專利名稱：一種池塘養殖水體多參數采集系統及采集方法
技術領域：
本發明涉及一種用于池塘養殖水體水質的監視系統建立及其方法，具體是一種池 塘養殖水體大規模、多參數的水質數據實時采集的系統及其采集方法。背景技術：
淡水池塘養殖是我國魚類養殖的基本方式，已有三千多年的歷史。近年，池塘養殖 面積約250萬公頃，占全國淡水養殖總面積的30%左右，產量1500萬噸，占全國淡水養殖總 產量的70%以上。我國的淡水漁業在養殖面積、養殖總產量及養殖畝單產均處于世界領先 地位。池塘養殖不但是我國優質蛋白質供應的重要保障，而且是優質蛋白質產生高效生產 方式。但是，傳統養殖模式以消耗資源、犧牲環境為代價，不能滿足水產養殖業的生產需求 與可持續性發展。當前，在以淡水池塘養殖為重點，研究和推廣適合當前養殖業發展的養殖 方式過程中，除了改善基礎設施外，利用技術手段采集養殖水質的實時數據，對池塘養殖水 體的水質綜合調控，提高養殖技術、發展生態養殖和提高水產養殖業的綜合生產能力都是 至關重要的。我國養殖水質監控技術的發展總體還處于較低水平。參數采集多數采取經驗法， 目測比較；有的采取分析法，由于現場缺少精確的分析，量化的精度較低。而實驗室檢測成 本高、周期長、數據有限，效果不盡如人意。近年來，國內一些廠家在生產多參數水質實時監 測裝置方面做出了一些嘗試，但所選的監測參數少，數據質量也不夠穩定。以中國水科院漁 機所開發的養殖水質在線監控系統為代表，采用RS-485和GPRS等通信協議相結合方式，選 用PLC和I/O工控模塊、多參數水質傳感器等集成養殖水質監控系統，實現了全天候、數字 化運行。系統連續、及時、準確地監測養殖水質參數及其變化狀況，把水質控制在養殖要求 的范圍內。但是由于進口傳感器價格較貴等原因，工程投資偏高，推廣應用較困難，水產養 殖單位應用養殖水質在線監控系統的為數不多。目前我國池塘養殖水質監控技術源于工廠化養殖監控技術，工廠化養殖監控技術 在池塘養殖水質監控中應用存在的主要問題有(1)現有養殖水質監控系統對大面積池塘 養殖的水質進行連續、及時、準確地采集水質參數及其變化狀況的適用性不足；( 系統的 組網技術單一，現場采用數據總線通信型結構，自組網技術方案沒有得到應用和體現，很難 實現大規模的數據傳輸；C3)工廠化養殖監控技術難以適用于池塘養殖的區域分散、野外 設置、工況環境惡劣等特點，導致設備故障率高，或者建設費用過高不宜大范圍安裝應用；(4)此外，大多數選用進口測試儀表，投資高，很少用于池塘的水產養殖。在水產養殖水質檢測的技術領域中，專利號為CN1566958A的“一種多參數水質監 測方法及設置”，可以同時在線監測水產養殖環境水質多項理化參數，攜帶方便，檢測快速， 成本低廉，但數據無法實現遠程傳輸，自動化程度低。專利號為CN1625110A“環保水質遠程 監控報警系統”，提供了一個低廉、同步實時、靈活介入地監測水質參數的一種無線解決方 案，但通用的無線局域網，組網形式簡單，不能實施大范圍的數據傳輸，安全性也難以保障。 專利申請號為200810118386的“一種用于水產養殖的水質遠程動態檢測系統及方法”利用WiFi無線局域網和CDMA網絡，實現水質動態監測與遠程服務器的遠程無線通信。WiFi是 用于覆蓋一定范圍的無線網絡技術，一般覆蓋范圍為數十米，局域網內布設無線路由器，網 絡節點數50個。相對于傳感器網絡WiFi終端設備費用較高。WiFi傳輸數據速率大，功耗 大，在偏遠地區的大規模池塘養殖中難以對每個水質監測終端提供外接電源供電，該專利 針對槽中連續流動水體進行監測，不能對養殖池塘中進行三維的水體數據檢測。
發明內容
針對水產養殖水質監控技術現狀的不足，本發明提供一種對池塘養殖的多參數水 質數據進行大規模實時采集的系統結構以及采集方法，以期實現了對養殖池塘的大規模、 實時化、靈活機動地采集水質數據，降低系統運行費用的目的。本發明目的通過以下技術方案實現一種池塘養殖水體多參數采集系統，其特征在于所述采集系統為實時采集養殖 水質數據傳感器網絡系統，包括水質數據采集節點和現場無線通信網絡；所述現場無線通信網絡基于IEEE802. 15. 4通信協議；所述現場無線通信網絡的網絡節點包括個人區域網絡(personal-areanetwork， PAN)協調器、全功能設備(full functional device (zigbee), FFD)和簡化功能設備 (reduced function device, RFD)；所述現場無線通信網絡構建成星狀拓撲和對等網絡拓撲；所述數據采集節點包括水質傳感器和無線網絡收發器，數據采集節點接受傳感器 數據，定期向無線網絡發送水質數據。一種用于池塘養殖水體的大規模、多參數水質數據的實時采集方法，在池塘養殖 水域范圍內，提供大規模采集實時養殖水質數據的傳感器網絡。現場無線通信網絡基于IEEE802. 15. 4通信協議，具有嵌入式低速率傳輸、低成本 的雙向無線通信特點。現場無線通信網絡的PAN起網絡控制現場無線通信網絡作用的FFD，扮演網絡路 由器，當網絡狀態發生變化時，其他FFD也能起網絡PAN作用。現場無線通信網絡構建成星狀拓撲和對等網絡拓撲，多簇對等網絡大大地擴大網 絡覆蓋范圍。現場無線通信網絡的對等網絡允許通過多跳路由的方式在網絡中傳輸數據，具有 自組織、自修復的組網能力。所述現場無線通信網絡的PAN協調器使用持續電力系統供電，其他設備采用電池{共 ο所述數據采集節點的水質傳感器對包括水溫、溶解氧、酸堿度、氧化電位、電導率 養殖水質參數進行檢測。所述數據采集節點接受傳感器的數據是數字信號或模擬信號。
所述數據采集節點的無線網絡收發器設置在水面上。數據采集節點可靈活、大面積、可移動地設置在養殖區域內任何需要檢測水質的 空間。一種用于池塘養殖水體的大規模、多參數水質數據的實時采集方法包括下列步4驟 數據采集節點構建對等網絡，網絡的PAN首先設自己簇標識，形成網絡中的第一 簇，接著向其臨近節點廣播信標幀，新加入的節點將簇首作為父設備加到自己的鄰居列表 中，并發送周期性的信標幀，供其他節點加入到網絡中，多個鄰近簇構成一個多簇的對等網各數據采集節點采集的養殖水質數據，包括溶解氧、酸堿度、水溫、鹽度水質數據， 通過無線收發器向網絡定期發送數據，經過網絡的PAN后，通過串行通信接口傳送至網關 計算機，形成大面積無線傳輸網絡對養殖水質數據的現場實時采集。本發明的有益效果和優點1)本發明提供一種對池塘養殖的多參數水質數據進行大規模實時采集的方法，實 現了對養殖池塘的大規模、實時化、靈活機動地采集不同水域、不同水深的全方位的水質數 據，為養殖水質的調控技術提供可靠的數據依據；2)基于IEEE802. 15. 4的無線通訊，通信范圍不受環境條件限制，點對點可以傳輸 50米到300米，可以組成多種拓撲結構，從少數節點的點對點模式擴展到現場所有節點的 基礎架構網絡。采用對等拓撲結構組建大規模的無線局域網，省去路由器等網絡硬件設備， 比以往應用的數據采集方法相比，節約規模投資30 %以上。3)無線通信網絡多跳路由的方式在網絡中傳輸數據，具有自組織、自修復的組網 能力，水質數據的采集容易擴展、有可移動性，簡化系統維護程序，并大大地提高了網絡運 行的穩定性和可操作性。4)數據采集的節點芯片采用IEEE802. 15. 4的收發器和低功耗的8051微控制器 技術，極少外接元件即可組網，電源電壓范圍寬耗電小，具備各種供電方式下的數據保持能 力。現場無線通信的網絡協調器PAN—般使用持續電力系統供電，而其他數據采集節點設 備均采用電池供電，降低系統的運行費用。5)池塘養殖的多參數水質數據進行大規模實時采集的方法具有通用性，可在其他 領域得到利用。6)本發明解決了養殖水質監控系統的投資高、組網單一、靈活性不足、運行維修費 用大和故障率高等弊端，為現代化池塘養殖的水質數據采集提供一種新穎的技術支撐。通過本發明，可以實時地在大規模養殖魚塘中采集的水質數據，供養殖池塘的水 質調控和現場設備的自動控制使用。

圖1是本發明的一種用于池塘養殖水體的大規模水質參數采集的網絡結構示意 圖；其中CID = 0，CID = 1，CID = 2，CID = 3為對等網絡的區域簇標識； 為PAN協 調器；Θ為簇首(CLH);〇為數據采集節點圖2是本發明的網絡協調器電路框3是本發明的數據采集節點電路原理圖具體實施例方式以下結合附圖和實施例進一步詳細說明本發明的結構和方法。圖1為本發明的一種用于池塘養殖水體大大規模數據采集方法的網絡結構示意 圖。網絡節點有個人區域網絡(PAN)協調器、全功能設備(FFD)和簡化功能設備(RFD)組 成。網絡協調器起網絡控制中心作用的FFD，扮演網絡路由器。當網絡狀態發生變化時，其 他FFD也能起協調器作用，無線網絡可以構建成星狀拓撲和對等網絡拓撲。構建對等網絡時，協調器首先將自己設為簇首，并將簇標識(CID)設為0，形成網 絡中的第一簇。協調器選擇一個未被使用的PAN標識符，向其臨近設備廣播信標幀。如果 PAN協調器允許請求設備加入該簇，就把該設備作為子設備加入到PAN協調器的鄰居列表 中。新加入的設備也將簇首作為它的父設備加入到自己的鄰居列表中，并且發送周期性的 信標幀，以便其他設備加入到網絡中來。多個鄰近簇相連構成一個更大的網絡。PAN協調器 可以指定一個設備成為鄰近的一個新簇的簇首，新簇首同樣可以指定其他設備成為其相鄰 簇首，構成一個多簇的對等網絡，簇樹網絡拓撲如圖1所示。圖中設備間的連線只表示設備 間的父子關系，而不是通信鏈路。多簇網絡結構擴大了網絡覆蓋范圍。
圖2是本發明的網絡協調器的電路原理框圖。網絡協調器自帶RS-232串口和I/O 接口，計算機通過RS-232串口獲取串口輸出的數據，通過數據處理軟件，分析、保存提供現 場實時多參數數據。利用CCM30的I/O可直接控制液晶，以顯示當前采集的水質數據。圖3是本發明的數據采集節點的電路原理框圖。數據采集節點增加串口的擴展接 口，外接一個RS-232模塊，可采集數字化水質傳感器的數據，P0. 1-P2. 4接口接收傳感器采 集的ADO水質參數數據。節點采集傳感器的水質數據后，定期發送給無線網絡。數據采集節點的終端數據通過無線網絡至網絡協調器，并將數據進行初步處理， 然后通過串行通信接口傳送至計算機，形成大面積無線傳輸網絡對養殖水質現場監測。網絡節點有PAN協調器、全功能設備(FFD)和簡化功能設備(RFD)組成。PAN協 調器是一個起網絡控制中心作用的FFD，起到網絡路由作用。當網絡狀態發生變化時，其他 FFD也能起協調器作用。組網靈活。無線局域網可以組成星狀拓撲和對等網絡拓撲等多種拓撲結構，自行 地從少數用戶的點對點模式擴展到覆蓋整個養殖場的基礎架構網絡。基于IEEE802. 15. 4通信協議的無線通信網絡，它的低速率傳輸、低成本的雙向無 線通信技術，可嵌入各種設備中。對等網絡允許通過多跳路由的方式在網絡中傳輸數據，具 有自組織、自修復的組網能力。它特別適合于環境條件惡劣、分布區域廣闊的水產養殖池塘 的大規模水質數據采集。數據采集節點可采集傳感器的數字信號和模擬信號，傳感器可根據需要選用不同 的水質傳感器，如溶解氧、酸堿度、水溫、鹽度等養殖水質參數傳感器，可進行對水產養殖水 體的多參數水質檢測。適應水質數據采集點的不確定性，在不同的地方移動工作，都可實時地采集水質 數據。
權利要求
1.一種池塘養殖水體多參數采集系統，其特征在于所述采集系統為實時采集養殖水 質數據傳感器網絡系統，包括水質數據采集節點和現場無線通信網絡；所述現場無線通信網絡基于IEEE802. 15. 4通信協議；所述現場無線通信網絡的網絡節點包括個人區域網絡(personal-areanetwork，PAN) 協調器、全功能設備(full functional device (zigbee), FFD)和簡化功能設備(reduced function device, RFD)；所述現場無線通信網絡構建成星狀拓撲和對等網絡拓撲；所述數據采集節點包括水質傳感器和無線網絡收發器，數據采集節點接受傳感器數 據，定期向無線網絡發送水質數據。
2.根據權利要求1所述池塘養殖水體多參數采集系統，其特征在于所述現場無線通信 網絡的PAN協調器使用持續電力系統供電，其他設備采用電池供電。
3.根據權利要求1所述池塘養殖水體多參數采集系統，其特征在于所述數據采集節點 的水質傳感器對包括水溫、溶解氧、酸堿度、氧化電位、電導率養殖水質參數進行檢測。
4.根據權利要求1所述池塘養殖水體多參數采集系統，其特征在于所述數據采集節點 接受傳感器的數據是數字信號或模擬信號。
5.根據權利要求1所述池塘養殖水體多參數采集系統，其特征在于所述數據采集節點 的無線網絡收發器設置在水面上。
6.一種池塘養殖水體多參數采集方法，其特征在于所述采集方法包括下列步驟數據采集節點構建對等網絡，網絡的PAN首先設自己簇標識，形成網絡中的第一簇，接 著向其臨近節點廣播信標幀，新加入的節點將簇首作為父設備加到自己的鄰居列表中，并 發送周期性的信標幀，供其他節點加入到網絡中，多個鄰近簇構成一個多簇的對等網絡；各數據采集節點采集的養殖水質數據，包括溶解氧、酸堿度、水溫、鹽度水質數據，通過 無線收發器向網絡定期發送數據，經過網絡的PAN后，通過串行通信接口傳送至網關計算 機，形成大面積無線傳輸網絡對養殖水質數據的現場實時采集。
全文摘要
本發明涉及一種用于池塘養殖水體水質的監視系統及其方法，一種池塘養殖水體多參數采集系統，包括水質數據采集節點和現場無線通信網絡；所述現場無線通信網絡基于IEEE802.15.4通信協議；所述現場無線通信網絡的網絡節點包括個人區域網絡(PAN)協調器、全功能設備(FFD)和簡化功能設備(RFD)；所述現場無線通信網絡構建成星狀拓撲和對等網絡拓撲；所述數據采集節點包括水質傳感器和無線網絡收發器，數據采集節點接受傳感器數據后，定期向無線網絡發送水質數據。以及池塘養殖水體多參數采集方法。可以實時地在大規模養殖魚塘中采集的水質數據，供養殖池塘的水質調控和現場設備的自動控制使用。
文檔編號H04W84/18GK102053138SQ200910198518
公開日2011年5月11日 申請日期2009年11月10日 優先權日2009年11月10日
發明者劉世晶, 湯濤林, 王鵬祥, 苗雷, 陳軍 申請人:中國水產科學研究院漁業機械儀器研究所