水产养殖环境远程监控系统设计终端硬件子系统
目 录
1 绪论1
1.1 国内水产养殖现状1
1.2 我国水产养殖业的发展及展望2
1.3 本课题研究的主要内容3
1.4 本课题的主要任务 4
2 系统设计方案4
2.1系统整体设计方案4
2.2 硬件子系统设计方案5
3 协调器节点的设计和硬件选择6
3.1 电源模块6
3.2 时钟模块6
3.3 串口模块7
3.4 射频接口模块7
3.5 ZigBee技术和CC2430芯片7
4 路由节点设计10
5 监控部分设计10
5.1 处理器模块11
5.1.1 处理器11
5.1.2 电源模块12
5.2 测量模块14
5.2.1 温度传感器型号的选择14
5.2.2 溶解氧传感器型号的选择分析15
5.2.3 酸碱度传感器的选择分析18
5.3 复位电路设计20
5.4 时钟电路设计20
5.5 液晶显示电路设计21
5.6 报警电路设计22
6 硬件抗干扰设计22
6.1 接地22
6.2 电源抗干扰措施22
6.3 印刷电路板及电路抗干扰设计23
6.4 在PCB板上布线时应注意23
7 调试23
结 论25
致 谢26
参考文献27
1 绪论
在如今一些设备比较先进的水产养殖场中，水池中的环境因素不单单是较大程度的影响着鱼类的成长安全 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: ^3^5^1^9^1^6^0^7^2^*
，还直接关系到养殖场的产量，所以让养殖系统更加智能化，使其自我调节功能更加自动化，对养殖环境的各种参数，例如水体温度、溶解氧水平、酸碱度、浑浊度、电导率等，进行实时监控是相当重要的事情。为了实现水产品工厂化生产，自上个世纪末以来，我国的一些省市就出台了相关政策，鼓励养殖者从海外购进工厂化养殖设备对养殖过程进行检测与控制。然而自海外引进的设备和监控系统的价格相当高昂，很难在国内进行推广使用。而且，之前的监控系统通常使用传统的数据通信网络系统，并不能实现相互联通，开放性也很差。在智能化设备广泛应用和快速更新发展的今天，为了使水产养殖远程监控系统更加安全可靠，使用更加灵活多变，对外界干扰具备更加强悍的抗性，我们准备设计一种基于ZigBee无线传感网络和APP客户端的多参数远程监控系统。
ZigBee协议是一种定义在IEEE802.15.4的标准下的应用非常广泛的低功耗局域网络协议。依据国际标准，ZigBee技术是适用于功耗较低、传输距离较短等条件下的一种局域无线通信技术。这一名称的灵感来自于蜜蜂采集花蜜时向同伴传递花粉信息的八字舞，因为蜜蜂(bee)在飞行时会快速的震动双翅，从而发出类似"哼哼”(zig)般的声音，而且他们飞行时通过跳舞的方式向同伴传递信息，这些"舞蹈”包含的是花粉所在方位以及最佳寻找路线的信息，每只蜜蜂充当一个信息节点，向周围的蜜蜂发出这些消息，从而将整个蜜蜂群体组织成一个庞大的通信网络。其特点是近距离、低复杂度、自组织、低功耗、低数据速率。这项技术大多数情况下应用于自动控制和远程监控等场合，一般会嵌入各种设备中加以利用。总之，ZigBee技术是一种具有价格低廉、功耗较低、可供广泛开发利用等良好特点的无线自组网通信技术。ZigBee协议分为多个层次，最上层是物理层，其下依次为媒体访问控制层、传输层、网络层、应用层等。其中物理层和媒体访问控制层必须严格遵循IEEE 802.15.4国际标准中对二者的相关规定。
1.1 国内水产养殖现状
在实施改革开放政策至今，我国在世界水产养殖行业中赢得了骄人的成绩，在新世纪初我国水产品就以年总产量438万吨的成绩，取得世界排名第一的杰出成就，并蝉联十二年。渔业总产值每年稳步上升，而且在我国农业总产值的比重也是逐年攀升，由改革开放前的不足2%上升到如今的12%以上，水产养殖业在我国农业经济发展中的地位越来越重。
水厂养殖业的生产总值越来越高，已逐渐成为我国渔业不可或缺的一部分，更是我国渔业经济发展的首要增长点。我国渔业发展体系发生了翻天覆地的变化，重心从传统的“以捕为主”转向“以养为主”。2001年，我国水产养殖业产量占全国总产量的62.22%，比1978年增长了30多个百分点，其产量是2726万吨，比1978年翻了四番，而且占世界总养殖产量的80%。
我国水产养殖业取得的巨大成就。正是因为我国科研成果的不断进步与突破，科技水平的不断提高，随之也推动我国水产养殖业的迅猛发展，我国的渔业才会取得像今天这样巨大的成就。主要体现在以下几方面：
拓展了水产养殖的生产领域。科学技术的快速发展与进步，使得资源利用率得到大大的提高，同时一些在之前未曾被利用的或者是利用率很低下的资源都获得较充分的利用，这激励着我国水产养殖业向更加智能化、自主化和灵活性的前景前进。提高了水域利用率和劳动生产率。由于各类能够提高生产率的技术与经验的综合研讨和合理应用，在很大程度上促进了水产养殖业生产率的提高，而且其单产水平也有了显著的提升。2001年，我国的淡水养殖总产量高达1595万吨，和1978年相比增长了21倍，养殖面积536万多公顷是1978年的3倍；淡水鱼养殖单产达到2989千克每公顷，这个数据比1978年增加了近10倍。加强了对新资源的开发利用、对新品种培育研究的能力。成熟技术的革新和对垄断技术的突破，使得新兴产业如同雨后春笋般林立而起，打破了由传统生产构建的生产格局。在"四大家鱼”人工繁育成功之后，在蚌类、虾类上也取得了较高的进步。促进了渔业生产方式的变革。伴随着科学技术的发展与进步，以高消耗、高投入获取相应产出为特征的传统水产养殖业生产方式逐渐获得改善，人为控制水平和智能化水平较高的各种生产获得了长足的发展，可持续发展已越来越被重视。水产养殖场利用工厂化、网箱式、流水式等低投入高产出的生产养殖方式，根据不同水域、水陆环境结合高效多产的生产方式，多层次立体化的对水产品进行生态化养殖，在极大程度上提高了资源利用率，提高了产值，因此得到了推广和应用，生产者开始意识到维持渔业可持续发展的重要性，并逐渐的掌握了能够保证鱼类资源和水域资源健康有序可持续发展的生产技术。同样的，现代信息技术和生物技术的有效结合，使得研究者在监控技术方面的研究取得较大成果，并在水产养殖业发挥着重要作用。这些能够促进高产，实施有效监控的现代化技术的广泛应用和普及，使得我国渔业能够向现代化大跨步前进。
1.2 我国水产养殖业的发展及展望
在对当前中国资源开发与利用的现状进行深度剖析之后，中国的水产养殖行业仍具备很大的进一步深度发展的潜力。当前我国适宜用于养殖的地方还有很多没有被开发利用，比如沿海涂滩地区总利用率还不到1/3；我国内陆可供养殖水域不少于670万公顷，但也仅被使用了2/3左右；还有尚未被开发的适宜用于渔业养殖的盐碱低洼荒地超过230万公顷。而且已经被用于鱼类养殖的水域，还在很大程度上具备提高单产潜力。所以，无论是从发展经济的角度来看，还是从资源利用率角度分析，我国的水产养殖业都具备良好的发展环境。然而，我国的水产业在获得机遇的同时也面临着艰巨的挑战，各种尖锐的新状况新问题层出不穷，亟需解决。主要的困难表现在：由于工业水污染导致水体生态环境恶化严重，生态系统破坏严重，疾病虫害防治体系还不健全；鱼种培育方面，尚未建立健全的体系，种苗品种结构也是参差不齐；基础设施薄弱，生产诸环节的产业链结构存在诸多漏洞。由于存在这些问题，我国渔业的发展在很大程度上受到阻碍，同时也明确了渔业科研工作者的工作方向。
1 绪论1
1.1 国内水产养殖现状1
1.2 我国水产养殖业的发展及展望2
1.3 本课题研究的主要内容3
1.4 本课题的主要任务 4
2 系统设计方案4
2.1系统整体设计方案4
2.2 硬件子系统设计方案5
3 协调器节点的设计和硬件选择6
3.1 电源模块6
3.2 时钟模块6
3.3 串口模块7
3.4 射频接口模块7
3.5 ZigBee技术和CC2430芯片7
4 路由节点设计10
5 监控部分设计10
5.1 处理器模块11
5.1.1 处理器11
5.1.2 电源模块12
5.2 测量模块14
5.2.1 温度传感器型号的选择14
5.2.2 溶解氧传感器型号的选择分析15
5.2.3 酸碱度传感器的选择分析18
5.3 复位电路设计20
5.4 时钟电路设计20
5.5 液晶显示电路设计21
5.6 报警电路设计22
6 硬件抗干扰设计22
6.1 接地22
6.2 电源抗干扰措施22
6.3 印刷电路板及电路抗干扰设计23
6.4 在PCB板上布线时应注意23
7 调试23
结 论25
致 谢26
参考文献27
1 绪论
在如今一些设备比较先进的水产养殖场中，水池中的环境因素不单单是较大程度的影响着鱼类的成长安全 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: ^3^5^1^9^1^6^0^7^2^*
，还直接关系到养殖场的产量，所以让养殖系统更加智能化，使其自我调节功能更加自动化，对养殖环境的各种参数，例如水体温度、溶解氧水平、酸碱度、浑浊度、电导率等，进行实时监控是相当重要的事情。为了实现水产品工厂化生产，自上个世纪末以来，我国的一些省市就出台了相关政策，鼓励养殖者从海外购进工厂化养殖设备对养殖过程进行检测与控制。然而自海外引进的设备和监控系统的价格相当高昂，很难在国内进行推广使用。而且，之前的监控系统通常使用传统的数据通信网络系统，并不能实现相互联通，开放性也很差。在智能化设备广泛应用和快速更新发展的今天，为了使水产养殖远程监控系统更加安全可靠，使用更加灵活多变，对外界干扰具备更加强悍的抗性，我们准备设计一种基于ZigBee无线传感网络和APP客户端的多参数远程监控系统。
ZigBee协议是一种定义在IEEE802.15.4的标准下的应用非常广泛的低功耗局域网络协议。依据国际标准，ZigBee技术是适用于功耗较低、传输距离较短等条件下的一种局域无线通信技术。这一名称的灵感来自于蜜蜂采集花蜜时向同伴传递花粉信息的八字舞，因为蜜蜂(bee)在飞行时会快速的震动双翅，从而发出类似"哼哼”(zig)般的声音，而且他们飞行时通过跳舞的方式向同伴传递信息，这些"舞蹈”包含的是花粉所在方位以及最佳寻找路线的信息，每只蜜蜂充当一个信息节点，向周围的蜜蜂发出这些消息，从而将整个蜜蜂群体组织成一个庞大的通信网络。其特点是近距离、低复杂度、自组织、低功耗、低数据速率。这项技术大多数情况下应用于自动控制和远程监控等场合，一般会嵌入各种设备中加以利用。总之，ZigBee技术是一种具有价格低廉、功耗较低、可供广泛开发利用等良好特点的无线自组网通信技术。ZigBee协议分为多个层次，最上层是物理层，其下依次为媒体访问控制层、传输层、网络层、应用层等。其中物理层和媒体访问控制层必须严格遵循IEEE 802.15.4国际标准中对二者的相关规定。
1.1 国内水产养殖现状
在实施改革开放政策至今，我国在世界水产养殖行业中赢得了骄人的成绩，在新世纪初我国水产品就以年总产量438万吨的成绩，取得世界排名第一的杰出成就，并蝉联十二年。渔业总产值每年稳步上升，而且在我国农业总产值的比重也是逐年攀升，由改革开放前的不足2%上升到如今的12%以上，水产养殖业在我国农业经济发展中的地位越来越重。
水厂养殖业的生产总值越来越高，已逐渐成为我国渔业不可或缺的一部分，更是我国渔业经济发展的首要增长点。我国渔业发展体系发生了翻天覆地的变化，重心从传统的“以捕为主”转向“以养为主”。2001年，我国水产养殖业产量占全国总产量的62.22%，比1978年增长了30多个百分点，其产量是2726万吨，比1978年翻了四番，而且占世界总养殖产量的80%。
我国水产养殖业取得的巨大成就。正是因为我国科研成果的不断进步与突破，科技水平的不断提高，随之也推动我国水产养殖业的迅猛发展，我国的渔业才会取得像今天这样巨大的成就。主要体现在以下几方面：
拓展了水产养殖的生产领域。科学技术的快速发展与进步，使得资源利用率得到大大的提高，同时一些在之前未曾被利用的或者是利用率很低下的资源都获得较充分的利用，这激励着我国水产养殖业向更加智能化、自主化和灵活性的前景前进。提高了水域利用率和劳动生产率。由于各类能够提高生产率的技术与经验的综合研讨和合理应用，在很大程度上促进了水产养殖业生产率的提高，而且其单产水平也有了显著的提升。2001年，我国的淡水养殖总产量高达1595万吨，和1978年相比增长了21倍，养殖面积536万多公顷是1978年的3倍；淡水鱼养殖单产达到2989千克每公顷，这个数据比1978年增加了近10倍。加强了对新资源的开发利用、对新品种培育研究的能力。成熟技术的革新和对垄断技术的突破，使得新兴产业如同雨后春笋般林立而起，打破了由传统生产构建的生产格局。在"四大家鱼”人工繁育成功之后，在蚌类、虾类上也取得了较高的进步。促进了渔业生产方式的变革。伴随着科学技术的发展与进步，以高消耗、高投入获取相应产出为特征的传统水产养殖业生产方式逐渐获得改善，人为控制水平和智能化水平较高的各种生产获得了长足的发展，可持续发展已越来越被重视。水产养殖场利用工厂化、网箱式、流水式等低投入高产出的生产养殖方式，根据不同水域、水陆环境结合高效多产的生产方式，多层次立体化的对水产品进行生态化养殖，在极大程度上提高了资源利用率，提高了产值，因此得到了推广和应用，生产者开始意识到维持渔业可持续发展的重要性，并逐渐的掌握了能够保证鱼类资源和水域资源健康有序可持续发展的生产技术。同样的，现代信息技术和生物技术的有效结合，使得研究者在监控技术方面的研究取得较大成果，并在水产养殖业发挥着重要作用。这些能够促进高产，实施有效监控的现代化技术的广泛应用和普及，使得我国渔业能够向现代化大跨步前进。
1.2 我国水产养殖业的发展及展望
在对当前中国资源开发与利用的现状进行深度剖析之后，中国的水产养殖行业仍具备很大的进一步深度发展的潜力。当前我国适宜用于养殖的地方还有很多没有被开发利用，比如沿海涂滩地区总利用率还不到1/3；我国内陆可供养殖水域不少于670万公顷，但也仅被使用了2/3左右；还有尚未被开发的适宜用于渔业养殖的盐碱低洼荒地超过230万公顷。而且已经被用于鱼类养殖的水域，还在很大程度上具备提高单产潜力。所以，无论是从发展经济的角度来看，还是从资源利用率角度分析，我国的水产养殖业都具备良好的发展环境。然而，我国的水产业在获得机遇的同时也面临着艰巨的挑战，各种尖锐的新状况新问题层出不穷，亟需解决。主要的困难表现在：由于工业水污染导致水体生态环境恶化严重，生态系统破坏严重，疾病虫害防治体系还不健全；鱼种培育方面，尚未建立健全的体系，种苗品种结构也是参差不齐；基础设施薄弱，生产诸环节的产业链结构存在诸多漏洞。由于存在这些问题，我国渔业的发展在很大程度上受到阻碍，同时也明确了渔业科研工作者的工作方向。
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