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1、中国农学通报2010,26(16):388-392ChineseAgricultural Science Bulletin0 引言氧是鱼类赖以生存和生长发育必备条件之一。水中溶氧量主要与温度、湿度和鱼的密度等因素有关。鱼类只有在水中溶氧量达到一定数值1后，才能维持其生命活动，且在一定的范围内，其生长速度及对饲料的利用率都将随着水中溶氧量的升高而增加，低氧对鱼类的生活及生长是十分不利的。目前，大多数渔业养殖户对水中溶解氧含量的判断主要来自经验，即通过观察阳光、气温、气压以及鱼有无浮头等现象，判断水中溶解氧含量的高低，并控制增氧机是否开机增基金项目：广东省教育部产学研结合资助项目（2009B090
2、200066）；广东省科技计划农业攻关资助项目（2009B020315001，2008A020100026，2007A020300004-7，2009B091300161）；广东省自然科学基金资助项目（8151064001000009）；广东省农科院博士启动基金资助项目。第一作者简介：闫敏杰，女，1982年出生，黑龙江省泰来县人，研究实习员，硕士研究生，主要从事农业现场数据采集工作。通信地址：510640 广州市天河区五山金颖路31号，Tel：020-38319924，E-mail：。通讯作者：夏宁，男，1969年出生，山东烟台人，副研究员，博士，主要从事作物模型模拟与可视化、农业信息学等工作
3、。Fax：020-38319924，E-mail：。收稿日期：2010-03-26，修回日期：2010-05-04。基于无线传感器网络的鱼塘监控系统闫敏杰，夏 宁，侯春生，甘阳英（广东省农业科学院科技情报研究所，广州 510640）摘 要：针对鱼塘传统的观测手段耗时费力、步骤复杂、成本高等缺点。设计了基于无线传感器网络的鱼塘实时在线监测系统。在鱼塘的监测区域中，该系统利用无线传感器节点测得监测区域中的温度和溶氧量，并通过Zigbee无线网络将数据传输到终端控制系统，控制系统作出判断同时发出报警信号并控制增氧机的工作状态。系统中以MSP430和XBee模块为核心芯片，能够实时获得鱼塘中的一些参数
4、，例如温度、溶氧量等。同时该系统还可以进一步扩展使用GPRS或3G网络实现远程监控。关键词：无线传感器网络；实时在线监测；溶氧量；影响因子中图分类号：TP29，S126文献标志码：A论文编号：2010-0919Design for Fish Pond Monitoring System Based on Wireless Sensor NetworksYan Minjie,Xia Ning,Hou Chunsheng,Gan Yangying(Institute of Sci-Tech Information,Guang dong agricultural academy of science
5、,Guangzhou 510640)Abstract:In this paper,a real time and online monitoring system for fish ponds based on wireless sensornetworks,the system was designed to overcome the disadvantage of the observed of the traditional means infish ponds,such as time-consuming and laborious,step complexity and high c
6、ost.The whole system was makeup of sensor modules and wireless communication modules mostly.In the monitoring area of fish ponds,wecould get temperature and dissolved oxygen by making use of wireless sensor nodes,and then we could makeuse of Zigbee network protocol to transmit the data to the termin
7、al control system.The terminal control systemmade a judgement,and then it sent out warning signal.At the same time,the terminal control system controlledthe working state of the oxygen machine.The design of the whole system,which had MSP 430 and Xbeemoudle as the hard core chips,was very useful and
8、simple but not easy.The whole system could get monitorparameters in fish ponds in real time and intelligently,such as temperatur,dissolved oxygen and so on.At thesame time,the whole system could be further expanded to achieve remote monitoring and control by make useof the GPRS or 3G networks.Key wo
9、rds:wireless sensor networks;real time and online monitoring;dissolved oxygen;impact factor传感器节点终端控制模块一一蚕一一鼍一一一一il一一一1鱼塘醯婶增氧机_河o_亦窬_谗谗_菲船_忽|羞闫敏杰等：基于无线传感器网络的鱼塘监控系统氧。为了防止发生泛塘现象，渔民需要花费大量的时间、精力观察鱼塘的情况。这种方式存在事后控制、增氧不及时或过度增氧、费时、劳动强度大等缺点，在一定程度上影响了鱼类的生长，增加了养殖的成本。为了提高鱼类产品饲养的质量和数量，提升水产养殖技术的自动化水平，减轻渔民的劳动强度，降低水
10、产养殖的成本，研制了鱼塘含氧量自动控制系统，实时监测水中的溶氧量和温度2-3，自动启动鱼塘中增氧机运行，使鱼塘中水的溶氧量和温度的上下限保持在设定的范围4内，有效地提高了鱼类养殖的安全性，降低了养殖成本，对提高养殖产量，达到高产高效的目的，具有重要的意义。1 系统总体设计池塘水产养殖5过程中需要自动监测水中溶氧量及水温，并在超过水温上限及溶氧量上、下限时进行自动报警和控制增氧机开/关的装置6-9。笔者设计的池塘水产养殖增氧机控制系统主要由传感器节点、增氧机和终端控制模块三部分组成。整个系统完成的功能是利用温度和溶解氧传感器将采集到的数据传输到传感器节点，并进行数据处理，然后通过无线通信协议发送
11、到终端控制模块，终端控制模块进行判断，在超出设定的界限时发出报警信号，同时开启或关闭增氧机。整个系统框图如图1所示。传感器节点温度传感器鱼塘终端控制模块氧气传感器增氧机图1 系统示意图2 系统硬件设计由于传感器节点放在池塘中，考虑到供电的方便和安全，所以采用电池供电。传感器节点的无线通信协议采用满足IEEE802.15.4网络通信标准10的Zigbee协议。同时在电路设计过程11中，芯片的选择均从低功耗、体积小、应用方便等角度进行考虑。2.1 传感器节点主控芯片及电路介绍此设计中传感器节点主要由溶氧量12和温度传感器、运算放大电路、处理器、无线收发模块和电源等构成。传感器节点电路连接图如图2所
12、示。其中主处理器 芯 片 选 用 TI 公 司 的 超 低 功 耗 单 片 机13MSP430F149。MSP430F149具有很低的供电电压，供电范围是1.8V-3.6 V。MSP430F149具有超低的功耗，在休眠条件下工作电流只有0.8 uA。MSP430F149具有唤醒时间短，从休眠方式中唤醒只需要6 us。并且其具有丰富的外设，12位的A/D转换器，串口通信模块可设置成UART或SPI方式，有6个数据端口及60KB的Flash等。此外，MSP430F149具有JTAG仿真调试接口，便于软件的调试。在应用过程中，MSP430F149接两个外部晶体振荡器，分别为低速晶体振荡器和高速晶体振
13、荡器。低速晶体振荡器支持超低功耗，它在低频模式下使用一个 32.768 KHz 的晶体，该晶体直接连接在 XIN 和XOUT管脚上。高速晶体振动器作为它的第二晶体振荡器。与低速晶体振荡器不同点是功耗较大且必须外接电容。系统可以根据不同的需要选择不同的晶体振荡器作为主时钟。此设计中设定在一般情况下微处理器工作在低频，从而降低功耗，等需要进行温度和溶氧量检测时，立即切换到高频时钟上，马上进行温度和溶氧量的采集、处理和数据的收发等操作。由于两个晶体振荡器的存在，在保证系统低功耗的同时也可以保证系统的快速响应。Zigbee是一种新兴的短距离、低速率无线网络技术，Zigbee的基础是IEEE 802.1
14、5.4，它具有传输速率低、功耗低、成本低、网络容量大、安全性好等特点，是自动控制系统和工农业生产中短距离无线通信的首选网络。具体芯片选择DIGI公司的XBee模块，XBee模块是一个外型小巧，功能完善的Zigbee收发器，支持半双工操作，射频部分芯片全部内部集成，可以外接多种类型的天线。XBee模块通过UART与MSP430相连进行通信。XBee模块的SLEEP引脚与MSP430的P4.3相连，通过对P4.3编程来控制XBee进入休眠状 389自单片机I 0中国农学通报http:/态。为了有效的观察XBee的通信状态，将MSP430的P3.6和P3.7与发光二极管相连。通过发光二极管的闪烁情况
15、来判断XBee的通信状态。由传感器采集的模拟信号，经运算放大器进行放大以后送至单片机的P6.3，P6.2引脚进行模拟/数字转换。其他数字传感器接口只是用于扩展接口，当系统需要增加采集因子时，在此接口连接相应的传感器即可。单片机将处理后的数据通过串口传输给无线通信模块，无线通信模块将数据发送到终端控制系统，这样终端控制系统就可以通过阈值来控制报警系统和增氧机的工作状态。2.2 终端控制系统的设计笔者设计的终端控制系统主要由溶氧量和水温报警电路、控制电路和无线收发模块等组成。该系统的工作过程是：单片机和无线收发模块都采用上文中的芯片。无线通信模块接收来自于传感器节点采集的溶氧量和水温的数值信息。单
16、片机通过串口接收来自于无线模块的数值，在其内部进行计算和比较，判断采集到的数值是否超过了设定的数值限制。单片机根据判断结果控制是否发出报警信号并控制增氧机开启或关闭。其中增氧机控制电路图如图4所示。增氧机控制电路主要由光电耦合器和继电器组成。其工作原理为：当MSP430单片机的I/O引脚输出低电平时，光耦U1截止，继电器线圈两端无电位差，继电器处于常开状态，相当于开关断开；当单片机的I/O引脚输出高电图2 传感器节点电路连接图图3 终端控制系统框图图4 增氧机控制电路温度传感器溶解氧传感器运算放大器其他传感器接口单片机XBEE通信模块P6.3P6.2P4.xP3.6P3.7P4.0P4.1P4
17、.2P4.3P4.4DoutDinresetDirCtsSleepRts自单片机溶解氧上下限报警器水温上限报警器控制电路增氧机无线模块单片机 390Y系统初始化初始化Z i g B e e模块获取通道启动A 仍转换数据处理Z i g B e e 模块发送数据是否继续采集数据vN进入睡眠模式闫敏杰等：基于无线传感器网络的鱼塘监控系统平时，光耦U1饱和导通，VDD电源加到继电器线圈两端，继电器吸合，其常开触点闭合，相当于开关闭合。在光耦截止瞬间，线圈中的电流不能突变为零，继电器线圈两端会产生一个较高电压的感应电动势，所以在线圈两端并联上一个二极管D1，使线圈产生的感应电动势通过D1放电，保护三极管
18、不被击穿，并消除感应电动势对其他电路产生的干扰。此系统中使用光电耦合器有效地降低了外部干扰对系统的影响，增强了系统的稳定性。3 系统软件设计笔者设计的监控系统的软件主程序流程图如图5所示。它的工作过程是：系统上电后，单片机完成各部分的初始化工作，系统自动读入来自被监控点的温度、溶氧量值，将其与设定的温度、氧浓度值进行比较，判定测得的值是否超出了设定的界限值，并决定是否启动报警器和增氧机。/*主程序初始化*/open_watch_dog();/打开看门狗MclkInit_32K();/系统时钟初始化32Klow_power_init();/省电初始化timeA_init();/时基初始化time
19、B_init();sys_init();/系统初始化clear_watch_dog();/*ZB初始化*/u_char zb_init(void)lzs_strcpy(char*)us_tx_buf,(char*)AT_RQ);us_tx_num=lzs_strlen(char*)AT_RQ);us_tx(us_tx_buf,us_tx_num);us_rx_num=(u_int)us_rx_p-(u_int)us_rx_buf;us_rx_bufus_rx_num=0;n=lzs_strcmp(char*)us_rx_buf,(char*)AT_OK);if(n!=0)return 0;/*
20、错*/系统中传感器节点的程序流程如图6所示。它的工作过程是：系统上电后，单片机完成各部分模块的初始化工作，无线通信模块获得通信信道，单片机启动内部的A/D转换模块将传感器采集的数据进行模数转换，然后单片机进行数据处理和计算，同时将数据存储在无线模块的发送缓存器里发送出去，如果采集的时间到了，单片机进入睡眠模式，一但单片机的睡眠模式的定时时间到，单片机再返回工作模式，继续进行采集工作。4 结束语笔者介绍了鱼塘增氧机的实时控制和报警系统。该系统以水中溶氧量和温度为主要监测参数，通过单片机自动控制增氧机的运行状态并配有报警系统，进而达到稳产、高产、净化水质的目的。此外，该系统中开始系统初始化I/O
21、口初始化输出控制信号并报警读入采集的溶氧量和水温的值输出水温报警信号溶氧量超限吗？水温超限吗？NYYN图5 主程序流程图图6 传感器节点程序流程图 391中国农学通报http:/还保留许多扩展接口部分，根据不同情况的需要可以增加测量PH值、氮、磷等传感器。同时可以在该系统上扩充GPRS模块，则该系统可通过公网传输监控数据到远程的计算机终端，通过PC机实现远程监控，就能进一步监测鱼塘的水质状况，从而实现对水质的远程监控及历史数据的存储。综上所述，在水资源缺乏的地区，利用溶解氧自动监控系统可以充分调节水质。增加水中溶解氧的含量，并且在少换水的情况下，能进行较高密度的养殖，对节水、节能、高效养殖起关
22、键作用。参考文献1成永旭,金继明,朱选材,等.用测氧仪自动监控精养鱼池增氧机适时开机的实验J.渔业现代化,1996,24(6):7-10.2刘星桥,赵德安,全力,等.水产养殖多环境因子控制系统的研究J.农业工程学报,2003,19(3):205-208.3陈郡,王涛.鱼塘溶氧量自动监控系统的设计J.安徽农业科学,2009,37(24):11718-11719,11721.4韩建宁,吴春江.池塘溶解氧动态模型的研究J.农业工程学报,1994,10(2):52-58.5沈伟,杨翠容,李世忠.人工水产养殖单片机实时检测与控制系统研究J.计算机测量与控制,2009,17(1):11-13.6马涛.基于
23、PIC16F873单片机的水产养殖增氧机设计J.单片机开发与应用,2008,24(7-2):163-164.7刘兴国,刘兆普,王鹏祥,等.基于水质监测技术的水产养殖安全保障系统及应用J.农业工程学报,2009,25(6):186-191.8朱明瑞,曹广斌,蒋树义,等.工厂化水产养殖溶解氧自动监控系统研究J.大连水产学院学报,2007,22(3):226-230.9朱文锦,冉刚军.水产养殖环境参数自动监控系统研究J.淡水渔业,2001(1):60-61.10张荣标,谷国梁,冯友兵,等.基于IEEE802.15.4的温室无线监控系统的通信实现J.农业机械学报,2008,39(8):119-122,
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25、刊名：CHINESE AGRICULTURAL SCIENCE BULLETIN年，卷(期)：2010,26(16)参考文献(13条)参考文献(13条)1.成永旭.金继明.朱选材 用测氧仪自动监控精养鱼池增氧机适时开机的实验 1996(6)2.刘星桥.赵德安.全力.潘天红.刘国海.薛文平 水产养殖多环境因子控制系统的研究 2003(3)3.陈郡.王涛 鱼塘溶氧量自动监控系统的设计 2009(24)4.韩建宁.吴春江 池塘溶解氧动态模型的研究 1994(2)5.沈伟.杨翠容.李世忠 人工水产养殖单片机实时检测与控制系统研究 2009(1)6.马涛 基于PIC16F873单片机的水产养殖增氧机设计
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