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基于无线传感器网络的淡水鱼塘养殖监测系统

摘要：有线智能系统带来了结构的复杂性，数据测量和传输的复杂性以及有限的应用规模。无线传感器网络可以消除这些缺点，但是无线传感器网络中数据传输的可靠性和节能仍然 是两个需要解决的问题。无线传感器中有三种节点的设计信息网络详细描述。采用 WSN的树状拓扑可以减少丢包速率和提高数据传输的可靠性。允许传感器节点进入睡眠状态和 重新组织数据帧是用于实现节能的两种方法。该实验结果证明了这些方法在解决数据传输 可靠性和节能上的有效性。

[关键词]:无线传感网络、水产养殖、溶解氧、节能、监控系统

简介

2016年，中国国水产品总产量为 6900 万吨，其中 3200 万吨（46％）为淡水水生产品。淡水养殖面积为618000公顷，其中 276100 公顷（44.71％）是淡水鱼塘。在中国，淡水水产品的需求量在大幅度增加。但是，水产养殖总面积因工业生产占用大量土地而迅速减少。例如，2015年全国水产养殖总面积下降 0.9％，2016 年为 1.4％（Wang et al，2017）。为了缓解这种情况，一些有助于提高产量和降低成本的智能系统正应用于淡水养殖，这些系统用于实时监测重要的水环境变量，如水中的溶解氧（DO）浓度，水温，pH等（Simbeye＆Yang,2014;Simbeye,Zhao＆Yang,2014）。

西门子公司在2011 年开发了一个可以在线监测 5 到 12 个水参数的系统（ Jawad,Nordin,Gharghan,Jawad＆Ismail,2017）。2008 年，美国YSI公司还开发了 YSI5200 水产养殖监测系统，用于监测六种水质参数。2010 年，中国水产科学研究院的研究人员开发了一种多点在线水质测试系统，可以同时监测六种水质参数。2011 年，来自中国江苏大学的科学家开发了一个分布监测系统，用于实时监测关键水参数的多样性，以及无线数据传输的系统容量（Huan,Liu＆Chong,2014; Huang et al,2013）。然而，大多数这些现有的淡水鱼塘水产养殖监测系统，是通过电缆传输在远程智能单元和监控计算机之间交换信息。有线通信系统承载许多线路，这导致系统复杂以及数据测量和传输的复杂性。而且，这样的系统一旦部署，就不方便扩展以覆盖更多的目标。基于有线通信系统的淡水鱼类养殖业的进一步发展是有限的，因为有线通信系统仅适合于简单和小规模的场景。

无线传感器网络（WSN）是一种工作在 IEEE 802.15.4 技术标准上的无线网络，由传传感器节点，路由节点和网关节点组成。在网络中生成的数据通过一跳或多跳的方式传输到网 关节点。无线传感器网络可用于监控区域内的情况，例如环境保护，交通管理，甚至是军事 情况监视。美国和欧洲已推出一些 WSN的研究项目，WSN技术已应用于农业环境监测。2002年，英特尔公司率先在俄勒冈州创建了第一个无线葡萄园（DuyTu，Son＆Khanh，2015; Ma，Zhao，Wang，Chen，＆Li，2015）。澳大利亚的动物养殖中心在动物身上部署无线传感器节点，以监测生理状态，如脉搏，血压等（Adu-Manu，Tapparello，Heinzelman，Katsriku 和 Abdulai，2017; Ndzi 等，2014）。巴西的研究人员开发了一种基于WSN 监测 1500 公顷农田 灌溉的远程控制系统（Jiang et al,2014; Rashvand,Abedi,Alcaraz-Calero,Mitchell＆Mukho,padhyay,2014）。Chandanapalli，Reddy 和 Lakshmi（2014）使用 WSN 和 IAR Kick 设计了一 个水上监测系统。中国无线传感器网络领域的大多数研究都集中在田间农业的细节管理上。

在这项研究中，我们引入了淡水鱼养殖的WSN系统，以监测淡水鱼塘中的DO浓度和水温。确定了WSN系统的可行拓扑结构，并考虑了数据传输和WSN节点的可靠性，采用了两种相应的节能策略。

系统概述和工作原理

图 1显示了系统的体系结构。它包括三个要素：无线传感器网络单元，监控中心和远程客户。

WSN单元是系统的基本元素，并负责测量一些重要的环境变量，如DO浓度和温度在鱼塘水中。WSN单元由许多WSN传感器节点组成，一些路由节点和一个网关节点。网关节点自动创建无线网络根据默认或手动管理它配置。网关节点不仅负责从传感器节点接收数据，而且将它们传输到监控中心的计算机，使用GPRS模块进一步处理。同时，传感器节点通过插座连接到不同类型的传感器，并负责实时测量目标鱼塘水中的变量。收集的数据通过WSN拓扑一跳或多跳传输到网关节点。路由节点作为路由规划器来查找到达网关节点的最佳路由，通过多跳到达网关节点以获取远离网关的数据。最后，网关节点，传感器节点和路由节点共同完成测量和传输任务。

监控中心有三个必不可少的设备，即监控计算机，数据库服务器和Web服务器。监控计算机作为通信服务器工作，它接受由远程网关节点传输的数据，然后将这些数据上传到监控中心的数据库服务器。所有这些传输都是通过互联网实现的。除了上面提到的工作之外，监控计算机还会聚合数据并将其显示在图形用户界面中。在 Microsoft SQL Server 2013上运行的数据库服务器可以存储和管理各种数据，并且存储DO浓度和水温的数据。 数据库服务器也是 Web服务器的数据源。同时Web服务器的软件采用ASP.NET技术开发，编程平台嵌入MSVS2010，这是一个集成的开发环境（IDE）。Web服务器负责为使用浏览器的远程管理员提供信息服务以观察环境变量，例如MicrosoftInternet Explore（IE）和Google Chrome，无需安装任何特殊软件（Jiang et al，2014; Li，2014）。在大多数情况下，Web服务器需要来自数据库服务器的数据支持，以响应来自被授权访问这些信息服务的远程客户端的请求。

图1 系统的体系结构

无线传感器网络单元的设计

3.1无线传感器网络拓扑

适当的拓扑结构不仅可以确保传感器节点尽可能覆盖目标区域，而且可以确保顺畅的沟通。有三种常见WSN的拓扑：星形网络，树形网络和网格网络。（图 2）

星型网络由两种节点组成：传感器节点和一个网关节点。传感器节点仅通过一跳传输数据到网关节点，而不在它们之间进行通信。这种拓扑结构具有结构简单和节能的优点，因为它不需要进行规划计算。然而，它还有一个显着的缺点，即距离最远的传感器节点和网关节点之间的距离有限，在可接受的通信质量水平上通常大约为 25e35m，由一跳通信决定（Andrewartha，Elliott，McCulloch，＆ Frappell，2016; Xiaoman＆Xia，2016）。因此，这种拓扑结构通常应用于小规模的场景，例如办公室或庭院，但不适合大规模场景中的应用，例如环境监视或水产养殖行业。

树形网络由三种 WSN节点组成：网关节点，路由节点和传感器节点。网关不允许传感器节点之间的通信，并且它们仅将数据传输到它们自己的父节点。路由节点扮演着非常重要的角色，因为需要规划人员通过计算运行传感器协议算法以获取信息，从而找到网关节点的最佳方式。 树形网络具有复杂的结构和较少的节能（Basagni，Petrioli，Petroccia，＆ Spaccini，2015; Cario，Casavola，Lupia，Petrioli，＆Spaccini，2017）。然而，它有与星形网络一样的缺点：通信距离有限，这使其不适用于大规模场景中。通常，在考虑水产养殖业相关系统的复杂性和成本之后，传感器节点和网关节点之间的节点将少于 10个。网状网络具有与树状网络相同的三种节点。传感器节点和路由节点也与树状网络中的方式工作对应相同（Chandanapalli，Reddy，＆Davuluri，2015）。所有路由节点都具有相同的状态，并允许它们之间的通信。网状网络可以提高通信的稳定性，但需要更高的能耗，因为复杂的路径规划需要更多的计算（Cheunta，Chirdchoo，＆Saelim，2014）。

在这项研究中，我们将该系统应用于长100米、宽60米、水深2米的鱼塘。我们测试了所有三种拓扑，在对比复杂性，节能和数据包丢失之后，采用了最佳的拓扑结构，更详细的信息于第5节和第6节的实验中。

图2 常见的WSN拓扑结构

3.2无线传感器网络节点的硬件描述

在WSN中所有的节点（传感器节点，路由节点和网关节点）均采用CC2530芯片（德州仪器TI）微控制器。CC2530与Zigbee相结合开发的协议栈（Z-Stack）基于IEEE 802.15.4标准，是真正应用于片上系统的解决方案。CC2530结合了8051增强型芯片的256KB闪存和RF收发器的卓越性能，同时也有嵌入式ADC，具有8个输入通道和各种输入操作模型，且该芯片是超低功耗的。

Z-Stack是ZigBee规范的实现。它被ZigBee认证为ZigBee兼容平台（ZCP）。使用开发软件安装下载的Z-Stack安装包包含所需的所有配置文档。Z-Stack包含以下组件：HAL（硬件抽象层）、OSAL（操作系统抽象层）IEEE 802.15.4上的MAC、用户申请、MT（显示器测试）。

图 3显示了主板的WSN节点外观。主板提供不同的插座连接到外围设备，如键盘，LED指示器和传感器。

图3主板的WSN节点外观

3.2.1无线传感器网络的传感器节点

传感器节点（图 4）由传感器组成，例如DO传感器和温度传感器，CC2530主板和电源模块，本实验中我们使用的是四节AA电池。

传感器节点基于CC2530主板构建，并密封在由锚固定的防水浮标中。数字传感器DS18B20负责测量水温，通过增强型8051控制器的通用I/O口连接到CC2530主板的插座上。模拟传感器DO-954A连接到嵌入在CC2530芯片的A/D转换器上，并用于测量水中的DO浓度，A/D转换器接收从DO传感器输出的模拟信号并将其转换为数字信号，待进行下一步的处理。表1提供了传感器的两个功能

图4传感器节点：（a）示意图（b）外观图（c）外观

3.2.2网关节点和路由节点

网关节点（图 5）也是基于CC2530主板，其无需连接任何传感器。但是，需要一个 GPRS模块ME3000连接到主板RS232 / USB电缆接口。

WSN中的网关节点扮演管理角色，它有两个基本功能。首先，它负责启动WSN，处理任何加入的请求其他节点，并提供同步时钟服务等。其次，网关节点被视为数据中心接受其他WSN节点传输的数据，如传感器节点和路由节点，也可以无线发送他们通过GPRS模ME3000到监控计算机该GPRS模块的功能如表 2所示。

关于路由节点，CC2530主板已经提供足够的硬件，这时任何外围设备不再需要了。路由节点也是执行两个基本任务，首先是通过计算获得信息传感器协议的算法找到使用网关的最佳路由，第二种是从传感器节点到下一个路由节点转发数据。网关节点和路由节点除了具有几乎相同的硬件GPRS模块外，它们之间的功能差异可以通过软件编程实现。

图5 网关节点

基于Z-Stack2007工具，我们使用IAR Emabedded Workbench平台开发软件。

网关节点的软件有两个基本功能，第一个是构建无线网络并对其进行管理，接收来自路由节点的数据，并通过GPRS的ME3000模块将其传

资料编号：[4201]