基于Zigbee的無線網(wǎng)箱溫度自動檢測系統(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、簡便、產(chǎn)量高及適應(yīng)水域廣等優(yōu)點，有著廣闊的發(fā)展前途。溫度、餌料和水體中的溶氧量等對產(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)測信號．但這種方式存在成本高、系統(tǒng)較為復(fù)雜、監(jiān)測范圍小、抗干擾性差等缺點。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)測與控制技術(shù)，由于其具有低成本、體積小、實時性強(qiáng)、功耗低、抗干擾性強(qiáng)、嵌入性好等特點，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．對提高水養(yǎng)殖產(chǎn)量、降低生產(chǎn)成本、減輕勞動強(qiáng)度具有重要的意義。本文設(shè)計了一種基于Zig-bee技術(shù)的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點，并運(yùn)用該節(jié)點組建一個面向水養(yǎng)殖生產(chǎn)中網(wǎng)箱溫度監(jiān)控的無線網(wǎng)絡(luò)監(jiān)測與控制系統(tǒng)。

1 Zigbee無線傳感器網(wǎng)絡(luò)簡介
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)。采用多跳對等的通信方式，其網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋭討B(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)和自動控制等技術(shù)。同時，針對不同的應(yīng)用對象體現(xiàn)了很強(qiáng)的適應(yīng)性和靈活性，在工業(yè)控制與監(jiān)測、農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、物流、健康和環(huán)境監(jiān)測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(美國流行)3個頻段上，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Zigbee設(shè)備可以連接多達(dá)254個同類的設(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)用在溫度測量、水電煤氣計量數(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)箱溫度自動檢測系統(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。因為Zigbee的解決方案支持每個網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器帶有254．個激活節(jié)點，多個網(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)計網(wǎng)絡(luò)連接選用串狀連接方式．多個網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器可以協(xié)同工作，這一特點保證了新增網(wǎng)箱節(jié)點的靈活加人，還可以滿足大規(guī)模的要求。該無線網(wǎng)箱溫度自動檢測系統(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)箱溫度自動檢測系統(tǒng)的設(shè)計
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。
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警；管理人員還可根據(jù)漁場實際情況增添或減少監(jiān)控網(wǎng)箱節(jié)點數(shù)目，同樣通過控制面板或鍵盤進(jìn)行操作；可對歷史數(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)換到主動模式的超短時間的特性，特別適合那些要求電池壽命非常長的應(yīng)用。Zigbee協(xié)議通過軟件程序固化在CC2430的內(nèi)存中。CC2430芯片的主要特點如下：