CN102053138A - 一种池塘养殖水体多参数采集系统及采集方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于池塘养殖水体水质的监视系统及其方法，一种池塘养殖水体多参数采集系统，包括水质数据采集节点和现场无线通信网络；所述现场无线通信网络基于IEEE802.15.4通信协议；所述现场无线通信网络的网络节点包括个人区域网络(PAN)协调器、全功能设备(FFD)和简化功能设备(RFD)；所述现场无线通信网络构建成星状拓扑和对等网络拓扑；所述数据采集节点包括水质传感器和无线网络收发器，数据采集节点接受传感器数据后，定期向无线网络发送水质数据。以及池塘养殖水体多参数采集方法。可以实时地在大规模养殖鱼塘中采集的水质数据，供养殖池塘的水质调控和现场设备的自动控制使用。

Description

一种池塘养殖水体多参数采集系统及采集方法

(一)技术领域

本发明涉及一种用于池塘养殖水体水质的监视系统建立及其方法，具体是一种池塘养殖水体大规模、多参数的水质数据实时采集的系统及其采集方法。

(二)背景技术

淡水池塘养殖是我国鱼类养殖的基本方式，已有三千多年的历史。近年，池塘养殖面积约250万公顷，占全国淡水养殖总面积的30％左右，产量1500万吨，占全国淡水养殖总产量的70％以上。我国的淡水渔业在养殖面积、养殖总产量及养殖亩单产均处于世界领先地位。池塘养殖不但是我国优质蛋白质供应的重要保障，而且是优质蛋白质产生高效生产方式。但是，传统养殖模式以消耗资源、牺牲环境为代价，不能满足水产养殖业的生产需求与可持续性发展。当前，在以淡水池塘养殖为重点，研究和推广适合当前养殖业发展的养殖方式过程中，除了改善基础设施外，利用技术手段采集养殖水质的实时数据，对池塘养殖水体的水质综合调控，提高养殖技术、发展生态养殖和提高水产养殖业的综合生产能力都是至关重要的。

我国养殖水质监控技术的发展总体还处于较低水平。参数采集多数采取经验法，目测比较；有的采取分析法，由于现场缺少精确的分析，量化的精度较低。而实验室检测成本高、周期长、数据有限，效果不尽如人意。近年来，国内一些厂家在生产多参数水质实时监测装置方面做出了一些尝试，但所选的监测参数少，数据质量也不够稳定。以中国水科院渔机所开发的养殖水质在线监控系统为代表，采用RS-485和GPRS等通信协议相结合方式，选用PLC和I/O工控模块、多参数水质传感器等集成养殖水质监控系统，实现了全天候、数字化运行。系统连续、及时、准确地监测养殖水质参数及其变化状况，把水质控制在养殖要求的范围内。但是由于进口传感器价格较贵等原因，工程投资偏高，推广应用较困难，水产养殖单位应用养殖水质在线监控系统的为数不多。

目前我国池塘养殖水质监控技术源于工厂化养殖监控技术，工厂化养殖监控技术在池塘养殖水质监控中应用存在的主要问题有：(1)现有养殖水质监控系统对大面积池塘养殖的水质进行连续、及时、准确地采集水质参数及其变化状况的适用性不足；(2)系统的组网技术单一，现场采用数据总线通信型结构，自组网技术方案没有得到应用和体现，很难实现大规模的数据传输；(3)工厂化养殖监控技术难以适用于池塘养殖的区域分散、野外设置、工况环境恶劣等特点，导致设备故障率高，或者建设费用过高不宜大范围安装应用；(4)此外，大多数选用进口测试仪表，投资高，很少用于池塘的水产养殖。

在水产养殖水质检测的技术领域中，专利号为CN1566958A的“一种多参数水质监测方法及设置”，可以同时在线监测水产养殖环境水质多项理化参数，携带方便，检测快速，成本低廉，但数据无法实现远程传输，自动化程度低。专利号为CN1625110A“环保水质远程监控报警系统”，提供了一个低廉、同步实时、灵活介入地监测水质参数的一种无线解决方案，但通用的无线局域网，组网形式简单，不能实施大范围的数据传输，安全性也难以保障。专利申请号为200810118386的“一种用于水产养殖的水质远程动态检测系统及方法”利用WiFi无线局域网和CDMA网络，实现水质动态监测与远程服务器的远程无线通信。WiFi是用于覆盖一定范围的无线网络技术，一般覆盖范围为数十米，局域网内布设无线路由器，网络节点数50个。相对于传感器网络WiFi终端设备费用较高。WiFi传输数据速率大，功耗大，在偏远地区的大规模池塘养殖中难以对每个水质监测终端提供外接电源供电，该专利针对槽中连续流动水体进行监测，不能对养殖池塘中进行三维的水体数据检测。

(三)发明内容

针对水产养殖水质监控技术现状的不足，本发明提供一种对池塘养殖的多参数水质数据进行大规模实时采集的系统结构以及采集方法，以期实现了对养殖池塘的大规模、实时化、灵活机动地采集水质数据，降低系统运行费用的目的。

本发明目的通过以下技术方案实现：

一种池塘养殖水体多参数采集系统，其特征在于：所述采集系统为实时采集养殖水质数据传感器网络系统，包括水质数据采集节点和现场无线通信网络；

所述现场无线通信网络基于IEEE802.15.4通信协议；

所述现场无线通信网络的网络节点包括个人区域网络(personal-areanetwork，PAN)协调器、全功能设备(full functional device(zigbee)，FFD)和简化功能设备(reduced function device，RFD)；

所述现场无线通信网络构建成星状拓扑和对等网络拓扑；

所述数据采集节点包括水质传感器和无线网络收发器，数据采集节点接受传感器数据，定期向无线网络发送水质数据。

一种用于池塘养殖水体的大规模、多参数水质数据的实时采集方法，在池塘养殖水域范围内，提供大规模采集实时养殖水质数据的传感器网络。

现场无线通信网络基于IEEE802.15.4通信协议，具有嵌入式低速率传输、低成本的双向无线通信特点。

现场无线通信网络的PAN起网络控制现场无线通信网络作用的FFD，扮演网络路由器，当网络状态发生变化时，其他FFD也能起网络PAN作用。

现场无线通信网络构建成星状拓扑和对等网络拓扑，多簇对等网络大大地扩大网络覆盖范围。

现场无线通信网络的对等网络允许通过多跳路由的方式在网络中传输数据，具有自组织、自修复的组网能力。

所述现场无线通信网络的PAN协调器使用持续电力系统供电，其他设备采用电池供电。

所述数据采集节点的水质传感器对包括水温、溶解氧、酸碱度、氧化电位、电导率养殖水质参数进行检测。

所述数据采集节点接受传感器的数据是数字信号或模拟信号。

所述数据采集节点的无线网络收发器设置在水面上。

数据采集节点可灵活、大面积、可移动地设置在养殖区域内任何需要检测水质的空间。

一种用于池塘养殖水体的大规模、多参数水质数据的实时采集方法包括下列步骤：

数据采集节点构建对等网络，网络的PAN首先设自己簇标识，形成网络中的第一簇，接着向其临近节点广播信标帧，新加入的节点将簇首作为父设备加到自己的邻居列表中，并发送周期性的信标帧，供其他节点加入到网络中，多个邻近簇构成一个多簇的对等网络；

各数据采集节点采集的养殖水质数据，包括溶解氧、酸碱度、水温、盐度水质数据，通过无线收发器向网络定期发送数据，经过网络的PAN后，通过串行通信接口传送至网关计算机，形成大面积无线传输网络对养殖水质数据的现场实时采集。

本发明的有益效果和优点：

1)本发明提供一种对池塘养殖的多参数水质数据进行大规模实时采集的方法，实现了对养殖池塘的大规模、实时化、灵活机动地采集不同水域、不同水深的全方位的水质数据，为养殖水质的调控技术提供可靠的数据依据；

2)基于IEEE802.15.4的无线通讯，通信范围不受环境条件限制，点对点可以传输50米到300米，可以组成多种拓扑结构，从少数节点的点对点模式扩展到现场所有节点的基础架构网络。采用对等拓扑结构组建大规模的无线局域网，省去路由器等网络硬件设备，比以往应用的数据采集方法相比，节约规模投资30％以上。

3)无线通信网络多跳路由的方式在网络中传输数据，具有自组织、自修复的组网能力，水质数据的采集容易扩展、有可移动性，简化系统维护程序，并大大地提高了网络运行的稳定性和可操作性。

4)数据采集的节点芯片采用IEEE802.15.4的收发器和低功耗的8051微控制器技术，极少外接元件即可组网，电源电压范围宽耗电小，具备各种供电方式下的数据保持能力。现场无线通信的网络协调器PAN一般使用持续电力系统供电，而其他数据采集节点设备均采用电池供电，降低系统的运行费用。

5)池塘养殖的多参数水质数据进行大规模实时采集的方法具有通用性，可在其他领域得到利用。

6)本发明解决了养殖水质监控系统的投资高、组网单一、灵活性不足、运行维修费用大和故障率高等弊端，为现代化池塘养殖的水质数据采集提供一种新颖的技术支撑。

通过本发明，可以实时地在大规模养殖鱼塘中采集的水质数据，供养殖池塘的水质调控和现场设备的自动控制使用。

(四)附图说明

图1是本发明的一种用于池塘养殖水体的大规模水质参数采集的网络结构示意图；

其中：CID＝0，CID＝1，CID＝2，CID＝3为对等网络的区域簇标识；●为PAN协调器；⊙为簇首(CLH)；○为数据采集节点

图2是本发明的网络协调器电路框图

图3是本发明的数据采集节点电路原理图

(五)具体实施方式

以下结合附图和实施例进一步详细说明本发明的结构和方法。

图1为本发明的一种用于池塘养殖水体大大规模数据采集方法的网络结构示意图。网络节点有个人区域网络(PAN)协调器、全功能设备(FFD)和简化功能设备(RFD)组成。网络协调器起网络控制中心作用的FFD，扮演网络路由器。当网络状态发生变化时，其他FFD也能起协调器作用，无线网络可以构建成星状拓扑和对等网络拓扑。

构建对等网络时，协调器首先将自己设为簇首，并将簇标识(CID)设为0，形成网络中的第一簇。协调器选择一个未被使用的PAN标识符，向其临近设备广播信标帧。如果PAN协调器允许请求设备加入该簇，就把该设备作为子设备加入到PAN协调器的邻居列表中。新加入的设备也将簇首作为它的父设备加入到自己的邻居列表中，并且发送周期性的信标帧，以便其他设备加入到网络中来。多个邻近簇相连构成一个更大的网络。PAN协调器可以指定一个设备成为邻近的一个新簇的簇首，新簇首同样可以指定其他设备成为其相邻簇首，构成一个多簇的对等网络，簇树网络拓扑如图1所示。图中设备间的连线只表示设备间的父子关系，而不是通信链路。多簇网络结构扩大了网络覆盖范围。

图2是本发明的网络协调器的电路原理框图。网络协调器自带RS-232串口和I/O接口，计算机通过RS-232串口获取串口输出的数据，通过数据处理软件，分析、保存提供现场实时多参数数据。利用CC2430的I/O可直接控制液晶，以显示当前采集的水质数据。

图3是本发明的数据采集节点的电路原理框图。数据采集节点增加串口的扩展接口，外接一个RS-232模块，可采集数字化水质传感器的数据，P0.1-P2.4接口接收传感器采集的ADO水质参数数据。节点采集传感器的水质数据后，定期发送给无线网络。

数据采集节点的终端数据通过无线网络至网络协调器，并将数据进行初步处理，然后通过串行通信接口传送至计算机，形成大面积无线传输网络对养殖水质现场监测。

网络节点有PAN协调器、全功能设备(FFD)和简化功能设备(RFD)组成。PAN协调器是一个起网络控制中心作用的FFD，起到网络路由作用。当网络状态发生变化时，其他FFD也能起协调器作用。

组网灵活。无线局域网可以组成星状拓扑和对等网络拓扑等多种拓扑结构，自行地从少数用户的点对点模式扩展到覆盖整个养殖场的基础架构网络。

基于IEEE802.15.4通信协议的无线通信网络，它的低速率传输、低成本的双向无线通信技术，可嵌入各种设备中。对等网络允许通过多跳路由的方式在网络中传输数据，具有自组织、自修复的组网能力。它特别适合于环境条件恶劣、分布区域广阔的水产养殖池塘的大规模水质数据采集。

数据采集节点可采集传感器的数字信号和模拟信号，传感器可根据需要选用不同的水质传感器，如溶解氧、酸碱度、水温、盐度等养殖水质参数传感器，可进行对水产养殖水体的多参数水质检测。

适应水质数据采集点的不确定性，在不同的地方移动工作，都可实时地采集水质数据。

Claims (6)

1.一种池塘养殖水体多参数采集系统，其特征在于：所述采集系统为实时采集养殖水质数据传感器网络系统，包括水质数据采集节点和现场无线通信网络；

所述现场无线通信网络基于IEEE802.15.4通信协议；

所述现场无线通信网络的网络节点包括个人区域网络(personal-areanetwork，PAN)协调器、全功能设备(full functional device(zigbee)，FFD)和简化功能设备(reduced function device，RFD)；

所述现场无线通信网络构建成星状拓扑和对等网络拓扑；

所述数据采集节点包括水质传感器和无线网络收发器，数据采集节点接受传感器数据，定期向无线网络发送水质数据。

2.根据权利要求1所述池塘养殖水体多参数采集系统，其特征在于所述现场无线通信网络的PAN协调器使用持续电力系统供电，其他设备采用电池供电。

3.根据权利要求1所述池塘养殖水体多参数采集系统，其特征在于所述数据采集节点的水质传感器对包括水温、溶解氧、酸碱度、氧化电位、电导率养殖水质参数进行检测。

4.根据权利要求1所述池塘养殖水体多参数采集系统，其特征在于所述数据采集节点接受传感器的数据是数字信号或模拟信号。

5.根据权利要求1所述池塘养殖水体多参数采集系统，其特征在于所述数据采集节点的无线网络收发器设置在水面上。

6.一种池塘养殖水体多参数采集方法，其特征在于：所述采集方法包括下列步骤：

数据采集节点构建对等网络，网络的PAN首先设自己簇标识，形成网络中的第一簇，接着向其临近节点广播信标帧，新加入的节点将簇首作为父设备加到自己的邻居列表中，并发送周期性的信标帧，供其他节点加入到网络中，多个邻近簇构成一个多簇的对等网络；

各数据采集节点采集的养殖水质数据，包括溶解氧、酸碱度、水温、盐度水质数据，通过无线收发器向网络定期发送数据，经过网络的PAN后，通过串行通信接口传送至网关计算机，形成大面积无线传输网络对养殖水质数据的现场实时采集。

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