基于Zigbee的無線網(wǎng)箱溫度自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)

引言
    網(wǎng)箱養(yǎng)魚是利用竹、木、金屬網(wǎng)片或合成纖維等為網(wǎng)身材料，裝配成一定形狀開放式或密閉式的箱體，設(shè)置在流水中．通過高密度的投餌精養(yǎng)或不給餌而利用水中的浮游生物作為食物達(dá)到高產(chǎn)的一種養(yǎng)殖方式。這種方式具有機(jī)動(dòng)、簡(jiǎn)便、產(chǎn)量高及適應(yīng)水域廣等優(yōu)點(diǎn)，有著廣闊的發(fā)展前途。溫度、餌料和水體中的溶氧量等對(duì)產(chǎn)量和質(zhì)量影響非常大，其中溫度監(jiān)控成為提高養(yǎng)殖密度和產(chǎn)量的關(guān)鍵。
    目前，國(guó)內(nèi)進(jìn)行水體溫度監(jiān)控一般是使用單片機(jī)系統(tǒng)，使用有線方式傳輸監(jiān)測(cè)信號(hào)．但這種方式存在成本高、系統(tǒng)較為復(fù)雜、監(jiān)測(cè)范圍小、抗干擾性差等缺點(diǎn)。無線傳感器技術(shù)是傳感器技術(shù)與無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的結(jié)合，是一種新興的智能監(jiān)測(cè)與控制技術(shù)，由于其具有低成本、體積小、實(shí)時(shí)性強(qiáng)、功耗低、抗干擾性強(qiáng)、嵌入性好等特點(diǎn)，廣泛應(yīng)用在工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中。在水養(yǎng)殖生產(chǎn)中，應(yīng)用無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)進(jìn)行水體溫度等數(shù)據(jù)的采集與傳送．對(duì)提高水養(yǎng)殖產(chǎn)量、降低生產(chǎn)成本、減輕勞動(dòng)強(qiáng)度具有重要的意義。本文設(shè)計(jì)了一種基于Zig-bee技術(shù)的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)，并運(yùn)用該節(jié)點(diǎn)組建一個(gè)面向水養(yǎng)殖生產(chǎn)中網(wǎng)箱溫度監(jiān)控的無線網(wǎng)絡(luò)監(jiān)測(cè)與控制系統(tǒng)。

1 Zigbee無線傳感器網(wǎng)絡(luò)簡(jiǎn)介
    無線傳感器網(wǎng)絡(luò)(WSNs，wireless sensor networks)是一種超大規(guī)模、無人值守、資源受限的全分布系統(tǒng)。采用多跳對(duì)等的通信方式，其網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋭?dòng)態(tài)變化。具有自組織、自適應(yīng)等智能屬性。它融合了傳感器、網(wǎng)絡(luò)、無線通信、單片機(jī)和自動(dòng)控制等技術(shù)。同時(shí)，針對(duì)不同的應(yīng)用對(duì)象體現(xiàn)了很強(qiáng)的適應(yīng)性和靈活性，在工業(yè)控制與監(jiān)測(cè)、農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、物流、健康和環(huán)境監(jiān)測(cè)等方面有著廣泛的應(yīng)用。
    Zigbee這一名稱來源于蜜蜂的八字舞，由于蜜蜂(bee)是靠飛翔和“嗡嗡”(zig)地抖動(dòng)翅膀的“舞蹈”來與同伴傳遞花粉所在方位信息，也就是說蜜蜂依靠這樣的方式構(gòu)成了群體中的通信網(wǎng)絡(luò)。ZigBee技術(shù)是采用。IEEE802.15.4標(biāo)準(zhǔn)的一種短距離的無線通信技術(shù)?？晒ぷ髟?．14 GHz(全球流行)、868 MHz(歐洲流行)和915 MHz(美國(guó)流行)3個(gè)頻段上，分別具有最高至250 kbit／s、20 kbit／s、40 kbit／s的傳輸速率，它的傳輸距離在10 m～75 m的范圍內(nèi)，但還可以繼續(xù)增加。依據(jù)發(fā)射功率的大小和應(yīng)用模式而定，1臺(tái)Zigbee設(shè)備可以連接多達(dá)254個(gè)同類的設(shè)備。此外，由于Zigbee具備高鏈接數(shù)與低耗電的特性，已經(jīng)成為目前無線傳感器網(wǎng)絡(luò)(WSNs)中無線通信技術(shù)的首選之一，可應(yīng)用在溫度測(cè)量、水電煤氣計(jì)量數(shù)據(jù)記錄、保衛(wèi)防護(hù)的監(jiān)控等方面，廠商無需經(jīng)常更換電池或布建供電網(wǎng)絡(luò)，即可方便地取得所需的信息。

2 無線網(wǎng)箱溫度自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)的構(gòu)成
    無線網(wǎng)絡(luò)的連接方式有很多種，最基本的有星狀連接、串狀連接和網(wǎng)狀連接三種連接方式。因?yàn)閆igbee的解決方案支持每個(gè)網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器帶有254．個(gè)激活節(jié)點(diǎn)，多個(gè)網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器可以聯(lián)結(jié)大型網(wǎng)絡(luò)，所以本設(shè)計(jì)網(wǎng)絡(luò)連接選用串狀連接方式．多個(gè)網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器可以協(xié)同工作，這一特點(diǎn)保證了新增網(wǎng)箱節(jié)點(diǎn)的靈活加人，還可以滿足大規(guī)模的要求。該無線網(wǎng)箱溫度自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)總體架構(gòu)如圖l所示，該系統(tǒng)由中心控制單元和網(wǎng)箱溫度監(jiān)控終端組成。

3 無線網(wǎng)箱溫度自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)
    下面詳細(xì)介紹中心控制單元和網(wǎng)箱溫度監(jiān)控終端的功能和設(shè)計(jì)。
3．1 中心控制單元
    管理人員可在中心控制單元通過控制面板或鍵盤設(shè)定正常溫度范圍，如果某網(wǎng)箱溫度超過設(shè)定范圍則中心控制單元通過聲光等方式報(bào)警；管理人員還可根據(jù)漁場(chǎng)實(shí)際情況增添或減少監(jiān)控網(wǎng)箱節(jié)點(diǎn)數(shù)目，同樣通過控制面板或鍵盤進(jìn)行操作；可對(duì)歷史數(shù)據(jù)進(jìn)行記錄，并可根據(jù)不同組合條件進(jìn)行查詢，并生成報(bào)表(與電腦連通后可用)。
    中心控制單元包括MCU與Zigbee射頻模塊、聲光報(bào)警模塊、鍵盤顯示模塊和電源模塊。主要模塊說明如下：
    MCU與Zigbee射頻模塊采用CC2430芯片．CC2430芯片采用o.18μm CMOS工藝生產(chǎn)；在接收和發(fā)射模式下．電流損耗分別低于27 mA或25 mA。CC2430的休眠模式和轉(zhuǎn)換到主動(dòng)模式的超短時(shí)間的特性，特別適合那些要求電池壽命非常長(zhǎng)的應(yīng)用。Zigbee協(xié)議通過軟件程序固化在CC2430的內(nèi)存中。CC2430芯片的主要特點(diǎn)如下：
    ◆高性能和低功耗的8051微控制器核。
    ◆集成符合IEEE802．15．4標(biāo)準(zhǔn)的2．4 GHz的RF無線電收發(fā)機(jī)。
    ◆優(yōu)良的無線接收靈敏度和強(qiáng)大的抗干擾性。
    ◆在休眠模式時(shí)僅0．9μA的流耗，外部的中斷或RTC能喚醒系統(tǒng)；在待機(jī)模式時(shí)少于0．6μA的流耗．外部的中斷能喚醒系統(tǒng)。
    ◆硬件支持CSMA／CA功能。
    ◆較寬的電壓范圍(2．0 V～3．6 V)。
    ◆數(shù)字化的RSSI／LQl支持和強(qiáng)大的DMA功能。
    ◆具有電池監(jiān)測(cè)和溫度感測(cè)功能。
    ◆集成了14位模數(shù)轉(zhuǎn)換的ADC。
    ◆集成AES安全協(xié)處理器。
    ◆帶有2個(gè)強(qiáng)大的支持幾組協(xié)議的USART，以及1個(gè)符合IEEE 802．15．4規(guī)范的MAC計(jì)時(shí)器，1個(gè)常規(guī)的16位計(jì)時(shí)器和2個(gè)8位計(jì)時(shí)器。
    ◆強(qiáng)大和靈活的開發(fā)工具。

    聲光報(bào)警模塊通過喇叭和警燈實(shí)現(xiàn)，在發(fā)生異常情況下,如溫度超標(biāo)等,進(jìn)行高響度、高亮度的聲光提醒，引起管理人員的警醒。
    鍵盤及顯示模塊控制鍵盤采用數(shù)字控制面板，由數(shù)字鍵O～9及確定和取消鍵組成，顯示模塊采用可以顯示兩行字符的LCD，每行可以顯示14個(gè)字符。
3．2 網(wǎng)箱溫度監(jiān)控終端
    網(wǎng)箱溫度監(jiān)控終端最重要的功能是溫度監(jiān)控，并能及時(shí)將監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)信息發(fā)送到中心控制單元；為了保證網(wǎng)箱溫度監(jiān)控終端的正常工作，還需具有節(jié)點(diǎn)低電壓報(bào)警功能，即當(dāng)監(jiān)控終端電壓低于正常的工作電壓時(shí)，則向中心控制單元發(fā)出請(qǐng)求更換電池的信號(hào)；以及顯示功能。
    網(wǎng)箱溫度監(jiān)控終端包括MCU與Zigbee射頻模塊、溫度傳感器、鍵盤顯示模塊和電源模塊。主要模塊說明如下：
    MCU與Zigbee射頻模塊與中心控制單元中的一樣，采用CC2430芯片。
    溫度傳感器采用意法半導(dǎo)體的STTS75系列數(shù)字溫度傳感器芯片，采用標(biāo)準(zhǔn)的8引線TSSOP和SO-8封裝，適用于設(shè)備控制應(yīng)用領(lǐng)域，此系列產(chǎn)品采用一個(gè)帶隙式溫度傳感器，內(nèi)置一個(gè)可編程的9位到12位的sigma-delta模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)，能夠把模擬的溫度讀數(shù)信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)，分辨率高達(dá)0．0625攝氏度。STTS75是在出廠前校準(zhǔn)的，無需其它外部組件。在負(fù)55攝氏度到正125攝氏度范圍內(nèi)，傳感器測(cè)量精度上下浮動(dòng)3攝氏度；在負(fù)25攝氏度到正100攝氏度范圍內(nèi)．傳感器感應(yīng)精度上下浮動(dòng)2攝氏度。此系列傳感器是為2．7 V～5．5 V低電源電壓設(shè)計(jì)的，工作電流消耗很低．在3．3 V電壓下典型工作電流僅為75μA。在省電的關(guān)斷模式下，待機(jī)電流非常低，最大值僅為1μA。上電默認(rèn)設(shè)置使該系列產(chǎn)品能夠作為一個(gè)恒溫器獨(dú)立工作．溫度數(shù)值和溫度調(diào)節(jié)滯后值都可以編程。價(jià)格在0．7美元左右?？刂奇I盤采用數(shù)字控制面板．由數(shù)字鍵0～9及確定和取消鍵組成，顯示模塊可采用數(shù)碼管顯示，因?yàn)楹苌儆玫?，所以只有必要時(shí)才打開開關(guān)觀察當(dāng)前溫度值。

4 結(jié)束語
    無線傳感器網(wǎng)絡(luò)作為近年來一門新興技術(shù)．在工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域中得到了廣泛的應(yīng)用。基于Zigbee的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)由于其成本低、實(shí)時(shí)性好、嵌入性強(qiáng)，在養(yǎng)殖業(yè)生產(chǎn)監(jiān)控中具有良好的應(yīng)用前景。本文所設(shè)計(jì)的基于Zigbee的無線網(wǎng)箱溫度自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)．減少了現(xiàn)場(chǎng)布線帶來的各種問題，對(duì)網(wǎng)箱節(jié)點(diǎn)的管理也更加方便，具有低成本．運(yùn)行可靠．適用面積廣等特點(diǎn)，為實(shí)現(xiàn)大規(guī)模水產(chǎn)養(yǎng)殖中網(wǎng)箱監(jiān)控的信息化自動(dòng)化，提高養(yǎng)殖產(chǎn)量和質(zhì)量、降低生產(chǎn)成本、減輕勞動(dòng)強(qiáng)度具有很高的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。