CN202309772U - 基于Zigbee的水产养殖环境移动式定位与监测系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种基于Zigbee的水产养殖环境移动式定位与监测系统，该系统包括传感器采集模块、定位监测网络子系统和上位机监测中心服务器，所述的传感器采集模块通过定位监测网络子系统与上位机监测中心服务器连接。与现有技术相比，本实用新型采用了移动传感器的思想，将水质参数传感器安装在可控的移动机器鱼平台上，使其投放于水塘内按照预设的轨迹运动，遍历水塘内各期望的采样点，根据设定的采样周期采集如温度、溶解氧浓度、PH值等水质环境参数，并实时将采样点的位置信息和传感器的数据信息通过无线网络传送至上位机监测平台，从而便于自动监测系统或者管理人员掌握完整的水产养殖环境信息。

Description

基于Zigbee的水产养殖环境移动式定位与监测系统

技术领域

本实用新型涉及电子信息和现代农业工程的交叉领域，尤其是涉及一种基于Zigbee的水产养殖环境移动式定位与监测系统。

背景技术

近年来江河、湖泊和浅海的水体自然环境受到各方面不同程度的污染，致使水产养殖业和水资源安全的形势的日趋严峻，传统的检测方法依靠人工监测，但由于存在采样点较多，实验室测量周期长，从而导致测量实时性差，发现问题不及时，很大程度上阻碍了渔业发展。常用的水质参数有温度、溶解氧浓度、pH值等，如果采用大量布置整套传感器的话，势必会大大增加初期的投资成本和运行维护成本；因而迫切需要一种可移动或者便携式的，且具有远距离通讯功能的能够灵活并及时反映水质参数的监测方法。新兴的ZigBee技术作为当前应用最热门的短距离无线通信技术之一，提供了一种近距离，低成本，低功耗，高可靠性、可定位的双向无线传输技术。

实用新型内容

本实用新型的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种便于自动监测系统或者管理人员掌握完整的水产养殖环境信息的基于Zigbee的水产养殖环境移动式定位与监测系统。

本实用新型的目的可以通过以下技术方案来实现：一种基于Zigbee的水产养殖环境移动式定位与监测系统，其特征在于，该系统包括传感器采集模块、定位监测网络子系统和上位机监测中心服务器，所述的传感器采集模块通过定位监测网络子系统与上位机监测中心服务器连接。

所述的传感器采集模块包括温度传感器、溶氧传感器和pH值传感器。

所述的定位监测网络子系统由以网状拓扑结构连接的网关节点、参考节点和移动监测定位节点构成。

所述的网关节点包括主控单元、RS232串口通信模块、LCD液晶显示模块、按键模块、RF射频通信模块、报警指示模块和外部存储器模块，所述的主控单元分别与RS232串口通信模块、LCD液晶显示模块、按键模块、RF射频通信模块、报警指示模块和外部存储器模块连接。

所述的参考节点包括主控单元、RF射频通信模块和网络状态指示模块，所述的主控单元分别与RF射频通信模块和网络状态指示模块连接。

所述的移动监测定位节点包括主控单元、A/D转换模块、RF射频通信模块、网络状态指示模块、定位模块和时钟模块，所述的主控单元分别与A/D转换模块、RF射频通信模块、网络状态指示模块、定位模块和时钟模块连接。

与现有技术相比，本实用新型采用了移动传感器的思想，将水质参数传感器安装在可控的移动机器鱼平台上，使其投放于水塘内按照预设的轨迹运动，遍历水塘内各期望的采样点，根据设定的采样周期采集如温度、溶解氧浓度、pH值等水质环境参数，并实时将采样点的位置信息和传感器的数据信息通过无线网络传送至上位机监测平台，从而便于自动监测系统或者管理人员掌握完整的水产养殖环境信息。

附图说明

图1基于Zigbee技术的水产环境移动式定位与监测系统结构图；

图2基于Zigbee技术的水产环境移动定位监测节点结构图；

图3基于Zigbee技术的水产环境移动定位网关节点结构图；

图4基于Zigbee技术的水产环境移动定位参考节点结构图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本实用新型进行详细说明。

实施例

一种基于Zigbee的水产养殖环境移动式定位与监测系统，其总体功能结构如图1所示。该系统主要由三部分组成：传感器采集模块5、定位监测网络子系统(包括移动监测定位节点1、参考节点2、网关节点3)和上位机监测中心服务器4。定位监测网络子系统布置在水产养殖现场，各类水环境传感器将电平信号输入移动监测定位节点的模数(A/D)转换模块12，主控单元11将其转化为数字信号，同时移动监测定位节点1通过无线网络信号计算出自身位置，与水质信息打包经过无线通路传递给网关节点3，再转发至机房上位机监测中心服务器4，通过用户图形化界面还原出水质信息，从而实现远距离监测；此外，现场设备一经部署，用户还可以根据实际需要对移动监测装置进行控制。

定位监测网络子系统由网关节点3、参考节点2、移动监测定位节点1构成，采用网状拓扑结构，信息经网络自主选择路径传递，各个节点间均能实现通信。

移动监测定位节点如图2所示，其硬件由主控单元11、A/D转换模块12、RF射频通信模块13、网络状态指示模块14、定位模块15和时钟模块16组成。A/D转换模块12接传感器采集模块5(4～20mA信号)，可采集如温度、溶解氧浓度、PH值等水质参数；主控单元11主要负责消息处理和各模块资源的合理分配，并收集A/D转换模块12和RF射频通信模块13的数据进行解析、运算、打包以及分发；RF射频通信模块13负责实现数据包的数字与高频模拟信号之间的双向转换，经由2.4GHz天线发射和接收；定位模块15用于当前节点的位置计算，将该位置信息提交主控模块处理；时间发生模块产生当前时间，同水质参数、位置参数合成单位有效采集信息。

网关节点如图3所示，其硬件由主控单元31、RS232串口通信模块32、LCD液晶显示模块33、按键模块34、RF射频通信模块35、报警指示模块36和外部存储器模块37组成。其中主控单元31与参考节点类似，所不同的是需要提供上位机有线信号和无线信号的正确分发，并过滤非法的上位机控制指令和无线网络中的错误帧；RS232串口模块32用于和上位机通信；LCD液晶显示模块33显示当前网络ID等网络状态信息；按键模块34可以调整水质参数上下限阈值等参数；当水质参数超出阈值，报警指示模块36指示LED灯闪烁；RF射频通信模块35用于数字信号与高频模拟信号的双向转换，经由2.4GHz天线发射和接收；外部存储器模块37用于记录最近一段时间的水质参数信息，便于需要时与上位机数据库内记录进行核对。

参考节点如图4所示，硬件由主控单元21、RF射频通信模块22和LED网络状态指示模块23组成。主控单元21主要管理RF射频通信模块22的功能开启与关闭，并将RF射频通信模块22转换的成的数字信号进行解析、运算；RF射频通信模块22负责实现数据包的数字与高频模拟信号之间的双向转换；LED网络状态指示模块23便于现场直接观察节点工作状态。

本实施例具体建立在一个40m*40m的水产养殖池塘环境下。

如图1所示，整个系统由上位机和水质监测子系统两大部分组成。其中上位机位于池塘50m外的监控中心中，提供功能丰富且界面友好的用户操作监控平台，方便用户监视控制水质监测子系统，而且在无人条件下可自动记录数据于数据库。子系统主要由移动监测定位节点、网关节点和参考节点组成。移动监测定位节点装在与可移动机器鱼平台内，投放在池塘中；网关节点则在监控中心附近，与上位机相连；参考节点为8个，均匀分布于池塘四周，既提供了检测现场足够的定位水域面积，有满足无线网络的有效通信和定位要求。

本实例中，移动定位监测节点选用TI公司的CC2431单片机作为各节点的主控芯片，其内部集成了定位监测节点所需要的多个模块。主控单元为一个增强型8位8051控制单元，AD模块为一个8～14位的ADC处理单元，RF模块为高性能2.4GHz的DSSS直接序列扩频收发单元CC2420，定位模块是Motorola授许可的定位检测硬件核心，直接与2431集成，有效节约了片上接口资源。该硬件技术可以实现分辨率为0.25m，精度为1～3m的坐标定位功能，大大高于传统GPS卫星定位的精度。移动节点依靠电池工作，对运行效率、特别是功耗方面要求很高，而且鱼体容量有限，必须最大化的节约空间，之所以采用CC2431，因为它将这些模块有效的集成于一体，在运行效率、功耗和轻便型上都很有优势，尤其是在通信和水质采集之余的大部分时间内，由程序设计自动进入低功耗休眠状态(此状态由定时器或外部中断唤醒)，在能量消耗上非常适合本实用新型；时间发生模块采用DALLAS公司推出的低功耗实时时钟电路DS1302，它可以对年、月、日、周、日、时、分、秒进行计时，且具有闰年补偿等多种功能。

本实例中，AD模块提供4组接口用于传感器采集。传感器选用模拟传感器，例如如LM35模拟温度传感器，工作电压4V～30V，输出电压为-1～6V，具有较宽的线性范围，较好的工作精度；美国GWI WQ401溶解氧传感器探头，标准4～20mA电流输出，通过电阻转换成电压输出给节点；亦可采用数字输出传感器，如DS18B20，单总线控制，节约不充裕的单片机资源，数字输出方式简单方便，体积轻巧。

本实例中，网关节点和参考节点都采用了TI公司的CC2430单片机作为节点芯片，其内部同样集成了一颗增强型8051主控内核和CC2420RF收发模块，它们与CC2431的不同在于没有提供定位引擎单元。其中为网关节点设计的串口模块采用了基于Sipex公司的SP3223电平转换芯片来提供RS232接口，转换效率高，性能稳定。外部存储器选用24FC512，它是一颗支持I2C串行总线方式的可擦写EEPROM芯片，容量为512KB，，在无上位机连接下，可暂时存储最近一段时间水质参数信息；LCD液晶采用128*64点阵模块，经过SPI串行总线方式连接主控芯片，显示一些组网信息和水质参数。

系统工作流程

该定位监测系统的构建网络过程如下：网关节点对协议规定的有效信道进行能量扫描，选取当前区域能量最低的信道建立网络，并为新建网络选择一个PAN标识，然后开放此网络等待子节点加入；移动节点和参考节点上电后扫描当前环境各信道，当收到有效长度不为0的信标帧时，根据信标帧所提供的信息(PAN ID、是否允许连接等)连接网络，并被分配一个16位的网络唯一的逻辑地址，此逻辑地址被记录在网络作为此节点以后的通信标识符，如此流程直到所有节点加入网络。当有通信发生时，源节点将自身地址，目的地址，有效数据与其他各种通信辅助信息打包成数据包广播至网络，目的节点收到此包则返回确认帧来完成一次通信。网络建立后，开始定位过程：参考节点提供绝对位置，移动节点的定位功能通过计算其与参考节点之间的信号能量差异来实现。移动节点还可将采集节点采集的传感器数据、定位数据和时钟发生模块产生的时间戳相结合，组成一个有意义的水质信息帧，通过无线网络发送至网关，再上传于上位机供工作人员参考。上位机系统通过RS232向网关节点发送网络配置信息，包括移动定位节点的采集周期、定位环境参量、参考节点绝对坐标等等。网络部署完毕后，移动节点开始采集工作。移动定位节点机器鱼携载定位采集节点在池塘里按照一定轨迹行进，预设采集周期到则定时器触发采集流程，主控单元通知AD模块读取模拟信号并开始转换，AD模块采用DMA直接内存访问方式，将转换好的8～14位水质参数存入RAM，此过程不占用主控单元资源，较中断方式冯家快速稳定，并且占用资源较少。主控单元在DMA过程结束后取得温度、溶氧、PH等水质数据，通知RF收发模块和定位引擎模块开始一个位置发现过程。RF模块向网络中发送一个为止发现请求帧，目的地址为0xFFFF，表示此为一个广播帧，任何在网的参考节点收到此帧后即返回一个应答，应答帧包含自身的网络标识、坐标以及一个代表信号强度的RSSI平均值。移动定位节点RF模块接收8个参考节点的网络发现应答帧后，提交主控单元，主控单元将这些信息分发给定位引擎模块，定位引擎根据RSSI的值计算出与每个参考节点的距离D，将其递交主控单元进行多变计算来获得最终的移动定位节点的位置估计坐标。有了此信息，主控单元将坐标信息、水质参数、时间信息打包成一个数据包，以网关节点地址为目标地址发送至网络，如果由于距离因素此包无法点对点直接发送至网关节点，则启用路由发现过程，此时移动节点作为一个中转路由，将此包多跳转发至网关节点，网关节点RF端收到此包则递交主控单元进行解析和重组，剥去一些对上位机无用的信息，对水质参数进行阈值分析(如果超限则开启报警LED)，同时将此信息分发给RS232模块，最后发送给上位机处理，上位机可以根据这些信息生成图形化信息、数据库信息等等供工作人员参考。至此，一个典型的采集流程完毕。

Claims (6)

1.一种基于Zigbee的水产养殖环境移动式定位与监测系统，其特征在于，该系统包括传感器采集模块、定位监测网络子系统和上位机监测中心服务器，所述的传感器采集模块通过定位监测网络子系统与上位机监测中心服务器连接。

2.根据权利要求1所述的一种基于Zigbee的水产养殖环境移动式定位与监测系统，其特征在于，所述的传感器采集模块包括温度传感器、溶氧传感器和pH值传感器。

3.根据权利要求1所述的一种基于Zigbee的水产养殖环境移动式定位与监测系统，其特征在于，所述的定位监测网络子系统由以网状拓扑结构连接的网关节点、参考节点和移动监测定位节点构成。

4.根据权利要求3所述的一种基于Zigbee的水产养殖环境移动式定位与监测系统，其特征在于，所述的网关节点包括主控单元、RS232串口通信模块、LCD液晶显示模块、按键模块、RF射频通信模块、报警指示模块和外部存储器模块，所述的主控单元分别与RS232串口通信模块、LCD液晶显示模块、按键模块、RF射频通信模块、报警指示模块和外部存储器模块连接。

5.根据权利要求3所述的一种基于Zigbee的水产养殖环境移动式定位与监测系统，其特征在于，所述的参考节点包括主控单元、RF射频通信模块和网络状态指示模块，所述的主控单元分别与RF射频通信模块和网络状态指示模块连接。

6.根据权利要求3所述的一种基于Zigbee的水产养殖环境移动式定位与监测系统，其特征在于，所述的移动监测定位节点包括主控单元、A/D转换模块、RF射频通信模块、网络状态指示模块、定位模块和时钟模块，所述的主控单元分别与A/D转换模块、RF射频通信模块、网络状态指示模块、定位模块和时钟模块连接。

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