無線傳感器網絡在水產養殖中的應用

朱建錫，鄭 濤，費 焱，陳長卿，徐文碩

（浙江省農業機械研究院，浙江 金華 321017）

水產養殖業是目前發展最快的行業之一，從世界范圍來看自1970年起就以平均8.9%的速度在持續增長。中國是世界上水產養殖產量最大的國家之一，2006年中國水產養殖業年產量達到了0.413億噸占世界養殖總產量的69.6%。在20世紀80年代隨著從野外養殖到工廠化養殖的轉變，中國的水產養殖業得到了突飛猛進的發展，魚類密集型養殖的產量得到了大幅度的提高［1］。然而中國水質在線監測系統的發展仍然還很不成熟，該類系統在水產養殖中的應用更是少之又少。

無線監控系統可以實現養殖環境的各種參數進行實時連續監測、分析和控制，而且減少了布線帶來的一系列問題。采用無線傳感器網絡技術，研究設計水產養殖監測系統，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，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。

1 基于無線傳感器網絡的水質監測系統結構

圖1所示為一個典型的無線傳感器網絡的系統結構，包括分布式傳感器節點、接收發送器、互聯網和用戶界面等。

圖1 無線傳感器網絡的系統結構

2 水質監測系統中的無線傳感器網絡

2.1 無線傳感器網絡體系結構

在無線傳感器網絡系統中，傳感器、感知對象和觀察者構成傳感器網絡的三個要素，其中傳感器之間、傳感器與觀察者之間通過有線或無線網絡通信，節點間以Ad-Hoc方式進行通信［2］。從結構上來講，無線傳感器網絡通常由無線傳感器節點、匯聚節點等構成。

2.2 無線傳感器網絡節點

2.2.1 節點硬件組成

傳感器節點一般由五個部分組成，包括處理器模塊、存儲模塊、無線通信模塊、傳感模塊和電源模塊［3］。

各模塊的功能描述如下：

（1）處理器模塊：作為傳感器節點的核心處理單元，負責任務調度、數據計算、通信協議和數據轉存儲等工作。

（2）存儲模塊：存儲處理器轉送的數據。

（3）無線通信模塊：在信道上發送和接收信息的設備。

（4）傳感器模塊：采集監控或觀測區域內的物理信息。

（5）電源模塊：為各個功能模塊提供能量。

2.2.2 無線傳感器節點的設計要求

（1）微型化：無線傳感器節點在體積上應足夠小，以保證對目標系統本身的特性不造成顯著影響。

（2）低功耗：節點部署后需要長期在野外等環境工作，攜帶電量有限，所以無線傳感器節點必須具備低功耗的性能。

（3）低成本：無線傳感器網絡由大量密集分布的節點組成，只有低成本才有可能大量地布置在目標區域中。

（4）穩定性和安全性：節點的各個部件應該能夠在給定的外部變化范圍內正常工作。

（5）擴展性和靈活性：無線傳感器網絡節點需要定義統一完整的外部接口，以便必要時在現有節點上直接添加新的硬件功能模塊，不需要開放新的節點。

2.2.3 常見的無線傳感器網絡節點

（1）Mica系列節點

Mica系列節點是美國加州大學伯克利分校研制的傳感器網絡演示平臺，其軟硬件設計都是公開的，已經成為傳感器網絡的主要研究平臺［4］。Mica系列節點包括Renee、Mica、Mica2、Mica2Dot和 MIcaZ。

由表1可以看出，Mica系列節點主要使用Atmel公司的處理器；Renee、Mica節點使用TR100無線通信芯片，Mica2、Mica2Dot節點采用CC1000無線通信芯片，MIcaZ節點采用CC2420 ZigBee芯片。

表1 Mica系列節點性能指標

（2）Telos系列節點

Telos系列節點是美國加州大學伯克利分校研究的成果，是針對Mica系列節點功耗較大而設計的低功耗產品［5］。Telos系列節點使用兩節5號干電池供電，待機時功耗為2 μW，工作時為0.5 mW，發送無線信號時為45 mW。從待機模式到工作模式轉換時間為270 ns，最快為6 μs。當采用網格型網絡拓結構，工作模式和待機模式的占空比采用不足1%的設定，且與網絡交換一次同步信號的情況下，最長可以工作945 d。Telos室外最長的傳輸距離達100 m，室內直線傳輸可達50 m。Telos具有A/D轉換器、D/A轉換器、UART、SPI等外圍接口，具有強大的可擴展性。

（3）BT節點

BT節點是一種多功能自主的無線通信和計算平臺。與其它節點不同的是BT節點采用藍牙技術。

（4）Sun SPOT節點

Sun公司推出了一種新型的無線傳感器網絡設備Sun SPOT。它采用32位的高性能ARM920T處理器及支持ZigBee的CC2420無線通信芯片，并開發出Squawk Java虛擬機，可以使用Java語言搭建無線傳感器網絡。在電源方面，節點內集成了一個3.7 V，750 mA的可充電鋰電池，該電池擁有自保護機制用于防止過度充放電，節點在深度睡眠的情況下可以運行909 d，在全負荷運行的情況下可運行7 h。

（5）Gain系列節點

Gain系列節點是中國科學院計算所開放的節點，是國內第一款自主開發的無線傳感器網絡節點。Gain系列的最新節點GAINSJ節點采用JENNIC SoC芯片JN5121，該芯片將處理器和射頻芯片集成在一起，且兼容IEEE 802.15.4標準和ZigBee規范的協議棧，可以實現多種網絡拓撲結構。節點休眠模式時的工作電流小于14mA，發送模式時的工作電流小于50 mA，接收模式時的工作電流小于45 mA。

2.3 無線傳感器網絡通信技術

2.3.1 ZigBee技術

ZigBee是一種采用無線通信技術的開放式無線傳感器網絡。其中低功耗、低成本是 ZigBee技術的優勢，而且適用于水產養殖水域的潮濕、多風等場合，同時也滿足了電源供應等實際限制條件。

2.3.2 Wi-Fi技術

Wi-Fi為IEEE定義的一個無線網絡通信工業標準，它是具有完全兼容性的IEEE802.11標準子集，而且對IEEE 802.11標準進行了修改和補充。Wi-Fi技術的優勢主要有以下方面：

（1）組網簡便：無需網絡布線，而且無線局域網的設備得到廣泛普及，不同的接人點（AP）和網絡接口之間可以實現交互操作。

（2）無線電波覆蓋范圍廣：WiFi通信半徑可達100 m，基于藍牙技術的電波覆蓋范圍只有15 m左右。

（3）廠商進入該領域門檻較低：廠商只要在需要的地方放置“熱點”，并通過高速線路將因特網接入即可，只要用戶的終端設備在通信范圍內即可高速接入因特網，從而節省成本。

2.3.3 藍牙技術

藍牙是由愛立信公司首先提出的一種短距離無線通信技術規范［6］。藍牙系統以Ad-Hoc的方式工作，每個藍牙設備都可以在網絡中實現路由選擇功能，形成移動自組織網絡。

2.3.4 超寬帶技術

超寬帶技術（UWB）也稱為脈沖無線電。在2003年之后，國際電信聯盟（ITU）的工作組開始對UWB進行測試研究，在2005年10月確定了各國和各地區UWB頻譜分配的相關原則。UWB具有以下特點：

（1）頻帶寬，傳輸速率高。超寬帶脈沖信號和系統的頻帶較寬，一個相同作用范圍的超寬帶通信系統，其速率可達無線局域網802.11b系統的10倍以上，是藍牙系統的100倍以上，且其平均功率僅為上述系統的1/10-1/100。

（2）結構簡單，成本低。在超寬帶脈沖無線通信系統中，不需要對正弦載波調制的各種電路和濾波器，因此其結構簡單，成本較低。

（3）功耗小。由于超寬帶信號功率譜密度極低，超寬帶通信系統具有低載獲/低檢測特性。優異的低功耗特性，使它適合于傳感器網絡的應用。

（4）定位精度高。由于定位精度與其帶寬成反比，超寬帶系統能夠達到厘米級的定位精度。

2.3.5 近距離無線傳輸技術

近距離無線傳輸技術是一種類似于射頻識別技術的短距離無線通信技術標準，提供設備之間輕松、安全、迅速、自動的通信［7］。近距離無線傳輸技術具有能夠快速、自動地建立無線網絡，功耗低、安全性好等特點。2010年中國農業大學萬傳飛等人設計的水產養殖監測系該中的無線通信模塊采用上海桑瑞電子科技有限公司生產的SRWF-1型微功率無線傳輸模塊，而該模塊的通信模式就是采用這一傳輸技術，其最大傳輸距離可達300 m［8］。

2.3.6 水產養殖無線監測系統中采用的無線通信技術

由于在水產養殖無線監測系統中無線傳感器網絡節點分布范圍廣、節點數多、網絡節點電池更換困難等特點，基于ZigBee技術的無線網絡具有省電、網絡擴展性強、網絡容量大、節點覆蓋范圍廣、安裝簡單和成本低廉等顯著特點，是水產養殖監測系統設計的最佳選擇。

3 國內外研究現狀

3.1 國外研究現狀

2005年愛爾蘭都柏林城市大學的Karl Crowley等人設計了基于無線傳感器網絡的貝類捕獲存儲中實時溫度監測系統。在該系統中無線傳感器網絡節點通過近距離無線傳輸技術將數據傳送到基站中，然后由基站通過GSM將數據傳送到遠程服務器上。在該系統中裝有溫度控制器能夠根據傳感器采集的溫度信息進行自動控制魚箱里的溫度也可以由用戶通過網絡發送指令控制魚箱中的溫度。

Karl Crowley等人對該系統進行測試試驗，在11：40將該系統放入魚箱中并且在17：20將該系統移出，該系統可以對溫度進行比較穩定且準確的控制。

3.2 國內研究現狀

（1）2010年中國農業大學朱秀娜等人設計開放了一個遠距離無線實時監測系統，該系統主要應用于工廠化水產養殖中。該系統主要由兩部分組成：遠程監測平臺和中心監測平臺。為了能夠提前預測水質狀況，他們將人工神經網絡應用于該系統中。因此該系統可以提前半個小時對水中的溶解氧濃度預測并發出警告。在22個月的試驗中該系統可以將95.2%的數據準確的傳輸到中心監測平臺上（中心監測平臺在北京農業大學，遠程數據監測平臺布置在山東一個魚類養殖廠中）。

（2）2011年浙江大學陳娜娜等人設計了基于ZigBee與GPRS的水產養殖環境無線監控系統［9］。該無線監控預警系統包括三層結構，由遠程管理中心、匯聚節點和基站組成。

陳娜娜等人對無線傳感器網絡路由協議進行了設計研究，她們在現有Zig Bee路由協議的基礎上，針對養殖場無線傳感器網絡監控系統提出合理的路由方法，并對改進的路由進行了路由方式對錯發率的影響測試實驗。

（3）2012年江西生物科技職業學院周育輝等人開發了基于ZigBee技術的水產養殖水質監測系統［10］。該系統采用無線傳感器網絡系統對水產養殖中水體的溫度、溶解氧含量和pH等水環境因素實時采集。無線傳感器網絡節點之間的通信采用ZigBee技術，將由無線傳感器網絡節點進行線性化和溫度補償處理過的數據路由至網關節點的ZigBee基站。數據基站通過GPRS將這些數據發送至遠程智能終端上讓用戶知道水質情況。

4 總結與展望

4.1 良好的應用前景

（1）中國水產養殖業的蓬勃發展尤其是野外養殖向工廠化養殖的轉變，為水產養殖無線監測系統提供了廣闊的應用平臺。

（2）近些年來許多高校和企業都致力于研究無線傳感器網絡，為水產養殖無線監測系統提供了有力的技術保障。

（3）國內外已研制成功并在實際中得以良好應用的水產養殖無線監測系統，為該類系統在今后的改進奠定了良好的發展基礎。

4.2 存在的問題

（1）無線傳感器網絡節點的供電；（2）無線傳感器網絡節點的拓撲結構；（3）無線傳感器網絡節點在傳輸數據時的擁擠控制以及活動緩沖區監測；（4）無線監測系統的數據包丟失恢復技術；（5）無線監測系統傳輸數據的安全性。

4.3 未來發展趨勢

4.3.1 無線傳感器網絡節點應具有良好的定位技術

無線傳感器網絡的節點定位技術是無線傳感器網絡應用的基本技術也是關鍵技術之一。在應用無線傳感器網絡進行環境監測從而獲取相關信息的過程中，往往需要知道所獲得數據的來源。在水產養殖水質監測系統中，可以從傳感器網絡獲取到數據異常的信息，但更重要的是要獲知哪塊區域的數據出現了異常。

4.3.2 具備移動能力的傳感器網絡節點

由許多攜帶傳感器的移動機器人通過無線通信連接構成的分布式傳感器網絡稱為移動傳感器網絡，機器人要完成的任務是通過通信協調它們之間的動作。在這種分布式無線移動傳感器網絡中，每一個網絡節點由一個移動機器人構成，所以節點均具有計算、感知、通信和移動能力，這使得移動傳感器網絡不同于一般的分布式傳感器網絡。

由于移動傳感器網絡的移動特點，經常會出現網絡拓撲變化的情況。與固定傳感器節點組成的無線傳感器網絡系統相比，移動傳感器網絡需要解決更多的技術問題，主要包括：

（1）移動機器人技術。如路徑規劃、避障、自主導航、多機器人協作等。

（2）節點間的通信技術。包括機器人間的通信和感知信息的傳輸。

（3）自定位技術。通過少量的錨節點進行分布式協同定位，以獲得節點的絕對或相對位置。

（4）節點的部署及重部署技術。研究通過節點的優化部署最大化網絡覆蓋區域。在某些節點失效情況下進行網絡節點的重新部署，以延長網絡生存時間。

（5）多目標跟蹤技術。利用機器人的移動功能，擴大跟蹤范圍和增加跟蹤時間。

4.3.3 開發水下傳感器網絡節點

水下傳感器網絡節點即可以完全潛入到水下工作，并在水下傳輸數據的傳感器網絡節點。它與普通的傳感器節點相比主要存在如下問題：（1）硬件成本高；（2）電池更換困難；（3）部署范圍廣，遠距離傳輸耗電；（4）傳輸數據精度降低；（5）有限的帶寬；（5）長距離傳送高度延遲，信號衰減。

4.3.4 由太陽能供電的無線傳感器網絡

對于無線傳感器網絡節點而言，電源是系統的關鍵部分之一。如果能夠利用太陽能對無線傳感器網絡節點進行供電就可以解決在復雜的環境下網絡節點電池難以更換問題，也可以大幅度延長網絡節點工作壽命。