CN102497438A - 无线传感器网络之微藻户外养殖的环境监测系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种无线传感器网络之微藻户外养殖的环境监测系统，直流电源模块用于供电，传感器模块连接中央处理模块，接收获取环境因子传感器采集到的数据，而采集到的数据经过各中央处理模块处理后，送到数据标准数据输出口RS232/485，标准数据输出口RS232/485再与传输模块连接通信，获取的数据直接通过Zigbee频率发送到汇聚节点；汇聚节点通过串口与网关节点连接通信，网关节点通过GPRS把数据送到监控中心，监控中心后台管理软件对数据进行分析处理。

Description

无线传感器网络之微藻户外养殖的环境监测系统

技术领域

本发明涉及电子信息与物联网领域，特指一种基于ZigBee无线传输整合技术，针对所有微藻户外养殖系统的各种环境因子，设计出一全面性的工业级环境监测系统。

背景技术

本发明系从微藻户外养殖系统，以及生质能源原料的角度出发，无论采用封闭式多重生物反应器模块或开放式养殖池；所组成的微藻户外养殖系统，皆需要透过人为调控光照、适宜温度及收集供给二氧化碳养料等措施，促使微藻的快速生长，为制造生物柴油及高附加价值单元不饱和脂肪酸，提供大量的油脂原料。

培养环境对于藻類之生长有很大的影响，如对于细胞增生、油脂含量、油脂种類、脂肪酸分布等皆有不同的影响。藻類最主要的生长限制因子为光照度、二氧化碳、温度、培养基组成、盐度、PH 值对于藻類生长之影响。

目前，我国对无线传输整合技术，在户外养殖系统的信息实时监测与控制应用并不多。浙江大学(2008) 公开了基于ZigBee无线传感器网络的微藻户外养殖环境监控系统；南京大学(2009)公告了基于DSP的ZigBee网络的农田数据流处理系统；杨玮、周增产等人(2010)也发表了一种基于ZigBee、3G网络的微藻户外养殖无线远程植物生理生态监测系统。

但是，上述几种应用并非针对微藻固碳与微藻制油领域，由此可见，利用电子信息与物联网技术，来进行微藻户外养殖系统的环境信息实时监测与控制，也是一种大势所趋。

由于ZigBee本身并不适合大量的数据传输，再加上传输距离并不长，因此在许多应用上都必须搭配其他技术才能发展完整的解决方案，例如：在大量数据传输时可透过WiFi、WiMAX或其他技术，若需要长距离传输时则可搭配GSM、GPRS、3G、WiMAX或其他方式，如此一来，整个应用所提供的功能将更为完善，并且顾及到各阶层的需要。

ZigBee协议是一种低成本、低功耗、低速率嵌入式设备互相间及与外界网络通信的组网解决方案，它是ZigBee联盟基于IEEE 802.15.4技术标准物理层和媒体访问控制层(MAC层)协议对网络层协议和API进行标准化而制定的无线局域网组网、安全和应用软件方面的技术标准。ZigBee协议框架如图1所示，包括应用层、网络/安全层、媒体接入控制、物理层。

随着微藻户外养殖模式的日益推广，微藻养殖密度不断提高，因此，微藻藻种的投放、污染防治、水中溶解氧（Dissolved Oxygen，DO）浓度的检测与控制，对提高微藻产量与质量非常重要，同时，由于水中的溶解氧浓度受水温和季节变化影响，所以，水温、光照强度、CO2浓度、水中PH值等因子的检测与控制亦成为提高微藻养殖密度和产量的关键。

我国海岸线长，极其适合发展微藻户外养殖技术。但是，海岸环境复杂，海水温度变化大、风浪大，给微藻户外养殖带来困难。微藻户外养殖对象的生长与外界环境条件有着密切的联系，其中起决定性作用的是水体中的水温、光照强度、CO2浓度、水中PH值、溶解氧（DO）浓度等因子。

微藻户外养殖系统之各种环境因子若是骤变，而未能及时采取相应预防措施，会给微藻户外养殖业带来巨大的损失，是一个技术上极需解决的问题。一般用户不可能及时察觉微藻户外养殖系统中各种环境因子的变化，尤其是在晚上。若采用人为监控温度变化，可能会由于各种因素导致漏报或者延时报警，降低准确性和及时性。为了进一步提高户外微藻养殖的效率，在合理选择户外微藻养殖技术的同时，无线自动环境监测系统是发展微藻养殖迫切的需要。

目前，国内一般是应用使用中央处理模块系统，并使用有线方式监测信号传输的控制技术，进行水温、溶解氧浓度监控，但这种方式存在成本高、系统复杂、监测范围小、抗干扰性差等缺点。

而无线传感器技术是传感器技术与无线网络技术的结合，是一种新兴的智能监测与控制技术，由于其具有低成本、体积小、实时性强、功耗低、抗干扰性强、嵌入性好等特点，可以广泛应用在微藻户外养殖生产中。在微藻户外养殖生产中，应用无线传感器网络技术，进行水体温度与溶解氧浓度等数据的采集与传送、控制信号的传输与加氧控制，改变传统的生产方式，对提高淡水养殖产量、降低生产成本、减轻劳动强度具有重要的意义。

发明内容

所要解决的技术问题：针对当前微藻户外养殖环境监测的需求，并需精准地提供科学依据，本发明提供了一种将Zigbee无线传感器网络 ( Wireless Sensor Networks, WSN ) 与 GPRS 相结合的微藻户外养殖环境监测系统。环境监测系统实现了信息采集节点的自动部署、数据自组织传输, 可实时、精确地获取微藻养殖环境信息，包括各种环境因子等。可应用于微藻户外养殖环境区域，有助于有效地提高微藻养殖产量。

当户外微藻养殖越来越广泛应用，为了实现了高效率的养殖生产，借助无线远程环境监测系统，很好的解决了微藻户外养殖维护难的问题。无线远程监控的应用在微藻养殖领域得到了充分的体现，相信无线监控的应用在其他领域也会得到更多的应用，物联网的价值正不断地体现。

技术方案：为了解决以上问题本发明提供了一种无线传感器网络之微藻户外养殖的环境

监测系统，包括网络节点、监控中心，网络节点包括基于ZigBee技术的各种环境因子传感器节点、汇聚节点、网关节点；

所述的传感器节点包括用于采集环境因子数据与进行数据转换的传感器模块、中央处理模块、传输模块、直流电源模块；直流电源模块用于供电，传感器模块连接中央处理模块，接收获取环境因子传感器采集到的数据，而采集到的数据经过各中央处理模块处理后，送到数据标准数据输出口RS232/485，标准数据输出口RS232/485再与传输模块连接通信，获取的数据直接通过Zigbee频率发送到汇聚节点；汇聚节点通过串口与网关节点连接通信，网关节点通过GPRS把数据送到监控中心，监控中心后台管理软件对数据进行分析处理。

所述的传感器模块包括环境因子传感器，通过I2C接口与中央处理模块相连；所述的中央处理模块包括中央处理器，控制传感器模块、传输模块、直流电源模块以及WSN的路由协议、同步定位执行和节点的功耗管理；所述的传输模块包括无线收发芯片，运行相应的IEEE802.15.4通信协议。

所述的网关节点首先进行GPRS拨号上网，然后单向自动向监控中心发起TCP连接，握手成功后开始数据传输。

无线传感器网络之微藻户外养殖的环境监测系统还包括PLC工控设备，所述的监控中心将上传的数据进行分析处理，得出直观的结果和相应的指令通过GPRS网络发送给网关节点，再通过ZigBee网络，双向传回到传输模块，通过RS232/485传送给PLC工控设备，PLC工控设备根据指令对微藻户外养殖系统做出相应的控制处理。

所述的直流电源模块采用2节 5号AA电池供电。

有益效果:本发明有效的控管了微藻生长变异与油脂含量，同时，实现对微藻户外养殖系统各类环境因子的低成本、高效监测。在无线Zigbee技术平台上很好的实现了无线监测时延短、可靠、低成本、网络容量大、布网方式灵活、安全性高等功能特征。

附图说明

图1为ZigBee协议框架；

图2为本发明系统的结构示意图；

图3为本发明的传感器节点的结构框图；

图4为本发明数据单向传输组网图；

图5为本发明数据双向传输组网图。

具体实施方式

Zigbee无线传感器网络之微藻户外养殖的环境监测系统，在一个微藻户外养殖系统中，布建了装设ZigBee组件的各类传感器在其中，分别针对水温、光照度、CO2、培养基组成、盐度、溶解氧（DO）、PH 值…等进行侦测，这些影响因子为微藻生长的不可缺少元素，透过数据的收集我们可以了解整个微藻户外养殖系统中环境的变化，并从数据变化来研究对微藻生长的影响，或利用这些数据来决定CO2浓度控制、PH 值控制、水量与温度调节、培养基调整…等的功能设定，以达到微藻户外养殖系统自动化控制的目的。 

无线传感器网络是传感世界与数字世界的纽带，通常由随机部署在感知区域的大量资源受限的结点组成，具体来说主要分为两种体系结构：对等式和分层分布式结构。由于微藻户外养殖环境监测的区域大且分散，因此，本发明采用ZigBee无线网络的对等式节点拓扑布建设计，是基于IEEE802.15.4的无线通信协议，这是一种短距离、低功耗的协议，在较集中的监测区域布置传感器网络，然后通过网关节点与监控中心进行通信。

一、如图2所示，本发明的无线传感器网络之微藻户外养殖的环境监测系统，包括网络节点、监控中心。

A.所述的网络节点包括基于ZigBee技术的各种环境因子传感器节点、汇聚节点、网关节点；

A.1如图3所示，所述的传感器节点包括用于采集环境因子数据与进行数据转换的传感器模块、中央处理模块、传输模块、直流电源模块；所述的传感器模块包括环境因子传感器及其外围电路，通过I2C接口与中央处理模块相连；所述的中央处理模块包括中央处理器及其外围电路，控制传感器模块、传输模块、直流电源模块以及WSN的路由协议、同步定位执行和节点的功耗管理；所述的传输模块包括无线收发芯片及其外围电路，运行相应的IEEE802.15.4通信协议；直流电源模块采用2节 5号AA电池供电。

A.1.1所述的传感器模块包括：温度传感器、PH传感器、蓝绿藻传感器、叶绿素传感器、水中硫化物(H2S，亦可同时测量PH，温度和水深) 传感器、紫外水质传感器(可测量COD、BOD、TOC、硝氮、亚硝氮，浊度)、盐度传感器、光照强度传感器。

其中，蓝绿藻传感器、叶绿素传感器、水中硫化物传感器、紫外水质传感器，使用高光谱紫外/可见光辐射传感器，可接受被测目标的光谱信息，形成光谱文件；可测量的光谱波长在280~500nm (UV)或320nm~950nm(UV/VIS)。

      蓝绿藻传感器：是高精度浸入式电极传感器，是一个一体化微型荧光计。透过测量蓝绿藻体内藻青蛋白 (PHycocyanin)和衍生的藻蓝蛋白（蓝藻是唯一可产生大量藻青蛋白和藻蓝蛋白的藻类）在高能LED激发下释放出的荧光数量来计算蓝藻的含量。

        叶绿素传感器：为高精度浸入式电极传感器，是一个一体化微型荧光计。根据叶绿素的光谱吸收特征，透过测定在高能LED激发下释放出的特定波长荧光来测量水中叶绿素的含量。

       盐度传感器：是专门设计用于水产养殖，具可靠、准确和易于使用等特性，需要连接24伏直流电源。同时，是一个，根据海水盐度0~50个百分点，对应输出4~20 mA之间不等的三线传感器。它具有自动温度补偿和工厂校准，符合实际盐度 PSS- 78标准。

A.1.2传输模块可以采用ZigBee模块，Zigbee作为一种无线连接，可工作在2. 14 GHz(全球流行) 、868 MHz (欧洲流行)和915 MHz (美国流行) 3个频段上，分别具有最高至250 kbit/ s、20 kbit/ s、40 kbit/ s的传输速率。该设备一般为终端节点，互相之间不能通讯，完成信息的发送和接收。

A.2汇聚节点采用ZigBee+GPRS模块，汇聚节点通过串口与网关节点进行通信，网关节点再通过GPRS把其收到的数据发送监控中心，GPRS部分采用国际标准TCP/IP通信协议，且两种方式都是实现数据透明传输功能，省去了每个终端的GPRS模块，只需要一个汇聚节点中心，节约了成本。

B监控中心对现场实时采集的微藻户外养殖的水温、光照强度、CO2浓度、水中PH值、溶解氧（DO）浓度…等环境因子进行分析处理，不仅进行完成的统计做出相应的统计报表，并做出趋势分析，且以直观的图表和曲线的方式给予显示，并根据微藻的需求提供各种声光报警信息。当各种环境因子超过设定值的时候，自动开启或者关闭指定设备。

1） 根据数据采集器每次传送到监控中心的数据，可以看到微藻户外养殖各个环境因子参数的变化情况；微藻户外养殖的集中管理，可以知道每个微藻户外养殖的情况。

2）管理人员可在中心控制室在管理平台上设定各个环境因子参数的正常范围，如果微藻户外养殖的环境因子超过设定范围，则中心控制单元通过声光等方式报警。

3）并显示出故障设备的名称、地址和故障类型，管理人员可根据养殖实际情况增添或减少监控微藻户外养殖节点数目。可对历史数据进行记录，并可根据不同组合条件进行查询，使MCU可以完全按照USB协议，并生成报表。

二、系统总架构

①如图4所示，本发明数据单向传输方式：

传感器模块连接中央处理模块，接收获取环境因子传感器采集到的数据，而采集到的数据经过各中央处理模块处理后，送到数据标准数据输出口RS232/485，标准数据输出口RS232/485再与传输模块连接通信，获取的数据直接通过Zigbee频率单向发送到汇聚节点；汇聚节点通过串口与网关节点连接通信，网关节点通过GPRS把数据送到监控中心，监控中心后台管理软件对数据进行分析处理。

②如图5所示，本发明数据双向传输方式：

网关节点首先进行GPRS拨号上网，然后自动向监控中心发起TCP连接，握手成功后开始数据透明传输。传感器模块连接中央处理模块，接收获取环境因子传感器采集到的数据，而采集到的数据经过各中央处理模块处理后，送到数据标准数据输出口RS232/485，标准数据输出口RS232/485再与传输模块连接通信，获取的数据直接通过Zigbee频率发送到汇聚节点；汇聚节点通过串口与网关节点连接通信，网关节点通过GPRS把数据送到监控中心，监控中心后台管理软件对数据进行分析处理，得出直观的结果和相应的指令通过GPRS网络发送给网关节点，再通过ZigBee网络传回到传输模块，通过RS232/485传送给PLC工控设备，PLC工控设备根据指令对微藻户外养殖系统做出相应的控制处理。

三、监控中心网络接入方式

①专线接入

无线传输汇聚节点采用APN专线，所有点都采用内网固定IP客户中心通过一条2M APN专线接入移动公司GPRS网络，双方互联路由器之间采用私有固定IP地址进行广域连接，用于GPRS专网的SIM卡才能进入专网APN，防止其他非法用户的进入。只有通过认证的用户才允许接入，用以保证用户内部安全。

此种方案无论实时性，安全性和稳定性较高，适合于安全性要求较高、数据点比较多、实时性要求较高的应用环境。在资金允许的情况下之最佳组网方式。

②DSL拨号连接（动态公网IP地址）

无线传输汇聚节点采用ADSL等INTERNET公网连接，采用公网动态IP+DNS解析服务。

此种方式可以大大节约公网固定IP的费用，但稳定性受制于DNS服务器的稳定，所以要寻找可靠的DNS服务商。此种方案适合小规模应用。

③A通过固定公网IP连接

无线传输汇聚节点采用ADSL等INTERNET公网连接，采用公网固定IP服务的，IP MODEM直接向中心发起连接。

此种方式采用公网固定IP，费用虽较高，运行可靠稳定，推荐此种方案。

四、系统特点

①采用无线接入GPRS网络，目前GPRS网络在国内已经运营了十几年，网络稳定，技术成熟，覆盖率广。

②传输模块采用工业级ZigBee模块，标准频段IEEE802.15.4 ISM2.4GHz、通信距离90m、户外通信距离800m、发射功率22dBm、接受灵敏度-104dBm，低功耗设计，支持多级休眠和唤醒模式，最大限度降低功耗，内置实时时钟（RTC），支持定时开关机功能，定时关机状态下功耗小于1mA。外接电源DC 12V/500mA（标准）；通信电流：50mA-80mA12VDC、115-150mA5VDC；待机状态：20mA12VDC、35mA5VDC；休眠状：8mA12VDC、18mA5VDC；工作环境温度 -25~+65oC、储存温度 -40~+85oC、相对湿度 95%(无凝结)，工业级ZigBee模块可适用于户外工作环境。

③及时响应，实时的远程监控，可以对故障做出及时的响应，从而大大降低故障带来的经济和其他方面的损失。

④规范集中管理，及时跟踪微藻户外养殖信息情况。

Claims (9)

1.一种无线传感器网络之微藻户外养殖的环境监测系统，其特征在于：包括网络节点、监控中心，网络节点包括基于ZigBee技术的各种环境因子传感器节点、汇聚节点、网关节点；所述的传感器节点包括用于采集环境因子数据与进行数据转换的传感器模块、中央处理模块、传输模块、直流电源模块；直流电源模块用于供电，传感器模块连接中央处理模块，接收获取环境因子传感器采集到的数据，而采集到的数据经过各中央处理模块处理后，送到数据标准数据输出口RS232/485，标准数据输出口RS232/485再与传输模块连接通信，获取的数据直接通过Zigbee频率发送到汇聚节点；汇聚节点通过串口与网关节点连接通信，网关节点通过GPRS把数据送到监控中心，监控中心后台管理软件对数据进行分析处理。

2.根据权利要求1所述的无线传感器网络之微藻户外养殖的环境监测系统，其特征在于：所述的传感器模块包括环境因子传感器，通过I2C接口与中央处理模块相连；所述的中央处理模块包括中央处理器，控制传感器模块、传输模块、直流电源模块以及WSN的路由协议、同步定位执行和节点的功耗管理；所述的传输模块包括无线收发芯片，运行相应的IEEE802.15.4通信协议。

3.根据权利要求1所述的无线传感器网络之微藻户外养殖的环境监测系统，其特征在于：

所述的网关节点首先进行GPRS拨号上网，然后单向自动向监控中心发起TCP连接，握手成功后开始数据传输。

4.根据权利要求1或2与3所述的无线传感器网络之微藻户外养殖的环境监测系统，其特征在于：还包括PLC工控设备，所述的监控中心将上传的数据进行分析处理，得出直观的结果和相应的指令通过GPRS网络发送给网关节点，再通过ZigBee网络，双向传回到传输模块，通过RS232/485传送给PLC工控设备，PLC工控设备根据指令对微藻户外养殖系统做出相应的控制处理。

5.根据权利要求1所述的无线传感器网络之微藻户外养殖的环境监测系统，其特征在于：所述的直流电源模块采用2节 5号AA电池供电。

6.根据权利要求1或2所述的无线传感器网络之微藻户外养殖的环境监测系统，其特征在于：所述的传感器模块包括温度传感器、PH传感器、蓝绿藻传感器、叶绿素传感器、水中硫化物传感器、紫外水质传感器、盐度传感器、光照强度传感器，所述的蓝绿藻传感器、叶绿素传感器、水中硫化物传感器、紫外水质传感器，使用高光谱紫外/可见光辐射传感器，可接受被测目标的光谱信息，形成光谱文件；可测量的光谱波长在280~500nm (UV)或320nm~950nm(UV/VIS)。

7.根据权利要求6所述的无线传感器网络之微藻户外养殖的环境监测系统，其特征在于：

所述的蓝绿藻传感器、叶绿素传感器：是高精度浸入式电极传感器，是一个一体化微型荧光计；盐度传感器模块连接24伏直流电源，是一个根据海水盐度0~50个百分点，对应输出4~20 mA之间数值的三线传感器。

8.根据权利要求1所述的无线传感器网络之微藻户外养殖的环境监测系统，其特征在于：

所述的监控中心对采集的环境因子数据进行处理，做出统计报表和趋势分析，且以直观的图表和曲线的方式给予显示，当环境因子超过设定值的时候，自动开启或者关闭指定设备，或配置声光报警提供信息。

9.根据权利要求1所述的无线传感器网络之微藻户外养殖的环境监测系统，其特征在于：所述的无线传输汇聚节点无线传输汇聚节点采用APN专线，所有点都采用内网固定IP客户中心通过一条2M APN专线接入移动公司GPRS网络，双方互联路由器之间采用私有固定IP地址进行广域连接，用于GPRS专网的SIM卡才能进入专网APN；或采用INTERNET公网连接，采用公网动态IP+DNS解析服务；或者采用INTERNET公网连接，采用公网固定IP服务的，IP MODEM直接向中心发起连接。

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