基于ZigBee的水产养殖水环境无线监控系统设计
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4 试验结果
本文通过比较标准数据和监控数据来测试 系统。pH、溶解氧和 温 度 等 3 个 参 数 的 试 验 数 据列举 在 表 1 中。与 标 准 数 据 相 比，传 感 器 节 点 pH 值和温度测量值的相对误差 ＜ 1． 00% ，溶 解氧测量值的相对误差 ＜ 4． 00% 。经过幅值稳 定 、滤 波 和 温 度 补 偿 的 过 程 ，误 差 被 限 制 在 要 求 的范围内。
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3． 3 监控软件设计 协调 器 通 过 RS-232 串 口 和 上 位 机 相 连。
Microsoft Visual Basic 6． 0 作为开发工具，被用在 开发上位 机 的 通 信 程 序 中，它 提 供 了 实 现 串 行 通信的多种方法。系统采用 Windows 系统提供 的 MSComm 控件来开发串行通信程序［13］，其操 作简单，功 能 强 大。使 用 控 件 的 属 性 进 行 串 口 的 设 置 ，控 件 的 事 件 驱 动 进 行 串 口 响 应 ，控 件 的 方法完成串行口接收和发送 数 据。笔 者 采 用 VB 语言编 写 监 控 画 面，实 时 监 测 采 集 的 数 据， 实现可视 化 的 人 机 界 面，方 便 了 系 统 的 调 试 与 网络 监 测。此 外，该 系 统 选 择 SQL server 2000 作 为 数 据 库 ，保 存 每 次 采 集 的 数 据 ，方 便 操 作 者 调用历史数据进行分析。
本设计中选用了 Chipcon 公司最新推出的符 合 IEEE802． 15． 4 标准的 SOC 系统芯片 CC2430， 它结合了一个高性能射频收发器核心 CC2420 和 一颗工业级小巧高效的 8051 控制器［9］。根据水 产养殖监测现场的环境，采用如图 1 所示的无线 监控系统结构总框图。该监控网络由若干协调器 节点、若干传感器节点、若干控制节点和一个监控 中心组成。协调器节点和覆盖范围内的传感器节 点采用能量消耗最低的星形网络拓扑结构。其 中，协调器节点是传感器节点、控制节点与监控中
图 1 水产养殖水环境无线监控系统框图
Fig． 1 The wireless water environment monitoring system protocol in aquaculture
在该无线监控系统中，传感器节点将采集到 的水环境参数模拟信号送到的 CC2430 的微控制 器部分进行 A / D 转换（ CC2430 具有 8 路输入 8 ～ 14 位 ADC） ，转换后的数字信号再经过计算处理， 得到实际参数值，通过 CC2430 的无线射频部分 发送出去（ 图 2） 。协调器节点的无线收发部分接 收到数据后送到液晶显示（ LCD） 和上位机监控软 件显示，工作原理如图 3 所示。
《渔业现代化》2012 年第 39 卷第 1 期
号比较容易受到外界干扰，其中主要表现为工频 干扰，因此，信号调理电路中加入了 50 Hz 工频陷 波电路（ 如图 5 虚线框部分） 。
图 4 溶解氧检测电路
Fig． 4 Condition circuit of dissolved oxygen
图 5 pH 检测电路
传感器节点的程序流程如图 7 所示。传感 器节点在上电初 始 化 状 态 下，触 发 按 键 事 件 确 定设备为传感器 节 点，扫 描 信 道 尝 试 加 入 合 适
《渔业现代化》2012 年第 39 卷第 1 期
的网络。成功加入网络后把 16 位网络地址发 送给协调 器，若 接 收 到 采 集 数 据 的 信 息，则 程 序开始进 入 应 用 层，调 用 任 务 处 理 函 数，触 发 相应的任务事件函数，如 MY_REPORT_TEMP_ EVT 事 件、MY _ REPORT _ PH _ EVT 事 件，随 之 启动 A /D 采样采集各个参数值。CC2430 具有 8 路输入 8 ～ 14 位 ADC，首 先 选 择 采 集 的 输 入 通道，设置相关的 端 口 和 配 置 寄 存 器。 采 集 的 数据存放到 ADCH 和 ADCL 寄 存 器，等 待 发 送 到协调器。
文章编号： 1007-9580（ 2012） 01-034-06
在现代化水产养殖场中，为了提高水产养殖 的 自 动 化 和 智 能 化 程 度，对 养 殖 水 体 进 行 温 度、 溶解氧、透明度、盐度及 pH 等参数进行自动监测 和控制是十 分 必 要 的［1］。 目 前 国 内 外 一 些 研 究 机构已经开始将无线传感器网络应用到水产养殖 领域，包括： 应用多参数水质传感器、ZigBee 无线 传感器网络等技术创建水产养殖水质测试和调控 的集成系统［2］； 将 ZigBee 技术同 GPRS 通讯相结 合［3］； 采用总线化技术和 GPRS 通讯技术［4］； 将无 线传感器网络应用到水产养殖的水质监测中［5-7］。 为了进一步提高水产养殖远程在线监控系统的可 靠性、抗 干 扰 性 和 灵 活 性，本 文 设 计 了 一 种 基 于 ZigBee 协议的无线多参数监控系统。该系统采用 Chipcon 公司生产的无线收发芯片 CC2430 和利 用无线通信技术构建无线网络，无需布设任何线 路，自动组网，成本低廉，采集的数据可以通过监控 画面实时监测，有效实现对水环境和水产养殖过程 中各种参数的检测。
对多参数进行实时远程监测。该系统适用于工厂化水产养殖、水环境、智能温室等诸多领域。
关键词： ZigBee； 无线传感器网络； 水环境监控系统； 水产养殖； 溶解氧； pH； 温度
doi： 10． 3969 / j． issn． 1007-9580． 2012． 01． 007
中图分类号： S951
文献标识码： A
协调器程序流程如图 6 所示。协调器在上电 初始化状态下，触发按键事件确定设备为协调器，
启动一个 ZigBee 网络，然后进入网络监听等待状 态。当收到子节点入网请求后，为其分配网络地 址，并 向 子 设 备 发 送 入 网 确 认 消 息，建 立 绑 定 连 接。随之，协调器等待数据请求，当接收到传感器 节点发送的数据信息之后，对数据包进行分析，确 认该 信 息 为 数 据 信 息 后，将 数 据 送 到 液 晶 显 示 （ LCD） 和上位机界面显示。 3． 2 传感器节点软件设计
宦 娟1，2 ，刘星桥1 ，程立强1 ，孙雷霸1 ，李成春1
（ 1 江苏大学电气信息工程学院，江苏 镇江 212013； 2 常州大学信息科学与工程学院，江苏 常州 213164）
பைடு நூலகம்
摘要： 设计了一种基于 ZigBee 协议的水产养殖水环境无线监控系统，实现了对溶解氧、pH 值、温度等多参数
的采集、处理和显示，并通过无线网络实现了传感器检测节点和协调器节点之间数据快速、准确的传输，进而
1 系统整体设计
1． 1 ZigBee 技术简介 ZigBee 技术是一种具有低速率、近距离、低功
耗、低复杂度、低成本、通信可靠、网络容量大等特 点的无线网络通信技术［8］，是针对小型设备的无
线联网和控制而制定的协议规范，拥有一套非常 完整 的 协 议 层 次 结 构，由 IEEE 802． 15． 4 和 ZigBee 联盟共同制定完成。它工作于免付费和免 申请的 2． 4 GHz ISM 频段，具有电池寿命长、应用 简单、可靠性高、组网能力强等特点。基于 ZigBee 的无线传感器网络通常由协调器、路由器和终端 设备 3 种节点设备组成。网络中只有一个节点作 为协调器，负责网络的组织和维护，其他节点可作 为路由器和终端设备。路由器负责网内信息的路 由，终端设备是实现传感功能的节点，其中协调器 和路由器还具有允许设备加入或离开网络的功 能。ZigBee 网 络 支 持 3 种 拓 扑 结 构： 星 型 网 （ star） 、树型网（ tree） 和网状网（ mesh） ，可根据实 际应用选择不同的网络拓扑结构。 1． 2 无线监控系统设计框图
收稿日期： 2011-11-17 修回日期： 2012-02-02 基金项目： 江苏省高校优势学科建设工程资助项目（ PAPD，苏政办发 2011 年 6 号） ； 常州市科技支撑计划项目（ CE20112016） 作者简介： 宦娟（ 1980—） ，女，博士研究生，主要从事水产养殖无线监控方面的研究。E-mail： huanjuan@ cczu． edu． cn 通讯作者： 刘星桥（ 1960—） ，男，教授，博士生导师，博士，主要从事农业设施智能控制系统方面的研究。E-mail： xqliu@ ujs． edu． cn
图 2 传感器节点系统框图
Fig． 2 System diagram of sensor node
2 系统检测电路设计
2． 1 溶解氧测量电路 本系统采用极谱式薄膜电极法测量溶解氧，
传感器采用 DO-952 型溶解氧电极。其中，电极 的阴极由 4 mm 黄金片组成，阳极即参比电极为
银片，两极之间充以电解液，顶端以聚四氟乙烯薄 膜覆盖。当阴阳两极间加 0． 7 V 左右的极化电压 后，渗透过薄膜的氧在黄金阴极上还原，由于电极 上发生氧化―还原反应，电子的转换产生了正比 于样品中氧分压的电流。无氧时，传感器中无电 流； 有氧时，溶解氧浓度以电流的形式被送入调理 电路［10］。
其中协调器节点是传感器节点控制节点与监控中43渔业现代化2012年第39卷第1期心之间连接的桥梁所有采集数据均通过协调器节点发送到监控中心而控制指令则由监控中心发出后通过协调器节点发送给控制节点驱动执行机构执行控制任务
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基于 ZigBee 的水产养殖水环境无线监控系统设计
溶解氧调理电路如图 4 所示。激励源电路 采用正 12 V 供电，D1 为 2． 5 V 稳压，通过调节 P1 来获得极谱式覆膜电极所需的 0． 7 V 左右的 电压（ Ag 极输出） 。传感器输出电流信号采用 两级放大调理电路。由于该传感器的内阻大， 要求前置 放 大 器 有 较 高 的 输 入 阻 抗，所 以 第 一 级采用高输入阻抗的 CA3140 直 流 运 算 放 大 器 匹配进行 信 号 采 集 以 防 止 信 号 衰 减，并 进 行 电 流的第一级放大。Au 极输入微安级电流。由于 A / D 转换的输入是电压信号，第二级采用 TL082 进行 I /V（ 电流 /电压） 转换及第一级程控可变倍 数放大，调整到单片机能够进行 A / D 转换的电 压范围 0 ～ 5 V。 2． 2 pH 测量电路
本系统采用电位法测量溶液的 pH 值。pH 电极采 用 上 海 雷 磁 公 司 生 产 的 E-201-C 型 pH 复合电极。其中，玻璃电极作为指示电极（ 也叫 测量电极） ，其电极电位随溶液中被测量离子浓 度的变化 而 变 化，银—氯 化 银 电 极 作 为 参 比 电 极，其电极 电 位 不 受 溶 液 中 待 测 离 子 浓 度 的 影 响。在 25 ℃ 时，电极输出电 压 与 pH 值 的 关 系 为 59． 16 mV / pH。
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心之间连接的桥梁，所有采集数据均通过协调器 节点发送到监控中心，而控制指令则由监控中心 发出后，通过协调器节点发送给控制节点，驱动执 行机构执行控制任务。
图 3 协调器节点系统框图
Fig． 3 System diagram of coordinator
Fig． 5 Condition circuit of pH
3 系统软件设计
在实际应用中，传感器节点、协调器和上位机 的软件设计是最为重要的。传感器节点数据采集 采用 I2C 协议，节点之间的无线通信采用 ZigBee 协议把传感器节点采集的数据发送到协调器。此 外，我们通过使用 Visual Basic 6． 0 编程环境提供 的 MSComn 控件实现上位机和下位机的通信［10］。 3． 1 协调器软件设计
由于 pH 测量传感器的内阻大，要求前置放 大器有较高的输入阻抗。本系统选用运算放大器
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CA3140，它 具 有 输 入 阻 抗 高、低 偏 置 电 流、低 噪 声、高增益等特点，主要用来完成阻抗匹配、降低 测量噪声、提高系统稳定性等，其余普通运放选用 LM741［11-12］。硬件电路如图 5 所示。由于 pH 信
本文通过比较标准数据和监控数据来测试 系统。pH、溶解氧和 温 度 等 3 个 参 数 的 试 验 数 据列举 在 表 1 中。与 标 准 数 据 相 比，传 感 器 节 点 pH 值和温度测量值的相对误差 ＜ 1． 00% ，溶 解氧测量值的相对误差 ＜ 4． 00% 。经过幅值稳 定 、滤 波 和 温 度 补 偿 的 过 程 ，误 差 被 限 制 在 要 求 的范围内。
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3． 3 监控软件设计 协调 器 通 过 RS-232 串 口 和 上 位 机 相 连。
Microsoft Visual Basic 6． 0 作为开发工具，被用在 开发上位 机 的 通 信 程 序 中，它 提 供 了 实 现 串 行 通信的多种方法。系统采用 Windows 系统提供 的 MSComm 控件来开发串行通信程序［13］，其操 作简单，功 能 强 大。使 用 控 件 的 属 性 进 行 串 口 的 设 置 ，控 件 的 事 件 驱 动 进 行 串 口 响 应 ，控 件 的 方法完成串行口接收和发送 数 据。笔 者 采 用 VB 语言编 写 监 控 画 面，实 时 监 测 采 集 的 数 据， 实现可视 化 的 人 机 界 面，方 便 了 系 统 的 调 试 与 网络 监 测。此 外，该 系 统 选 择 SQL server 2000 作 为 数 据 库 ，保 存 每 次 采 集 的 数 据 ，方 便 操 作 者 调用历史数据进行分析。
本设计中选用了 Chipcon 公司最新推出的符 合 IEEE802． 15． 4 标准的 SOC 系统芯片 CC2430， 它结合了一个高性能射频收发器核心 CC2420 和 一颗工业级小巧高效的 8051 控制器［9］。根据水 产养殖监测现场的环境，采用如图 1 所示的无线 监控系统结构总框图。该监控网络由若干协调器 节点、若干传感器节点、若干控制节点和一个监控 中心组成。协调器节点和覆盖范围内的传感器节 点采用能量消耗最低的星形网络拓扑结构。其 中，协调器节点是传感器节点、控制节点与监控中
图 1 水产养殖水环境无线监控系统框图
Fig． 1 The wireless water environment monitoring system protocol in aquaculture
在该无线监控系统中，传感器节点将采集到 的水环境参数模拟信号送到的 CC2430 的微控制 器部分进行 A / D 转换（ CC2430 具有 8 路输入 8 ～ 14 位 ADC） ，转换后的数字信号再经过计算处理， 得到实际参数值，通过 CC2430 的无线射频部分 发送出去（ 图 2） 。协调器节点的无线收发部分接 收到数据后送到液晶显示（ LCD） 和上位机监控软 件显示，工作原理如图 3 所示。
《渔业现代化》2012 年第 39 卷第 1 期
号比较容易受到外界干扰，其中主要表现为工频 干扰，因此，信号调理电路中加入了 50 Hz 工频陷 波电路（ 如图 5 虚线框部分） 。
图 4 溶解氧检测电路
Fig． 4 Condition circuit of dissolved oxygen
图 5 pH 检测电路
传感器节点的程序流程如图 7 所示。传感 器节点在上电初 始 化 状 态 下，触 发 按 键 事 件 确 定设备为传感器 节 点，扫 描 信 道 尝 试 加 入 合 适
《渔业现代化》2012 年第 39 卷第 1 期
的网络。成功加入网络后把 16 位网络地址发 送给协调 器，若 接 收 到 采 集 数 据 的 信 息，则 程 序开始进 入 应 用 层，调 用 任 务 处 理 函 数，触 发 相应的任务事件函数，如 MY_REPORT_TEMP_ EVT 事 件、MY _ REPORT _ PH _ EVT 事 件，随 之 启动 A /D 采样采集各个参数值。CC2430 具有 8 路输入 8 ～ 14 位 ADC，首 先 选 择 采 集 的 输 入 通道，设置相关的 端 口 和 配 置 寄 存 器。 采 集 的 数据存放到 ADCH 和 ADCL 寄 存 器，等 待 发 送 到协调器。
文章编号： 1007-9580（ 2012） 01-034-06
在现代化水产养殖场中，为了提高水产养殖 的 自 动 化 和 智 能 化 程 度，对 养 殖 水 体 进 行 温 度、 溶解氧、透明度、盐度及 pH 等参数进行自动监测 和控制是十 分 必 要 的［1］。 目 前 国 内 外 一 些 研 究 机构已经开始将无线传感器网络应用到水产养殖 领域，包括： 应用多参数水质传感器、ZigBee 无线 传感器网络等技术创建水产养殖水质测试和调控 的集成系统［2］； 将 ZigBee 技术同 GPRS 通讯相结 合［3］； 采用总线化技术和 GPRS 通讯技术［4］； 将无 线传感器网络应用到水产养殖的水质监测中［5-7］。 为了进一步提高水产养殖远程在线监控系统的可 靠性、抗 干 扰 性 和 灵 活 性，本 文 设 计 了 一 种 基 于 ZigBee 协议的无线多参数监控系统。该系统采用 Chipcon 公司生产的无线收发芯片 CC2430 和利 用无线通信技术构建无线网络，无需布设任何线 路，自动组网，成本低廉，采集的数据可以通过监控 画面实时监测，有效实现对水环境和水产养殖过程 中各种参数的检测。
对多参数进行实时远程监测。该系统适用于工厂化水产养殖、水环境、智能温室等诸多领域。
关键词： ZigBee； 无线传感器网络； 水环境监控系统； 水产养殖； 溶解氧； pH； 温度
doi： 10． 3969 / j． issn． 1007-9580． 2012． 01． 007
中图分类号： S951
文献标识码： A
协调器程序流程如图 6 所示。协调器在上电 初始化状态下，触发按键事件确定设备为协调器，
启动一个 ZigBee 网络，然后进入网络监听等待状 态。当收到子节点入网请求后，为其分配网络地 址，并 向 子 设 备 发 送 入 网 确 认 消 息，建 立 绑 定 连 接。随之，协调器等待数据请求，当接收到传感器 节点发送的数据信息之后，对数据包进行分析，确 认该 信 息 为 数 据 信 息 后，将 数 据 送 到 液 晶 显 示 （ LCD） 和上位机界面显示。 3． 2 传感器节点软件设计
宦 娟1，2 ，刘星桥1 ，程立强1 ，孙雷霸1 ，李成春1
（ 1 江苏大学电气信息工程学院，江苏 镇江 212013； 2 常州大学信息科学与工程学院，江苏 常州 213164）
பைடு நூலகம்
摘要： 设计了一种基于 ZigBee 协议的水产养殖水环境无线监控系统，实现了对溶解氧、pH 值、温度等多参数
的采集、处理和显示，并通过无线网络实现了传感器检测节点和协调器节点之间数据快速、准确的传输，进而
1 系统整体设计
1． 1 ZigBee 技术简介 ZigBee 技术是一种具有低速率、近距离、低功
耗、低复杂度、低成本、通信可靠、网络容量大等特 点的无线网络通信技术［8］，是针对小型设备的无
线联网和控制而制定的协议规范，拥有一套非常 完整 的 协 议 层 次 结 构，由 IEEE 802． 15． 4 和 ZigBee 联盟共同制定完成。它工作于免付费和免 申请的 2． 4 GHz ISM 频段，具有电池寿命长、应用 简单、可靠性高、组网能力强等特点。基于 ZigBee 的无线传感器网络通常由协调器、路由器和终端 设备 3 种节点设备组成。网络中只有一个节点作 为协调器，负责网络的组织和维护，其他节点可作 为路由器和终端设备。路由器负责网内信息的路 由，终端设备是实现传感功能的节点，其中协调器 和路由器还具有允许设备加入或离开网络的功 能。ZigBee 网 络 支 持 3 种 拓 扑 结 构： 星 型 网 （ star） 、树型网（ tree） 和网状网（ mesh） ，可根据实 际应用选择不同的网络拓扑结构。 1． 2 无线监控系统设计框图
收稿日期： 2011-11-17 修回日期： 2012-02-02 基金项目： 江苏省高校优势学科建设工程资助项目（ PAPD，苏政办发 2011 年 6 号） ； 常州市科技支撑计划项目（ CE20112016） 作者简介： 宦娟（ 1980—） ，女，博士研究生，主要从事水产养殖无线监控方面的研究。E-mail： huanjuan@ cczu． edu． cn 通讯作者： 刘星桥（ 1960—） ，男，教授，博士生导师，博士，主要从事农业设施智能控制系统方面的研究。E-mail： xqliu@ ujs． edu． cn
图 2 传感器节点系统框图
Fig． 2 System diagram of sensor node
2 系统检测电路设计
2． 1 溶解氧测量电路 本系统采用极谱式薄膜电极法测量溶解氧，
传感器采用 DO-952 型溶解氧电极。其中，电极 的阴极由 4 mm 黄金片组成，阳极即参比电极为
银片，两极之间充以电解液，顶端以聚四氟乙烯薄 膜覆盖。当阴阳两极间加 0． 7 V 左右的极化电压 后，渗透过薄膜的氧在黄金阴极上还原，由于电极 上发生氧化―还原反应，电子的转换产生了正比 于样品中氧分压的电流。无氧时，传感器中无电 流； 有氧时，溶解氧浓度以电流的形式被送入调理 电路［10］。
其中协调器节点是传感器节点控制节点与监控中43渔业现代化2012年第39卷第1期心之间连接的桥梁所有采集数据均通过协调器节点发送到监控中心而控制指令则由监控中心发出后通过协调器节点发送给控制节点驱动执行机构执行控制任务
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《渔业现代化》2012 年第 39 卷第 1 期
基于 ZigBee 的水产养殖水环境无线监控系统设计
溶解氧调理电路如图 4 所示。激励源电路 采用正 12 V 供电，D1 为 2． 5 V 稳压，通过调节 P1 来获得极谱式覆膜电极所需的 0． 7 V 左右的 电压（ Ag 极输出） 。传感器输出电流信号采用 两级放大调理电路。由于该传感器的内阻大， 要求前置 放 大 器 有 较 高 的 输 入 阻 抗，所 以 第 一 级采用高输入阻抗的 CA3140 直 流 运 算 放 大 器 匹配进行 信 号 采 集 以 防 止 信 号 衰 减，并 进 行 电 流的第一级放大。Au 极输入微安级电流。由于 A / D 转换的输入是电压信号，第二级采用 TL082 进行 I /V（ 电流 /电压） 转换及第一级程控可变倍 数放大，调整到单片机能够进行 A / D 转换的电 压范围 0 ～ 5 V。 2． 2 pH 测量电路
本系统采用电位法测量溶液的 pH 值。pH 电极采 用 上 海 雷 磁 公 司 生 产 的 E-201-C 型 pH 复合电极。其中，玻璃电极作为指示电极（ 也叫 测量电极） ，其电极电位随溶液中被测量离子浓 度的变化 而 变 化，银—氯 化 银 电 极 作 为 参 比 电 极，其电极 电 位 不 受 溶 液 中 待 测 离 子 浓 度 的 影 响。在 25 ℃ 时，电极输出电 压 与 pH 值 的 关 系 为 59． 16 mV / pH。
《渔业现代化》2012 年第 39 卷第 1 期
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心之间连接的桥梁，所有采集数据均通过协调器 节点发送到监控中心，而控制指令则由监控中心 发出后，通过协调器节点发送给控制节点，驱动执 行机构执行控制任务。
图 3 协调器节点系统框图
Fig． 3 System diagram of coordinator
Fig． 5 Condition circuit of pH
3 系统软件设计
在实际应用中，传感器节点、协调器和上位机 的软件设计是最为重要的。传感器节点数据采集 采用 I2C 协议，节点之间的无线通信采用 ZigBee 协议把传感器节点采集的数据发送到协调器。此 外，我们通过使用 Visual Basic 6． 0 编程环境提供 的 MSComn 控件实现上位机和下位机的通信［10］。 3． 1 协调器软件设计
由于 pH 测量传感器的内阻大，要求前置放 大器有较高的输入阻抗。本系统选用运算放大器
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CA3140，它 具 有 输 入 阻 抗 高、低 偏 置 电 流、低 噪 声、高增益等特点，主要用来完成阻抗匹配、降低 测量噪声、提高系统稳定性等，其余普通运放选用 LM741［11-12］。硬件电路如图 5 所示。由于 pH 信