朱建锡，郑 涛，费 焱，陈长卿，徐文硕

（浙江省农业机械研究院，浙江 金华 321017）

水产养殖业是目前发展最快的行业之一，从世界范围来看自1970年起就以平均8.9%的速度在持续增长。中国是世界上水产养殖产量最大的国家之一，2006年中国水产养殖业年产量达到了0.413亿吨占世界养殖总产量的69.6%。在20世纪80年代随着从野外养殖到工厂化养殖的转变，中国的水产养殖业得到了突飞猛进的发展，鱼类密集型养殖的产量得到了大幅度的提高［1］。然而中国水质在线监测系统的发展仍然还很不成熟，该类系统在水产养殖中的应用更是少之又少。

无线监控系统可以实现养殖环境的各种参数进行实时连续监测、分析和控制，而且减少了布线带来的一系列问题。采用无线传感器网络技术，研究设计水产养殖监测系统，实现对水产养殖各种环境因子的实时监测，为用户科学养殖提供帮助，为进一步降低养殖成本、优化养殖过程、提高养殖收益、实现健康养殖提供一种可行的新方法。

1 基于无线传感器网络的水质监测系统结构

图1所示为一个典型的无线传感器网络的系统结构，包括分布式传感器节点、接收发送器、互联网和用户界面等。

图1 无线传感器网络的系统结构

2 水质监测系统中的无线传感器网络

2.1 无线传感器网络体系结构

在无线传感器网络系统中，传感器、感知对象和观察者构成传感器网络的三个要素，其中传感器之间、传感器与观察者之间通过有线或无线网络通信，节点间以Ad-Hoc方式进行通信［2］。从结构上来讲，无线传感器网络通常由无线传感器节点、汇聚节点等构成。

2.2 无线传感器网络节点

2.2.1 节点硬件组成

传感器节点一般由五个部分组成，包括处理器模块、存储模块、无线通信模块、传感模块和电源模块［3］。

各模块的功能描述如下：

（1）处理器模块：作为传感器节点的核心处理单元，负责任务调度、数据计算、通信协议和数据转存储等工作。

（2）存储模块：存储处理器转送的数据。

（3）无线通信模块：在信道上发送和接收信息的设备。

（4）传感器模块：采集监控或观测区域内的物理信息。

（5）电源模块：为各个功能模块提供能量。

2.2.2 无线传感器节点的设计要求

（1）微型化：无线传感器节点在体积上应足够小，以保证对目标系统本身的特性不造成显著影响。

（2）低功耗：节点部署后需要长期在野外等环境工作，携带电量有限，所以无线传感器节点必须具备低功耗的性能。

（3）低成本：无线传感器网络由大量密集分布的节点组成，只有低成本才有可能大量地布置在目标区域中。

（4）稳定性和安全性：节点的各个部件应该能够在给定的外部变化范围内正常工作。

（5）扩展性和灵活性：无线传感器网络节点需要定义统一完整的外部接口，以便必要时在现有节点上直接添加新的硬件功能模块，不需要开放新的节点。

2.2.3 常见的无线传感器网络节点

（1）Mica系列节点

Mica系列节点是美国加州大学伯克利分校研制的传感器网络演示平台，其软硬件设计都是公开的，已经成为传感器网络的主要研究平台［4］。Mica系列节点包括Renee、Mica、Mica2、Mica2Dot和 MIcaZ。

由表1可以看出，Mica系列节点主要使用Atmel公司的处理器；Renee、Mica节点使用TR100无线通信芯片，Mica2、Mica2Dot节点采用CC1000无线通信芯片，MIcaZ节点采用CC2420 ZigBee芯片。

表1 Mica系列节点性能指标

（2）Telos系列节点

Telos系列节点是美国加州大学伯克利分校研究的成果，是针对Mica系列节点功耗较大而设计的低功耗产品［5］。Telos系列节点使用两节5号干电池供电，待机时功耗为2 μW，工作时为0.5 mW，发送无线信号时为45 mW。从待机模式到工作模式转换时间为270 ns，最快为6 μs。当采用网格型网络拓结构，工作模式和待机模式的占空比采用不足1%的设定，且与网络交换一次同步信号的情况下，最长可以工作945 d。Telos室外最长的传输距离达100 m，室内直线传输可达50 m。Telos具有A/D转换器、D/A转换器、UART、SPI等外围接口，具有强大的可扩展性。

（3）BT节点

BT节点是一种多功能自主的无线通信和计算平台。与其它节点不同的是BT节点采用蓝牙技术。

（4）Sun SPOT节点

Sun公司推出了一种新型的无线传感器网络设备Sun SPOT。它采用32位的高性能ARM920T处理器及支持ZigBee的CC2420无线通信芯片，并开发出Squawk Java虚拟机，可以使用Java语言搭建无线传感器网络。在电源方面，节点内集成了一个3.7 V，750 mA的可充电锂电池，该电池拥有自保护机制用于防止过度充放电，节点在深度睡眠的情况下可以运行909 d，在全负荷运行的情况下可运行7 h。

（5）Gain系列节点

Gain系列节点是中国科学院计算所开放的节点，是国内第一款自主开发的无线传感器网络节点。Gain系列的最新节点GAINSJ节点采用JENNIC SoC芯片JN5121，该芯片将处理器和射频芯片集成在一起，且兼容IEEE 802.15.4标准和ZigBee规范的协议栈，可以实现多种网络拓扑结构。节点休眠模式时的工作电流小于14mA，发送模式时的工作电流小于50 mA，接收模式时的工作电流小于45 mA。

2.3 无线传感器网络通信技术

2.3.1 ZigBee技术

ZigBee是一种采用无线通信技术的开放式无线传感器网络。其中低功耗、低成本是 ZigBee技术的优势，而且适用于水产养殖水域的潮湿、多风等场合，同时也满足了电源供应等实际限制条件。

2.3.2 Wi-Fi技术

Wi-Fi为IEEE定义的一个无线网络通信工业标准，它是具有完全兼容性的IEEE802.11标准子集，而且对IEEE 802.11标准进行了修改和补充。Wi-Fi技术的优势主要有以下方面：

（1）组网简便：无需网络布线，而且无线局域网的设备得到广泛普及，不同的接人点（AP）和网络接口之间可以实现交互操作。

（2）无线电波覆盖范围广：WiFi通信半径可达100 m，基于蓝牙技术的电波覆盖范围只有15 m左右。

（3）厂商进入该领域门槛较低：厂商只要在需要的地方放置“热点”，并通过高速线路将因特网接入即可，只要用户的终端设备在通信范围内即可高速接入因特网，从而节省成本。

2.3.3 蓝牙技术

蓝牙是由爱立信公司首先提出的一种短距离无线通信技术规范［6］。蓝牙系统以Ad-Hoc的方式工作，每个蓝牙设备都可以在网络中实现路由选择功能，形成移动自组织网络。

2.3.4 超宽带技术

超宽带技术（UWB）也称为脉冲无线电。在2003年之后，国际电信联盟（ITU）的工作组开始对UWB进行测试研究，在2005年10月确定了各国和各地区UWB频谱分配的相关原则。UWB具有以下特点：

（1）频带宽，传输速率高。超宽带脉冲信号和系统的频带较宽，一个相同作用范围的超宽带通信系统，其速率可达无线局域网802.11b系统的10倍以上，是蓝牙系统的100倍以上，且其平均功率仅为上述系统的1/10-1/100。

（2）结构简单，成本低。在超宽带脉冲无线通信系统中，不需要对正弦载波调制的各种电路和滤波器，因此其结构简单，成本较低。

（3）功耗小。由于超宽带信号功率谱密度极低，超宽带通信系统具有低载获/低检测特性。优异的低功耗特性，使它适合于传感器网络的应用。

（4）定位精度高。由于定位精度与其带宽成反比，超宽带系统能够达到厘米级的定位精度。

2.3.5 近距离无线传输技术

近距离无线传输技术是一种类似于射频识别技术的短距离无线通信技术标准，提供设备之间轻松、安全、迅速、自动的通信［7］。近距离无线传输技术具有能够快速、自动地建立无线网络，功耗低、安全性好等特点。2010年中国农业大学万传飞等人设计的水产养殖监测系该中的无线通信模块采用上海桑瑞电子科技有限公司生产的SRWF-1型微功率无线传输模块，而该模块的通信模式就是采用这一传输技术，其最大传输距离可达300 m［8］。

2.3.6 水产养殖无线监测系统中采用的无线通信技术

由于在水产养殖无线监测系统中无线传感器网络节点分布范围广、节点数多、网络节点电池更换困难等特点，基于ZigBee技术的无线网络具有省电、网络扩展性强、网络容量大、节点覆盖范围广、安装简单和成本低廉等显著特点，是水产养殖监测系统设计的最佳选择。

3 国内外研究现状

3.1 国外研究现状

2005年爱尔兰都柏林城市大学的Karl Crowley等人设计了基于无线传感器网络的贝类捕获存储中实时温度监测系统。在该系统中无线传感器网络节点通过近距离无线传输技术将数据传送到基站中，然后由基站通过GSM将数据传送到远程服务器上。在该系统中装有温度控制器能够根据传感器采集的温度信息进行自动控制鱼箱里的温度也可以由用户通过网络发送指令控制鱼箱中的温度。

Karl Crowley等人对该系统进行测试试验，在11：40将该系统放入鱼箱中并且在17：20将该系统移出，该系统可以对温度进行比较稳定且准确的控制。

3.2 国内研究现状

（1）2010年中国农业大学朱秀娜等人设计开放了一个远距离无线实时监测系统，该系统主要应用于工厂化水产养殖中。该系统主要由两部分组成：远程监测平台和中心监测平台。为了能够提前预测水质状况，他们将人工神经网络应用于该系统中。因此该系统可以提前半个小时对水中的溶解氧浓度预测并发出警告。在22个月的试验中该系统可以将95.2%的数据准确的传输到中心监测平台上（中心监测平台在北京农业大学，远程数据监测平台布置在山东一个鱼类养殖厂中）。

（2）2011年浙江大学陈娜娜等人设计了基于ZigBee与GPRS的水产养殖环境无线监控系统［9］。该无线监控预警系统包括三层结构，由远程管理中心、汇聚节点和基站组成。

陈娜娜等人对无线传感器网络路由协议进行了设计研究，她们在现有Zig Bee路由协议的基础上，针对养殖场无线传感器网络监控系统提出合理的路由方法，并对改进的路由进行了路由方式对错发率的影响测试实验。

（3）2012年江西生物科技职业学院周育辉等人开发了基于ZigBee技术的水产养殖水质监测系统［10］。该系统采用无线传感器网络系统对水产养殖中水体的温度、溶解氧含量和pH等水环境因素实时采集。无线传感器网络节点之间的通信采用ZigBee技术，将由无线传感器网络节点进行线性化和温度补偿处理过的数据路由至网关节点的ZigBee基站。数据基站通过GPRS将这些数据发送至远程智能终端上让用户知道水质情况。

4 总结与展望

4.1 良好的应用前景

（1）中国水产养殖业的蓬勃发展尤其是野外养殖向工厂化养殖的转变，为水产养殖无线监测系统提供了广阔的应用平台。

（2）近些年来许多高校和企业都致力于研究无线传感器网络，为水产养殖无线监测系统提供了有力的技术保障。

（3）国内外已研制成功并在实际中得以良好应用的水产养殖无线监测系统，为该类系统在今后的改进奠定了良好的发展基础。

4.2 存在的问题

（1）无线传感器网络节点的供电；（2）无线传感器网络节点的拓扑结构；（3）无线传感器网络节点在传输数据时的拥挤控制以及活动缓冲区监测；（4）无线监测系统的数据包丢失恢复技术；（5）无线监测系统传输数据的安全性。

4.3 未来发展趋势

4.3.1 无线传感器网络节点应具有良好的定位技术

无线传感器网络的节点定位技术是无线传感器网络应用的基本技术也是关键技术之一。在应用无线传感器网络进行环境监测从而获取相关信息的过程中，往往需要知道所获得数据的来源。在水产养殖水质监测系统中，可以从传感器网络获取到数据异常的信息，但更重要的是要获知哪块区域的数据出现了异常。

4.3.2 具备移动能力的传感器网络节点

由许多携带传感器的移动机器人通过无线通信连接构成的分布式传感器网络称为移动传感器网络，机器人要完成的任务是通过通信协调它们之间的动作。在这种分布式无线移动传感器网络中，每一个网络节点由一个移动机器人构成，所以节点均具有计算、感知、通信和移动能力，这使得移动传感器网络不同于一般的分布式传感器网络。

由于移动传感器网络的移动特点，经常会出现网络拓扑变化的情况。与固定传感器节点组成的无线传感器网络系统相比，移动传感器网络需要解决更多的技术问题，主要包括：

（1）移动机器人技术。如路径规划、避障、自主导航、多机器人协作等。

（2）节点间的通信技术。包括机器人间的通信和感知信息的传输。

（3）自定位技术。通过少量的锚节点进行分布式协同定位，以获得节点的绝对或相对位置。

（4）节点的部署及重部署技术。研究通过节点的优化部署最大化网络覆盖区域。在某些节点失效情况下进行网络节点的重新部署，以延长网络生存时间。

（5）多目标跟踪技术。利用机器人的移动功能，扩大跟踪范围和增加跟踪时间。

4.3.3 开发水下传感器网络节点

水下传感器网络节点即可以完全潜入到水下工作，并在水下传输数据的传感器网络节点。它与普通的传感器节点相比主要存在如下问题：（1）硬件成本高；（2）电池更换困难；（3）部署范围广，远距离传输耗电；（4）传输数据精度降低；（5）有限的带宽；（5）长距离传送高度延迟，信号衰减。

4.3.4 由太阳能供电的无线传感器网络

对于无线传感器网络节点而言，电源是系统的关键部分之一。如果能够利用太阳能对无线传感器网络节点进行供电就可以解决在复杂的环境下网络节点电池难以更换问题，也可以大幅度延长网络节点工作寿命。