无线传感器网络在养殖环境监控中的研究进展

周丽萍，陈　志，陈　达，苑严伟，刘阳春

（1.中国农业机械化科学研究院，北京　100083；2.中国机械工业集团有限公司）

无线传感器网络在养殖环境监控中的研究进展

周丽萍1，陈志2※，陈达2，苑严伟1，刘阳春1

（1.中国农业机械化科学研究院，北京100083；2.中国机械工业集团有限公司）

摘要：文中针对养殖环境监控现状综述了无线传感器网络技术的应用及发展趋势。重点对水产、禽、生猪养殖环境的监控技术研究进展进行了分析，论述了节点能量管理、无线传感器网络拓扑、时钟同步以及节点定位等无线传感器网络养殖环境监控中的关键技术，对研发低功耗传感器、节点优化设计、适应于养殖环境的传感器网络路由协议等研究方向进行了展望。

关键词：无线传感器网络；养殖环境；监控

无线传感器网络（WSN，wireless sensor networks）综合了传感器技术、嵌入式计算技术、分布式信息处理技术和通信技术，能够协作地实时监测、感知和采集网络分布区域内的各种环境或监测对象的信息，并对这些信息进行处理，获得详尽而准确的信息，是21世纪计算机网络技术发展的一个重要方向。养殖环境的好坏直接关系到养殖物的生长和发育，从而决定着产品质量和产量的高低。我国是养殖大国，随着养殖业的集约化、规模化发展，环境控制越来越重要[1]，养殖环境的监控推动粗放式低效养殖业向知识型、技术型、现代化型的高效养殖业转变。集约化养殖业中实现在线污染监测的困难在于：面积较大，设备较昂贵，布点、布线不方便(即没有电源线)，没有IP网络支持，仪器设备运行成本高等。随着无线传输技术、IP技术、超大规模集成电路技术和嵌入式系统技术的发展，采用无线传感器网络技术可以较好地解决以上一系列问题。无线传感器网络在养殖环境监控中的应用，是用各类感知设备采集养殖环境的各种参数信息，通过无线传感器网络、移动通信无线网和互联网传输，将获取的各种信息进行融合、处理，最后通过智能化操作终端，实现养殖前、中、后的过程监控、科学决策和实时服务。近年来，世界各国纷纷加大投入，运用自动控制技术、化学分析技术以及计算机测控技术等先进手段来发展养殖环境监控，旨在建立一个以养殖环境参数综合指标为基础的适时监控系统，以求在环保、节能的同时达到高产、安全养殖的目的。

1　无线传感器网络在水产养殖业中的应用

目前，国内外已开展了无线传感器网络在水质监测相关方面的应用研究。国外的现场水质参数采集开始于化学分析法，主要有水质监测车和水质分析箱。基于无线传感器网络的水环境实时监测系统，国外比较典型的代表有美国的Heliosware公司的EMNET系统和澳大利亚CSIRO的Fleck系统，但他们研发的系统通信速率低、产品体积较大、功耗较高[2]。Francisco J.等人针对温度、溶氧、水和空气压力等指标，开发了无线传感器网络监测水产养殖循环系统[3]。该系统模块采用2.4GHz的ZigBit集成电路与Atmel公司的双芯片天线组装，协调器采用RS-232串行接口与中央处理计算机相连。数据包和传感器数值通过串口发送至中央处理计算机，通过邮件提取这些数据，并发送至路由器或协调器。监控系统将收到的数据与设定值进行对比，如果达到上限，将通过邮件和手机短信发送至管理员。曾宝国等基于ZigBee、GPRS、智能水质传感器等技术手段，设计了水产养殖水质实时监测系统。该系统通过无线传感器节点分布式动态组网，实现大范围、24小时不间断的监测包括水位、溶解氧、PH值、温度等水质参数；通过无线传感器的节点定位部署，可实时侦测养殖用水各采样点的水环境,也可根据区域进行局部水环境数据分析；通过增氧机、抽水泵等反馈控制设备，可远程调节养殖水环境[4]。

王骥等设计了基于无线传感器网络海洋环境监测系统，实现了海洋生态环境监测、各类海洋气象与灾害的数值预报预测等功能[5]。该系统由监测传感器节点网络、智能无线传感器网络与实时信息处理系统三个子系统组成，各个子系统分别执行对监测数据的采集、数据的提炼、信息的传输及处理，最终完成整个系统的信息加工、制作、播报等功能。万传飞等针对水产养殖的生产特点和对其监控的要求，结合WSN的技术优势，研制了一套基于WSN的水产养殖环境监测系统，设计无线传感器网络节点，形成获取环境参数的自组织网络。基于GPRS远程数据传输系统，实现了无线传感器网络与远端服务器的通信[6]。赵敏华等针对传统有线水质监测系统进行水环境污染检测时监测点数量多、监测时间长的问题，提出了一种基于无线传感器网络的水质监测系统。通过无线传感器节点对被监测水域进行水质参数的数据采集，将采集到的数据经过Zigbee网络进行汇总及处理，并经过GPRS网络及时地远程传送给监管部门，从而实现对河流水质情况的实时、有效的监督和管理[7]。丁文等利用无线传感网络技术构建了一个智能化、网络化的水产养殖环境监测监控系统，可实现对水温、溶氧、pH值、浊度和氢氮等多种水产养殖环境指标参数进行实时自动监测、远程无线传输、数据自动处理分析、多平台控制、智能预警和手机短信报警等功能，从而最大限度地提高养殖水体的利用率，为养殖对象提供适宜生长的环境条件，有效地控制和保证水产品的质量安全[8]。杜治国等提出了基于Zigbee无线传感器网络与互联网结合的远程实时水质监测系统架构，实现了水质监测参数的获取及传输[9]。黄建清等为解决目前水产养殖水质自动监测系统存在布线困难、灵活性差和成本高等问题，以水体温度、pH值和溶解氧浓度为监测目标，构建了基于无线传感器网络的水产养殖水质监测系统。该系统的传感器节点负责水质数据采集功能，并通过无线传感器网络将数据发送给汇聚节点，汇聚节点通过RS232串口将数据传送给监测中心。传感器节点的处理器模块采用MSP430F149单片机，无线通信模块由nRF905射频芯片及其外围电路组成，传感器模块以PHG-96FS 型pH复合电极和DOG-96DS型溶解氧电极为感知元件，电源模块以LT1129-3.3、LT1129-5和Max660组成的电路提供3.3和±5V。设计了传感器输出信号的调理电路，将测量电极输出的微弱信号放大，满足A/D转换的要求。节点软件以IAR Embedded Workbench为开发环境，采用单片机C语言开发，实现节点数据采集与处理、无线传输和串口通信等功能。监测中心软件采用VB6.0开发，为用户提供形象直观的实时数据监测平台[10]。宦娟等设计了一种基于ZigBee协议的水产养殖水环境无线监控系统，通过无线网络传感器检测节点和协调器节点之间数据快速、准确的传输，实现了对溶解氧、pH值、温度等多参数的采集、处理和显示[11]。

图1　监测系统结构

刘艳针对水产养殖中常见的网箱和池塘养殖环境,采用无线传感器网络技术，研究设计了水产养殖监测系统，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，并且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。以无线传感器网络为主要研究对象，根据水产养殖环境监测的特点，采用ZigBee无线网络技术建立了一个水产养殖监测系统，以监测养殖环境的温度与溶氧浓度。在该系统中，传感器节点可对养殖环境信息进行采集,然后将采集到的信息通过无线网络发送到协调器节点。协调器节点再通过串口将数据按照规定的格式发往数据管理中心，数据中心根据这些数据进行合理的决策和管理，从而实现了科学养殖[12]。董方武等采用无线传感器网络设计了一套淡水养殖溶氧浓度监控系统[13]。史兵等研发了一种基于无线传感器网络的智能系统在水产养殖中的应用方案，利用无线传感网络技术实现了溶解氧、温度、pH值数据的采集与传输，利用计算机技术实现了对数据的处理分析，并得到控制信号[14]。陆健强等结合水产养殖监测的特点设计了一种基于WSN的水产养殖监测信息发布系统，采用MSP430芯片为控制核心，将各节点的数据采集到汇聚节点，采用LED屏显示信息，工作人员可直接观察到监测数据[15]。张远霞等采用无线传感器网络作为主要通信手段,实现对海水养殖环境水质的远程实时监测[16]。潘贺等研究设计了采用Modbus RS485协议的无线传感器网络水环境监测系统，并针对无线传感器网络监测的水环境的pH值和DO值进行了验证[17]。张新荣等提出一种基于无线传感器网络（WSN）的水产养殖环境参数智能监测系统，通过在监测区域部署网络节点，以微处理器为核心控制单元的无线传感器网络实时采集水体温度、溶氧量浓度和pH值等环境数据，实时监测养殖环境参数变化[18]。

2　无线传感器网络在畜禽养殖业中的应用

2.1猪舍环境监控

梁万杰等针对猪舍环境监测的环境特点，采用改进后的低功耗自适应集簇分层型协议(LEACH, Low energy adaptive clustering hierarchy)、3G通讯设备和TELOSB无线传感器节点以及光、温度、湿度和氨气传感器搭建了一个猪舍环境监测无线传感器网络，采用J2EE软件系统解决方案开发了一套猪舍环境监测管理系统，构建了基于无线传感器网络技术的猪舍环境监测系统[19]。该管理系统可以实现实时环境数据查看、历史记录查询、自动生成环境参数曲线图、环境数据分析和报警等功能。牛晓晨等采用Microsoft SQL Server 2008进行了数据库设计，使用UDP网络传输协议发送数据，服务器端程序采用多线程技术接收、分析和储存数据，客户端查询数据并对异常值报警，建立了圈舍环境监测报警系统[20]。周晨飞设计了基于Zigbee技术的智能猪舍环境监测系统，设计了由网络构架、通讯协议、无线传感节点和数据管理系统组成的整体框架，实时采集猪舍内温度、湿度、光照、氨气浓度等数据[21]。采用Digi公司生产的ConnectportX2作为网络协调器，组建mesh网络。根据2.4G高频设计规范，设计电路保证Zigbee设备的通讯距离和通讯质量。通过研究IEEE802.15.4标准协议和Zigbee规范，应用ConnectportX2内置的Python Engine，编程实现了Zigbee网络协调器的组建网络功能。朱伟兴等采用Zigbee无线技术将猪舍内各保育床及周围设备组成无线网络系统，以ARM-LINUX嵌入式服务器为现场控制中心。系统依据分布于各保育床内的传感器获得的环境参数，精确调节各保育床内的小气候环境。通过WIFI无线技术将服务器与INTERNET无缝连接，使用户端延伸并扩展到猪舍及室内设备，实现环境与设备之间，环境与人之间进行信息交换[22]。李丽琳通过无线智能传感器、无线或短信通信终端、监控中心和执行节点四部分，采用集散控制方法，实现了对环境安全型猪舍的监控[23]。设计的系统能通过无线与短信配合的方式，对猪舍的空气质量、温度、湿度、饮用水质量进行监测和报警。刘树香等以无线通信模块JN5148为核心，设计了环境监测仪，采用ZigBee无线通信技术进行了基于无线传感器网络（WSN）技术开发，对猪舍温度、湿度、氨气（NH3）浓度和硫化氢（H2S）浓度进行动态监测，实现了通过手机、电脑等智能终端进行预警提示[24]。孙倩文针对现代养猪场建舍地点偏僻、猪舍环境复杂、不易布线等特点，采用无线传感器网络技术、移动网络技术和Android技术设计了基于无线传感器网络的猪舍温湿度监控系统，通过中心服务器实现了对猪舍温湿度监测与控制[25]。该系统由无线传感器采集网络、嵌入式网关、中心服务器和手机客户端组成。利用ZigBee通信技术的特点，在猪舍里部署ZigBee传感器节点，搭建无线传感器采集网络，ZigBee传感器节点可以对猪舍温度与湿度进行采集并发送到嵌入式网关。嵌入式网关以三星S3C2440为主处理器，搭载传感器网络协调器节点和移动模块GTM900C，在无线传感器网络与GPRS网络之间转发数据，使得无线传感器网络与传统的信息网络可以交互。中心服务器连接在Internet上，通过Socket与嵌入式网关通信，负责接收采集的温度和湿度数据存入数据库和转发用户指令给嵌入式网关。利用J2EE分层次思想，在中心服务器搭建Web服务器程序。服务器端程序实现监控系统业务逻辑层，响应客户端的请求并返回JSON格式数据。谢秋菊等针对国内目前猪舍环境监测相对落后的现状，基于无线传感器网络，设计了高效的猪舍环境三级监测网络系统[26]。以ZigBee模块CC2430芯片为核心设计了传感器终端节点、单舍控制节点和ZigBee协调器，同时给出了软件流程及多传感器数据处理和融合算法，设计了猪舍环境监测网络系统。张伟等采用簇型无线传感器网络结构，以MSP430单片机为现场控制中心，采用RFID技术，组建了猪只智能群养管理系统；依据分布在养殖环境的传感器获得的环境参数，应用交叉双链通信方式有效地解决了在通信链路中某一传感器节点出现故障而导致的整条链路通信失败的情形，保证了通信的稳定性精确调整猪舍环境[27]。韩宝龙等设计了一种基础无线传感网络技术的猪场养殖环境监控系统，采用基于RBF神经网络解耦控制算法，解决环境因子之间的强耦合，提高系统的实时性[28]。该系统控制层由终端节点、路由节点和网关组成，终端节点采用MSP430芯片和CC2430芯片的双核控制器，与环境监测传感器和控制设备相连，实现对现场的实时控制。

2.2禽舍监控

王冉等针对规模化养殖中禽舍环境监测难的问题设计开发了一套基于无线传感网络的禽舍环境监控系统，该系统能对禽舍环境参数（如温度、湿度、光照、大气压、氨气浓度等指标）进行实时监测，并应用在蛋鸡舍环境监测中，根据设定的环境指标上下限自动控制禽舍相关设备如风机、风扇、湿帘、电灯等的开启[29]。王新政在分析禽舍环境内温湿度和空气质量测控机理的基础上研究了基于无线传感网络平台的禽舍环境智能测控关键技术，给出了基于ZigBee协议的禽舍环境参数测量的无线传感网络结构及实现方法，提出了禽舍环境参数模糊数据融合检测方法，并根据禽类饲养要求和禽类生存特性分析了禽舍环境内温湿度和禽类群居特性之间的变化规律，建立了禽舍环境参数变化与测控技术要求之间的关系，构建了一类基于ZigBee协议的禽舍环境测控系统。提出了基于模糊理论的禽舍环境参数多传感器数据融合的检测方法。针对多传感器数据融合过程中传感器的可靠度估计值很难计算的问题，以禽舍温度为采集对象，分别提出了基于统计方法和时空融合方法的多传感器模糊贴近度计算方法并进行了实验分析。针对实际禽舍温湿度系统的非线性、变参数等特性，在神经网络模型研究的基础上,研究了变结构温湿度控制系统的设计方法，基于Lyapunov稳定性理论分析了系统的稳定性，并针对不确定性满足匹配条件与非匹配条件，分别设计了两类控制系统并就其等效系统给出了不确定系统稳定以及滑模的到达条件；同时为了降低系统设计的保守性,将设计的控制器与神经网络控制技术相结合，给出一类智能变结构的温湿度控制过程系统设计方法。给出了基于ZigBee协议的禽舍环境参数测量的无线传感网络结构及实现方法，以禽舍温度为采集对象，分别提出了基于统计方法和时空融合方法的多传感器模糊贴近度计算方法，开发了基于MCGS组态的禽舍环境监控系统[30]。姜晟等研究构建了基于无线传感器网络技术的远程禽舍环境监测系统，设计并研制了以监测禽舍环境温湿度、氨气浓度为目的的传感器节点和路由节点，以数据远程传输为目的的GPRS网络网关节点，实现了禽舍环境信息远程在线监测[31]。高中霞等利用zigbee技术将分布在禽舍的传感器节点组成无线传感器网络，采用jn5139为核心模块，利用温湿度传感器sht11采集禽舍内的温湿度数据，以Labview为监测平台，实现了监测禽舍内的环境温湿度[32]。鲍海虹等针对目前规模化禽类养殖环境指标监测困难、监控手段落后、获得的数据指标误差大等特点，以ZigBee技术为基础研究设计了基于无线传感器网络（WSN）的养殖环境指标实时监控系统，该系统可控制禽舍小气候，为动物提供舒适环境，促进动物生长，净化环境。通过对禽类规模化养殖环境中温度、湿度、光照强度和氨气浓度数据的实时采集、处理、传输、存储、显示及无线网络化监控和管理，实现了对禽舍养殖环境中温度、湿度、光照强度和氨气浓度数据的采集和处理[33]。杜峰等将无线传感器节点技术作为封闭式鸡舍环境监测中数据采集和传输载体，对封闭式鸡舍监测环境的监测节点进行了设计。节点由AVR系列单片ATmega16L、传感器模块STH7X、两线式串行总线串口通信模块、无线通信模块KYL-1020L等组成[34]。

3　无线传感器网络的关键技术

节点能量管理技术：在无线传感器网络里，电源能量是各个节点最宝贵的资源[35]，为了保证传感器网络使用更长的时间[36]，必须加强能量管理来控制各节点的能量使用[37]，来实现协同节约能源规模布置的监测系统[38]。

无线传感器网络拓扑技术：无线网络包含许多无线节点，为了节约能量，部分节点在某些时刻会进入休眠或半休眠状态，这会使网络拓扑结构不断发生变化，为了使网络正常运行，必须进行网络拓扑管理，控制节点状态，使网络畅通，保障数据有效传输[39-42]。

时钟同步技术：时钟同步是无线传感器网络（WSN）操作的关键技术，WSN的许多应用程序需要的数据的一致性和协调精确的时钟同步[43]，它为不同的节点提供了一个共同的时帧[44]。它支持基于时间的从不同传感器节点信道共享和协调睡眠唤醒节点的调度机制来融合数据[45]。

节点定位技术是指确定传感器的每个节点的相对位置或绝对位置[46]。节点定位在环境监控中尤为重要[47]，定位方式分为集中定位和分布式定位两种。集中定位技术指传感器节点都将数据传输到一个中心位置，在这里执行计算来决定每个节点的位置。分布式定位技术不要求集中式计算，每个节点只需依靠与临近节点的有限通信就可决定自己的位置。根据位置估测机制的不同，又将分布式定位技术分成两类：距离相关（Rangebased）定位和距离无关（Range-free）定位[48]。

4　结束语

无线传感器网络技术在养殖环境监控中应用具有部署灵活和扩展性好及不受传输距离的限制等特点，可以有效降低系统部署和维护成本。无线传感器网络广泛、深层次的应用，能够促进养殖业生产方式向高产、高效、低耗、优质、生态和安全的方向转变。但还存在一些问题需要进一步探讨和研究。（1）研发低功耗传感器。无线传感器网络中布置了大量离线传感器，传感器的功耗将直接影响系统工作的持续、采集数据的有效性。应利用微电子技术与传感器技术，研制低功率传感器；（2）节点优化设计。传感器节点的设计是搭建无线传感器网络监测系统的基础，降低节点部署成本，得到保证网络覆盖和网络容错性所需的节点位置和节点类型将是下一步的研究方向；（3）研究适应于养殖环境的传感器网络路由协议。传感器网络路由协议任务是在传感器节点和Sink节点之间建立路由，可靠的传递数据。应进一步研究在养殖环境中应用何种路由协议，确定不同养殖环境中的应用路由协议，以确保降低带宽消耗和发射功耗，减少数据冗余，提供有效数据。

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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

通讯作者：陈 志

基金项目：“十二五”国家科技支撑计划资助项目（2014BAD08B07）

收稿日期：2015-07-09

文章编号：1007-7782（2015）04-0034-05

中图分类号:S815

文献标识码：A

doi:10.13620/j.cnki.issn1007-7782.2015.04.014