無線傳感器網絡在養殖環境監控中的研究進展

周麗萍，陳　志，陳　達，苑嚴偉，劉陽春

（1.中國農業機械化科學研究院，北京　100083；2.中國機械工業集團有限公司）

無線傳感器網絡在養殖環境監控中的研究進展

周麗萍1，陳志2※，陳達2，苑嚴偉1，劉陽春1

（1.中國農業機械化科學研究院，北京100083；2.中國機械工業集團有限公司）

摘要：文中針對養殖環境監控現狀綜述了無線傳感器網絡技術的應用及發展趨勢。重點對水產、禽、生豬養殖環境的監控技術研究進展進行了分析，論述了節點能量管理、無線傳感器網絡拓撲、時鐘同步以及節點定位等無線傳感器網絡養殖環境監控中的關鍵技術，對研發低功耗傳感器、節點優化設計、適應于養殖環境的傳感器網絡路由協議等研究方向進行了展望。

關鍵詞：無線傳感器網絡；養殖環境；監控

無線傳感器網絡（WSN，wireless sensor networks）綜合了傳感器技術、嵌入式計算技術、分布式信息處理技術和通信技術，能夠協作地實時監測、感知和采集網絡分布區域內的各種環境或監測對象的信息，并對這些信息進行處理，獲得詳盡而準確的信息，是21世紀計算機網絡技術發展的一個重要方向。養殖環境的好壞直接關系到養殖物的生長和發育，從而決定著產品質量和產量的高低。我國是養殖大國，隨著養殖業的集約化、規?；l展，環境控制越來越重要[1]，養殖環境的監控推動粗放式低效養殖業向知識型、技術型、現代化型的高效養殖業轉變。集約化養殖業中實現在線污染監測的困難在于：面積較大，設備較昂貴，布點、布線不方便(即沒有電源線)，沒有IP網絡支持，儀器設備運行成本高等。隨著無線傳輸技術、IP技術、超大規模集成電路技術和嵌入式系統技術的發展，采用無線傳感器網絡技術可以較好地解決以上一系列問題。無線傳感器網絡在養殖環境監控中的應用，是用各類感知設備采集養殖環境的各種參數信息，通過無線傳感器網絡、移動通信無線網和互聯網傳輸，將獲取的各種信息進行融合、處理，最后通過智能化操作終端，實現養殖前、中、后的過程監控、科學決策和實時服務。近年來，世界各國紛紛加大投入，運用自動控制技術、化學分析技術以及計算機測控技術等先進手段來發展養殖環境監控，旨在建立一個以養殖環境參數綜合指標為基礎的適時監控系統，以求在環保、節能的同時達到高產、安全養殖的目的。

1　無線傳感器網絡在水產養殖業中的應用

目前，國內外已開展了無線傳感器網絡在水質監測相關方面的應用研究。國外的現場水質參數采集開始于化學分析法，主要有水質監測車和水質分析箱。基于無線傳感器網絡的水環境實時監測系統，國外比較典型的代表有美國的Heliosware公司的EMNET系統和澳大利亞CSIRO的Fleck系統，但他們研發的系統通信速率低、產品體積較大、功耗較高[2]。Francisco J.等人針對溫度、溶氧、水和空氣壓力等指標，開發了無線傳感器網絡監測水產養殖循環系統[3]。該系統模塊采用2.4GHz的ZigBit集成電路與Atmel公司的雙芯片天線組裝，協調器采用RS-232串行接口與中央處理計算機相連。數據包和傳感器數值通過串口發送至中央處理計算機，通過郵件提取這些數據，并發送至路由器或協調器。監控系統將收到的數據與設定值進行對比，如果達到上限，將通過郵件和手機短信發送至管理員。曾寶國等基于ZigBee、GPRS、智能水質傳感器等技術手段，設計了水產養殖水質實時監測系統。該系統通過無線傳感器節點分布式動態組網，實現大范圍、24小時不間斷的監測包括水位、溶解氧、PH值、溫度等水質參數；通過無線傳感器的節點定位部署，可實時偵測養殖用水各采樣點的水環境,也可根據區域進行局部水環境數據分析；通過增氧機、抽水泵等反饋控制設備，可遠程調節養殖水環境[4]。

王驥等設計了基于無線傳感器網絡海洋環境監測系統，實現了海洋生態環境監測、各類海洋氣象與災害的數值預報預測等功能[5]。該系統由監測傳感器節點網絡、智能無線傳感器網絡與實時信息處理系統三個子系統組成，各個子系統分別執行對監測數據的采集、數據的提煉、信息的傳輸及處理，最終完成整個系統的信息加工、制作、播報等功能。萬傳飛等針對水產養殖的生產特點和對其監控的要求，結合WSN的技術優勢，研制了一套基于WSN的水產養殖環境監測系統，設計無線傳感器網絡節點，形成獲取環境參數的自組織網絡。基于GPRS遠程數據傳輸系統，實現了無線傳感器網絡與遠端服務器的通信[6]。趙敏華等針對傳統有線水質監測系統進行水環境污染檢測時監測點數量多、監測時間長的問題，提出了一種基于無線傳感器網絡的水質監測系統。通過無線傳感器節點對被監測水域進行水質參數的數據采集，將采集到的數據經過Zigbee網絡進行匯總及處理，并經過GPRS網絡及時地遠程傳送給監管部門，從而實現對河流水質情況的實時、有效的監督和管理[7]。丁文等利用無線傳感網絡技術構建了一個智能化、網絡化的水產養殖環境監測監控系統，可實現對水溫、溶氧、pH值、濁度和氫氮等多種水產養殖環境指標參數進行實時自動監測、遠程無線傳輸、數據自動處理分析、多平臺控制、智能預警和手機短信報警等功能，從而最大限度地提高養殖水體的利用率，為養殖對象提供適宜生長的環境條件，有效地控制和保證水產品的質量安全[8]。杜治國等提出了基于Zigbee無線傳感器網絡與互聯網結合的遠程實時水質監測系統架構，實現了水質監測參數的獲取及傳輸[9]。黃建清等為解決目前水產養殖水質自動監測系統存在布線困難、靈活性差和成本高等問題，以水體溫度、pH值和溶解氧濃度為監測目標，構建了基于無線傳感器網絡的水產養殖水質監測系統。該系統的傳感器節點負責水質數據采集功能，并通過無線傳感器網絡將數據發送給匯聚節點，匯聚節點通過RS232串口將數據傳送給監測中心。傳感器節點的處理器模塊采用MSP430F149單片機，無線通信模塊由nRF905射頻芯片及其外圍電路組成，傳感器模塊以PHG-96FS 型pH復合電極和DOG-96DS型溶解氧電極為感知元件，電源模塊以LT1129-3.3、LT1129-5和Max660組成的電路提供3.3和±5V。設計了傳感器輸出信號的調理電路，將測量電極輸出的微弱信號放大，滿足A/D轉換的要求。節點軟件以IAR Embedded Workbench為開發環境，采用單片機C語言開發，實現節點數據采集與處理、無線傳輸和串口通信等功能。監測中心軟件采用VB6.0開發，為用戶提供形象直觀的實時數據監測平臺[10]?；戮甑仍O計了一種基于ZigBee協議的水產養殖水環境無線監控系統，通過無線網絡傳感器檢測節點和協調器節點之間數據快速、準確的傳輸，實現了對溶解氧、pH值、溫度等多參數的采集、處理和顯示[11]。

圖1　監測系統結構

劉艷針對水產養殖中常見的網箱和池塘養殖環境,采用無線傳感器網絡技術，研究設計了水產養殖監測系統，實現對水產養殖各種環境因子的實時監測，為用戶科學養殖提供幫助，并且為進一步降低養殖成本，優化養殖過程，提高養殖收益，實現健康養殖提供一種可行的新方法。以無線傳感器網絡為主要研究對象，根據水產養殖環境監測的特點，采用ZigBee無線網絡技術建立了一個水產養殖監測系統，以監測養殖環境的溫度與溶氧濃度。在該系統中，傳感器節點可對養殖環境信息進行采集,然后將采集到的信息通過無線網絡發送到協調器節點。協調器節點再通過串口將數據按照規定的格式發往數據管理中心，數據中心根據這些數據進行合理的決策和管理，從而實現了科學養殖[12]。董方武等采用無線傳感器網絡設計了一套淡水養殖溶氧濃度監控系統[13]。史兵等研發了一種基于無線傳感器網絡的智能系統在水產養殖中的應用方案，利用無線傳感網絡技術實現了溶解氧、溫度、pH值數據的采集與傳輸，利用計算機技術實現了對數據的處理分析，并得到控制信號[14]。陸健強等結合水產養殖監測的特點設計了一種基于WSN的水產養殖監測信息發布系統，采用MSP430芯片為控制核心，將各節點的數據采集到匯聚節點，采用LED屏顯示信息，工作人員可直接觀察到監測數據[15]。張遠霞等采用無線傳感器網絡作為主要通信手段,實現對海水養殖環境水質的遠程實時監測[16]。潘賀等研究設計了采用Modbus RS485協議的無線傳感器網絡水環境監測系統，并針對無線傳感器網絡監測的水環境的pH值和DO值進行了驗證[17]。張新榮等提出一種基于無線傳感器網絡（WSN）的水產養殖環境參數智能監測系統，通過在監測區域部署網絡節點，以微處理器為核心控制單元的無線傳感器網絡實時采集水體溫度、溶氧量濃度和pH值等環境數據，實時監測養殖環境參數變化[18]。

2　無線傳感器網絡在畜禽養殖業中的應用

2.1豬舍環境監控

梁萬杰等針對豬舍環境監測的環境特點，采用改進后的低功耗自適應集簇分層型協議(LEACH, Low energy adaptive clustering hierarchy)、3G通訊設備和TELOSB無線傳感器節點以及光、溫度、濕度和氨氣傳感器搭建了一個豬舍環境監測無線傳感器網絡，采用J2EE軟件系統解決方案開發了一套豬舍環境監測管理系統，構建了基于無線傳感器網絡技術的豬舍環境監測系統[19]。該管理系統可以實現實時環境數據查看、歷史記錄查詢、自動生成環境參數曲線圖、環境數據分析和報警等功能。牛曉晨等采用Microsoft SQL Server 2008進行了數據庫設計，使用UDP網絡傳輸協議發送數據，服務器端程序采用多線程技術接收、分析和儲存數據，客戶端查詢數據并對異常值報警，建立了圈舍環境監測報警系統[20]。周晨飛設計了基于Zigbee技術的智能豬舍環境監測系統，設計了由網絡構架、通訊協議、無線傳感節點和數據管理系統組成的整體框架，實時采集豬舍內溫度、濕度、光照、氨氣濃度等數據[21]。采用Digi公司生產的ConnectportX2作為網絡協調器，組建mesh網絡。根據2.4G高頻設計規范，設計電路保證Zigbee設備的通訊距離和通訊質量。通過研究IEEE802.15.4標準協議和Zigbee規范，應用ConnectportX2內置的Python Engine，編程實現了Zigbee網絡協調器的組建網絡功能。朱偉興等采用Zigbee無線技術將豬舍內各保育床及周圍設備組成無線網絡系統，以ARM-LINUX嵌入式服務器為現場控制中心。系統依據分布于各保育床內的傳感器獲得的環境參數，精確調節各保育床內的小氣候環境。通過WIFI無線技術將服務器與INTERNET無縫連接，使用戶端延伸并擴展到豬舍及室內設備，實現環境與設備之間，環境與人之間進行信息交換[22]。李麗琳通過無線智能傳感器、無線或短信通信終端、監控中心和執行節點四部分，采用集散控制方法，實現了對環境安全型豬舍的監控[23]。設計的系統能通過無線與短信配合的方式，對豬舍的空氣質量、溫度、濕度、飲用水質量進行監測和報警。劉樹香等以無線通信模塊JN5148為核心，設計了環境監測儀，采用ZigBee無線通信技術進行了基于無線傳感器網絡（WSN）技術開發，對豬舍溫度、濕度、氨氣（NH3）濃度和硫化氫（H2S）濃度進行動態監測，實現了通過手機、電腦等智能終端進行預警提示[24]。孫倩文針對現代養豬場建舍地點偏僻、豬舍環境復雜、不易布線等特點，采用無線傳感器網絡技術、移動網絡技術和Android技術設計了基于無線傳感器網絡的豬舍溫濕度監控系統，通過中心服務器實現了對豬舍溫濕度監測與控制[25]。該系統由無線傳感器采集網絡、嵌入式網關、中心服務器和手機客戶端組成。利用ZigBee通信技術的特點，在豬舍里部署ZigBee傳感器節點，搭建無線傳感器采集網絡，ZigBee傳感器節點可以對豬舍溫度與濕度進行采集并發送到嵌入式網關。嵌入式網關以三星S3C2440為主處理器，搭載傳感器網絡協調器節點和移動模塊GTM900C，在無線傳感器網絡與GPRS網絡之間轉發數據，使得無線傳感器網絡與傳統的信息網絡可以交互。中心服務器連接在Internet上，通過Socket與嵌入式網關通信，負責接收采集的溫度和濕度數據存入數據庫和轉發用戶指令給嵌入式網關。利用J2EE分層次思想，在中心服務器搭建Web服務器程序。服務器端程序實現監控系統業務邏輯層，響應客戶端的請求并返回JSON格式數據。謝秋菊等針對國內目前豬舍環境監測相對落后的現狀，基于無線傳感器網絡，設計了高效的豬舍環境三級監測網絡系統[26]。以ZigBee模塊CC2430芯片為核心設計了傳感器終端節點、單舍控制節點和ZigBee協調器，同時給出了軟件流程及多傳感器數據處理和融合算法，設計了豬舍環境監測網絡系統。張偉等采用簇型無線傳感器網絡結構，以MSP430單片機為現場控制中心，采用RFID技術，組建了豬只智能群養管理系統；依據分布在養殖環境的傳感器獲得的環境參數，應用交叉雙鏈通信方式有效地解決了在通信鏈路中某一傳感器節點出現故障而導致的整條鏈路通信失敗的情形，保證了通信的穩定性精確調整豬舍環境[27]。韓寶龍等設計了一種基礎無線傳感網絡技術的豬場養殖環境監控系統，采用基于RBF神經網絡解耦控制算法，解決環境因子之間的強耦合，提高系統的實時性[28]。該系統控制層由終端節點、路由節點和網關組成，終端節點采用MSP430芯片和CC2430芯片的雙核控制器，與環境監測傳感器和控制設備相連，實現對現場的實時控制。

2.2禽舍監控

王冉等針對規模化養殖中禽舍環境監測難的問題設計開發了一套基于無線傳感網絡的禽舍環境監控系統，該系統能對禽舍環境參數（如溫度、濕度、光照、大氣壓、氨氣濃度等指標）進行實時監測，并應用在蛋雞舍環境監測中，根據設定的環境指標上下限自動控制禽舍相關設備如風機、風扇、濕簾、電燈等的開啟[29]。王新政在分析禽舍環境內溫濕度和空氣質量測控機理的基礎上研究了基于無線傳感網絡平臺的禽舍環境智能測控關鍵技術，給出了基于ZigBee協議的禽舍環境參數測量的無線傳感網絡結構及實現方法，提出了禽舍環境參數模糊數據融合檢測方法，并根據禽類飼養要求和禽類生存特性分析了禽舍環境內溫濕度和禽類群居特性之間的變化規律，建立了禽舍環境參數變化與測控技術要求之間的關系，構建了一類基于ZigBee協議的禽舍環境測控系統。提出了基于模糊理論的禽舍環境參數多傳感器數據融合的檢測方法。針對多傳感器數據融合過程中傳感器的可靠度估計值很難計算的問題，以禽舍溫度為采集對象，分別提出了基于統計方法和時空融合方法的多傳感器模糊貼近度計算方法并進行了實驗分析。針對實際禽舍溫濕度系統的非線性、變參數等特性，在神經網絡模型研究的基礎上,研究了變結構溫濕度控制系統的設計方法，基于Lyapunov穩定性理論分析了系統的穩定性，并針對不確定性滿足匹配條件與非匹配條件，分別設計了兩類控制系統并就其等效系統給出了不確定系統穩定以及滑模的到達條件；同時為了降低系統設計的保守性,將設計的控制器與神經網絡控制技術相結合，給出一類智能變結構的溫濕度控制過程系統設計方法。給出了基于ZigBee協議的禽舍環境參數測量的無線傳感網絡結構及實現方法，以禽舍溫度為采集對象，分別提出了基于統計方法和時空融合方法的多傳感器模糊貼近度計算方法，開發了基于MCGS組態的禽舍環境監控系統[30]。姜晟等研究構建了基于無線傳感器網絡技術的遠程禽舍環境監測系統，設計并研制了以監測禽舍環境溫濕度、氨氣濃度為目的的傳感器節點和路由節點，以數據遠程傳輸為目的的GPRS網絡網關節點，實現了禽舍環境信息遠程在線監測[31]。高中霞等利用zigbee技術將分布在禽舍的傳感器節點組成無線傳感器網絡，采用jn5139為核心模塊，利用溫濕度傳感器sht11采集禽舍內的溫濕度數據，以Labview為監測平臺，實現了監測禽舍內的環境溫濕度[32]。鮑海虹等針對目前規?；蓊愷B殖環境指標監測困難、監控手段落后、獲得的數據指標誤差大等特點，以ZigBee技術為基礎研究設計了基于無線傳感器網絡（WSN）的養殖環境指標實時監控系統，該系統可控制禽舍小氣候，為動物提供舒適環境，促進動物生長，凈化環境。通過對禽類規?；B殖環境中溫度、濕度、光照強度和氨氣濃度數據的實時采集、處理、傳輸、存儲、顯示及無線網絡化監控和管理，實現了對禽舍養殖環境中溫度、濕度、光照強度和氨氣濃度數據的采集和處理[33]。杜峰等將無線傳感器節點技術作為封閉式雞舍環境監測中數據采集和傳輸載體，對封閉式雞舍監測環境的監測節點進行了設計。節點由AVR系列單片ATmega16L、傳感器模塊STH7X、兩線式串行總線串口通信模塊、無線通信模塊KYL-1020L等組成[34]。

3　無線傳感器網絡的關鍵技術

節點能量管理技術：在無線傳感器網絡里，電源能量是各個節點最寶貴的資源[35]，為了保證傳感器網絡使用更長的時間[36]，必須加強能量管理來控制各節點的能量使用[37]，來實現協同節約能源規模布置的監測系統[38]。

無線傳感器網絡拓撲技術：無線網絡包含許多無線節點，為了節約能量，部分節點在某些時刻會進入休眠或半休眠狀態，這會使網絡拓撲結構不斷發生變化，為了使網絡正常運行，必須進行網絡拓撲管理，控制節點狀態，使網絡暢通，保障數據有效傳輸[39-42]。

時鐘同步技術：時鐘同步是無線傳感器網絡（WSN）操作的關鍵技術，WSN的許多應用程序需要的數據的一致性和協調精確的時鐘同步[43]，它為不同的節點提供了一個共同的時幀[44]。它支持基于時間的從不同傳感器節點信道共享和協調睡眠喚醒節點的調度機制來融合數據[45]。

節點定位技術是指確定傳感器的每個節點的相對位置或絕對位置[46]。節點定位在環境監控中尤為重要[47]，定位方式分為集中定位和分布式定位兩種。集中定位技術指傳感器節點都將數據傳輸到一個中心位置，在這里執行計算來決定每個節點的位置。分布式定位技術不要求集中式計算，每個節點只需依靠與臨近節點的有限通信就可決定自己的位置。根據位置估測機制的不同，又將分布式定位技術分成兩類：距離相關（Rangebased）定位和距離無關（Range-free）定位[48]。

4　結束語

無線傳感器網絡技術在養殖環境監控中應用具有部署靈活和擴展性好及不受傳輸距離的限制等特點，可以有效降低系統部署和維護成本。無線傳感器網絡廣泛、深層次的應用，能夠促進養殖業生產方式向高產、高效、低耗、優質、生態和安全的方向轉變。但還存在一些問題需要進一步探討和研究。（1）研發低功耗傳感器。無線傳感器網絡中布置了大量離線傳感器，傳感器的功耗將直接影響系統工作的持續、采集數據的有效性。應利用微電子技術與傳感器技術，研制低功率傳感器；（2）節點優化設計。傳感器節點的設計是搭建無線傳感器網絡監測系統的基礎，降低節點部署成本，得到保證網絡覆蓋和網絡容錯性所需的節點位置和節點類型將是下一步的研究方向；（3）研究適應于養殖環境的傳感器網絡路由協議。傳感器網絡路由協議任務是在傳感器節點和Sink節點之間建立路由，可靠的傳遞數據。應進一步研究在養殖環境中應用何種路由協議，確定不同養殖環境中的應用路由協議，以確保降低帶寬消耗和發射功耗，減少數據冗余，提供有效數據。

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Advances in Wireless Sensor Networks Research on Culture Environmental Monitoring

ZHOU Li- ping1, CHEN Zhi2, CHEN Da2, YUAN Yan- wei1, LIU Yang- chun1
（1. Chinese Academy of Agricultural Mechanization Sciences, Beijing 100083 China; 2. China National Machinery Industry Corporation)

Abstract:This paper reviews the application and development trend of wireless sensor networks on culture environmental monitoring. Focus on fisheries, poultry and pig culture research progress of environmental monitoring techniques are analyzed, discussed the node energy management, wireless sensor network topology, clock synchronization, and wireless sensor network node localization culture environmental monitoring of key technology. Research and develop low power consumption sensor nodesoptimized design, adapted to the culture environment research direction sensor network routing protocolsin the future.

Key words:WSN; Culture Environment；Monitoring

通訊作者：陳 志

基金項目：“十二五”國家科技支撐計劃資助項目（2014BAD08B07）

收稿日期：2015-07-09

文章編號：1007-7782（2015）04-0034-05

中圖分類號:S815

文獻標識碼：A

doi:10.13620/j.cnki.issn1007-7782.2015.04.014