彭宇帆

摘 要：隨著耕地與水資源的日益減少和人們對(duì)高質(zhì)量水產(chǎn)品需求量的不斷增大，越來(lái)越多的人們開(kāi)始嘗試推廣工廠化的高密度水產(chǎn)養(yǎng)殖方式。而目前尚欠缺一種適應(yīng)于工廠化高密度水產(chǎn)養(yǎng)殖模式的高效、安全且經(jīng)濟(jì)適用的養(yǎng)殖場(chǎng)水體環(huán)境在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。文中的基于ZigBee技術(shù)構(gòu)建水體信息無(wú)線實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)方案便是為解決這一問(wèn)題而做出的有效嘗試。

關(guān)鍵詞：無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)；工廠化水產(chǎn)養(yǎng)殖；水環(huán)境；實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)

中圖分類(lèi)號(hào)：TP212 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：2095-1302（2014）08-0032-02

0 引 言

中國(guó)是水產(chǎn)養(yǎng)殖大國(guó)，世界上百分之七十左右的水產(chǎn)養(yǎng)殖產(chǎn)量來(lái)自于中國(guó)境內(nèi)。目前，國(guó)內(nèi)多數(shù)的水產(chǎn)養(yǎng)殖場(chǎng)在技術(shù)上都處于較為原始的階段，主要依據(jù)個(gè)人經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行生產(chǎn)管理。由于市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)日趨激烈，大量養(yǎng)殖場(chǎng)都轉(zhuǎn)而采用大幅度提高養(yǎng)殖密度的方式來(lái)獲得更多利潤(rùn)，這使得過(guò)去在自然水體中進(jìn)行散養(yǎng)的陳舊經(jīng)驗(yàn)不再可靠。對(duì)水環(huán)境不能及時(shí)了解，是養(yǎng)殖場(chǎng)面臨的最大風(fēng)險(xiǎn)。一次嚴(yán)重的缺氧就可能對(duì)生產(chǎn)造成毀滅性的打擊。同時(shí)，水環(huán)境管理不善使得魚(yú)病叢生，養(yǎng)殖者不得不使用大量的藥物保證養(yǎng)殖對(duì)象的存活，這又對(duì)食品安全造成了很大威脅。隨著全社會(huì)對(duì)食品安全的持續(xù)關(guān)注，這樣的生產(chǎn)方法已經(jīng)不能適應(yīng)社會(huì)的需求。水產(chǎn)養(yǎng)殖行業(yè)急需一種更精細(xì)的生產(chǎn)管理模式。

而阻礙水產(chǎn)養(yǎng)殖業(yè)進(jìn)行精細(xì)化生產(chǎn)轉(zhuǎn)型的最大阻力便是成本，尤其是各種測(cè)量和通信設(shè)備的安裝和使用成本。目前歐美發(fā)達(dá)國(guó)家的養(yǎng)殖場(chǎng)普遍套用工廠的管理模式，大量使用現(xiàn)場(chǎng)總線和工業(yè)計(jì)算機(jī)等自動(dòng)化設(shè)備對(duì)各類(lèi)傳感器進(jìn)行組網(wǎng)，并聘用懂得使用此類(lèi)設(shè)備的高技術(shù)人才進(jìn)行運(yùn)營(yíng)。這些設(shè)備的一次性投入過(guò)于巨大，超出了國(guó)內(nèi)絕大多數(shù)養(yǎng)殖場(chǎng)的承受能力，且對(duì)使用者的要求過(guò)高，目前國(guó)內(nèi)的絕大多數(shù)養(yǎng)殖場(chǎng)尚無(wú)可能招聘到此類(lèi)人才從事養(yǎng)殖工作。

隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的不斷完善，一種基于無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的新型信息管理方案有望解決這一困局。

1 技術(shù)方案

1.1 適用場(chǎng)合

本文所論述的解決方案適用于已經(jīng)初步具備高密度水產(chǎn)養(yǎng)殖能力的裝備了人工增氧和基本水處理設(shè)備，而尚無(wú)可靠的水環(huán)境信息獲取能力的養(yǎng)殖場(chǎng)所。

1.2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

本方案包含一個(gè)基于ZigBee技術(shù)的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)各類(lèi)信息采集設(shè)備的無(wú)線通訊，并將采集得來(lái)的信息經(jīng)匯總后發(fā)送到用戶需要的終端。

用于信息采集的設(shè)備主要是各類(lèi)傳感器。傳感器可收集水體溶氧、溫度、濁度、氧化還原電位等信息。每個(gè)傳感器均與一個(gè)ZigBee終端及一個(gè)小型充電電池組成一個(gè)完整的探測(cè)單元。該探測(cè)單元可以被自由的安放在任何需要的位置，無(wú)需布線。ZigBee終端可與ZigBee的其它單元配合形成一個(gè)自組織的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)，并通過(guò)ZigBee網(wǎng)關(guān)將探頭收集的數(shù)據(jù)傳輸至網(wǎng)絡(luò)。用戶可通過(guò)電腦或移動(dòng)終端通過(guò)網(wǎng)絡(luò)隨時(shí)查閱這些信息。圖1所示是無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)組網(wǎng)結(jié)構(gòu)示意圖。

1.3 系統(tǒng)參數(shù)

本方案使用的芯片為采用IEEE 802.15.4標(biāo)準(zhǔn)的CC2430系列ZigBee芯片。在硬件設(shè)計(jì)上，針對(duì)路由節(jié)點(diǎn)的功率不同采用兩種可選方案。

其中普通方案適用于養(yǎng)殖場(chǎng)所中安放ZigBee測(cè)量終端與路由節(jié)點(diǎn)的位置相隔不太遠(yuǎn)且可視的情況。普通路由節(jié)點(diǎn)使用CC2430片上系統(tǒng)集成的CC2420RF收發(fā)器，經(jīng)測(cè)試可保證可視距離60 m內(nèi)的數(shù)據(jù)傳輸。此種設(shè)計(jì)最大的優(yōu)勢(shì)就是供電方式非常靈活，且續(xù)航時(shí)間長(zhǎng)。

而針對(duì)養(yǎng)殖場(chǎng)各個(gè)部分相距較遠(yuǎn)或中間有物理隔斷的情況，可選擇大功率路由節(jié)點(diǎn)。大功率路由節(jié)點(diǎn)在普通節(jié)點(diǎn)的基礎(chǔ)上增加了一個(gè)CC2591射頻前端，并通過(guò)TPS73033電源模塊進(jìn)行供電。經(jīng)測(cè)試，大功率路由節(jié)點(diǎn)可間隔3堵厚約30 cm的混凝土墻或400 m以上的可視距離進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。

1.4 網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?/p>

為了盡可能適應(yīng)復(fù)雜多變的養(yǎng)殖場(chǎng)結(jié)構(gòu)，本方案采用網(wǎng)狀網(wǎng)路由的方式對(duì)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行自組織。此種網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浞绞讲捎米越M織按需矢量簡(jiǎn)化算法（AODVjr ），適用于養(yǎng)殖場(chǎng)的數(shù)據(jù)傳輸需要，即拓?fù)浠蛲ㄐ怒h(huán)境有時(shí)會(huì)發(fā)生變化且需要傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量不大（主要是溫度、溶氧量、濁度、氧化還原電位等簡(jiǎn)單數(shù)值信息）的情況。

2 功能應(yīng)用

2.1 數(shù)據(jù)獲取

利用CC2430片上系統(tǒng)自帶的ADC模塊，可將各類(lèi)傳感器提供的電壓信號(hào)轉(zhuǎn)化成數(shù)字信號(hào)，并統(tǒng)一編碼發(fā)送。可集成的傳感器有溶氧探頭、溫度探頭、濁度探頭、氧化還原電位探頭等?；緷M足了水產(chǎn)養(yǎng)殖的水環(huán)境監(jiān)測(cè)要求。

2.2 數(shù)據(jù)傳輸

采用ZigBee技術(shù)的數(shù)據(jù)傳輸速度介于20～250 Kb/s，而每個(gè)傳感器每次所需傳輸?shù)臄?shù)據(jù)只有幾個(gè)字節(jié)的大小，數(shù)據(jù)傳輸?shù)难舆t幾乎感受不到。

2.3 節(jié)點(diǎn)分布

ZigBee網(wǎng)關(guān)的安放應(yīng)在保證可以連接英特網(wǎng)的情況下盡量位于養(yǎng)殖場(chǎng)的中心位置。每個(gè)路由節(jié)點(diǎn)的安放應(yīng)保證其有效通信半徑內(nèi)包含網(wǎng)關(guān)或至少一個(gè)可與網(wǎng)關(guān)通信的路由節(jié)點(diǎn)。每個(gè)測(cè)量終端的安放應(yīng)保證其位于至少一個(gè)路由節(jié)點(diǎn)的有效通信半徑內(nèi)。

2.4 信息獲取

用戶可簡(jiǎn)單的通過(guò)移動(dòng)設(shè)備或電腦訪問(wèn)英特網(wǎng)查詢養(yǎng)殖場(chǎng)的實(shí)時(shí)水環(huán)境信息。該信息會(huì)依據(jù)設(shè)置定期刷新。用戶與養(yǎng)殖場(chǎng)的通信聯(lián)絡(luò)如圖2所示。

3 技術(shù)優(yōu)勢(shì)

與西方目前普遍采用的基于現(xiàn)場(chǎng)總線和工業(yè)計(jì)算機(jī)的養(yǎng)殖場(chǎng)數(shù)據(jù)采集方式相比，本文所論述的方案在某些方面具有優(yōu)勢(shì)，具體情況如表1所列。

4 結(jié) 語(yǔ)

本文提供了一個(gè)用于提高水產(chǎn)養(yǎng)殖場(chǎng)管理水平和信息化程度的基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的解決方案。該方案尚不包括對(duì)養(yǎng)殖場(chǎng)中的設(shè)備進(jìn)行自動(dòng)化控制的功能。這種控制功能的實(shí)現(xiàn)還有待于一個(gè)專(zhuān)家系統(tǒng)的建立作為依據(jù)，依照系統(tǒng)中儲(chǔ)存的對(duì)特定養(yǎng)殖對(duì)象最合適的環(huán)境參數(shù)對(duì)養(yǎng)殖場(chǎng)的設(shè)備工作情況進(jìn)行統(tǒng)籌的安排。這將是本方案未來(lái)繼續(xù)改進(jìn)和提高的方向。

參 考 文 獻(xiàn)

[1] 劉鷹. 工廠化養(yǎng)殖系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)原則[J]. 漁業(yè)現(xiàn)代化，2007（2）：11-12，20.

[2] 陳峻青.工廠化養(yǎng)殖大菱鲆質(zhì)量安全控制策略研究與體系建立[D].青島：中國(guó)海洋大學(xué)，2011.

[3] 孫峰德，孟慶武. 工廠化養(yǎng)殖循環(huán)水處理系統(tǒng)的建造技術(shù)及其市場(chǎng)前景[J].中國(guó)漁業(yè)經(jīng)濟(jì)，2008（3）： 26-28.

[4] 劉雨青，吳燕翔，吳曉棟. 工廠化養(yǎng)殖循環(huán)水處理控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)[J].科學(xué)技術(shù)與工程，2012（7）： 64-68.

[5] 王真真，趙振良. 大菱鲆循環(huán)水工廠化養(yǎng)殖系統(tǒng)及其應(yīng)用研究[J].水產(chǎn)科學(xué)，2013（6）： 27-31..

摘 要：隨著耕地與水資源的日益減少和人們對(duì)高質(zhì)量水產(chǎn)品需求量的不斷增大，越來(lái)越多的人們開(kāi)始嘗試推廣工廠化的高密度水產(chǎn)養(yǎng)殖方式。而目前尚欠缺一種適應(yīng)于工廠化高密度水產(chǎn)養(yǎng)殖模式的高效、安全且經(jīng)濟(jì)適用的養(yǎng)殖場(chǎng)水體環(huán)境在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。文中的基于ZigBee技術(shù)構(gòu)建水體信息無(wú)線實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)方案便是為解決這一問(wèn)題而做出的有效嘗試。

關(guān)鍵詞：無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)；工廠化水產(chǎn)養(yǎng)殖；水環(huán)境；實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)

中圖分類(lèi)號(hào)：TP212 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：2095-1302（2014）08-0032-02

0 引 言

中國(guó)是水產(chǎn)養(yǎng)殖大國(guó)，世界上百分之七十左右的水產(chǎn)養(yǎng)殖產(chǎn)量來(lái)自于中國(guó)境內(nèi)。目前，國(guó)內(nèi)多數(shù)的水產(chǎn)養(yǎng)殖場(chǎng)在技術(shù)上都處于較為原始的階段，主要依據(jù)個(gè)人經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行生產(chǎn)管理。由于市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)日趨激烈，大量養(yǎng)殖場(chǎng)都轉(zhuǎn)而采用大幅度提高養(yǎng)殖密度的方式來(lái)獲得更多利潤(rùn)，這使得過(guò)去在自然水體中進(jìn)行散養(yǎng)的陳舊經(jīng)驗(yàn)不再可靠。對(duì)水環(huán)境不能及時(shí)了解，是養(yǎng)殖場(chǎng)面臨的最大風(fēng)險(xiǎn)。一次嚴(yán)重的缺氧就可能對(duì)生產(chǎn)造成毀滅性的打擊。同時(shí)，水環(huán)境管理不善使得魚(yú)病叢生，養(yǎng)殖者不得不使用大量的藥物保證養(yǎng)殖對(duì)象的存活，這又對(duì)食品安全造成了很大威脅。隨著全社會(huì)對(duì)食品安全的持續(xù)關(guān)注，這樣的生產(chǎn)方法已經(jīng)不能適應(yīng)社會(huì)的需求。水產(chǎn)養(yǎng)殖行業(yè)急需一種更精細(xì)的生產(chǎn)管理模式。

而阻礙水產(chǎn)養(yǎng)殖業(yè)進(jìn)行精細(xì)化生產(chǎn)轉(zhuǎn)型的最大阻力便是成本，尤其是各種測(cè)量和通信設(shè)備的安裝和使用成本。目前歐美發(fā)達(dá)國(guó)家的養(yǎng)殖場(chǎng)普遍套用工廠的管理模式，大量使用現(xiàn)場(chǎng)總線和工業(yè)計(jì)算機(jī)等自動(dòng)化設(shè)備對(duì)各類(lèi)傳感器進(jìn)行組網(wǎng)，并聘用懂得使用此類(lèi)設(shè)備的高技術(shù)人才進(jìn)行運(yùn)營(yíng)。這些設(shè)備的一次性投入過(guò)于巨大，超出了國(guó)內(nèi)絕大多數(shù)養(yǎng)殖場(chǎng)的承受能力，且對(duì)使用者的要求過(guò)高，目前國(guó)內(nèi)的絕大多數(shù)養(yǎng)殖場(chǎng)尚無(wú)可能招聘到此類(lèi)人才從事養(yǎng)殖工作。

隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的不斷完善，一種基于無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的新型信息管理方案有望解決這一困局。

1 技術(shù)方案

1.1 適用場(chǎng)合

本文所論述的解決方案適用于已經(jīng)初步具備高密度水產(chǎn)養(yǎng)殖能力的裝備了人工增氧和基本水處理設(shè)備，而尚無(wú)可靠的水環(huán)境信息獲取能力的養(yǎng)殖場(chǎng)所。

1.2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

本方案包含一個(gè)基于ZigBee技術(shù)的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)各類(lèi)信息采集設(shè)備的無(wú)線通訊，并將采集得來(lái)的信息經(jīng)匯總后發(fā)送到用戶需要的終端。

用于信息采集的設(shè)備主要是各類(lèi)傳感器。傳感器可收集水體溶氧、溫度、濁度、氧化還原電位等信息。每個(gè)傳感器均與一個(gè)ZigBee終端及一個(gè)小型充電電池組成一個(gè)完整的探測(cè)單元。該探測(cè)單元可以被自由的安放在任何需要的位置，無(wú)需布線。ZigBee終端可與ZigBee的其它單元配合形成一個(gè)自組織的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)，并通過(guò)ZigBee網(wǎng)關(guān)將探頭收集的數(shù)據(jù)傳輸至網(wǎng)絡(luò)。用戶可通過(guò)電腦或移動(dòng)終端通過(guò)網(wǎng)絡(luò)隨時(shí)查閱這些信息。圖1所示是無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)組網(wǎng)結(jié)構(gòu)示意圖。

1.3 系統(tǒng)參數(shù)

本方案使用的芯片為采用IEEE 802.15.4標(biāo)準(zhǔn)的CC2430系列ZigBee芯片。在硬件設(shè)計(jì)上，針對(duì)路由節(jié)點(diǎn)的功率不同采用兩種可選方案。

其中普通方案適用于養(yǎng)殖場(chǎng)所中安放ZigBee測(cè)量終端與路由節(jié)點(diǎn)的位置相隔不太遠(yuǎn)且可視的情況。普通路由節(jié)點(diǎn)使用CC2430片上系統(tǒng)集成的CC2420RF收發(fā)器，經(jīng)測(cè)試可保證可視距離60 m內(nèi)的數(shù)據(jù)傳輸。此種設(shè)計(jì)最大的優(yōu)勢(shì)就是供電方式非常靈活，且續(xù)航時(shí)間長(zhǎng)。

而針對(duì)養(yǎng)殖場(chǎng)各個(gè)部分相距較遠(yuǎn)或中間有物理隔斷的情況，可選擇大功率路由節(jié)點(diǎn)。大功率路由節(jié)點(diǎn)在普通節(jié)點(diǎn)的基礎(chǔ)上增加了一個(gè)CC2591射頻前端，并通過(guò)TPS73033電源模塊進(jìn)行供電。經(jīng)測(cè)試，大功率路由節(jié)點(diǎn)可間隔3堵厚約30 cm的混凝土墻或400 m以上的可視距離進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。

1.4 網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?/p>

為了盡可能適應(yīng)復(fù)雜多變的養(yǎng)殖場(chǎng)結(jié)構(gòu)，本方案采用網(wǎng)狀網(wǎng)路由的方式對(duì)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行自組織。此種網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浞绞讲捎米越M織按需矢量簡(jiǎn)化算法（AODVjr ），適用于養(yǎng)殖場(chǎng)的數(shù)據(jù)傳輸需要，即拓?fù)浠蛲ㄐ怒h(huán)境有時(shí)會(huì)發(fā)生變化且需要傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量不大（主要是溫度、溶氧量、濁度、氧化還原電位等簡(jiǎn)單數(shù)值信息）的情況。

2 功能應(yīng)用

2.1 數(shù)據(jù)獲取

利用CC2430片上系統(tǒng)自帶的ADC模塊，可將各類(lèi)傳感器提供的電壓信號(hào)轉(zhuǎn)化成數(shù)字信號(hào)，并統(tǒng)一編碼發(fā)送?？杉傻膫鞲衅饔腥苎跆筋^、溫度探頭、濁度探頭、氧化還原電位探頭等?；緷M足了水產(chǎn)養(yǎng)殖的水環(huán)境監(jiān)測(cè)要求。

2.2 數(shù)據(jù)傳輸

采用ZigBee技術(shù)的數(shù)據(jù)傳輸速度介于20～250 Kb/s，而每個(gè)傳感器每次所需傳輸?shù)臄?shù)據(jù)只有幾個(gè)字節(jié)的大小，數(shù)據(jù)傳輸?shù)难舆t幾乎感受不到。

2.3 節(jié)點(diǎn)分布

ZigBee網(wǎng)關(guān)的安放應(yīng)在保證可以連接英特網(wǎng)的情況下盡量位于養(yǎng)殖場(chǎng)的中心位置。每個(gè)路由節(jié)點(diǎn)的安放應(yīng)保證其有效通信半徑內(nèi)包含網(wǎng)關(guān)或至少一個(gè)可與網(wǎng)關(guān)通信的路由節(jié)點(diǎn)。每個(gè)測(cè)量終端的安放應(yīng)保證其位于至少一個(gè)路由節(jié)點(diǎn)的有效通信半徑內(nèi)。

2.4 信息獲取

用戶可簡(jiǎn)單的通過(guò)移動(dòng)設(shè)備或電腦訪問(wèn)英特網(wǎng)查詢養(yǎng)殖場(chǎng)的實(shí)時(shí)水環(huán)境信息。該信息會(huì)依據(jù)設(shè)置定期刷新。用戶與養(yǎng)殖場(chǎng)的通信聯(lián)絡(luò)如圖2所示。

3 技術(shù)優(yōu)勢(shì)

與西方目前普遍采用的基于現(xiàn)場(chǎng)總線和工業(yè)計(jì)算機(jī)的養(yǎng)殖場(chǎng)數(shù)據(jù)采集方式相比，本文所論述的方案在某些方面具有優(yōu)勢(shì)，具體情況如表1所列。

4 結(jié) 語(yǔ)

本文提供了一個(gè)用于提高水產(chǎn)養(yǎng)殖場(chǎng)管理水平和信息化程度的基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的解決方案。該方案尚不包括對(duì)養(yǎng)殖場(chǎng)中的設(shè)備進(jìn)行自動(dòng)化控制的功能。這種控制功能的實(shí)現(xiàn)還有待于一個(gè)專(zhuān)家系統(tǒng)的建立作為依據(jù)，依照系統(tǒng)中儲(chǔ)存的對(duì)特定養(yǎng)殖對(duì)象最合適的環(huán)境參數(shù)對(duì)養(yǎng)殖場(chǎng)的設(shè)備工作情況進(jìn)行統(tǒng)籌的安排。這將是本方案未來(lái)繼續(xù)改進(jìn)和提高的方向。

參 考 文 獻(xiàn)

[1] 劉鷹. 工廠化養(yǎng)殖系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)原則[J]. 漁業(yè)現(xiàn)代化，2007（2）：11-12，20.

[2] 陳峻青.工廠化養(yǎng)殖大菱鲆質(zhì)量安全控制策略研究與體系建立[D].青島：中國(guó)海洋大學(xué)，2011.

[3] 孫峰德，孟慶武. 工廠化養(yǎng)殖循環(huán)水處理系統(tǒng)的建造技術(shù)及其市場(chǎng)前景[J].中國(guó)漁業(yè)經(jīng)濟(jì)，2008（3）： 26-28.

[4] 劉雨青，吳燕翔，吳曉棟. 工廠化養(yǎng)殖循環(huán)水處理控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)[J].科學(xué)技術(shù)與工程，2012（7）： 64-68.

[5] 王真真，趙振良. 大菱鲆循環(huán)水工廠化養(yǎng)殖系統(tǒng)及其應(yīng)用研究[J].水產(chǎn)科學(xué)，2013（6）： 27-31..

摘 要：隨著耕地與水資源的日益減少和人們對(duì)高質(zhì)量水產(chǎn)品需求量的不斷增大，越來(lái)越多的人們開(kāi)始嘗試推廣工廠化的高密度水產(chǎn)養(yǎng)殖方式。而目前尚欠缺一種適應(yīng)于工廠化高密度水產(chǎn)養(yǎng)殖模式的高效、安全且經(jīng)濟(jì)適用的養(yǎng)殖場(chǎng)水體環(huán)境在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。文中的基于ZigBee技術(shù)構(gòu)建水體信息無(wú)線實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)方案便是為解決這一問(wèn)題而做出的有效嘗試。

關(guān)鍵詞：無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)；工廠化水產(chǎn)養(yǎng)殖；水環(huán)境；實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)

中圖分類(lèi)號(hào)：TP212 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：2095-1302（2014）08-0032-02

0 引 言

中國(guó)是水產(chǎn)養(yǎng)殖大國(guó)，世界上百分之七十左右的水產(chǎn)養(yǎng)殖產(chǎn)量來(lái)自于中國(guó)境內(nèi)。目前，國(guó)內(nèi)多數(shù)的水產(chǎn)養(yǎng)殖場(chǎng)在技術(shù)上都處于較為原始的階段，主要依據(jù)個(gè)人經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行生產(chǎn)管理。由于市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)日趨激烈，大量養(yǎng)殖場(chǎng)都轉(zhuǎn)而采用大幅度提高養(yǎng)殖密度的方式來(lái)獲得更多利潤(rùn)，這使得過(guò)去在自然水體中進(jìn)行散養(yǎng)的陳舊經(jīng)驗(yàn)不再可靠。對(duì)水環(huán)境不能及時(shí)了解，是養(yǎng)殖場(chǎng)面臨的最大風(fēng)險(xiǎn)。一次嚴(yán)重的缺氧就可能對(duì)生產(chǎn)造成毀滅性的打擊。同時(shí)，水環(huán)境管理不善使得魚(yú)病叢生，養(yǎng)殖者不得不使用大量的藥物保證養(yǎng)殖對(duì)象的存活，這又對(duì)食品安全造成了很大威脅。隨著全社會(huì)對(duì)食品安全的持續(xù)關(guān)注，這樣的生產(chǎn)方法已經(jīng)不能適應(yīng)社會(huì)的需求。水產(chǎn)養(yǎng)殖行業(yè)急需一種更精細(xì)的生產(chǎn)管理模式。

而阻礙水產(chǎn)養(yǎng)殖業(yè)進(jìn)行精細(xì)化生產(chǎn)轉(zhuǎn)型的最大阻力便是成本，尤其是各種測(cè)量和通信設(shè)備的安裝和使用成本。目前歐美發(fā)達(dá)國(guó)家的養(yǎng)殖場(chǎng)普遍套用工廠的管理模式，大量使用現(xiàn)場(chǎng)總線和工業(yè)計(jì)算機(jī)等自動(dòng)化設(shè)備對(duì)各類(lèi)傳感器進(jìn)行組網(wǎng)，并聘用懂得使用此類(lèi)設(shè)備的高技術(shù)人才進(jìn)行運(yùn)營(yíng)。這些設(shè)備的一次性投入過(guò)于巨大，超出了國(guó)內(nèi)絕大多數(shù)養(yǎng)殖場(chǎng)的承受能力，且對(duì)使用者的要求過(guò)高，目前國(guó)內(nèi)的絕大多數(shù)養(yǎng)殖場(chǎng)尚無(wú)可能招聘到此類(lèi)人才從事養(yǎng)殖工作。

隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的不斷完善，一種基于無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的新型信息管理方案有望解決這一困局。

1 技術(shù)方案

1.1 適用場(chǎng)合

本文所論述的解決方案適用于已經(jīng)初步具備高密度水產(chǎn)養(yǎng)殖能力的裝備了人工增氧和基本水處理設(shè)備，而尚無(wú)可靠的水環(huán)境信息獲取能力的養(yǎng)殖場(chǎng)所。

1.2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

本方案包含一個(gè)基于ZigBee技術(shù)的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)各類(lèi)信息采集設(shè)備的無(wú)線通訊，并將采集得來(lái)的信息經(jīng)匯總后發(fā)送到用戶需要的終端。

用于信息采集的設(shè)備主要是各類(lèi)傳感器。傳感器可收集水體溶氧、溫度、濁度、氧化還原電位等信息。每個(gè)傳感器均與一個(gè)ZigBee終端及一個(gè)小型充電電池組成一個(gè)完整的探測(cè)單元。該探測(cè)單元可以被自由的安放在任何需要的位置，無(wú)需布線。ZigBee終端可與ZigBee的其它單元配合形成一個(gè)自組織的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)，并通過(guò)ZigBee網(wǎng)關(guān)將探頭收集的數(shù)據(jù)傳輸至網(wǎng)絡(luò)。用戶可通過(guò)電腦或移動(dòng)終端通過(guò)網(wǎng)絡(luò)隨時(shí)查閱這些信息。圖1所示是無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)組網(wǎng)結(jié)構(gòu)示意圖。

1.3 系統(tǒng)參數(shù)

本方案使用的芯片為采用IEEE 802.15.4標(biāo)準(zhǔn)的CC2430系列ZigBee芯片。在硬件設(shè)計(jì)上，針對(duì)路由節(jié)點(diǎn)的功率不同采用兩種可選方案。

其中普通方案適用于養(yǎng)殖場(chǎng)所中安放ZigBee測(cè)量終端與路由節(jié)點(diǎn)的位置相隔不太遠(yuǎn)且可視的情況。普通路由節(jié)點(diǎn)使用CC2430片上系統(tǒng)集成的CC2420RF收發(fā)器，經(jīng)測(cè)試可保證可視距離60 m內(nèi)的數(shù)據(jù)傳輸。此種設(shè)計(jì)最大的優(yōu)勢(shì)就是供電方式非常靈活，且續(xù)航時(shí)間長(zhǎng)。

而針對(duì)養(yǎng)殖場(chǎng)各個(gè)部分相距較遠(yuǎn)或中間有物理隔斷的情況，可選擇大功率路由節(jié)點(diǎn)。大功率路由節(jié)點(diǎn)在普通節(jié)點(diǎn)的基礎(chǔ)上增加了一個(gè)CC2591射頻前端，并通過(guò)TPS73033電源模塊進(jìn)行供電。經(jīng)測(cè)試，大功率路由節(jié)點(diǎn)可間隔3堵厚約30 cm的混凝土墻或400 m以上的可視距離進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。

1.4 網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?/p>

為了盡可能適應(yīng)復(fù)雜多變的養(yǎng)殖場(chǎng)結(jié)構(gòu)，本方案采用網(wǎng)狀網(wǎng)路由的方式對(duì)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行自組織。此種網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浞绞讲捎米越M織按需矢量簡(jiǎn)化算法（AODVjr ），適用于養(yǎng)殖場(chǎng)的數(shù)據(jù)傳輸需要，即拓?fù)浠蛲ㄐ怒h(huán)境有時(shí)會(huì)發(fā)生變化且需要傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量不大（主要是溫度、溶氧量、濁度、氧化還原電位等簡(jiǎn)單數(shù)值信息）的情況。

2 功能應(yīng)用

2.1 數(shù)據(jù)獲取

利用CC2430片上系統(tǒng)自帶的ADC模塊，可將各類(lèi)傳感器提供的電壓信號(hào)轉(zhuǎn)化成數(shù)字信號(hào)，并統(tǒng)一編碼發(fā)送?？杉傻膫鞲衅饔腥苎跆筋^、溫度探頭、濁度探頭、氧化還原電位探頭等?；緷M足了水產(chǎn)養(yǎng)殖的水環(huán)境監(jiān)測(cè)要求。

2.2 數(shù)據(jù)傳輸

采用ZigBee技術(shù)的數(shù)據(jù)傳輸速度介于20～250 Kb/s，而每個(gè)傳感器每次所需傳輸?shù)臄?shù)據(jù)只有幾個(gè)字節(jié)的大小，數(shù)據(jù)傳輸?shù)难舆t幾乎感受不到。

2.3 節(jié)點(diǎn)分布

ZigBee網(wǎng)關(guān)的安放應(yīng)在保證可以連接英特網(wǎng)的情況下盡量位于養(yǎng)殖場(chǎng)的中心位置。每個(gè)路由節(jié)點(diǎn)的安放應(yīng)保證其有效通信半徑內(nèi)包含網(wǎng)關(guān)或至少一個(gè)可與網(wǎng)關(guān)通信的路由節(jié)點(diǎn)。每個(gè)測(cè)量終端的安放應(yīng)保證其位于至少一個(gè)路由節(jié)點(diǎn)的有效通信半徑內(nèi)。

2.4 信息獲取

用戶可簡(jiǎn)單的通過(guò)移動(dòng)設(shè)備或電腦訪問(wèn)英特網(wǎng)查詢養(yǎng)殖場(chǎng)的實(shí)時(shí)水環(huán)境信息。該信息會(huì)依據(jù)設(shè)置定期刷新。用戶與養(yǎng)殖場(chǎng)的通信聯(lián)絡(luò)如圖2所示。

3 技術(shù)優(yōu)勢(shì)

與西方目前普遍采用的基于現(xiàn)場(chǎng)總線和工業(yè)計(jì)算機(jī)的養(yǎng)殖場(chǎng)數(shù)據(jù)采集方式相比，本文所論述的方案在某些方面具有優(yōu)勢(shì)，具體情況如表1所列。

4 結(jié) 語(yǔ)

本文提供了一個(gè)用于提高水產(chǎn)養(yǎng)殖場(chǎng)管理水平和信息化程度的基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的解決方案。該方案尚不包括對(duì)養(yǎng)殖場(chǎng)中的設(shè)備進(jìn)行自動(dòng)化控制的功能。這種控制功能的實(shí)現(xiàn)還有待于一個(gè)專(zhuān)家系統(tǒng)的建立作為依據(jù)，依照系統(tǒng)中儲(chǔ)存的對(duì)特定養(yǎng)殖對(duì)象最合適的環(huán)境參數(shù)對(duì)養(yǎng)殖場(chǎng)的設(shè)備工作情況進(jìn)行統(tǒng)籌的安排。這將是本方案未來(lái)繼續(xù)改進(jìn)和提高的方向。

參 考 文 獻(xiàn)

[1] 劉鷹. 工廠化養(yǎng)殖系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)原則[J]. 漁業(yè)現(xiàn)代化，2007（2）：11-12，20.

[2] 陳峻青.工廠化養(yǎng)殖大菱鲆質(zhì)量安全控制策略研究與體系建立[D].青島：中國(guó)海洋大學(xué)，2011.

[3] 孫峰德，孟慶武. 工廠化養(yǎng)殖循環(huán)水處理系統(tǒng)的建造技術(shù)及其市場(chǎng)前景[J].中國(guó)漁業(yè)經(jīng)濟(jì)，2008（3）： 26-28.

[4] 劉雨青，吳燕翔，吳曉棟. 工廠化養(yǎng)殖循環(huán)水處理控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)[J].科學(xué)技術(shù)與工程，2012（7）： 64-68.

[5] 王真真，趙振良. 大菱鲆循環(huán)水工廠化養(yǎng)殖系統(tǒng)及其應(yīng)用研究[J].水產(chǎn)科學(xué)，2013（6）： 27-31..