引言

網箱養魚是利用竹、木、金屬網片或合成纖維等為網身材料，裝配成一定形狀開放式或密閉式的箱體，設置在流水中．通過高密度的投餌精養或不給餌而利用水中的浮游生物作為食物達到高產的一種養殖方式。這種方式具有機動、簡便、產量高及適應水域廣等優點，有著廣闊的發展前途。溫度、餌料和水體中的溶氧量等對產量和質量影響非常大，其中溫度監控成為提高養殖密度和產量的關鍵。

目前，國內進行水體溫度監控一般是使用單片機系統，使用有線方式傳輸監測信號．但這種方式存在成本高、系統較為復雜、監測范圍小、抗干擾性差等缺點。無線傳感器技術是傳感器技術與無線網絡技術的結合，是一種新興的智能監測與控制技術，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，廣泛應用在工農業生產中。在水養殖生產中，應用無線傳感器網絡技術進行水體溫度等數據的采集與傳送．對提高水養殖產量、降低生產成本、減輕勞動強度具有重要的意義。本文設計了一種基于Zig-bee技術的無線傳感器網絡節點，并運用該節點組建一個面向水養殖生產中網箱溫度監控的無線網絡監測與控制系統。

1、Zigbee無線傳感器網絡簡介

無線傳感器網絡（WSNs，wireless sensor networks）是一種超大規模、無人值守、資源受限的全分布系統。采用多跳對等的通信方式，其網絡拓撲動態變化。具有自組織、自適應等智能屬性。它融合了傳感器、網絡、無線通信、單片機和自動控制等技術。同時，針對不同的應用對象體現了很強的適應性和靈活性，在工業控制與監測、農業生產、物流、健康和環境監測等方面有著廣泛的應用。

Zigbee這一名稱來源于蜜蜂的八字舞，由于蜜蜂（bee）是靠飛翔和“嗡嗡”（zig）地抖動翅膀的“舞蹈”來與同伴傳遞花粉所在方位信息，也就是說蜜蜂依靠這樣的方式構成了群體中的通信網絡。ZigBee技術是采用。IEEE802.15.4標準的一種短距離的無線通信技術。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，它的傳輸距離在10 m～75 m的范圍內，但還可以繼續增加。依據發射功率的大小和應用模式而定，1臺Zigbee設備可以連接多達254個同類的設備。此外，由于Zigbee具備高鏈接數與低耗電的特性，已經成為目前無線傳感器網絡（WSNs）中無線通信技術的首選之一，可應用在溫度測量、水電煤氣計量數據記錄、保衛防護的監控等方面，廠商無需經常更換電池或布建供電網絡，即可方便地取得所需的信息。

2、無線網箱溫度自動檢測系統的構成

無線網絡的連接方式有很多種，最基本的有星狀連接、串狀連接和網狀連接三種連接方式。因為Zigbee的解決方案支持每個網絡協調器帶有254．個激活節點，多個網絡協調器可以聯結大型網絡，所以本設計網絡連接選用串狀連接方式．多個網絡協調器可以協同工作，這一特點保證了新增網箱節點的靈活加人，還可以滿足大規模的要求。該無線網箱溫度自動檢測系統總體架構如圖l所示，該系統由中心控制單元和網箱溫度監控終端組成。

3、無線網箱溫度自動檢測系統的設計

下面詳細介紹中心控制單元和網箱溫度監控終端的功能和設計。

3．1 中心控制單元

管理人員可在中心控制單元通過控制面板或鍵盤設定正常溫度范圍，如果某網箱溫度超過設定范圍則中心控制單元通過聲光等方式報警；管理人員還可根據漁場實際情況增添或減少監控網箱節點數目，同樣通過控制面板或鍵盤進行操作；可對歷史數據進行記錄，并可根據不同組合條件進行查詢，并生成報表（與電腦連通后可用）。

中心控制單元包括MCU與Zigbee射頻模塊、聲光報警模塊、鍵盤顯示模塊和電源模塊。主要模塊說明如下：

MCU與Zigbee射頻模塊采用CC2430芯片．CC2430芯片采用o.18μm CMOS工藝生產；在接收和發射模式下．電流損耗分別低于27 mA或25 mA。CC2430的休眠模式和轉換到主動模式的超短時間的特性，特別適合那些要求電池壽命非常長的應用。Zigbee協議通過軟件程序固化在CC2430的內存中。CC2430芯片的主要特點如下：

◆高性能和低功耗的8051微控制器核。

◆集成符合IEEE802．15．4標準的2．4 GHz的RF無線電收發機。

◆優良的無線接收靈敏度和強大的抗干擾性。

◆在休眠模式時僅0．9μA的流耗，外部的中斷或RTC能喚醒系統；在待機模式時少于0．6μA的流耗．外部的中斷能喚醒系統。

◆硬件支持CSMA／CA功能。

◆較寬的電壓范圍（2．0 V～3．6 V）。

◆數字化的RSSI／LQl支持和強大的DMA功能。

◆具有電池監測和溫度感測功能。

◆集成了14位模數轉換的ADC。

◆集成AES安全協處理器。

◆帶有2個強大的支持幾組協議的USART，以及1個符合IEEE 802．15．4規范的MAC計時器，1個常規的16位計時器和2個8位計時器。

◆強大和靈活的開發工具。

聲光報警模塊通過喇叭和警燈實現，在發生異常情況下，如溫度超標等，進行高響度、高亮度的聲光提醒，引起管理人員的警醒。

鍵盤及顯示模塊控制鍵盤采用數字控制面板，由數字鍵O～9及確定和取消鍵組成，顯示模塊采用可以顯示兩行字符的LCD，每行可以顯示14個字符。

3．2 網箱溫度監控終端

網箱溫度監控終端最重要的功能是溫度監控，并能及時將監控數據信息發送到中心控制單元；為了保證網箱溫度監控終端的正常工作，還需具有節點低電壓報警功能，即當監控終端電壓低于正常的工作電壓時，則向中心控制單元發出請求更換電池的信號；以及顯示功能。

網箱溫度監控終端包括MCU與Zigbee射頻模塊、溫度傳感器、鍵盤顯示模塊和電源模塊。主要模塊說明如下：

MCU與Zigbee射頻模塊與中心控制單元中的一樣，采用CC2430芯片。

溫度傳感器采用意法半導體的STTS75系列數字溫度傳感器芯片，采用標準的8引線TSSOP和SO-8封裝，適用于設備控制應用領域，此系列產品采用一個帶隙式溫度傳感器，內置一個可編程的9位到12位的sigma-delta模數轉換器（ADC），能夠把模擬的溫度讀數信號轉換成數字信號，分辨率高達0．0625攝氏度。STTS75是在出廠前校準的，無需其它外部組件。在負55攝氏度到正125攝氏度范圍內，傳感器測量精度上下浮動3攝氏度；在負25攝氏度到正100攝氏度范圍內．傳感器感應精度上下浮動2攝氏度。此系列傳感器是為2．7 V～5．5 V低電源電壓設計的，工作電流消耗很低．在3．3 V電壓下典型工作電流僅為75μA。在省電的關斷模式下，待機電流非常低，最大值僅為1μA。上電默認設置使該系列產品能夠作為一個恒溫器獨立工作．溫度數值和溫度調節滯后值都可以編程。價格在0．7美元左右。控制鍵盤采用數字控制面板．由數字鍵0～9及確定和取消鍵組成，顯示模塊可采用數碼管顯示，因為很少用到，所以只有必要時才打開開關觀察當前溫度值。

4、 結束語

無線傳感器網絡作為近年來一門新興技術．在工農業生產領域中得到了廣泛的應用。基于Zigbee的無線傳感器網絡由于其成本低、實時性好、嵌入性強，在養殖業生產監控中具有良好的應用前景。本文所設計的基于Zigbee的無線網箱溫度自動檢測系統．減少了現場布線帶來的各種問題，對網箱節點的管理也更加方便，具有低成本．運行可靠．適用面積廣等特點，為實現大規模水產養殖中網箱監控的信息化自動化，提高養殖產量和質量、降低生產成本、減輕勞動強度具有很高的實際應用價值。

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