水产养殖数据监控网络系统的设计硬件设计
传统的水产养殖水质监测往往利用的是人工经验和仪器。它存在着耗时长、数据收集不完整、监测地点分散、监测周期长等缺点，并且不能及时准确地反映养殖水体的动态变化。本文提出了一种以STM32f407单片机为核心，以CC2430为无线收发芯片构建的ZigBee无线传感器网络, 实现对水产养殖环境的现场数据实时采集、处理和无线传输。系统利用温度、pH值、溶解氧、浑浊度传感器完成各参数的采集，通过无线传感器网络进行传输，最后由上位机对采集的数据进行存储、显示。整个系统数据采集正常、运行稳定，且具有良好的人机互动界面，测量数据显示准确，运行成本低，具有一定的市场价值和广阔的应用前景。关键字 ZigBee，CC2430，温度，PH，浑浊度
目 录
1 引言1
1.1 本课题研背景1
1.2 水产养殖数据监控系统国内外研究状况1
1.3 本课题主要研究内容2
2 无线传感器网络和ZigBee技术概述3
2.1 无线传感网络简介3
2.2 无线传感网络的特点3
2.3 几种近距离无线网技术的比较4
2.4 Zigbee技术设备类型6
2.5 ZigBee网络拓扑结构6
3 总体设计6
3.1 设计要求7
3.2 系统结构7
4 总体设计8
4.1 系统硬件介绍9
4.2 温度测量电路11
4.3 PH测量电路12
4.4 溶解氧测量电路14
4.5 浑浊度测量电路15
5 硬件调试与系统运行16
5.1 硬件系统调试16
5.2 系统运行测试结果17
结 论21
致 谢22
参考文献23
附录A 电路原理图24
附录B PCB图25
1 引言
1．1 本课题的研究背景
我国的水产养殖行业已经成为当代现代化农业重要支柱部分以及农村商品经济的主要增长点之一。在2015年，全国渔业的经济总产值已突破22019 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: #351916072#
亿元。因此，水产养殖业的能否持续健康发展对当代社会主义新农村建设具有重要的作用[1]。
纵观世界水产养殖业，以中国、印度、日本为代表的以及东南亚一些亚洲国家最为发达[2]。近些年来我国水产养殖业在国家支持，政府引导之下得到了快速的发展，产业布局以及产品结构也发生了极大的变化，养殖范围已经从东南沿海地区、长江三角等区域扩散到全国各地，同时水产养殖种类也呈现多样化、丰富化的趋势[3]。以私人的淡水养殖也打破了以“青鱼”、“草鱼”、“鲢鱼”、“鳙鱼”为主四大家鱼的传统结构，白鳝、银鱼等一批名贵的鱼类和优质的水产品已初步的形成规模。同时系统化养殖的水产品种类已达几十种，种类繁多，工业化养殖、拦网式养殖、生态健康养殖等也开始发展迅速[4]。
近几年来，我国水产养殖业发展快速，有资料显示从20世纪90年代起，我国的很多的江流河域都发生了“赤潮”现象[5]。“赤潮”的规模之大，毒性之强都是前所未有，这导致了许多海洋和湖泊的鱼类生物大量的死亡，同时我国大多数的湖泊都属“老年湖”。其特点是：河水水位低，蓄水量不足，水草遍布导致水流不畅，河底淤泥多，这些问题严重威胁着我国水产养殖业的健康发展，对养殖行业也造成了巨大的冲击[6]。
我国于2001年成功加入WTO之后，水产养殖业也面临着更多的成长空间和发展机遇，然而相应的国际市场竞争和挑战也变得愈加剧烈，对水产养殖产品的质量和价格要求也越来越严格[7]。经济全球化的市场也开始逐渐抛弃曾经以高产量、低质量为主的养殖模式。同时随着人们的生活水平的提高，饮食方面也开始富有多元化趋势。在目前的这种情况之下，我国水产养殖业应首先考虑的是如何建立一套标准而又科学的养殖操作流程，从而摒弃原有的经验化、手工化的养殖，接着也要考虑从国外引进先进的水质质量监测系统和技术，为国内的水产品提供更加完善的质量保障[8]。在水产品的生产加工过程中也要实施即科学又安全管理模式，加大实时监控力度，全面提高从事水产养殖人员的安全意识[9]。
1．2 水产养殖数据监控系统国内外研究现状
我国水产养殖业的程度化、设备化、信息化水平普遍偏低，主要是耗损大量的水产成本和采用大规模的粗放式养殖经营的模式[10]。这样会造成生态破坏、水资源污染、环境恶劣的问题日益严重；病菌、寄生虫等大量病毒的滋生和有害物质繁殖都会给水产养殖业带来不容忽视的的经济风险；无规律的乱投鱼饵、不科学的施肥等都会给水产环境造成极大的安全问题。同时工业废水的无节制排放，农田的污水增多，也会造成水产养殖水体的富营养化[11]。
20世纪70年代，以欧美一些西方国家为代表，开始着力研究便携式水质监测仪，但这种水质监测仪缺点明显只能瞬间监测[12]。能够进行多参数水质实时监测装备是在80年代后期才开始在市场销售。实时监测系统的设备方面，普遍采用：微电子技术、基于嵌入式的微控制器技术，这些技术能够智能的化实现数据采集、处理和运算。当今，世界上大多数国家比如澳大利亚格林斯潘公司，德国的GIMAT公司，美国的菲利普等公司，以及日本的一些大型水产养殖公司都研发出了实时在线的水质自动监测系统，大部分是以水中温度、PH值、浑浊度、盐度等水质综合污染指数作为基础[13]。
20世纪90年代起，我国一些沿海城市开始从国外购进一批现代化水产养殖的设备及控制系统。但是这些设备造价昂贵，操作复杂，维护成本高，因此很难全面的在全国进行广泛的推广。而且，过去的水产养殖数据监控网络系统，仅仅通过人工收集的方法对水体及其土壤样本进行实验数据的分析，整个过程不仅增加了生产成本，并且存在着耗时周期长，不能及时发现养殖问题起到预警作用[14]。而且还以传统的数据网络进行通信，养殖系统数据的传输不具备开放性和互动性。随着科学技术的不断发展以及智能监控技术的不断更新，对养殖的水体进行实时温度、PH值、溶解氧、浑浊度等多参数自动监测和控制是非常必要的[15]。
1．3 本课题主要研究内容
本课题通过分布在水塘中的各个数据采集节点对水中的温度、PH值、含氧量、盐度等参数进行检测。
采用Zigbee技术构成无线通信网络，无线收发芯片采用CC2430。使用无线通信技术构建无线网络，整个网络系统不需要进行任何线路的布局，自动组网，成本低廉，网络自组织和自愈能力比较强，即可在线实现对温度、PH、溶解氧、浑浊度等多参数的采集、处理和显示，如水产养殖场内发生环境问题，温度不适合，PH值出现问题，溶解氧过低等可能威胁到正常的养殖时，即可通过该水产养殖数据监控网络系统将问题及时反映到上位机，通过相关人员及时处理问题，以减免一些不必要的损失，从而提高养殖效益。
目 录
1 引言1
1.1 本课题研背景1
1.2 水产养殖数据监控系统国内外研究状况1
1.3 本课题主要研究内容2
2 无线传感器网络和ZigBee技术概述3
2.1 无线传感网络简介3
2.2 无线传感网络的特点3
2.3 几种近距离无线网技术的比较4
2.4 Zigbee技术设备类型6
2.5 ZigBee网络拓扑结构6
3 总体设计6
3.1 设计要求7
3.2 系统结构7
4 总体设计8
4.1 系统硬件介绍9
4.2 温度测量电路11
4.3 PH测量电路12
4.4 溶解氧测量电路14
4.5 浑浊度测量电路15
5 硬件调试与系统运行16
5.1 硬件系统调试16
5.2 系统运行测试结果17
结 论21
致 谢22
参考文献23
附录A 电路原理图24
附录B PCB图25
1 引言
1．1 本课题的研究背景
我国的水产养殖行业已经成为当代现代化农业重要支柱部分以及农村商品经济的主要增长点之一。在2015年，全国渔业的经济总产值已突破22019 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: #351916072#
亿元。因此，水产养殖业的能否持续健康发展对当代社会主义新农村建设具有重要的作用[1]。
纵观世界水产养殖业，以中国、印度、日本为代表的以及东南亚一些亚洲国家最为发达[2]。近些年来我国水产养殖业在国家支持，政府引导之下得到了快速的发展，产业布局以及产品结构也发生了极大的变化，养殖范围已经从东南沿海地区、长江三角等区域扩散到全国各地，同时水产养殖种类也呈现多样化、丰富化的趋势[3]。以私人的淡水养殖也打破了以“青鱼”、“草鱼”、“鲢鱼”、“鳙鱼”为主四大家鱼的传统结构，白鳝、银鱼等一批名贵的鱼类和优质的水产品已初步的形成规模。同时系统化养殖的水产品种类已达几十种，种类繁多，工业化养殖、拦网式养殖、生态健康养殖等也开始发展迅速[4]。
近几年来，我国水产养殖业发展快速，有资料显示从20世纪90年代起，我国的很多的江流河域都发生了“赤潮”现象[5]。“赤潮”的规模之大，毒性之强都是前所未有，这导致了许多海洋和湖泊的鱼类生物大量的死亡，同时我国大多数的湖泊都属“老年湖”。其特点是：河水水位低，蓄水量不足，水草遍布导致水流不畅，河底淤泥多，这些问题严重威胁着我国水产养殖业的健康发展，对养殖行业也造成了巨大的冲击[6]。
我国于2001年成功加入WTO之后，水产养殖业也面临着更多的成长空间和发展机遇，然而相应的国际市场竞争和挑战也变得愈加剧烈，对水产养殖产品的质量和价格要求也越来越严格[7]。经济全球化的市场也开始逐渐抛弃曾经以高产量、低质量为主的养殖模式。同时随着人们的生活水平的提高，饮食方面也开始富有多元化趋势。在目前的这种情况之下，我国水产养殖业应首先考虑的是如何建立一套标准而又科学的养殖操作流程，从而摒弃原有的经验化、手工化的养殖，接着也要考虑从国外引进先进的水质质量监测系统和技术，为国内的水产品提供更加完善的质量保障[8]。在水产品的生产加工过程中也要实施即科学又安全管理模式，加大实时监控力度，全面提高从事水产养殖人员的安全意识[9]。
1．2 水产养殖数据监控系统国内外研究现状
我国水产养殖业的程度化、设备化、信息化水平普遍偏低，主要是耗损大量的水产成本和采用大规模的粗放式养殖经营的模式[10]。这样会造成生态破坏、水资源污染、环境恶劣的问题日益严重；病菌、寄生虫等大量病毒的滋生和有害物质繁殖都会给水产养殖业带来不容忽视的的经济风险；无规律的乱投鱼饵、不科学的施肥等都会给水产环境造成极大的安全问题。同时工业废水的无节制排放，农田的污水增多，也会造成水产养殖水体的富营养化[11]。
20世纪70年代，以欧美一些西方国家为代表，开始着力研究便携式水质监测仪，但这种水质监测仪缺点明显只能瞬间监测[12]。能够进行多参数水质实时监测装备是在80年代后期才开始在市场销售。实时监测系统的设备方面，普遍采用：微电子技术、基于嵌入式的微控制器技术，这些技术能够智能的化实现数据采集、处理和运算。当今，世界上大多数国家比如澳大利亚格林斯潘公司，德国的GIMAT公司，美国的菲利普等公司，以及日本的一些大型水产养殖公司都研发出了实时在线的水质自动监测系统，大部分是以水中温度、PH值、浑浊度、盐度等水质综合污染指数作为基础[13]。
20世纪90年代起，我国一些沿海城市开始从国外购进一批现代化水产养殖的设备及控制系统。但是这些设备造价昂贵，操作复杂，维护成本高，因此很难全面的在全国进行广泛的推广。而且，过去的水产养殖数据监控网络系统，仅仅通过人工收集的方法对水体及其土壤样本进行实验数据的分析，整个过程不仅增加了生产成本，并且存在着耗时周期长，不能及时发现养殖问题起到预警作用[14]。而且还以传统的数据网络进行通信，养殖系统数据的传输不具备开放性和互动性。随着科学技术的不断发展以及智能监控技术的不断更新，对养殖的水体进行实时温度、PH值、溶解氧、浑浊度等多参数自动监测和控制是非常必要的[15]。
1．3 本课题主要研究内容
本课题通过分布在水塘中的各个数据采集节点对水中的温度、PH值、含氧量、盐度等参数进行检测。
采用Zigbee技术构成无线通信网络，无线收发芯片采用CC2430。使用无线通信技术构建无线网络，整个网络系统不需要进行任何线路的布局，自动组网，成本低廉，网络自组织和自愈能力比较强，即可在线实现对温度、PH、溶解氧、浑浊度等多参数的采集、处理和显示，如水产养殖场内发生环境问题，温度不适合，PH值出现问题，溶解氧过低等可能威胁到正常的养殖时，即可通过该水产养殖数据监控网络系统将问题及时反映到上位机，通过相关人员及时处理问题，以减免一些不必要的损失，从而提高养殖效益。
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