ZigBee無線網(wǎng)箱養(yǎng)殖監(jiān)控系統(tǒng)方案
一、引言
隨著淡水養(yǎng)殖業(yè)中網(wǎng)箱養(yǎng)殖和水池養(yǎng)殖模式的日益推廣和普及, 養(yǎng)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(yǎng)殖產(chǎn)量與質(zhì)量非常重要, 其中溶解氧濃度檢測與控制成為提高養(yǎng)殖密度和產(chǎn)量的關(guān)鍵。由于水中的溶解氧濃度受水體溫度和季節(jié)變化影響, 在淡水養(yǎng)殖中, 水體加氧是一般根據(jù)經(jīng)驗, 隨意性較大, 由于加氧不及時而造成養(yǎng)殖損失的現(xiàn)象時在發(fā)生。
目前, 國內(nèi)應(yīng)用先進的控制技術(shù)進行水體溫度和溶解氧濃度監(jiān)控一般是使用單片機系統(tǒng), 監(jiān)測信號傳輸使用有線方式, 但這種方式存在成本高、系統(tǒng)較為復(fù)雜、監(jiān)測范圍小、抗干擾性差等缺點。無線傳感器技術(shù)是傳感器技術(shù)與無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的結(jié)合, 是一種新興的智能監(jiān)測與控制技術(shù), 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(yīng)用在工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中。在淡水養(yǎng)殖生產(chǎn)中,應(yīng)用無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)進行水體溫度與溶解氧濃度等數(shù)據(jù)的采集與傳送、控制信號的傳輸與加氧控制,改變傳統(tǒng)的生產(chǎn)方式, 對提高淡水養(yǎng)殖產(chǎn)量、降低生產(chǎn)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(fā)展深海網(wǎng)箱養(yǎng)殖技術(shù)。但是深海環(huán)境復(fù)雜,海水溫度變化大,風(fēng)浪大,給深海網(wǎng)箱養(yǎng)殖技術(shù)的進一步推廣帶來困難。網(wǎng)箱養(yǎng)殖對象的生長與外界環(huán)境條件有著密切的聯(lián)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(yīng)預(yù)防措施,給網(wǎng)箱養(yǎng)殖業(yè)帶來巨大的損失是一個技術(shù)上難以解決的問題[。一般用戶不可能及時察覺網(wǎng)箱周圍海水溫度的變化,尤其是在晚上。若人為監(jiān)控溫度變化, 可能會由于各種因素導(dǎo)致漏報或者延時報警,降低準(zhǔn)確性和及時性。為了進一步提高網(wǎng)箱養(yǎng)殖的效率,在合理選擇網(wǎng)箱養(yǎng)殖區(qū)域、提高網(wǎng)箱養(yǎng)殖技術(shù)的同時,無線自動溫度監(jiān)測系統(tǒng)是發(fā)展深海養(yǎng)殖業(yè)迫切的需要。
二、項目分析
2.1 系統(tǒng)組成
2.1.1數(shù)據(jù)采集器
數(shù)據(jù)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(shù)據(jù),采集到的數(shù)據(jù)經(jīng)過單片處理后，送到數(shù)據(jù)采集器的數(shù)據(jù)輸出口（RS232或者485）。
2.1.2無線傳輸設(shè)備
前端采用四信F8914 ZigBee模塊，通過232/485（端子接口）和監(jiān)控終端內(nèi)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(shè)備一般為終端節(jié)點，互相之間不能通訊，完成信息的發(fā)送和接收。實物如圖1
圖1 F8914
ZigBee中心節(jié)點采用四信F8114 ZigBee+GPRS模塊，中心節(jié)點收到的數(shù)據(jù)可以通過串口直接是輸出到服務(wù)器上（前端與服務(wù)器的距離較近）；還可有通過GPRS把其收到的數(shù)據(jù)發(fā)送的遠(yuǎn)端的服務(wù)器上，GPRS部分采用國際標(biāo)準(zhǔn)TCP/IP通信協(xié)議，且兩種方式都是實現(xiàn)數(shù)據(jù)透明傳輸功能。省去了每個終端的GPRS模塊，只需要中心節(jié)點一個，節(jié)約了成本。實物如圖2
圖2 F8114
2.1.3數(shù)據(jù)管理中心
1） 根據(jù)數(shù)據(jù)采集器每次傳送到數(shù)據(jù)中心的數(shù)據(jù)，可以看到網(wǎng)箱各個水質(zhì)參數(shù)的變化情況；網(wǎng)箱的集中管理，可以知道每個網(wǎng)箱的情況。
2）管理人員可在中心控制室在管理平臺上設(shè)定正常溫度范圍，如果某網(wǎng)箱溫度超過設(shè)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(jù)養(yǎng)殖實際情況增添或減少監(jiān)控網(wǎng)箱節(jié)點數(shù)目，可對歷史數(shù)據(jù)進行記錄，并可根據(jù)不同組合條件進行查詢，并生成報表。
2.2 系統(tǒng)總架構(gòu)
2.2.1 F8914 --- F8914組網(wǎng)
F8914（前端）通過標(biāo)準(zhǔn)的232/485與監(jiān)控一級終端里的PLC連接通信，獲取的數(shù)據(jù)直接通過2.4G頻率發(fā)送到F8914(中心節(jié)點)。F8914(中心節(jié)點)通過串口與服務(wù)器連接，把數(shù)據(jù)送到后臺，后臺管理軟件對數(shù)據(jù)進行分析。如圖3所示
圖3
2.2.2 F8914----F8114組網(wǎng)
2.2.2.1 原理框架
F8114首先進行GPRS撥號上網(wǎng)，然后自動向數(shù)據(jù)管理中心發(fā)起TCP連接，握手成功后開始數(shù)據(jù)透明傳輸。監(jiān)控終端把數(shù)據(jù)集中采集通過PLC把數(shù)據(jù)傳給F8914，F(xiàn)8914接到數(shù)據(jù)后即時的將數(shù)據(jù)通過ZigBee網(wǎng)絡(luò)傳送到F8114。F8114通過GPRS數(shù)據(jù)管理中心將上傳的數(shù)據(jù)進行分析處理，得出直觀的結(jié)果和相應(yīng)的指令通過GPRS網(wǎng)絡(luò)發(fā)送給F8114，再通過ZigBee網(wǎng)絡(luò)傳送到F8914即時通過232/485傳送給PLC，PLC根據(jù)指令對終端做出相應(yīng)的控制處理，。如圖4所示
圖4
2.2.2.2 數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡(luò)接入方式
1.專線接入
中心采用APN專線， 所有點都采用內(nèi)網(wǎng)固定IP客戶中心通過一條2M APN專線接入移動公司GPRS網(wǎng)絡(luò)，雙方互聯(lián)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(lián)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(wǎng)的SIM卡才能進入專網(wǎng)APN，防止其他非法用戶的進入。用戶在內(nèi)部建立RADIUS服務(wù)器，作為內(nèi)部用戶接入的遠(yuǎn)程認(rèn)證服務(wù)器（或在APN路由器內(nèi)，啟用路由器本地認(rèn)證功能）。只有通過認(rèn)證的用戶才允許接入，用以保證用戶內(nèi)部安全。
用戶在內(nèi)部建立DHCP服務(wù)器（或在APN路由器內(nèi)，啟用DHCP功能），為通過認(rèn)證的用戶分配用戶內(nèi)部地址。移動終端和服務(wù)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(wěn)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(shù)據(jù)點比較多、實時性要求較高的應(yīng)用環(huán)境。在資金允許的情況下之最佳組網(wǎng)方式。
2. ADSL撥號連接（動態(tài)公網(wǎng)IP地址）
中心采用ADSL等INTELNET公網(wǎng)連接，采用公網(wǎng)動態(tài)IP+DNS解析服務(wù)的?？蛻粝扰cDNS服務(wù)商聯(lián)系開通動態(tài)域名，IP MODEM先采用域名尋址方式連接DNS服務(wù)器，再由DNS服務(wù)器找到中心公網(wǎng)動態(tài)IP，建立連接。此種方式可以大大節(jié)約公網(wǎng)固定IP的費用，但穩(wěn)定性受制于DNS服務(wù)器的穩(wěn)定，所以要尋找可靠的DNS服務(wù)商。此種方案適合小規(guī)模應(yīng)用。
3. 通過固定公網(wǎng)IP連接
中心采用ADSL等INTELNET公網(wǎng)連接，采用公網(wǎng)固定IP服務(wù)的。此種方案先向INTERNET運營商申請ADSL等寬帶業(yè)務(wù)，中心有公網(wǎng)固定IP的。IP MODEM直接向中心發(fā)起連接。運行可靠穩(wěn)定，推薦此種方案。
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