（前端与服务器的距离较近）；还可有通过GPRS把其收到的数据发送的远端的服务器上，GPRS部分采用国际标准TCP/IP通信协议，且两种方式都是实现数据透明传输功能。省去了每个终端的GPRS模块，只需要中心节点一个，节约了成本。实物如图2
图2 F8114
2.1.3数据管理中心
1） 根据数据采集器每次传送到数据中心的数据，可以看到网箱各个水质参数的变化情况；网箱的集中管理，可以知道每个网箱的情况。
2）管理人员可在中心控制室在管理平台上设定正常温度范围，如果某网箱温度超过设定范围则中心控制单元通过声光等方式报警。
3）管理人员可根据养殖实际情况增添或减少监控网箱节点数目，可对历史数据进行记录，并可根据不同组合条件进行查询，并生成报表。
2.2 系统总架构
2.2.1 F8914 --- F8914组网
F8914（前端）通过标准的232/485与监控一级终端里的PLC连接通信，获取的数据直接通过2.4G频率发送到F8914(中心节点)。F8914(中心节点)通过串口与服务器连接，把数据送到后台，后台管理软件对数据进行分析。如图3所示
图3
2.2.2 F8914----F8114组网
2.2.2.1 原理框架
F8114首先进行GPRS拨号上网，然后自动向数据管理中心发起TCP连接，握手成功后开始数据透明传输。监控终端把数据集中采集通过PLC把数据传给F8914，F8914接到数据后即时的将数据通过ZigBee网络传送到F8114。F8114通过GPRS数据管理中心将上传的数据进行分析处理，得出直观的结果和相应的指令通过GPRS网络发送给F8114，再通过ZigBee网络传送到F8914即时通过232/485传送给PLC，PLC根据指令对终端做出相应的控制处理，。如图4所示
图4
2.2.2.2 数据中心网络接入方式
1.专线接入
中心采用APN专线， 所有点都采用内网固定IP客户中心通过一条2M APN专线接入移动公司GPRS网络，双方互联路由器之间采用私有固定IP地址进行广域连接，在GGSN与移动公司互联路由器之间采用GRE隧道。为客户分配专用的APN，普通用户不得申请该APN。用于GPRS专网的SIM卡才能进入专网APN，防止其他非法用户的进入。用户在内部建立RADIUS服务器，作为内部用户接入的远程认证服务器（或在APN路由器内，启用路由器本地认证功能）。只有通过认证的用户才允许接入，用以保证用户内部安全。
用户在内部建立DHCP服务器（或在APN路由器内，启用DHCP功能），为通过认证的用户分配用户内部地址。移动终端和服务器平台之间采用端到端加密，避免信息在整个传输过程中可能的泄漏。双方采用防火墙进行隔离，并在防火墙上进行IP地址和端口过滤。此种方案无论实时性，安全性和稳定性较前一种方案都有大大提高，适合于安全性要求较高、数据点比较多、实时性要求较高的应用环境。在资金允许的情况下之最佳组网方式。
2. ADSL拨号连接（动态公网IP地址）
中心采用ADSL等INTELNET公网连接，采用公网动态IP+DNS解析服务的。客户先与DNS服务商联系开通动态域名，IP MODEM先采用域名寻址方式连接DNS服务器，再由DNS服务器找到中心公网动态IP，建立连接。此种方式可以大大节约公网固定IP的费用，但稳定性受制于DNS服务器的稳定，所以要寻找可靠的DNS服务商。此种方案适合小规模应用。
3. 通过固定公网IP连接
中心采用ADSL等INTELNET公网连接，采用公网固定IP服务的。此种方案先向INTERNET运营商申请ADSL等宽带业务，中心有公网固定IP的。IP MODEM直接向中心发起连接。运行可靠稳定，推荐此种方案。
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