基于ZigBee和ARM平台的水产养殖水质在线监测系统

摘要

保持水体环境的稳定性,即对养殖水体的水温、溶氧、酸碱度、盐度、氧化还原电位、浊度、氨氮、硝酸盐、业硝酸盐等水质指标进行监控和控制,对水生物生长和养殖产业发展有重大的意义。近年来,我国水产养殖在养殖品种和产量不断增加,养殖生产和管理自动化技术的研究和应用也受到比较广泛的重视。传感技术、无线通信技术以及计算机图形技术在水产养殖生产和管理控制等方面的应用日益广泛。养殖方式由粗放型养殖向集约化和工厂化转化,将为计算机监控技术在水产养殖业的应用提供更大的空间。水质参数的自动监测将极大的提高水产养殖的生产效率和经济效益,为科学决策提供依据,并降低工人的劳动量。历史数据的保存还可以为今后对养殖条件进行控制以达到高产的目的提供参考依据。水质在线监测需要完成数据的采集及传输,并提供界面,方便查询,同时还需要满足低成本、低能耗的要求。
　　 ZigBee是一种新兴的短距离、低速率无线网络技术。因其便捷性,ZigBee在工业控制、无线定位、家庭网络等多个领域有广泛应用空间。片上系统CC2430包含了一个增强型8051内核和无线射频模块,这种解决方案能够提高性能并满足以ZigBee为基础的低成本、低功耗的要求。基于ZigBee的无线传感器网络技术的发展为水质参数的传输提供了极大的方便性和可行性。嵌入式ARM技术及嵌入式Linux以其低成本和简单性在实时监控方面也已得到广泛应用。嵌入式数据库SQLite和嵌入式Web服务器技术很好的解决了在嵌入式ARM硬件资源有限条件下数据存储及远程访问的问题。
　　 针对威海水产养殖业水质监测手段落后、自动化水平低的现状,本文研究并实现了基于ZigBee无线通信协议和ARM嵌入式平台的多点水质在线监测系统,构建了ZigBee采集及转发模块、ARM数据处理模块及上位机人机交互界面三层架构的在线监测框架。考虑到养殖场水质环境布线不方便,无线通讯方式成为我们的首选。ZigBee技术与其他近距离无线通信方式相比更能满足小数据量、低能耗、低速率的要求,我们选用ZigBee技术传输数据。星型网是最简单的一种拓扑结构,组网简单、成本低,且ZigBee协议对此提供了很好的支持,结合实际养殖水体实际情况,选用星型网络进行组网。数据采集节点采集到的数据经无线方式传输到网络协调器,网络协调器经串口协议将数据上报给ARM处理器。ARM处理器将数据存入数据库,并构建BOA服务器,提供基于B/S模式的人机界面,用户在Internet上的任何计算机上均可登录网页进行查询,实现实时的监控和管理。嵌入式ARM处理器及ZigBee协调器连接了数据采集节点及远程客户端的节点,是整个系统的核心部分,相当于系统的网关。本系统可完成对现场环境参数的实时数据采集、无线数据传输及监控等功能,同时为解决特殊环境下测控布线困难和多点监测提供了可行的途径。该系统构建简单,站点扩充容易,而且经改进后可以很好应用于其他需要对环境进行监控的领域。

目录

文摘

英文文摘

CONTENTS

第1章 绪论

1.1 课题的研究意义及价值

1.2 国内外研究现状

1.3 本文的主要工作

第2章 ZigBee技术及ARM介绍

2.1 几种近距离无线网技术

2.2 无线技术选择

2.3 ZigBee技术

2.3.1 ZigBee技术的特点

2.3.2 ZigBee协议栈

2.3.3 ZigBcc网络拓扑及组网技术

2.4 ARM及嵌入式Linux

2.4.1 嵌入式及ARM

2.4.2 嵌入式Linux操作系统

2.5 本章小结

第3章 系统的总体架构

3.1 系统整体设计方案

3.2 系统实现的功能

3.3 系统总体结构设计

3.4 本章小结

第4章 系统的硬件设计

4.1 系统硬件模块框图

4.2 数据采集及无线传输模块硬件设计

4.2.1 硬件选型

4.2.2 硬件连接电路

4.2.3 硬件接口电路设计

4.3 ARM数据处理模块硬件设计

4.3.1 硬件选型

4.3.2 硬件接口电路设计

4.4 本章小结

第5章 系统的软件设计

5.1 系统软件模块框图

5.2 数据采集及无线传输模块软件设计

5.2.1 IEEE 802.15.4的CSMA/CA算法

5.2.2 流程图

5.2.3 ZigBee服务原语

5.2.4 IAR集成编译环境

5.3 ARM数据处理模块软件设计

5.3.1 Linux交叉编译

5.3.2 交叉编译过程

5.3.3 Linux串口驱动

5.4 本章小结

第6章 人机交互界面

6.1 嵌入式数据库

6.1.1 SQLite介绍

6.1.2 SQLite在ARM上的移植

6.1.3 SQLite数据库表格设计

6.2 嵌入式Web服务器构建

6.2.1 Boa概述

6.2.2 CGI技术

6.2.3 Boa服务器的移植

6.2.4 实验结果及人机交互界面

6.3 本章小结

总结与展望

参考文献

致谢

学位论文评阅及答辩情况表