基于物联网技术的水产养殖监控方案

设计

网关包括ARM处理器、人机交互模块、ZigBee通信模块、GSM通信模块、以太网通信模块五部分构成。ARM处理器采用SAMSUNG公司的S3C2440A[6]，S3C2440A为用户提供了面向移动终端应用的丰富外设、低功耗管理和低成本的外围配置。S3C2440A内嵌ARM920T 32位ARM内核，运行在200MHz，集成了支持640*480真彩色LCD控制器；支持低成本的NAND Flash并可从其直接启动，支持SDRAM等存储器件，四通道的定时器和三通道的PWM，三个UART控制器满足了GSM模块、ZigBee模块的扩展以及开发过程中的串口调试的需求。

如图2所示，主节点以S3C2440A为核心，通过片内存储控制器外扩32MB的NAND Flash和64MB SDRAM构成存储子系统，通过片内的LCD控制器和GPIO外扩640×480的TFT LCD和4个按键构成人机交互界面，通过片内UART外扩RS485通信电路，通过片内SPI接口外扩ZigBee模块。ZigBee模块以TI/Chipcon的CC2420单片ZigBee 无线收发电路构成，GSM模块采用西门子TC35成品，保证了稳定性和可靠性，也降低了系统成本。

（三）测控节点的设计

测控节点以TI/Chipcon的CC2530单片ZigBee无线收发电路和各传感器电路构成。CC2530是在CC2420的基础上增加微控制器、A/D、DMA、AES协处理器、USART、RAM、Flash等电路组成的，它是完整的ZigBee片上系统，只需外接简单的射频匹配电路和天线即可实现一个ZigBee的FFD或RFD节点，并可外扩常规的传感器电路和I/O量。本设计中，测控节点外扩了温度传感器、溶氧传感器、PH值传感器测量电路，控制节点外扩了水阀继电器、加热炉、增氧机等功率设备的启停控制电路，其中水体测量和调控用的温度传感器、溶氧传感器、PH值传感器、加热炉、增氧机等均采用水产养殖专用设备。

（四）软件设计

网关主要负责ZigBee网络的维护和管理，接受远程PC机的调度和控制，并且可以响应测控室内用户的按键操作，执行现场查询控制任务，需要进行复杂的多任务处理，因此主节点的软件采用基于uCLinux嵌入式操作系统[7]开发。在S3C2440处理器上移植uCLinux后，根据网关的功能需求，构建uCLinux驱动程序和应用任务、ZigBee组网任务、主节点与测控节点通信交互任务、远程端口监听任务、文件管理任务、按键任务等一系列应用，实现主控协调器软件的全部应用功能。

测控子节点加电初始化后，先后关闭传感器模块、射频模块、内部时钟进入休眠模式，由休眠模式定时器产生定时中断信号来控制节点的测量工作，当设定的数据发送间隔时间达到后，定时器发送一个中断信号唤醒测控节点，微处理器脱离休眠状态进入工作状态，恢复时钟并打开传感器和射频模块的功能，整个节点微处理器采集传感器检测到的数据进行A/D转换及一些初步处理，按照设定的数据格式送入射频模块调制成射频信号发送出去，汇聚节点接收这个信号再还原成数字量送给远程监控计算机。

（五）系统的应用

受目前技术的限制，溶氧量传感器价格昂贵，又需要定期维护，使用较为麻烦，PH值传感器虽然相对便宜，但是也需要定期维护，只有温度传感器便宜并且很少需要维护，所以建议溶氧传感器数量少些，只放置在鱼群集中的地方、PH值传感器和温度传感器的数量可以适当多一些。具体应用时，上位机放置在用户方便操作的地方，网关安置在水池附近的测控室内，上位机和网关之间通过有线以太网通信，测控子节点根据养殖现场规模的大小安置在水体适当的位置，网关也通过GSM网络和用户的手机通信。测控节点定时测量并通过网关向上位机和手机发送一次传感器数值，当测量到水温或溶氧量偏低时，自动启动相应设备进行补偿，当水体PH值不正常时发出报警声，手机会收到是否更换水质的提示，用户只需要回复短信即可打开相应设备，借助本系统的再现测控功能，用户可以及时处理险情，减少损失。

本系统采用物联网技术和嵌入式系统控制技术，实现了水产养殖多个水体环境参数的实时测控，不仅避免了传统的手工测定存在的耗时费力、数据不及时等弊端，还可以随时了解数据的变化情况，并对环境参数进行自动控制，降低了水产养殖的投入成本和劳动强度，提高了生产效率，加快水产养殖业的商业化进程。产品在满足水塘环境因子测控需求的同时，还可以用于其他工农业控制和通信产品中，具有明显的技术优势和市场推广前景。

参考文献：

[1]刘丽.基于Zigbee技术的无线传感器网络在水质监测系统中的应用[J]. 安徽职业技术学院学报，2009，8（1）：14-17.

[2]袁国良，钟飞.基于Zigbee技术的无线传感器网络在水位检测监控系统中的应用[J].水利技术监督，2008，（3）：31-33.

[3]朱祥贤， 卢素锋. ZigBee技术在水产养殖业中的应用[J]. 现代电子技术，2009，（23）：168-170.

[4]朱祥贤，葛素娟，卢素锋. 基于ZigBee技术的无线传感器网络应用方案[J]. 科技信息，2009，（35）：66-67.

[5]武永胜，王伟，沈昱明. 基于ZigBee技术的无线传感器网络组网设计[J]. 电子测量技术，2009，32（11）：121-124.

[6]张豪，杨春燕，汪筱阳. S3C2440A芯片及应用[J]. 电子设计工程，2011，19（24）：26-29.

[7]赵敏，杨恢先，汤安平.基于S3C2440的嵌入式Linux系统移植的研究与实现[J]. 电子器件，2008，31（6）：1947-1950.

作者简介：华大龙，1972-5-1，男，汉族，籍贯：江苏淮安市，淮安信息职业技术学院，副教授 本科，研究方向：计算机应用方面。

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