基于物联网的水产养殖环境监测系统——毕业论文.docx

1、广东石油化工学院本科毕业(设计)论文：基于物联网的水产养殖环境监测系统基于物联网的水产养殖环境监测系统The Environmental Monitoring System for Aquaculture Based on the Internet of Things广东石油化工学院本科毕业(设计)论文：基于物联网的水产养殖环境监测系统1摘 要随着水产养殖行业的快速发展，科技的快速发展，水产养殖规模的扩大，传统的养殖模式已逐渐不能满足要求，渐渐的被科技化工厂化的模式取代。将物联网技术应用在水产养殖能有效解决旧模式下的饲养控制模糊，人手不足等等的突出的问题。随着无线网络技术的发展，ZigBee

2、技术具有低功耗、低成本、低复杂度和高可靠性的特点，而串口 WI-FI 技术是具有低成本、传通信技术输范围广的无线通信技术，在此两者下，提出了 ZigBee 技术的无线传输网络与串口 WI-FI 无线传输网络的物联网水产养殖环境监测系统的设计。本篇文章首先对 ZigBee 无线传输网络技术与串口 WI-FI 无线传输技术进行介绍，而后并根据国内外的对于无线传感网络的研究现状进行分析，以及系统的功能与实际应用进行相关的需求分析，从而提出本系统的整体设计方案。在系统硬件的电路设计部分中，选取单片机 CC2530 作为 ZiBee 无线通信系统的模块的核心处理器，然后引出各个引脚用于外围接口电路的连接

3、。在系统软件的设计部分中，针对 ZigBee 的协议栈以及其各层的协议作出相关的介绍，阐述其功能和任务。将采集数据的模块划分为多个传感器小模块，并对每个模块作出程序设计的分析。然后，用 AT 指令对串口 WI-FI 模块进行配置，实现 ZigBee/串口 WI-FI 网关的功能。关键词：水产养殖 ZigBee 无线传感器网络 串口 WI-FI CC2530广东石油化工学院本科毕业(设计)论文：基于物联网的水产养殖环境监测系统2AbstractWith the rapid development of aquaculture industry, the rapid development of

4、science and technology, the expansion of aquaculture, the traditional cultivation mode has been gradually cannot meet the requirements, gradually replaced by the science and technology factory model.The application of iot technology in aquaculture can effectively solve the problem of the problem of

5、the lack of control, the shortage of human hands, etc.Along with the development of wireless network technology, ZigBee technology with low power consumption, low cost, the characteristics of low complexity and high reliability, and serial port wi-fi technology is a low cost, mass communications tra

6、nsmission range of the wireless communication technology, under the both, put forward the technology of ZigBee wireless transmission network with a serial port WI-FI wireless transmission network iot aquaculture environment monitoring system design.This article first to the ZigBee wireless network t

7、echnology and serial port WI-FI wireless transmission technology is introduced, then according to for wireless sensor network research status at home and abroad is analyzed, and the demand of the system function and practical application of related analysis, and put forward the overall design scheme

8、 of this system.In the part of the system hardware circuit design, selection of single chip microcomputer CC2530 as ZiBee core processor module of the wireless communication system, and then raises for each pin of peripheral interface circuit connection.In the design section of the system software,

9、the protocol stack of ZigBee and its various layers of protocols are introduced, and its functions and tasks are explained.The data collection module is divided into several sensor modules, and each module is analyzed for programming.Then, using the AT command to configure the serial port WI-FI modu

10、le, the function of ZigBee/serial port WI-FI gateway is implemented.Key words:Aquaculture ZigBee wireless sensor network serial port WI-FI CC2530广东石油化工学院本科毕业(设计)论文：基于物联网的水产养殖环境监测系统3目录摘 要 .1Abstract .2目录 .3第一章 绪论 .51.1 引言 .51.2 本课题的研究目的及意义 .61.3 无线传感器网络介绍 .71.3.1 概念 .71.3.2 ZigBee 的优势 .81.3.3 通信的标准 .

11、91.4 WI-FI 通信技术 .101.4.1 WI-FI 通信技术的简介 .101.4.2 WI-FI 技术的优势 .101.5 无线传感器网络的国内外研究现状 .111.5.1 国外的研究现状 .111.5.2 国内的研究现状 .12第二章 系统的整体设计 .132.1 系统功能分析 .142.1.2 系统性能需求分析 .142.2 系统的结构 .152.3 无线传感器网络设计 .152.3.1 无线传感器节点设计 .162.3.2 无线传感器协调器以及网关的设计 .172.3.3 ZigBee 无线传感器网络结构设计 .172.4 WI-FI 传输网络 .182.5 监控应用中心的设计

12、 .192.6 本章小结 .19第三章 系统硬件电路设计 .203.1 系统硬件电路设计概述 .203.2 传感器模块设计 .203.2.1 温度电路设计 .20工作原理： .20特点： .213.2.2 水位传感器设计 .213.2.3 温度湿度电路设计 .213.2.4 光照强度电路设计 .223.2.5 ZigBee 无线通信模块设计 .223.2.6 串口 WI-FI 模块模块设计 .233.3 本章小结 .24第四章 系统软件设计 .254.1 ZigBee 协议栈 .254.1.1 ZigBee 协议栈框架 .26广东石油化工学院本科毕业(设计)论文：基于物联网的水产养殖环境监测系

13、统44.1.2 物理层 .264.1.3 数据链路层 .274.1.4 网络层 .274.1.5 应用汇聚层 .284.1.6 应用层 .284.2 程序运行的总流程图 .294.3 水温采集的程序设计 .304.4 水位采集的程序设计 .344.5 温湿度采集的程序设计 .364.6 光照强度采集的程序设计 .394.7 串口 WI-FI 端的程序设计 .464.8 应用控制中心的设计 .504.9 本章小结 .57第五章 系统实验结果 .585.1 监测应用中心 .585.2 实物演示 .605.3 测试数据 .62第六章 总结 .666.1 系统设计总结 .666.2 个人总结 .67参

14、考文献 .68致 谢 .69广东石油化工学院本科毕业(设计)论文：基于物联网的水产养殖环境监测系统5第 1 章 绪论1.1 引言在我们广东省是水产品养殖和水产品出口的大省，养殖水产品的面积达到了上千万亩，水产品的产量也达到百万吨每年。随着养殖规模的不断扩大，以往水产养殖模式的问题也不断的突出，为了可以解决这些人手不足，饲养控制模糊等突出的问题，最大限度的提高水产品的质量存活率，和养殖户的收益，在水产养殖加入更多的科技元素，改变养殖的模式迫在眉睫。开发一种基于物联网技术的智能水产养殖环境监测系统成了该产业迫在眉睫的切实需要，也是今后水产养殖业发展的必然趋势。如今大多数的水产养殖业主要还是会消耗大

15、量资源、人力资源、粗放式经营、饲养控制等问题，基本上还是一个靠天吃饭的行业，它不可避免地受到气候、水质变化等自然环境的影响和制约，需要花费大量的精力时刻留意着养殖环境的变化。随着河流、湖泊和沿海水域的污染增加，水产养殖行业的风险也随之增加，花费在其上面的精力也不断增加，所以将先进的物联网技术应用于养殖行业是迫在眉睫。工厂化的水产养殖在从狭义的角度来讲指的是现在的生物学技术与现代工业技术相结合，在全自动或者半自动化的系统中是高密度养殖优质的水产品，在养殖的全过程实行全封闭式或者半封闭式管理的商业性、无污染化和科学化的一种水产养殖的生产方式。从广义的角度来分析指的是利用现代先进的科学技术来加以应用

16、以实现全自动化或半自动化的水产养殖系统，在大型水产养殖中进行的一种无污染化的、先进的、科技化的、商业化的水产养殖模式。更具体的来说，工厂化的水产养殖是在全封闭或者半封闭的情况下，对水产养殖生产的整过过程实现饲养投饵、水中温度、水位高度、水的质量、排污处理、疾病预防、水流、水处理的循环使用等等的全自动化、半自动化的管理，就是集合电子机械、仪表仪器、土木工程、生物学和生物工程、自动控制等现在先进技术相结合与一体的。同时，也对水产养殖的品种、生长过程、生长的环境进行全方面的自动监测，使在大型的养殖环境情况下，节省人力资源，也能维持水产品的生理生长状态和水中的生态环境，从而达到最大化的提高水产养殖的质

17、量和产量，使水产品健康快速生长的同时也不对环境造成污染的高效率的养殖方式。 在国外发达国家的养殖行业中，工厂化的养殖在高密度的网箱养殖的时候而开始的，经过了一段的时间的不断发展，在这方面中为了节约能源、水资源和环境的优化，已不再大规模的开挖养殖池，而是通过另一些方式-出台相关的相应的政策来推动工厂化养殖的发展。工厂化的水产养殖方式的高效益，高效率对生产者产生了诱惑力，随着市场的不断扩大，鲜活食品越来越受到大家的青睐，需求不断的提升，对水产养殖实行工厂化的水产养殖起到了很好的促进作用。广东石油化工学院本科毕业(设计)论文：基于物联网的水产养殖环境监测系统6在国内就目前而言，水产养殖的养殖设备设施

18、大部分还是比较简单简陋的，相对于国外发达国家的水产养殖技术里的设备设施相比，显得非常的落后，存在着很大的差距，在我国很多地方的水产养殖户的养殖场里都是设施设备简单的养殖车间：动力提水设备，无伐重力式的过滤设备，沉淀池等等。在这种养殖模式里大多还是靠人力人工进行操作的，还要时刻在现在注意着水产养殖环境的情况，花费着大量的人力。而水产养殖的工艺只有简单的人工投料饲养，还通过人去进行环境的监测，控制观察，操作饲料的加工等等。这种方式不仅消耗人力，而且还产量相对于国外的养殖技术养殖来说还比较底、消耗时间长、能源消耗高等。因此物联网技术应用于养殖行业，将养殖行业科技化，肯定可以推进养殖行业的快速发展。1

19、.2 本课题的研究目的及意义在物联网化的养殖模式里的主要技术中包括有数字网络化，环保的养殖管理模式，水质的监测等,其中的保证水的质量对于水产养殖是至关重要。水的质量的检测的主要目的就是监测和控制水中的环境的温湿度、水中的温度、水位的高度变化、环境的光照强度等等一些会对水产品的生长带来影响的因素的水中环境的参数变量,以控制这些参数稳定给水产品带来最好的生长环境,从而提高质量产量,就正所谓“养鱼先养水”。因此，若要增加水产品的产量，同时提高水产品的质量势必要使用到检测和控制的技术。我们通过科技的技术检测分析水环境的各个参数变量，从而得出水产品当前的养殖环境是否适合水产品的生长，同时也可以做出控制，

20、控制这些参数变量的变化，使其稳定适合水产品最佳的生长环境，同时降低人工的投入，降低成本、也可以降低养殖人员造成损失的风险。从而提高产量质量，给人们带来价廉质优的水产产品。总而言之，有了监测的技术，水产养殖技术在向大型化、大规模发展的同时，减低人力的投入，也能提高质量，提高水平。这样的水产养殖也能节约水资源，大大的减少对水质的污染，还可以大大降低水产养殖所投入的成本。因此，在水产养殖加入监测和控制技术不仅可以给养殖人员提高产量的收入，还可以减低成本，降低风险，同时，也可以降低自然环境的污染，降低能源的消耗。在目前来看，很多养殖的设施是以有线的方式将各个设备连接起来，并连接到监控系统中心的，采用这

21、种模式在水环境中会出现着许许多多的问题。在水环境中搭建这些线路在随着系统规模的不断提高也会变得越来越复杂，会使用到大量连接线路的连线，在水上搭建这些线路时也会很困难，导致成本增加，维护起来也相当麻烦，这样的灵活性也很低等等。随着无线传感器网络技术的飞速发展，所以，在水产养殖环境使用无线监控技术，将会降低设备设施的成本、采用无线技术的系统的灵活性比有线的更高、安装搭建更加简单方便。无线传感器网络技术也简称“WSN”，下面直接使用 WSN 进行称呼。在水产养殖加广东石油化工学院本科毕业(设计)论文：基于物联网的水产养殖环境监测系统7入 WSN 技术以使得养殖高科技化，网络数字化，智能化将是水产养殖

22、的发展趋势。随着无线技术的飞速发展，近年来出现的 ZigBee 技术以价格低廉、组网灵活、复杂度低、可以工作在无线的 2.4GHz 频段等等优点，符合这 WSN 技术的要求。ZigBee 的协议栈经过 ZigBee 联盟的不断完善，很适合在此基础上进行二次开发，它还被广泛的应用在智能家居，工业的控制，农业汽车自动化领域，多种消费性的电子设备控制等领域。所以，便提出了基于 ZigBee 自动组建无线网络的和串口 WI-FI 无线通信技术现结合的水产养殖环境监控系统的设计。首先，ZigBee 无线传感器网络进行自动组网，然后通过ZigBee 传感器节点采集水环境的各个参数变量-水中的温度、水位的高

23、度、环境的光照强度、环境的温湿度，并发送至 ZigBee 网络中的协调器。结合着 WI-FI 无线通信技术可以远距离的通信，大数据高速传输等优点。协调器将数据通过 WI-FI 网关发送至云服务器端，实现养殖人员在何时何地都可以实时的掌握到自己水产养殖场的环境变化，真正的实现远程监控。所以，本系统具有很好的灵活性、通用性、低成本等优点，还可以实现环境变化参数的异常报警，全天候在线监测，减少了由于获取信息手段的缺乏而不能对水质进行及时的、实时的监测控制。1.3 无线传感器网络介绍1.3.1 概念在微机电系统技术，传感器技术，集成电路技术，无线通讯网络等技术的飞速发展下技术的不断创新突破。多功能、低

24、功耗、低成本的微型的传感器大批的生产成为了可能，在这些微小型体积的传感器内集成了无线通信、信息的采集和数据的处理与一体的功能。无线传感器网络由在一个区域内大量的微型的传感器的节点通过无线电将各个传感器节点联合起来进行通信形成的一个自组织的网络系统，其功能是协作的感知、处理采集这个网络所覆盖的区域里检测到的对象的信息。传感器的体积越来越小、能量消耗的减低、多功能、价格低廉并且可以大批量的生产。将无线通讯、微控制器集合于一体集成微小体积的传感器，无线传感器网络就是在一个方围内大批微小型的传感器节点经过无线电的方式把这个范围所有的节点进行连接通讯组成一个网络系统。这个网络系统的功能就是联合感知其他节点以及处置和收集这个范围里可以监测到的节点对象的消息。这种小