1、 1 分类号： 密级： 公开 UDC 注 1： 编号： 硕 士 学 位 论 文 基于 ZigBee 和 GPRS 技术的水产养殖远程无线监控系统的应用研究 Application Research on Wireless Remote Monitoring system in Aquaculture 指 导 教 师 作 者 姓 名 申请学位级别 硕 士 学科 (专业 ) 农业电气化与自动化 论文提交日期 论文答辩日期 学位授予单位和日期 答辩委员会主席 _ 评阅人 _ 2 摘 要 随着水产养殖业的快速发展，传统的池塘养殖模式正在被工厂化水产养殖取代。 在工厂化水产养殖的关键技术中主要涉及智能水
2、质检 (监 )控、健康养殖管理和数字化物流等，其中水质监控是实现健康养殖的关键环节。 ZigBee 是近年来兴起的一种低复杂度、低成本、低功耗、低速率和高可靠性的无线网络技术；而 GPRS 技术是一种传输范围广、传输速率高的无线通信技术，基于此，本文提出了 ZigBee 无线传感器网络与 GPRS 传输网络相结合的水产养殖无线远程监控系统的设计。 本文首 先介绍了 ZigBee 无线传感器网络和 GPRS 技术的相关知识，并介绍了无线传感器网络国内外研究现状。然后根据系统的实际应用进行了功能和性能需求分析，提出了系统设计 (的 )整体方案。 在系统硬件电路部分，分别设计了常规水质参数调理电路，
3、选取了单片机CC2430 作为 ZigBee 无线通信模块核心处理器，设计了其外围接口电路，包括RS232 串行接口电路、液晶显示接口电路等，最后完成了 GPRS 模块设计。 在系统软件设计部分，首先对 ZigBee 协议做了简单介绍；然后阐述了各层协议的功能及任务，其中着重介绍了应用层的程序设计 ；在此基础上本文设计了传感节点的软件、协调器节点的软件以及串口通信软件；最后介绍了 VB 远程监控中心软件的设计。 在系统构建和功能测试部分，首先对调理电路进行标定实验，得到各参数拟合公式；然后用 AT 指令对 GPRS 模块进行配置，实现 ZigBee/IP 网关功能；最后是功能测试，经过反复实验
4、表明现场液晶显示数据同远程监控中心接收数据保持一致，并与水参数实际值接近，在误差允许范围内。 (这边句子顺序应该颠倒一下：并在误差允许范围内，与水参数实际值接近 )整个系统的实时性和稳定性都比较好，具有广阔的应用前景。 关键词： ZigBee，无线传感器网络， GPRS，水产养殖， CC2430 3 ABSTRACT With the increasing development of aquaculture, Traditional pond-farming model is giving way to industrial aquaculture. Its key technologies
5、 involve intelligent water quality control, good aquacultural management, digitization logistics and so on. Among them, intelligent water quality monitoring is the crucial link that achieves health culture. ZigBee technology is a new wireless network communication technology with features of easy st
6、ructure, low power consumption, low rate, low cost and high reliability. GPRS technology has the remarkable advantages such as strong broad scope, quick transmission speed and so on. Just based on these, this paper presents a design project combined GPRS with ZigBee technology in order Wireless remo
7、te monitoring of aquacultural water environment. This paper first introduces the fundamental knowledge of ZigBee WSN and GPRS, and proposes the whole project after analyzing functional and performance requirements, according to the practical application of the system. In the hardware design of monit
8、oring network, processing circuses of general parameters are designed respectively, the chip CC2430 is selected as core processor of ZigBee Wireless Sensor Networks and peripheral interface circuits of CC2430 are designed including RS232 serial interface circuit , liquid display interface circuit an
9、d so on. In the end, the design of GPRS communication module is accomplished. In the software design, firstly, a brief introduction on ZigBee Stack is given, secondly, function and task of every layer are illuminated. Particularly application layer program is introduced. On the ground, the software
10、of sensor node, Coordinator node and serial communication is designed . In the end, the software of VB remote monitoring center is designed. In functional testing and construction of the system, firstly,the fitting formulas of parameters are obtained by calibration experiments for processing circuse
11、s.Secondly, GPRS module is Configured by AT instructions in order to realize ZigBee/IP gateway functions. The last section is functional testing. The experimental results prove The local data keep identical with remote data that monitoring center receives,furthermore, it is near actual value within
12、acceptable error range. Real-time and stability of system are quite good and the system has the good practical value and application prospect. Keywords: Wireless sensor network, ZigBee, GPRS, CC2430, aquaculture 4 目录 摘 要 . 2 ABSTRACT . 3 目录 . 4 第一章 绪论 . 6 1.1 引言 . 6 1.2 本课题的研究目的及意义 . 7 1.3 无线传感器网络介绍
13、 . 8 1.3.1 无线传感器网络的概念 . 8 1.3.2 无线传感器网络的通信标准 . 9 1.3.3 ZigBee 技术的优势 23 . 11 1.4 GPRS 通信技术简介 .12 1.5 无线传感器网络的 国内外研究现状 .13 1.5.1 国外研究现状 .13 1.5.2 国内研究现状 .13 1.6 本文的结构安排 .14 第二章 系统的整体设 计 .16 2.1 系统的需求分析 .16 2.1.1 系统功能需求分析 .16 2.1.2 系统性能需求分析 .17 2.2 系统的布局结构 .17 2.3 无线传感器网络设计 .18 2.3.1 传感器节点设计 .18 2.3.2
14、协调器节点设计 .19 2.3.3 ZigBee 网络结构设计 .20 2.4 GPRS 传输网络 .21 2.5 远程监控中心设计 .21 2.6 本章小结 .22 第三章 系统硬件电路设计 .23 3.1 系统硬件电路设计概述 .23 3.2 传感器模块设计 .23 3.2.1 亚硝酸盐调理电路设计 .23 3.2.2 温度调理电路设计 .26 3.2.3 盐度调理电路设计 .27 3.2.4 溶解氧调理电路设计 .30 3.2.5 PH 调理电路设计 .33 3.2.6 浑浊度调理电路设计 .35 3.3 ZigBee 无线通信模块设计 .38 3.4 串口通信模块设计 .40 3.5
15、液晶显示模块设计 .41 3.6 GPRS 模块设计 .42 3.6.1 GPRS 模块硬件设计 .42 5 3.6.2 GPRS 模块的选择 .44 3.7 本章小结 .44 第四章 系统软件设计 .45 4.1 ZigBee 协议栈 .45 4.2 ZigBee 协议框架 .46 4.2.1 应用层 .46 4.2.2 应用汇聚层 .50 4.2.3 网络层 .50 4.2.4 数据链路层 .51 4.2.5 物理层 .51 4.3 传感器节点软件设计 .52 4.4 协调器节点软件设计 .54 4.5 串行通信软件设计 .55 4.6 VB 远程监控系统设计 .56 4.6.1 VB 与
16、 GPRS 的通信程序设计 .57 4.6.2 数据库设计 .61 4.7 本章小结 .65 第五章 系统实验测试 .66 5.1 标定实验 .66 5.1.1 亚硝酸盐的标定 .67 5.1.2 温度的标定 .68 5.1.3 盐度的标定 .69 5.1.4 PH 的标定 .70 5.1.5 浊度的标定 .72 5.1.6 溶氧的标定 .74 5.2 GPRS 模块配置 .74 5.3 现场检测仪表的测试 .76 5.4 远程监控中心功能测试 .79 5.5 本章小结 .81 第六章 总结与展望 .82 6.1 本文工作总结 .82 6.2 未来工作展望 .83 参考文献 .84 致 谢 .
17、87 在校期间发表的论文 . 错误 !未定义书签。 6 第一章 绪论 1.1 引言 我国是世界最大的水产品生产国，水产品产量连续十二年位居世界第一 1，据悉， 2012 年水产品产量将达到 5800 万吨以上 2。然而我国又是一个水产弱国，水产养殖业主要沿用消耗大量资源和粗放式经营的传统方式，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，并且产量低，养殖品种单调。随着河流湖泊、近海水域环境污染的不断加剧，养殖业的风险也随之加大 ，这种粗放型的传统养殖方式被工厂化水产养殖方式取代已成为一种必然 3。 工厂化水产养殖广义地来讲（鱼、虾、水生生物）是指利用现代科
18、技武装起来的半自动化或全自动化养殖系统，在小水体中进行高密度养殖水生生物的一种先进的，无污染的商业化养殖方式；狭义的定义应该是指采用现代工业技术和现代生物学技术相结合，在半自动或全自动的系统中高密度养殖（包括育苗）优质鱼、虾、贝，并对全过程实行半封闭或全关 (好像多个“关”字 )封闭管理的一种无污染、商业性和科学化的养殖生产方式。再具体的 (地 )讲，工厂化养殖是集土建工程、机械电子、 仪器仪表、化学、生物、生物工程、自动控制和社会经济学等现代科技于一体，在半封闭或全封闭条件下，对养殖生产全过程的水质、水流、水温、投饵、排污、疾病预防、水处理、循环使用等实行半自动或全自动化管理，同时，对养殖的
19、品种、营养、生长过程等进行全面自动监控，使其能在高密度养殖条件下，自始至终维持最佳生理、生态条件，从而达到健康、快速生长、营养合理和最大限度地提高单位水体产量和质量，且不产生内外环境污染的一种高效养殖模式 4。 国外的工厂化水产养殖是以高密度的网箱养鱼而开始的，经过 60、 70 年代的不断发展，一些发 达国家为了优化环境、节约能源和水资源，已不在大规模开挖养鱼池，而是出台经济、财政、金融、立法等相应政策来推动工厂化养鱼。由于海水育苗的成功，大大加快了集约化育苗、养殖的进程；工厂化养鱼方式的高效率和高效益对生产值 (者 )产生了诱惑力，加之鲜活食品越来越受到青寐，市场7 不断扩大，反过来对工厂
20、化养殖的发展起了良好的促进作用。 我国目前现行的工厂化养鱼设施设备相当简陋，只有一般的提水动力设备、充气泵、沉淀池、重力式无伐过滤池、调温池、养鱼车间、开放式流水管伐等。前无严密的水处理设施，后无废水处理设备而直接排放入海。养 殖工艺也只有简单的调温、饲料加工、人工投料、一般性的观察和检测，大部分是靠人工手动操作，处于一种普通流水和温流水养鱼的一种过渡形式，属于工厂化养鱼的初级阶段 5。这种养殖方式的产量低（单位水体产量 10-15 公斤 /平方米 .年）、耗能大、效率低，与先进国家技术密集型的封闭式循环流水养鱼相比，无论在设备、工艺、产量（达 40-100 公斤 /平方米 .年）和效益等方面
21、都存在着相当大的差距 6。 1.2 本课题的研究目的及意义 在工厂化水产养殖的关键技术中主要涉及智能水质检 (监 )控、健康养殖管理和数字化物流等，其中水质 监控是实现健康养殖的关键环节 7。“养鱼先养水”水质监控主要目的是控制养殖水体的温度、 PH、溶解氧、盐度、亚硝酸盐等对水产品生长环境有重大影响的水质参数，为水产品提供最佳的生长环境。因此，工厂化水产养殖要提高产量、增加生产的稳定性就离不开监测技术。通过监测鱼类的生活环境，我们才知道鱼类是否生活在一个最佳的理想环境中，从而对其进行调整，使其适合鱼类的生长，减少水产养殖者的风险损失，是鱼类生产打 (达 )到稳定、高产，为人们提供质优价廉的鱼
22、类产品。总之 (,)有了检测技术，工厂化渔业生产才可能向大规模、高水平、高质 量发展。封闭、循环式工厂化渔业生产大大减少了对江河湖海的污染，并节约了水资源，大大降低了自然水产养殖所需的燃料等其他能源。因此 (,)检测技术应用于水产养殖不仅能够给工业化养鱼带来高产和安全，同时对于保护自然环境和节约能源也起到了积极的作用。 目前多数是通过有线的方式连接传感器设备和监控系统，这种方法面临许多问题，例如 (:)对于湖泊和河流水质的测量，由于浮标常年位于水中，为它架设专门的通信线路显得不合适；另外由于测试点多而杂使得测试系统线路非常复杂。此外随着工业测控系统规模的不断扩大，大量连线造成成本增加， 灵活性
23、差，施工困 难等弊端，为了提高水环境监测系统的效能，必须对现有的监测实行技术更新和改造。虽然当前无线监控技术得到了快速发展，但关于水质无线监控的研究8 发展较晚，而且研究多为温室、农田、河流、湖泊和地下水环境信息的远程监测8。 利用无线传感器网络 9技术实现集约化水产养殖的数字化 、网络化、分布式的本地或远程的实时动态水质调控是未来的发展趋势。基于无线技术的网络化、智能化传感器试 (是 )生产现场的数据能够通过无线链路直接在网络上进行传输、发布和共享，并同时实现执行机构的智能反馈控制是当今信息信息 (多一个信 息 )技术发展的必然结果。 ZigBee是近年来出现的面向低成本设备无线传感器网络要
24、求的技术，它是一种近距离、低复杂度、低功耗、低数据速率、低成本的双向无线通信技术，其应用领域包括工业控制、消费性电子设备、汽车自动化、农业自动化和医用设备控制等。 无线通信技术中的 GPRS，即通用分组无线技术（ General Packet Radio Service）因其具有传输范围广 、传输速率高、分组交换的传输方式、永远在线等多方面优势，使得采用 GPRS技术监测对系统数据传输频繁，数据量较小，要求实时性高等特点的水产养殖环境非常 合适 。 正因为如此，本文提出了基于 ZigBee 和 GPRS 技术的水环境监控系统的设计方案，利用 ZigBee 技术组建无线传感器网络， 能实时在线测量和控制温度、溶解氧、 PH、盐度、亚硝酸盐等重要的水质参数 。再利用 GPRS 无线通信技术，实现大范围 、远距离、高速率的数据传输，使用异地操作端及时掌握水产养殖环境的情况并作出相应调整，实现水产养殖环境的远程监控。 因此，该系统可以满足我国集约化水产养殖厂需求，具有较高性价比和通用性，能够实现集约化水产养殖条件下的水质环境参数的全天候 、数字化在线监测、预警和控制，减少因为信息 获取手段缺乏不能对水质进行实时调控从而造成不必要的经济损失 (这句需要重新修改太拗口了 )。具有较高的研究意义和经济价值 。 1.3 无线传感
