基于物联网的鱼塘溶解氧远程监控系统.pdf

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传感器及非电量检测技术电子测量技术ELECTRONICMEASUREMENTTECHNOLOGY第34卷第7期2011年7月基于物联网的鱼塘溶解氧远程监控系统*杨世凤李洋（天津科技大学电子信息与自动化学院天津300222）摘要:

溶解氧是鱼塘水质环境中1项至关重要的指标。

给出了1套基于ZigBee的溶解氧无线检测与控制系统,该系统上位机使用LabVIEW虚拟仪器系统控制,并将历史数据保存入MySQL数据库。

该系统还使用GSM模块与用户远程通信,使用户可以远程获取鱼塘信息并有效地控制鱼塘环境,用户也可以通过网页浏览家中服务器上的鱼塘信息。

实验表明该系统有效地减少了鱼塘用电与人工的开销。

关键词:

远程监控系统;溶解氧;ZigBee;虚拟仪器;GSM中图分类号:

TP271文献标识码:

ADissolvedoxygenmonitroingsystemoffishpondbasedontheinternetofthingsYangShifengLiYang（CollegeofinformationandElectricalEngineering,TianjinUniversityofScience&Technology,Tianjin300222）Abstract:

Dissolvedoxygenisoneofthemostimportantfactorsintheaquacultureenvironment.AdissolvedoxygenmonitoringandcontrolsystemisdescribedinthispaperwhichusesZigBeetobuildthenet,andLabVIEWisusedtocontrolthedissolvedoxygenoffisheriesinthesystem,thehistoricaldatawillbesavedinMySQLdatabase.GSMmoduleorInternetisusedtosendmessagetoremoteusersinthesystem,sothatremoteusersareallowedtocontrolthefisheriesaccordingtothemessages.Experimentsshowthattheelectricityandartificialcostcouldbereducedeffectivelybyusingthissystem.Keywords:

remotemonitoringsystem;dissolvedoxygen;ZigBee;virtualinstruments;GSM本文于2011年5月收到。

*基金项目:

天津市农业科技成果转化与推广项目（0502200）0引言随着传感技术和网络技术的发展,物联网的概念在1999年由Ashton教授最早提出。

物联网是基于互联网与无线数据通信技术和射频识别技术共同构造的1个实现物品信息实时共享的网络1。

ZigBee网络构成了物联网信息通信的基础。

本文提出的系统应用ZigBee网络构成1个无线传感网络,本网络通过传感器和控制芯片实现将现实世界物体抽象到信息层的概念模型,并通过ZigBee网络将信息实现共享。

中国的水产养殖业正在快速发展,2009年我国水产品出口总额达107亿美元,同比增长1%,10年来一直是我国大宗农产品出口的首位2。

而鱼塘水环境的实时监控对于水产养殖是非常重要的3,监测和调节适合的温度,溶解氧浓度是确保鱼塘水环境温度和安全的关键4。

所以建立1套高可靠度的鱼塘溶解氧和温度自动监控系统对鱼塘养殖是至关重要的。

国外已经有渔业自动化的成套产品了5,但是国外水质环境与国内不同。

国外多为流动水域养鱼,国内多为静水养鱼,所以进口成套的产品在检测国内鱼塘时会产生很大的误差。

而且进口的渔业自动化产品价格很高。

而国内的鱼塘自动化装置大部分是根据经验设定时间启停增氧机,由于要保证鱼类正常生长,增氧机启动时间都比较长,耗电量都很大,并且这些装置没有形成网络,不能供客户远程监控鱼塘环境。

所以建立一套实时监测的的,可靠的,可远程控制的鱼塘自动化系统已成为必须。

本文介绍了1套由ZigBee组网,通过LabVIEW记录、显示、控制,通过GSM网络或Internet服务远程查看鱼塘环境并实现远程控制鱼塘增氧机工作的鱼塘自动化系统。

通过本文介绍的系统,用户可以在任何有覆盖手机网络或有互联网信号的地方实现对鱼塘的控制,在鱼塘环境超标时系统还会自动发送报警信号至用户的手机,实用证明本系统增加了鱼塘养殖的可靠性,降低了人力费用与电力消耗。

1系统硬件设计1.1系统整体构架鱼塘溶解氧需要实时采集并进行处理,实时性、可靠性#88#杨世风等:

基于物联网的鱼塘溶解氧远程监控系统第7期和节能都是非常重要的因素。

ZigBee网络具有省电和可靠的特性,通过无线的连接也节省了鱼塘上方布线的成本。

图1为鱼塘溶解氧无线监控系统的整体构架图,用户可以通过GSM网络或Internet网络远程监测主站中的数据库,并根据数据进行相应的控制。

本地系统分为主站和分机2部分,主站完成数据的保存、显示、发布并在需要时给用户发送提示,分机完成信号的采集、温度补偿算法和控制增氧机启停的功能。

分机与主机之间通过ZigBee网络互联,ZigBee网络可以实现自组网功能,从而使加入节点和删除节点更加容易,通过生成树协议每个ZigBee模块中都包含1组路由向量表,并定时更新,当网络中出现物理上的隔断时,节点可以选择其他路径将数据传送至主站。

图1系统整体构架1.2系统主站设计系统主站主要由3部分构成:

数据获取由AVR单片机读取ZigBee模块传来的数据,并穿送给上位机;上位机运行LabVIEW编写的程序控制并显示鱼塘溶解氧,然后存入数据库;外部通信部分由1个GSM模块与用户手机通信,1个上位机配置好的apache服务器与用户通过Internet通信。

如图2所示为系统主站的设计框图。

系统主站接收由分机发送来的溶解氧信号,由上位机LabVIEW程序显示并保存在数据库中,供用户随时查看,程序可根据用户定义的上下限值向分机发送启停增氧机的信号。

主站通过GSM模块与用户进行远程通信,当用户发送请求查看溶解氧值时,主站查询分机实时发送来的数据或调用数据库中的历史记录并发回给用户。

当溶解氧量超限时主站向用户手机发送报警信号,提示用户,并向分机发送开启增氧机的命令。

主站通信功能主要有设置从站数目、设置业主电话、设置溶解氧上下限参数。

这样,业主能够方便的在系统中更换发送到的目标手机号码。

系统中的溶解氧量下限值可根据不同季节随时更改,系统中也有默认的随季节改变的各参数值,简单易用。

主站还通过动态域名解析软件,使用户不用租用昂贵的专线并随时从外网通过统一的域名地址,登陆由服务提供商提供动态IP地址的主站。

图2系统主站设计框本系统只在主站使用GSM模块,而在分站用ZigBee网络与主站通信,节省了网络通信成本,短信互动的费用与用户查询的次数成正比。

而使用该系统后,用户在电能、人力和鱼类生长方面的收益远大于网络通信的费用。

而Internet服务器使得客户能实现更丰富的功能,而且不用记忆短信规则,更容易操作,还可以实现对数据库的历史查询,方便用户对比查看鱼塘环境的历史记录。

1.3系统从站设计分机接收主机传来的采集溶解氧量命令并完成信号的采集和转发,并控制增氧机启停。

如图3所示为分机设计框图,溶解氧传感器输出的电流信号经过放大滤波和模数转换后6,通过SPI总线将数据传送给AVR单片机,AVR单片机将接收到的溶解氧信号和温度传感器传来的温度信号进行运算,从而对溶解氧信号进行温度补偿;AVR单片机将补偿后的溶解氧信号与温度信号一起经过串口传送给ZigBee模块,然后传给主站;主站返回的信号通过分机AVR单片机来控制增氧机的启停。

图3分机设计框1.4网络通信各分机之间,分机与主机之间使用的是ZigBee模块通信,ZigBee模块工作在2.4GHz的ISM频段上7,不需要租用收费的信道,降低了通信费用8,ZigBee模块采用直接扩频技术使得系统抗干扰能力明显提高。

本系统使用的ZigBee模块为TI公司的CC2430片上系统型ZigBee模块,电流损耗非常低（收发数据时仅为27mA,掉电模式下最低仅为0.3LA）,同时由于CC2430的最大输出功率非常小,仅为0.6dBm,所以此芯片的传输距离最大仅为100m,无#89#第34卷电子测量技术法满足应用需要。

所以,CC2430和天线间加入CC2591芯片,此芯片为2.4GHz模拟射频电路的前端。

CC2591的输出功率峰值为22dBm,提高6dB的接收灵敏度,可以将CC2430的通信距离扩展到原来的15倍9。

在ZigBee网络中设置冗余链路才能使得网络中某些模块被退出网络时,网络能继续运行。

但是,冗余会使网络中出现环路,从而使得信息在传送是产生重复的帧传送与路由地址表不稳定,而在广播时环路中的信息还可能使广播信号不断累加,从而使网络瘫痪。

在网络中使用生成树协议可以将有环的物理网络变成无环路的逻辑拓扑,生成树协议是不断地检测网络,当网络拓扑发生改变,网络会自动更新,当网络有环路出现时生成树协议在逻辑层上阻塞一个或多个冗余链路端口,以保持网络无环。

当网络中增加或减少节点时,生成树协议保证了网络在允许的时间内建立自动生成新的链接,使得网络正常运行。

本系统中生成树协议以主站节点为根,其他节点为分支节点分别计算路由成本。

由一系列设备d1,d2,dl组成的长度为l的路由,路由成本为:

Cl=2Cdi,di+1

（1）对于一个地址为A,深度为S的ZigBee节点,一个地址为d的新节点如果满足下式则地址为d的节点为该深度为S的节点的子节点。

AdA+CCskip（S-1）

（2）1.5LabVIEW软件设计上位机软件由LabVIEW编写的软件实现,功能主要为数据的保存与显示还有与用户之间的数据传输。

程序根据不同鱼塘号分标签显示鱼塘信息,并通过LabSQL插件10将历史数据定时存入MySQL数据库,数据库中存储日期、时间、鱼塘号、溶解氧量、温度、报警标志的数据。

历史记录还可以查看以前的溶解氧曲线,让用户能更好的判断以做出手动开启增氧机的决定。

如图4所示为LabVIEW软件界面,该程序通过串口通信接收单片机发出的溶解氧数字量。

该软件还可以分别设置各鱼塘的溶解氧下限,以保证不同鱼种都能有合适的环境生长11-12。

图4软件界面2实验与讨论为了实验溶解氧对鱼塘水产养殖的影响,开发了该系统,并在天津市宝坻区水产养殖场成功应用。

本实验是在宝坻鱼种场养殖花白鲢的鱼塘中进行的现场实验。

系统设置1个主站2个基站,实验鱼塘大小20亩,水深2m,传感器入水0.85m。

表1为2009年6月5日一天间检测到的温度与溶解氧信息。

当天晴,1933e,试验结果每隔3h记录1次。

表1水温、溶解氧变化时间温度/e溶解氧/（mg/L）启泵后0:

0026.61.82.53:

0026.01.62.56:

0026.93.5）9:

0027.25.9）12:

0027.88.8）15:

0028.510.4）18:

0028.39.9）21:

0027.45.0）24:

0026.82.22.5当鱼塘溶解氧浓度低于1.5mg/L时,鱼类由于供氧不足会大面积死亡。

鱼塘中溶解氧含量至少要保持2.5mg/L以上才能保证鱼类正常生长。

从表1中数据可知,加入该系统控制后,将主机溶解氧下限设置为2.5mg/L,就可以保证鱼塘中溶氧含量高于2.5mg/L,以保证鱼类正常生长。

经过对电气控制系统的反复测试,鱼塘每亩要设置2台3kW电机拖带的增氧机,养殖密度较大的情况下,未使用该系统的鱼塘每天开启增氧机至少5次,总持续时间约为1214h。

而使用本系统,平均每天开机时间约为56h。

使用本系统后可为鱼塘节省用电费用约40%左右。

而且能保证鱼类正常生长,从而增加产量。

3结论本系统引入了ZigBee无线网络技术,信息传输质量可靠,本系统还应用了GSM网络和Internet网络,使得用户可以远程查看并控制鱼塘环境,方便了用户,同时提高了鱼塘环境,使得鱼类产量增加。

本系统经过在宝坻渔场实地运行测试,各节点间数据通信与信息采集存储还有系统与用户交互都运行正常。

根据现有实验我们可以的出如下结论:

1）节省电能通过对鱼塘溶解氧和温度的监测,实现只在溶解氧浓度过低的情况下启动增氧机,避免了普通渔场增氧机连续工作的情况,节省了电能。

经测算采用本系统后,每台增氧机每天可节能2030kW#h;（下转第98页）#90#第34卷电子测量技术球动力学,2007,27（5）:

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（2）:

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（1）:

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255-257.10章荣生.布拉格波长标定及实时三次样条插值拟合算法的实现J.国外电子测量技术,2010,29

（2）:

29-31.作者简介于洪林,男,1986年9月出生,硕士研究生,主要研究方向为宽带通信与信号处理。

E-mail:

honglin_郭爱煌,男,1964年6月出生,博士,教授,主要研究方向为宽带通信网络技术。

E-mail:

（上接第90页）2）提高产量控制鱼塘的溶解氧量可以使鱼类生长在适宜的环境下,其生长速度会提高,养殖周期被缩短,单位面积产量会有所提高。

3）减轻劳动量远程监控系统使得用户可以不在鱼塘现场就可以控制和查看鱼塘的情况,而且本套系统自动控制增氧机启停,在溶氧量超标的情况会给用户短信提示,不需要用户亲自监视鱼塘环境情况,从而减少人工劳动量,节省人工开销。

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E-mail:

li_yang_sxty#98#