ZigBee無線網箱養殖監控系統方案
一、引言
隨著淡水養殖業中網箱養殖和水池養殖模式的日益推廣和普及, 養殖密度的不斷提高，飼料的投放、疾病防治、水溫、水中溶解氧濃度的檢測與控制對提高養殖產量與質量非常重要, 其中溶解氧濃度檢測與控制成為提高養殖密度和產量的關鍵。由于水中的溶解氧濃度受水體溫度和季節變化影響, 在淡水養殖中, 水體加氧是一般根據經驗, 隨意性較大, 由于加氧不及時而造成養殖損失的現象時在發生。
目前, 國內應用先進的控制技術進行水體溫度和溶解氧濃度監控一般是使用單片機系統, 監測信號傳輸使用有線方式, 但這種方式存在成本高、系統較為復雜、監測范圍小、抗干擾性差等缺點。無線傳感器技術是傳感器技術與無線網絡技術的結合, 是一種新興的智能監測與控制技術, 由于其具有低成本、體積小、實時性強、功耗低、抗干擾性強、嵌入性好等特點, 廣泛應用在工農業生產中。在淡水養殖生產中,應用無線傳感器網絡技術進行水體溫度與溶解氧濃度等數據的采集與傳送、控制信號的傳輸與加氧控制,改變傳統的生產方式, 對提高淡水養殖產量、降低生產成本、減輕勞動強度具有重要的意義。
我國海岸線長,極其適合發展深海網箱養殖技術。但是深海環境復雜,海水溫度變化大,風浪大,給深海網箱養殖技術的進一步推廣帶來困難。網箱養殖對象的生長與外界環境條件有著密切的聯系,其中起決定性作用的是水體中的溶氧量、餌料和溫度等。由于溫度驟變而未能及時采取相應預防措施,給網箱養殖業帶來巨大的損失是一個技術上難以解決的問題[。一般用戶不可能及時察覺網箱周圍海水溫度的變化,尤其是在晚上。若人為監控溫度變化, 可能會由于各種因素導致漏報或者延時報警,降低準確性和及時性。為了進一步提高網箱養殖的效率,在合理選擇網箱養殖區域、提高網箱養殖技術的同時,無線自動溫度監測系統是發展深海養殖業迫切的需要。
二、項目分析
2.1 系統組成
2.1.1數據采集器
數據采集器主要是由電源模塊、溫度傳感器模塊、pH傳感器模塊、水體透明度檢測模塊、溶氧度檢測模塊、單片機控制模塊等組成。電源電路供電,單片機接收獲取溫度傳感器、pH傳感器等采集到的數據,采集到的數據經過單片處理后，送到數據采集器的數據輸出口（RS232或者485）。
2.1.2無線傳輸設備
前端采用四信F8914 ZigBee模塊，通過232/485（端子接口）和監控終端內的PLC相連，Zigbee作為一種無線連接,可工作在2. 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。該型號設備一般為終端節點，互相之間不能通訊，完成信息的發送和接收。實物如圖1
圖1 F8914
ZigBee中心節點采用四信F8114 ZigBee+GPRS模塊，中心節點收到的數據可以通過串口直接是輸出到服務器上（前端與服務器的距離較近）；還可有通過GPRS把其收到的數據發送的遠端的服務器上，GPRS部分采用國際標準TCP/IP通信協議，且兩種方式都是實現數據透明傳輸功能。省去了每個終端的GPRS模塊，只需要中心節點一個，節約了成本。實物如圖2
圖2 F8114
2.1.3數據管理中心
1） 根據數據采集器每次傳送到數據中心的數據，可以看到網箱各個水質參數的變化情況；網箱的集中管理，可以知道每個網箱的情況。
2）管理人員可在中心控制室在管理平臺上設定正常溫度范圍，如果某網箱溫度超過設定范圍則中心控制單元通過聲光等方式報警。
3）管理人員可根據養殖實際情況增添或減少監控網箱節點數目，可對歷史數據進行記錄，并可根據不同組合條件進行查詢，并生成報表。
2.2 系統總架構
2.2.1 F8914 --- F8914組網
F8914（前端）通過標準的232/485與監控一級終端里的PLC連接通信，獲取的數據直接通過2.4G頻率發送到F8914(中心節點)。F8914(中心節點)通過串口與服務器連接，把數據送到后臺，后臺管理軟件對數據進行分析。如圖3所示
圖3
2.2.2 F8914----F8114組網
2.2.2.1 原理框架
F8114首先進行GPRS撥號上網，然后自動向數據管理中心發起TCP連接，握手成功后開始數據透明傳輸。監控終端把數據集中采集通過PLC把數據傳給F8914，F8914接到數據后即時的將數據通過ZigBee網絡傳送到F8114。F8114通過GPRS數據管理中心將上傳的數據進行分析處理，得出直觀的結果和相應的指令通過GPRS網絡發送給F8114，再通過ZigBee網絡傳送到F8914即時通過232/485傳送給PLC，PLC根據指令對終端做出相應的控制處理，。如圖4所示
圖4
2.2.2.2 數據中心網絡接入方式
1.專線接入
中心采用APN專線， 所有點都采用內網固定IP客戶中心通過一條2M APN專線接入移動公司GPRS網絡，雙方互聯路由器之間采用私有固定IP地址進行廣域連接，在GGSN與移動公司互聯路由器之間采用GRE隧道。為客戶分配專用的APN，普通用戶不得申請該APN。用于GPRS專網的SIM卡才能進入專網APN，防止其他非法用戶的進入。用戶在內部建立RADIUS服務器，作為內部用戶接入的遠程認證服務器（或在APN路由器內，啟用路由器本地認證功能）。只有通過認證的用戶才允許接入，用以保證用戶內部安全。
用戶在內部建立DHCP服務器（或在APN路由器內，啟用DHCP功能），為通過認證的用戶分配用戶內部地址。移動終端和服務器平臺之間采用端到端加密，避免信息在整個傳輸過程中可能的泄漏。雙方采用防火墻進行隔離，并在防火墻上進行IP地址和端口過濾。此種方案無論實時性，安全性和穩定性較前一種方案都有大大提高，適合于安全性要求較高、數據點比較多、實時性要求較高的應用環境。在資金允許的情況下之最佳組網方式。
2. ADSL撥號連接（動態公網IP地址）
中心采用ADSL等INTELNET公網連接，采用公網動態IP+DNS解析服務的?？蛻粝扰cDNS服務商聯系開通動態域名，IP MODEM先采用域名尋址方式連接DNS服務器，再由DNS服務器找到中心公網動態IP，建立連接。此種方式可以大大節約公網固定IP的費用，但穩定性受制于DNS服務器的穩定，所以要尋找可靠的DNS服務商。此種方案適合小規模應用。
3. 通過固定公網IP連接
中心采用ADSL等INTELNET公網連接，采用公網固定IP服務的。此種方案先向INTERNET運營商申請ADSL等寬帶業務，中心有公網固定IP的。IP MODEM直接向中心發起連接。運行可靠穩定，推薦此種方案。
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