基于Zigbee的无线网箱温度自动检测系统

引言
    网箱养鱼是利用竹、木、金属网片或合成纤维等为网身材料，装配成一定形状开放式或密闭式的箱体，设置在流水中．通过高密度的投饵精养或不给饵而利用水中的浮游生物作为食物达到高产的一种养殖方式。这种方式具有机动、简便、产量高及适应水域广等优点，有着广阔的发展前途。温度、饵料和水体中的溶氧量等对产量和质量影响非常大，其中温度监控成为提高养殖密度和产量的关键。
    目前，国内进行水体温度监控一般是使用单片机系统，使用有线方式传输监测信号．但这种方式存在成本高、系统较为复杂、监测范围小、抗干扰性差等缺点。无线传感器技术是传感器技术与无线网络技术的结合，是一种新兴的智能监测与控制技术，由于其具有低成本、体积小、实时性强、功耗低、抗干扰性强、嵌入性好等特点，广泛应用在工农业生产中。在水养殖生产中，应用无线传感器网络技术进行水体温度等数据的采集与传送．对提高水养殖产量、降低生产成本、减轻劳动强度具有重要的意义。本文设计了一种基于Zig-bee技术的无线传感器网络节点，并运用该节点组建一个面向水养殖生产中网箱温度监控的无线网络监测与控制系统。

1 Zigbee无线传感器网络简介
    无线传感器网络(WSNs，wireless sensor networks)是一种超大规模、无人值守、资源受限的全分布系统。采用多跳对等的通信方式，其网络拓扑动态变化。具有自组织、自适应等智能属性。它融合了传感器、网络、无线通信、单片机和自动控制等技术。同时，针对不同的应用对象体现了很强的适应性和灵活性，在工业控制与监测、农业生产、物流、健康和环境监测等方面有着广泛的应用。
    Zigbee这一名称来源于蜜蜂的八字舞，由于蜜蜂(bee)是靠飞翔和“嗡嗡”(zig)地抖动翅膀的“舞蹈”来与同伴传递花粉所在方位信息，也就是说蜜蜂依靠这样的方式构成了群体中的通信网络。ZigBee技术是采用。IEEE802.15.4标准的一种短距离的无线通信技术。可工作在2．14 GHz(全球流行)、868 MHz(欧洲流行)和915 MHz(美国流行)3个频段上，分别具有最高至250 kbit／s、20 kbit／s、40 kbit／s的传输速率，它的传输距离在10 m～75 m的范围内，但还可以继续增加。依据发射功率的大小和应用模式而定，1台Zigbee设备可以连接多达254个同类的设备。此外，由于Zigbee具备高链接数与低耗电的特性，已经成为目前无线传感器网络(WSNs)中无线通信技术的首选之一，可应用在温度测量、水电煤气计量数据记录、保卫防护的监控等方面，厂商无需经常更换电池或布建供电网络，即可方便地取得所需的信息。

2 无线网箱温度自动检测系统的构成
    无线网络的连接方式有很多种，最基本的有星状连接、串状连接和网状连接三种连接方式。因为Zigbee的解决方案支持每个网络协调器带有254．个激活节点，多个网络协调器可以联结大型网络，所以本设计网络连接选用串状连接方式．多个网络协调器可以协同工作，这一特点保证了新增网箱节点的灵活加人，还可以满足大规模的要求。该无线网箱温度自动检测系统总体架构如图l所示，该系统由中心控制单元和网箱温度监控终端组成。

3 无线网箱温度自动检测系统的设计
    下面详细介绍中心控制单元和网箱温度监控终端的功能和设计。
3．1 中心控制单元
    管理人员可在中心控制单元通过控制面板或键盘设定正常温度范围，如果某网箱温度超过设定范围则中心控制单元通过声光等方式报警；管理人员还可根据渔场实际情况增添或减少监控网箱节点数目，同样通过控制面板或键盘进行操作；可对历史数据进行记录，并可根据不同组合条件进行查询，并生成报表(与电脑连通后可用)。
    中心控制单元包括MCU与Zigbee射频模块、声光报警模块、键盘显示模块和电源模块。主要模块说明如下：
    MCU与Zigbee射频模块采用CC2430芯片．CC2430芯片采用o.18μm CMOS工艺生产；在接收和发射模式下．电流损耗分别低于27 mA或25 mA。CC2430的休眠模式和转换到主动模式的超短时间的特性，特别适合那些要求电池寿命非常长的应用。Zigbee协议通过软件程序固化在CC2430的内存中。CC2430芯片的主要特点如下：
    ◆高性能和低功耗的8051微控制器核。
    ◆集成符合IEEE802．15．4标准的2．4 GHz的RF无线电收发机。
    ◆优良的无线接收灵敏度和强大的抗干扰性。
    ◆在休眠模式时仅0．9μA的流耗，外部的中断或RTC能唤醒系统；在待机模式时少于0．6μA的流耗．外部的中断能唤醒系统。
    ◆硬件支持CSMA／CA功能。
    ◆较宽的电压范围(2．0 V～3．6 V)。
    ◆数字化的RSSI／LQl支持和强大的DMA功能。
    ◆具有电池监测和温度感测功能。
    ◆集成了14位模数转换的ADC。
    ◆集成AES安全协处理器。
    ◆带有2个强大的支持几组协议的USART，以及1个符合IEEE 802．15．4规范的MAC计时器，1个常规的16位计时器和2个8位计时器。
    ◆强大和灵活的开发工具。

    声光报警模块通过喇叭和警灯实现，在发生异常情况下,如温度超标等,进行高响度、高亮度的声光提醒，引起管理人员的警醒。
    键盘及显示模块控制键盘采用数字控制面板，由数字键O～9及确定和取消键组成，显示模块采用可以显示两行字符的LCD，每行可以显示14个字符。
3．2 网箱温度监控终端
    网箱温度监控终端最重要的功能是温度监控，并能及时将监控数据信息发送到中心控制单元；为了保证网箱温度监控终端的正常工作，还需具有节点低电压报警功能，即当监控终端电压低于正常的工作电压时，则向中心控制单元发出请求更换电池的信号；以及显示功能。
    网箱温度监控终端包括MCU与Zigbee射频模块、温度传感器、键盘显示模块和电源模块。主要模块说明如下：
    MCU与Zigbee射频模块与中心控制单元中的一样，采用CC2430芯片。
    温度传感器采用意法半导体的STTS75系列数字温度传感器芯片，采用标准的8引线TSSOP和SO-8封装，适用于设备控制应用领域，此系列产品采用一个带隙式温度传感器，内置一个可编程的9位到12位的sigma-delta模数转换器(ADC)，能够把模拟的温度读数信号转换成数字信号，分辨率高达0．0625摄氏度。STTS75是在出厂前校准的，无需其它外部组件。在负55摄氏度到正125摄氏度范围内，传感器测量精度上下浮动3摄氏度；在负25摄氏度到正100摄氏度范围内．传感器感应精度上下浮动2摄氏度。此系列传感器是为2．7 V～5．5 V低电源电压设计的，工作电流消耗很低．在3．3 V电压下典型工作电流仅为75μA。在省电的关断模式下，待机电流非常低，最大值仅为1μA。上电默认设置使该系列产品能够作为一个恒温器独立工作．温度数值和温度调节滞后值都可以编程。价格在0．7美元左右。控制键盘采用数字控制面板．由数字键0～9及确定和取消键组成，显示模块可采用数码管显示，因为很少用到，所以只有必要时才打开开关观察当前温度值。

4 结束语
    无线传感器网络作为近年来一门新兴技术．在工农业生产领域中得到了广泛的应用。基于Zigbee的无线传感器网络由于其成本低、实时性好、嵌入性强，在养殖业生产监控中具有良好的应用前景。本文所设计的基于Zigbee的无线网箱温度自动检测系统．减少了现场布线带来的各种问题，对网箱节点的管理也更加方便，具有低成本．运行可靠．适用面积广等特点，为实现大规模水产养殖中网箱监控的信息化自动化，提高养殖产量和质量、降低生产成本、减轻劳动强度具有很高的实际应用价值。