毕 业 论 文
学生姓名
学院 曹从庆 学 号 240803046 物理与电子电气工程学院
电子信息工程
水产养殖水质参数测量仪的设计 专 业 题 目
指导教师 俞阿龙 教授/博士
2012 年 5 月
摘要：基于水产养殖监测环境具有区域内监测点数量多、监测情况复杂等特点，本文针对传统环境监测方案遇到的布线困难、成本高等问题，设计了一种基于ZigBee 协议的水产养殖监控系统。采用低功耗低成本的CC2430芯片作为无线网络的数据处理及通讯单元，实现了对溶解氧、PH 值、温度等多参数的采集、处理和显示。该系统在IAR 开发环境下编写和编译传感器节点程序，可以实现无线传感器网络采集水体参数信息及传感器节点之间的数据传输功能。本系统结构简单，功能易扩展，网络自组织能力强，适用于工厂化水产养殖、水环境监测、智能温室等诸多领域。
关键词：水产养殖，ZigBee ，CC2430，无线传感器网络
Abstract: Based on the characteristics that the aquaculture monitoring environment is complicated and a large number of points have to be monitored, in order to solve difficulties of wiring and reducing cost in the traditional environment monitoring, an aquaculture monitoring system based on the ZigBee protocol is put forward in this paper. The monitoring system implements the data acquisition, process, display of dissolved oxygen, PH, temperature and other parameters which using the CC2430 chip with low power consumption and low cost as the network data processing and communication unit. The sensor node program is written and compiled under the IAR developed environment. It can collect water parameter information in the wireless sensor network and transmit the data between the sensor nodes. The system has advantages of simple structure, easy function expandability, network strong self-organization, which is suitable for factory-aquaculture, water environment monitoring, intelligent greenhouse and other fields.
Key words: Aquaculture, ZigBee, CC2430, Wireless sensor networks
目录
1 前言 ....................................................................................................................... 4
2 无线传感器网络 . .................................................................................................. 4
2.1 无线传感器网络体系结构 . ............................................................................... 4
2.2 无线传感器网络特点 . ....................................................................................... 5
2.3 无线传感器网络的发展趋势 . ........................................................................... 6
3 ZigBee技术简介 ................................................................................................... 6
3.1 ZigBee的技术特点 ............................................................................................ 6
3.2 ZigBee网络拓扑结构 ........................................................................................ 8
3.3 ZigBee协议栈 .................................................................................................... 8
4 系统总体方案设计 . .............................................................................................. 9
4.1 系统总体框架 . ................................................................................................... 9
4.2 无线传感网络节点设计 . ................................................................................. 10
4.3 CC2430芯片 . .................................................................................................... 10
4.4 RS-485总线 . ..................................................................................................... 14
4.4.1 RS485 总线简介 ........................................................................................... 14
4.4.2 RS485 总线应用场合 . .................................................................................. 14
4.4.3 RS485总线电气性能 .................................................................................... 14
4.4.4 RS485 总线特点 ........................................................................................... 14
5 系统硬件设计 . .................................................................................................... 15
5.1 数据采集单元 . ................................................................................................. 15
5.2 数据处理及通讯模块 . ..................................................................................... 16
5.3 电源模块 .......................................................................................................... 18
6 系统软件设计 . .................................................................................................... 18
7 实验测试结果及分析 . ........................................................................................ 20
7.1 系统测试结果 . ................................................................................................. 21
7.1.1 组网测试结果 . .............................................................................................. 21
7.1.2 数据传输测试结果 . ...................................................................................... 22
结 论 ..................................................................................................................... 23
参考文献 ................................................................................................................. 24
致 谢 ..................................................................................................................... 25
1 前言
在我国，水污染已经成为严重的环境问题。国家每年要花费大量的金钱人力来治理水污染，但是我们何不在源头上面就彻底断绝水体污染呢。举其中一个例子来说明，在水产养殖的领域，水温，酸碱度，溶氧量等一些参数对水产养殖有着至关重要的影响，如何测量和控制这些参数就是我们首要关注的问题。
水产养殖对这些参数有着严格的要求，我们淮安的洪泽湖大闸蟹闻名天下，更是为淮安荣获了“中国蟹都”、“中华国蟹”、“中国洪泽湖大闸蟹美食之乡”称号，其原因就是在洪泽湖的水体溶氧量高达到6mg/L，酸碱度为7。政府大力投入资金用于改善水质，近几年，相比其它湖泊的蓝藻大面积爆发等水体富营养化，洪泽湖水质好的优势越来越明显。
[1]
但是我们监测水体的时候如果还一味的靠人工，那将对资金和人力都是很大的考验，一般在半夜凌晨的时候，鱼类活动较迟缓，此时会发生水体缺氧酸碱度升高等问题；人工监测的话，存在很大的误差。综上来说，仅仅依靠人工的方式，不仅投入较大，而且不太现实。因此我们提出以ZigBee 技术结合嵌入式技术来完成水体监测，在较少投入的同时提高系统的准确率。这是很值得推广的一个好办法。[2]
本文设计的系统采用Chipcon 公司生产的无线收发芯片CC2430，可以很好的构建无线网络，无需布设任何线路，自动实现多点对多点组网， 成本低廉，采集的数据可以通过液晶和监控画面实时直观的监控，可有效实现对水体环境和水产养殖中各种参数的检测。 2 无线传感器网络
2.1 无线传感器网络体系结构
无线传感器网络由大量高密度分布的处于被观测对象内部或周围的传感器节点组成、其节点不需要预先安装或预先决定位置，这样提高了动态随机部署于不可达或危险地域的可行性、传感器网络具有广泛的应用前景，范围涵盖医疗、军事和家庭等很多领域。例如，传感器网络快速部署、自组织和容错特性使其在军事指挥、控制、通信、计算、智能、监测、勘测方面起到不可替代的作用；在医疗领域，传感器网络可以用来监测病人身体情况并辅助残障病人；其他商业应用还包括跟踪产品质量、监测危险地域等。[3]
无线传感器网络拥有和传统的无线网络不同的体系结构。一般而言，传感器节点由四部分组成：采集单元、处理单元、通讯单元和电源单元。它们各自负责自己的工作：采集单元负责监测区域内的信息采集，并进行数据格式的转换，将原始的模拟信号转换成数字信号，将交流信号转换成直流信号，以供后续模块使用；处理单元又分成两部分，分别是CPU 和存储器，它们分别负责处理节点的控制和数据存储的工作；通讯单元专门负责节点
之间的相互通信；电源单元负责为传感器节点提供能量，一般采用微型电池供电。
2.2 无线传感器网络特点
目前常见的无线网络包括移动通信网、无线局域网、蓝牙网络等，它们和无线传感器网络在通信方式、动态组网以及多跳通信等存在许多相似之处，但同时也存在很大的差别。无线传感器网络具有许多其独有的特点：
(1)电源能量有限
传感器节点体积小，通常只能携带能量有限的电池。由于传感器节点数目庞大，成本低廉，分布区域广，而且部署环境复杂，所以让传感器节点通过更换电池的方式来补充能源是不现实的。如何在使用中节约能源，最大化网络的生命周期，是传感器网络面临的首要挑战。
(2)通信能量有限
传感器网络的通信带宽窄而且经常变化，通信覆盖范围只有几十到几百米。传感器节点之间的通信断接频繁，经常容易导致通信失败。由于传感器网络更多地受到高山、建筑物、障碍物等地势地貌以及风雨雷电等自然环境的影响，传感器可能会长时间脱离网络，离线工作。如何在通信能力有限的条件下高质量地完成信息的处理与传输，是传感器网络面临的挑战之一。
(3)计算能力有限
传感器节点是一种微型嵌入式设备，它价格低功耗小，这些限制必然导致其处理能力比较弱，存储容量比较小。为了完成各种任务，传感器节点需要完成数据的采集和转换、数据的管理和处理、汇聚节点的任务请求和节点控制等多种工作。如何利用有限的计算能力和存储资源完成诸多协同任务成为传感器网络设计的挑战。
(4)网络规模大，分布广
传感器网络中的节点分布密集，数量巨大。此外，传感器网络可以分布在很广泛的地理区域。传感器网络的这一特点使得网络的维护十分困难甚至不可维护，因此传感器网络的软、硬件必须具有健壮性和容错性，以满足传感器网络的功能要求。
(5)自组织、动态性网络
在传感器网络应用中，节点通常被放置在没有基础结构的地方。传感器节点的位置不能预先精确设定。这就对传感器节点自组织能力提出了要求，节点要能够自行配置和管理，通过拓扑控制机制和网络协议自动形成转发监控数据的多跳无线网络系统。同时，由于部分传感器节点能量耗尽或环境因素造成失效，以及经常有新节点加入，这就要求传感器网络必须具有很强的动态性，以适应网络拓扑结构的动态变化。
(6)以数据为中心的网络
传感器网络的核心是感知数据。观察者感兴趣的是传感器产生的数据，而不是传感器本身。因为观察者不会提出这样的查询：“从甲地到乙地如何实现连接? ”，他们经常会提出如下的查询：“网络覆盖区域中什么地区出现异常? ”。在传感器网络中，传感器节点不需要地址之类的标识。所以说传感器网络是一种以数据为中心的网络。
(7)应用相关的网络
传感器网络用来感知客观物理世界，获取物理世界的数据。不同的传感器网络应用联系到不同的物理量，因此对传感器的应用系统也存在多种多样的要求。不同的应用环境对传感器网络的要求都不同，其硬件支持、软件环境和网络协议必然有很大差别，在开发传感器网络应用中，应更关心不同传感器网络的差异。针对每个具体应用来研究传感器网络技术，这是传感器网络设计不同于传统网络的显著特征。[4]
2.3 无线传感器网络的发展趋势
现代信息技术的三大支柱是传感器技术、通信技术、计算机技术。它们的任务分别是数据的采集、传输和处理。传感器网络将这三种技术很好地结合在一起，以实现信息的采集、传输和处理的统一。也正因为这样，传感器网络被认为是 21 世纪最重要的技术之一。
就目前现状，国内有许多关于传感器网络方面的重要的研究成果，但总体上来讲还只是处于起步阶段。传感器网络技术的发展对整个国家的社会、经济都具有重大的战略意义。
现在来说，无线传感器网络还是一个新兴的无线通信网络，可应用到我们生活的每个领域。因此将来的无线传感器网络将是一个十分庞大产业，需要各种周边技术的支撑，目前我们所用到的各种成熟的通信技术通过一定的改进都可以用到传感器无线通信网络之中，更好地推动无线网络的发展，带动巨大的产业。[5]
3 ZigBee技术简介
3.1 ZigBee的技术特点
ZigBee 技术是一种具有低速率、 近距离、 低功耗、低成本、 通信可靠、 网络容量大等特点的无线网络通信技术。是一种主要针对小型设备的无线联网和控制而制定的协议。ZigBee 拥有一套非常完整的协议层次结构。它工作于免付费和免申请的 2.4 GHz ISM 频段，具有电池寿命长、应用简单、可靠性高及组网能力强等特点。2.4GHz 是波段为全球统一的ISM 波段，目前阶段处于免费开放阶段，这有助于ZigBee 技术的推广以及生产成本的降低。
868MHZ 是欧洲附加的ISM 频段，915MHZ 是美国附加的ISM 频段。这两个频段的
ZigBee 设备可以有效的避开来自2.4GHz 频段中其他无线通讯设备以及家用无线电的干扰，且这两个频段上的无线信号的传播损耗比较小，可以降低接收设备对灵敏度的要求，从而获得更远的有效通讯距离，可以达到用更少的设备来覆盖更多的区域的要求，在需要快速组网的领域，ZigBee 具有不可替代的优势。表3.1.1列出了几种短距离的通讯协议。
表3.1.1 几种常用短距离通信协议
图3.1.2 ZigBee 无线网络的组成结构图
基于ZigBee 的无线传感器网络通常由下面几种节点设备组成：协调器、路由器和终端设备。网络中只有一个节点作为协调器，负责网络的组织和维护，其他节点可作为路由器
和终端设备。路由器负责网内信息的路由，终端设备是实现传感功能的节点，其中协调器和路由器还具有允许设备加入或离开网络的功能，图3.2为ZigBee 无线网络的组成结构图。
3.2 ZigBee网络拓扑结构
ZigBee 网络由ZigBee 协调器，ZigBee 路由器，ZigBee 终端设备组成。ZigBee 协调器是必须的，它负责管理和维护网络，主要包括网络的路由，安全性，节点的加入和离开。ZigBee 协议中定义了三种拓扑结构：星形结构，簇形结构，网形结构。图3.2为三种基本的ZigBee 网络拓扑结构。
在簇形和网形网络中，ZigBee 协调器负责启动网络并设置一些关键的参数，其网络可以通过ZigBee 路由器进行扩展。
在星形网络中，网络由ZigBee 协调器控制。ZigBee 协调器负责初始化并维护网络中其他设备，这些设备均作为终端设备与ZigBee 协调器直接通信。
[6]
图3.2 三种基本的ZigBee 网络拓扑结构
3.3 ZigBee协议栈
ZigBee 协议栈结构是基于标准OSI 七层模型的，包括高层应用规范、应用汇聚层、网络层、媒体接入层和物理层，其结构如下图所示。
图3.3 ZigBee 协议栈
IEEE802.15.4定义了两个物理层标准，分别是2.4GHz 物理层和868/915MHz物理层。两者均基于直接序列扩频（Direct Sequence Spread Spectrum，DSSS ）技术。868MHz 只有一个信道，传输速率为20kb/s；902MHz ～928MHZ 频段有10个信道，信道间隔为2MHz ，传输速率为40kb/s。以上这两个频段都采用BPSK 调制。2.4GHz ～2.4835 GHz 频段有16个信道，信道间隔为5MHz ，能够提供250kb/s的传输速率，采用O-QPSK 调制。为了提高传输数据的可靠性，IEEE 802.15.4定义的媒体接入控制（MAC ）层采用了CSMA-CA 和时隙CSMA-CA 信道接入方式和完全握手协议。应用汇聚层主要负责把不同的应用映射到ZigBee 网络上，主要包括安全与鉴权、多个业务数据流的会聚、设备发现和业务发现。 4 系统总体方案设计
4.1 系统总体框架
图4.1 水产养殖系统框架图
在实际水产养殖中，可能出现的水塘数目很多，我们在每个水塘中都放置大量的传感器，传感器负责接收水塘之中所有数据。所有传感器数据通过ZigBee 无线传感器网络汇聚到一个节点，再由这个汇聚节点通过RS485总线送到现场监控中心，由现场监控人员对其接收到数据分析，再发出调整命令，以达到智能监测的目的。
4.2 无线传感网络节点设计
如图4.2所示，传感器节点一般由数据采集单元，数据处理单元，通讯单元即射频模块和电源单元分组成。本系统数据采集单元由若干个参数传感器组成，数据处理单元和通讯单元我们采用CC2430芯片来完成。
在数据采集单元中的传感器将采集到的水温、PH 值、溶氧量等参数进行初步处理之后，这些参数将经过CC2430芯片中的模数转换器转换为数字信号，所得到的信号通过单片机处理后再经过射频模块发射出去。
图4.2 无线传感器网络节点图
4.3 CC2430芯片
在该系统中，我们选用CHIPCON 公司推出的符合IEEE802.15.4标准的片上系统芯片CC2430，它支持2.4GHz IEEE 802.15.4的ZigBee 协议。CC2430内含有模数转换器ADC ，一片8位 8051微控制器， ZigBee 射频收发模块，它是一个完整的系统级芯片。只要外接简单的外围器件和天线便可以在2.4GHz 上很好的工作，性能稳定而且功耗很低，可以实现多点对多点的快速组网。CC2430内部结构如图4.3.1。
图4.3.1 CC2430内部结构
CC2430芯片的主要特点如下：
●高性能、低功耗的8051微控制器内核；
●适应2.4GHzIEEE 802.15.4的RF 收发器；
●极高的接收灵敏度和抗干扰性能；
●32/64/128 KB闪存；
●8 KB SRAM,具备在各种供电方式下的数据保持能力；
●强大的DMA 功能；
●只需极少的外接元件；
●只需一个晶体，即可满足组网需要；电流消耗小；
●掉电方式下，电流消耗只有0.9ｕA ，外部中断或者实时钟(RTC)能唤醒系统；
●挂起方式下，电流消耗小于0.6ｕA ，外部中断能唤醒系统；
●硬件支持避免冲突的载波侦听多路存取(CSMA/CA) ；
●电源电压范围宽(2.0 ～3.6V) ；
●支持数字化的接收信号强度指示器/ 链路质量指示(RSSI/LQI) ；
●电池监视器和温度传感器；
●具有8 路输入8～14位ADC ；
●高级加密标准(AES)协处理器；
●2 个支持多种串行通信协议的USART ；
●看门狗；
●1个IEEE802.15.4 媒体存取控制(MAC)定时器；1个通用的16位和2个8位定时器； ●支持硬件调试；
●21个通用 I/0 引脚，其中2个具有20mA 的电流吸收或电流供给能力；
●提供强大、灵活的开发工具；
●小尺寸QLP48封装，7mm ×7mm 。
CC2430芯片采用7 mm×7mm QLP封装，共有48 个引脚。全部引脚可分为I/O端口线引脚、电源线引脚和控制线引脚三类。CC2430引脚如图4.3.2所示。
图4.3.2 CC2430引脚图
1) I/O 口有下面的关键特性：
(1)可设置为通常的I/O口，也可设置为外围I/O口使用。
(2)在输入时有上拉和下拉能力。
(3)全部21 个数字I/O口引脚都具有响应外部的中断能力。如果需要外部设备，可对I/O 口引脚产生中断，同时外部的中断事件也能被用来唤醒休眠模式。
1～6 脚（P1_2～ P1_7）：具有4mA 输出驱动能力。
8～9 脚（P1_0～P1_1）：具有20mA 的驱动能力。
11～18 脚（P0_0 ～P0_7）：具有4mA 输出驱动能力。
43，44，45，46，48 脚（P2_4，P2_3，P2_2，P2_1，P2_0）：具有4mA 输出驱动能力。
2) 电源线引脚功能
7 脚（DVDD ）：为I/O 提供2.0～3.6V 工作电压。
20 脚（A VDD_SOC）：为模拟电路连接2.0～3.6V 的电压。
23 脚（A VDD_RREG）：为模拟电路连接2.0～3.6V 的电压。
24 脚（RREG_OUT）：为25，27～31，35～40引脚端口提供1.8 V的稳定电压。
25 脚 (AVDD_IF1 )：为接收器波段滤波器、模拟测试模块和VGA 的第一部分电路提供
1.8V 电压。
27 脚（A VDD_CHP）：为环状滤波器的第一部分电路和充电泵提供1.8 V电压。
28 脚（VCO_GUARD）：VCO 屏蔽电路的报警连接端口。
29 脚（A VDD_VCO）：为VCO 和PLL 环滤波器最后部分电路提供1.8V 电压。
30 脚（A VDD_PRE）：为预定标器、Div2和LO 缓冲器提供1.8V 的电压。
31 脚（A VDD_RF1）：为LNA 、前置偏置电路和PA 提供1.8V 的电压。
33 脚（TXRX_SWITCH）：为PA 提供调整电压。
35 脚（A VDD_SW）：为LNA/PA 交换电路提供1.8V 电压。
36 脚（A VDD_RF2）：为接收和发射混频器提供1.8V 电压。
37 脚（A VDD_IF2）：为低通滤波器和VGA 的最后部分电路提供1.8V 电压。
38 脚（A VDD_ADC）：为ADC 和DAC 的模拟电路部分提供1.8V 电压。
39 脚（DVDD_ADC）：为ADC 的数字电路部分提供1.8V 电压。
40 脚（A VDD_DGUARD）：为隔离数字噪声电路连接电压。
41 脚（A VDD_DREG）：向电压调节器核心提供2.0～3.6V 电压。
42 脚（DCOUPL ）：提供1.8V 的去耦电压，此电压不为外电路所使用。
47 脚（DVDD ）：为I/O 端口提供2.0～3.6V 的电压。
3) 控制线引脚功能
10 脚（RESET_N）：复位引脚，低电平有效。
19 脚（XOSC_Q2）：32MHz 的晶振引脚2。
21 脚（XOSC_Q1）：32MHz 的晶振引脚1，或外部时钟输入引脚。
22 脚（RBIAS1）：为参考电流提供精确的偏置电阻。
26 脚（RBIAS2）：提供精确电阻，43 kΩ，±1%。
32 脚（RF_P）：在RX 期间向LNA 输入正向射频信号；在TX 期间接收来自PA 的输入正向射频信号。
34 脚（RF_N）：在RX 期间向LNA 输入负向射频信号；在TX 期间接收来自PA 的输入负向射频信号。
43 脚(P2_4/XOSC_Q2)：32.768kHz XOSC的2.3端口。
44 脚(P2_4/XOSC_Q1)：32.768kHz XOSC的2.4端口。[8]
4.4 RS-485总线
4.4.1 RS485 总线简介
RS-485 标准是由EIA —电子工业协会和TIA —通讯工业协会共同制订和开发的。EIA 协会曾经在它所有标准前面加上RS 前缀（Recommended Standard 的缩写）。这种名称被许多工程师一直延用。
4.4.2 RS485 总线应用场合
RS-485总线作为一种多点差分数据传输的电气规范，已成为行业内应用最为广泛的标准通信接口之一。这种通信接口允许在一对双绞线上进行多点双向通信，它所具有的噪声抑制能力、数据传输速率、电缆长度及可靠性是其他标准无法比拟的。也正因为此，许多领域都采用RS-485总线进行数据传输。例如：汽车电子、局域网、无线传感器网络等都可以见到具有RS-485接口电路的设备。这项标准得到广泛应用的另外一个原因是RS-485 标准只对接口的电气特性做出规定，而不涉及接插件、电缆或协议。
4.4.3 RS485总线电气性能
RS485 总线电气性能见下表：
表4.4.3 RS485 总线电气性能 4.4.4 RS485 总线特点
（1）RS-485的电气特性：两线间的电压差为+(2~6)V时用来表示逻辑“1”； 两线间的电压差为-(2~6)V时用来表示逻辑“0”。
与串行接口RS-232相比，RS-485接口信号电平有所降低，不易对接口电路的芯片造成损坏。而且RS-485接口信号电平与TTL 电平兼容，与TTL 电路连接时十分方便。
（2）RS-485接口采用的是差分接收器和平衡驱动器的组合。这种组合对于提高RS-485的抗共模干扰能力很有帮助，即可提高抗噪声、抗干扰性能，系统的可靠性得到增强，通信距离也得到了延长。
（3）RS-485最高传输速率达到10Mbps ，最大的通信距离达到1219m 。RS-485的传输速率是传输距离的倒数，成反比关系。只有在RS-485的传输速率小于100Kbps 时，才能达到其理论上的最大通信距离。增加RS-485中继器可以延长其传输距离。
RS-485总线在正常情况下，最多可以支持32个节点。但是要扩大其支持的节点数的话，可使用485芯片。通过这种方法，可以将节点数增加到128或者256，最多可以达到400多个节点。
（4）采用RS-485总线，系统的设计、安装及调试都比较简便；转换接口便宜而且种类繁多；系统维护、设备更换以及系统扩充也比较方便；且系统的安全性和可靠性好。[9] 5 系统硬件设计
5.1 数据采集单元
数据采集单元是通过传感器来监测水体中的参数，由于环境的不确定性，我们要求传感器具有高精度和低功耗。本系统选取美国Global Water 公司所生产的WQ 系列WQ101水温传感器、WQ201PH 值传感器、WQ401溶解氧传感器和WQ730浊度传感器和德国WTW 公司生产的 AmmoLyt plus 700 IQ 在线氨氮检测传感器。其技术参数如下表所示。
表5.1 传感器技术参数
美国Global Water 公司的WQ101温度传感器是一个坚固、值得信赖的、可潜入水中进行高精度水温测量的仪器。其传感器连接到7.6m 的海洋级电缆，电缆长度可根据需要
多达152m 。温度传感器输出是4-20毫安，二线配置，电子元件完全封装在不锈钢外壳中。
WQ201PH 值传感器是一个坚固耐用、可靠的PH 值测量装置。其传感器连接到7.6m 的海洋级电缆，电缆长度可根据需要多达152m 。PH 值传感器输出是4-20毫安，三线配置，其电子产品是完全封装在环氧树脂海洋级不锈钢外壳中。PH 值传感器还使用了可拆卸的防护罩，易于维护。
WQ401溶解氧传感器是一个坚固耐用、可靠的溶解氧测量装置。其传感器连接到7.6m 的海洋级电缆，电缆长度可根据需要多达152m 。输出是4-20毫安，三线配置，其电子产品是完全封装在环氧树脂海洋级不锈钢外壳中。溶解氧传感器采用可拆卸的外壳，使得溶解氧元件易于维护。
WQ730浊度传感器是一种为环境和工程服务的可进入水中的高精度测试仪表。应用范围包括：水质监测和管理、河监控、溪测量，水库水质监测，地下水测量，废水处理渗透和工业管理。
德国WTW AmmoLyt plus 700 IQ 在线氨氮检测传感器是一种坚固可靠的氨氮检测装置。其传感器可以在线检测氨氮，以补偿钾离子干扰，配置非常经济实用，无需校正，长期稳定性好，而且响应快速。
5.2 数据处理及通讯模块
图5.2 数据处理及通讯模块电路图
CC2430需要有32MHz 的晶振用于250Kbps 数据接受发送。这个参考频率可以使用外接时钟，也可以使用内部晶体振荡器。如果使用外部时钟，直接从Q1引脚引入，Q2保持悬空；如果使用内部晶体振荡器，晶体接在Q1和Q2引脚之间。
图5.2中有两个石英晶振，其中与电容C1、C2相连的晶振为32 MHz，是节点正常工作时使用的；与电容C3、C4相连的晶振为32.768 kHz，在系统休眠时工作，有降低功耗的作用。C1、C2都为22pF ，C3、C4都为15pF 。C5是一个滤波电容，作用是防止单片机复位错误，C5为0.1μF 。C6、C7、C8都是滤波电容，C6为100nF ，C7为220nF ，C8为220nF 。电容C9和电感L1、L2、L3以及一个PCB 微波传输线组成了电路中的非平衡变压器，整个结构满足RF 输入/输出匹配电阻(50Ω) 的要求，C9为5.6pF ，L1为8.2nH ，L2为22nH ，L3为1.8nH 。C10—C14为去耦合电容，作用是电源滤波，能够提高芯片工作的稳定性。R1，R2为偏置电阻器，R1为43k Ω，R2为56k Ω，R1的作用是为32 MHz
晶体振
荡器提供精密偏置电流。
5.3 电源模块
由于水产养殖参数监测系统有无人看守，数据量低的特点。但同时也存在电源铺线复杂，故障不易排除等特点，因此本系统采取效率高的开关电路。可以用4 节1.2 V 电池供电，开关电路将输入电压转化为系统需要的3.3 V 电压。电源模块如图八所示[10]。
图5.3 电源模块电路
6 系统软件设计
本系统的开发环境为IAR 7.20H，通信网络协议栈为Z-STACK 。[11]
协调器主要负责传感器网络的联网，接受来自传感器的数据并将之传送给总控制器。协调器节点有一个网络地址表，当有新的节点想加入网络时，向协调器发出联网申请，协调器收到该消息后转交给总控制器。由总控制器来决定是否接受新节点。
协调器还根据总控制器命令定时地向网络发出数据采集命令，传感器将采集到的数据传回到协调器节点，协调器节点对多个传感器数据进行进一步整合，再由RS485送到总控制器。协调器节点流程图如图6.1所示。
网络节点板在不采集数据时处于休眠状态，即当节点不被查询时；节点一旦被查询，开始采集数据，并把数据传送到cc2530模块，经过cc2530 的处理发送数据到上位机，上位机流程图如图6.2所示，网络节点流程图如图6.3所示。
图6.1 协调器节点流程图
图6.2 上位机流程图
N
N
图6.3 网络节点流程图
7 实验测试结果及分析
利用以下器材来构建实验平台来测试传感节点。网络协调器，传感器节点，计算机和相关的软件（如上位机软件、串口调试助手等）。实验平台的实物如图7所示。
图7 实验平台的实物照
7.1 系统测试结果
试验鱼池是10 m×10 m的水池，深度1.5 m，鱼池实际水位1.2 m。标准大气压、环境温度22～28℃，鱼池中养殖大闸蟹。
试验分两部分内容：
1）验证无线传感网络水质数据的检测和传输的正确性。 2）验证各环境因子的变化范围是否满足需要。
7.1.1 组网测试结果
图7.1表明，网络协调器成功组建了一个星型网络，传感节点到汇聚节点是单跳的方式，汇聚节点转发数据包给网关。
图7.1.1网络结构及相关信息
7.1.2 数据传输测试结果
收集系统不间断测得一天内各参数值的日变化如下表7.1所示：
表7.1 参数值的日变化
由数据可见，各个参数变化非常的稳定，温度变化在+0.5℃范围内，溶解氧变化量稳定在+0.4mg/L，PH 变化很小，浊度及氨氮含量均在要求范围内。系统在现场环境下运行稳定，实现了对溶解氧、PH 和温度等水产养殖环境参数的准确检测控制和无线传感器网络通信功能。另外, 控制精度达到了设计目标，满足实际运行的需要。
结 论
通过测试，采集的数据表明本文所研究的基于CC2530的水产养殖监控系统的设计方案是可行的，所设计的传感节点的功能也顺利实现。
在本次设计研究和撰写论文的过程中，我查阅了许多文献资料，从中学到了很多有关系统开发和程序调试方面等的知识。在软件开发过程中掌握了一些技术难题的解决方法和技巧，巩固和加深了所学知识的理解，能够把所学的知识与实践相结合，培养了认真严谨的学习态度，为以后开发软件积累了大量的经验，提高了分析问题和解决问题的能力。
基于ZigBee 无线传感器网络的水产养殖监控系统大规模的运用，可以减少人力管理带来的各种问题，具有低成本、运行可靠、适用面积广等特点，可以实现大规模水产养殖中监控的信息化，提高水产品的产量和质量、降低生产成本、减轻劳动强度，是一个值得在多种行业里大力推广的好技术。
参考文献
[1]. 楚恩国. 洪泽湖水文特性初探[J].水文,2001,21(5):56-59
[2]. 朱祥贤, 卢素锋.ZigBee 技术在水产养殖中的应用[J].现代电子技术,2009,23(310):168-181 [3]. 陈雄, 杜以书等. 无线传感器网络的研究现状及发展趋势[J].系统仿真技术,2005,1(2):67-73 [4]. 李烨, 张旗等. 无线传感器网络综述[J].先进技术研究通报,2009,3(11):2-6 [5]. 俞阿龙, 孙红兵, 李正等. 传感器原理及其应用[M].南京:南京大学出版社,2010;1-3
[6]. 黄传胜, 王娜娜等. 基于ZigBee 无线传感器网络的温度测量[J].现代电子技术;2011,34(22): 52-54 [7]. 刘星桥, 桂芬. 水产养殖无线监控系统[D].镇江. 江苏大学电气信息工程学院.2008 [8]. 成都无线龙通讯技术有限公司.CC2430/CC2431中文使用说明手册[R].成都.2008 [9]. 广州周立功单片机发展有限公司.RS485协议标准[R].广州.2004
[10].赵翔宇, 师卫.ZigBee 技术在水文监测中的应用[J].科学情报开发与经济,2001,21(8):142-146 [11].刘建峰, 刘爱华. 基于ZigBee 网络的水产养殖测控系统[J].仪表技术,2009,12(9): 51-54
致 谢
在此论文撰写过程中我遇到了很多的困难和障碍，都在同学和老师的帮助下一一解决了，我要感谢我的论文指导老师——俞阿龙教授。在整个论文写作过程中，他对我进行了耐心的指导和帮助，提出严格要求，引导我不断开阔思路，为我答疑解惑，鼓励我大胆创新，这使我在大学最后生活的时光中，既增长了知识、开阔了视野、锻炼了心态，又培养了良好的钻研精神。他那严谨的治学作风，一丝不苟的工作态度将会指导我以后的工作学习，在此，我向俞阿龙教授表示最诚挚的谢意！
同时还要感谢我的同学和朋友，他们在我论文的写作过程中提出了很多有用的意见与建议，还在论文排版过程中提供热情的帮助。
最后还要感谢这篇论文引用所有文献的学者们，如果没有各位学者的研究成果的帮助和启发，我将很难完成本篇论文的写作。
毕 业 论 文
学生姓名
学院 曹从庆 学 号 240803046 物理与电子电气工程学院
电子信息工程
水产养殖水质参数测量仪的设计 专 业 题 目
指导教师 俞阿龙 教授/博士
2012 年 5 月
摘要：基于水产养殖监测环境具有区域内监测点数量多、监测情况复杂等特点，本文针对传统环境监测方案遇到的布线困难、成本高等问题，设计了一种基于ZigBee 协议的水产养殖监控系统。采用低功耗低成本的CC2430芯片作为无线网络的数据处理及通讯单元，实现了对溶解氧、PH 值、温度等多参数的采集、处理和显示。该系统在IAR 开发环境下编写和编译传感器节点程序，可以实现无线传感器网络采集水体参数信息及传感器节点之间的数据传输功能。本系统结构简单，功能易扩展，网络自组织能力强，适用于工厂化水产养殖、水环境监测、智能温室等诸多领域。
关键词：水产养殖，ZigBee ，CC2430，无线传感器网络
Abstract: Based on the characteristics that the aquaculture monitoring environment is complicated and a large number of points have to be monitored, in order to solve difficulties of wiring and reducing cost in the traditional environment monitoring, an aquaculture monitoring system based on the ZigBee protocol is put forward in this paper. The monitoring system implements the data acquisition, process, display of dissolved oxygen, PH, temperature and other parameters which using the CC2430 chip with low power consumption and low cost as the network data processing and communication unit. The sensor node program is written and compiled under the IAR developed environment. It can collect water parameter information in the wireless sensor network and transmit the data between the sensor nodes. The system has advantages of simple structure, easy function expandability, network strong self-organization, which is suitable for factory-aquaculture, water environment monitoring, intelligent greenhouse and other fields.
Key words: Aquaculture, ZigBee, CC2430, Wireless sensor networks
目录
1 前言 ....................................................................................................................... 4
2 无线传感器网络 . .................................................................................................. 4
2.1 无线传感器网络体系结构 . ............................................................................... 4
2.2 无线传感器网络特点 . ....................................................................................... 5
2.3 无线传感器网络的发展趋势 . ........................................................................... 6
3 ZigBee技术简介 ................................................................................................... 6
3.1 ZigBee的技术特点 ............................................................................................ 6
3.2 ZigBee网络拓扑结构 ........................................................................................ 8
3.3 ZigBee协议栈 .................................................................................................... 8
4 系统总体方案设计 . .............................................................................................. 9
4.1 系统总体框架 . ................................................................................................... 9
4.2 无线传感网络节点设计 . ................................................................................. 10
4.3 CC2430芯片 . .................................................................................................... 10
4.4 RS-485总线 . ..................................................................................................... 14
4.4.1 RS485 总线简介 ........................................................................................... 14
4.4.2 RS485 总线应用场合 . .................................................................................. 14
4.4.3 RS485总线电气性能 .................................................................................... 14
4.4.4 RS485 总线特点 ........................................................................................... 14
5 系统硬件设计 . .................................................................................................... 15
5.1 数据采集单元 . ................................................................................................. 15
5.2 数据处理及通讯模块 . ..................................................................................... 16
5.3 电源模块 .......................................................................................................... 18
6 系统软件设计 . .................................................................................................... 18
7 实验测试结果及分析 . ........................................................................................ 20
7.1 系统测试结果 . ................................................................................................. 21
7.1.1 组网测试结果 . .............................................................................................. 21
7.1.2 数据传输测试结果 . ...................................................................................... 22
结 论 ..................................................................................................................... 23
参考文献 ................................................................................................................. 24
致 谢 ..................................................................................................................... 25
1 前言
在我国，水污染已经成为严重的环境问题。国家每年要花费大量的金钱人力来治理水污染，但是我们何不在源头上面就彻底断绝水体污染呢。举其中一个例子来说明，在水产养殖的领域，水温，酸碱度，溶氧量等一些参数对水产养殖有着至关重要的影响，如何测量和控制这些参数就是我们首要关注的问题。
水产养殖对这些参数有着严格的要求，我们淮安的洪泽湖大闸蟹闻名天下，更是为淮安荣获了“中国蟹都”、“中华国蟹”、“中国洪泽湖大闸蟹美食之乡”称号，其原因就是在洪泽湖的水体溶氧量高达到6mg/L，酸碱度为7。政府大力投入资金用于改善水质，近几年，相比其它湖泊的蓝藻大面积爆发等水体富营养化，洪泽湖水质好的优势越来越明显。
[1]
但是我们监测水体的时候如果还一味的靠人工，那将对资金和人力都是很大的考验，一般在半夜凌晨的时候，鱼类活动较迟缓，此时会发生水体缺氧酸碱度升高等问题；人工监测的话，存在很大的误差。综上来说，仅仅依靠人工的方式，不仅投入较大，而且不太现实。因此我们提出以ZigBee 技术结合嵌入式技术来完成水体监测，在较少投入的同时提高系统的准确率。这是很值得推广的一个好办法。[2]
本文设计的系统采用Chipcon 公司生产的无线收发芯片CC2430，可以很好的构建无线网络，无需布设任何线路，自动实现多点对多点组网， 成本低廉，采集的数据可以通过液晶和监控画面实时直观的监控，可有效实现对水体环境和水产养殖中各种参数的检测。 2 无线传感器网络
2.1 无线传感器网络体系结构
无线传感器网络由大量高密度分布的处于被观测对象内部或周围的传感器节点组成、其节点不需要预先安装或预先决定位置，这样提高了动态随机部署于不可达或危险地域的可行性、传感器网络具有广泛的应用前景，范围涵盖医疗、军事和家庭等很多领域。例如，传感器网络快速部署、自组织和容错特性使其在军事指挥、控制、通信、计算、智能、监测、勘测方面起到不可替代的作用；在医疗领域，传感器网络可以用来监测病人身体情况并辅助残障病人；其他商业应用还包括跟踪产品质量、监测危险地域等。[3]
无线传感器网络拥有和传统的无线网络不同的体系结构。一般而言，传感器节点由四部分组成：采集单元、处理单元、通讯单元和电源单元。它们各自负责自己的工作：采集单元负责监测区域内的信息采集，并进行数据格式的转换，将原始的模拟信号转换成数字信号，将交流信号转换成直流信号，以供后续模块使用；处理单元又分成两部分，分别是CPU 和存储器，它们分别负责处理节点的控制和数据存储的工作；通讯单元专门负责节点
之间的相互通信；电源单元负责为传感器节点提供能量，一般采用微型电池供电。
2.2 无线传感器网络特点
目前常见的无线网络包括移动通信网、无线局域网、蓝牙网络等，它们和无线传感器网络在通信方式、动态组网以及多跳通信等存在许多相似之处，但同时也存在很大的差别。无线传感器网络具有许多其独有的特点：
(1)电源能量有限
传感器节点体积小，通常只能携带能量有限的电池。由于传感器节点数目庞大，成本低廉，分布区域广，而且部署环境复杂，所以让传感器节点通过更换电池的方式来补充能源是不现实的。如何在使用中节约能源，最大化网络的生命周期，是传感器网络面临的首要挑战。
(2)通信能量有限
传感器网络的通信带宽窄而且经常变化，通信覆盖范围只有几十到几百米。传感器节点之间的通信断接频繁，经常容易导致通信失败。由于传感器网络更多地受到高山、建筑物、障碍物等地势地貌以及风雨雷电等自然环境的影响，传感器可能会长时间脱离网络，离线工作。如何在通信能力有限的条件下高质量地完成信息的处理与传输，是传感器网络面临的挑战之一。
(3)计算能力有限
传感器节点是一种微型嵌入式设备，它价格低功耗小，这些限制必然导致其处理能力比较弱，存储容量比较小。为了完成各种任务，传感器节点需要完成数据的采集和转换、数据的管理和处理、汇聚节点的任务请求和节点控制等多种工作。如何利用有限的计算能力和存储资源完成诸多协同任务成为传感器网络设计的挑战。
(4)网络规模大，分布广
传感器网络中的节点分布密集，数量巨大。此外，传感器网络可以分布在很广泛的地理区域。传感器网络的这一特点使得网络的维护十分困难甚至不可维护，因此传感器网络的软、硬件必须具有健壮性和容错性，以满足传感器网络的功能要求。
(5)自组织、动态性网络
在传感器网络应用中，节点通常被放置在没有基础结构的地方。传感器节点的位置不能预先精确设定。这就对传感器节点自组织能力提出了要求，节点要能够自行配置和管理，通过拓扑控制机制和网络协议自动形成转发监控数据的多跳无线网络系统。同时，由于部分传感器节点能量耗尽或环境因素造成失效，以及经常有新节点加入，这就要求传感器网络必须具有很强的动态性，以适应网络拓扑结构的动态变化。
(6)以数据为中心的网络
传感器网络的核心是感知数据。观察者感兴趣的是传感器产生的数据，而不是传感器本身。因为观察者不会提出这样的查询：“从甲地到乙地如何实现连接? ”，他们经常会提出如下的查询：“网络覆盖区域中什么地区出现异常? ”。在传感器网络中，传感器节点不需要地址之类的标识。所以说传感器网络是一种以数据为中心的网络。
(7)应用相关的网络
传感器网络用来感知客观物理世界，获取物理世界的数据。不同的传感器网络应用联系到不同的物理量，因此对传感器的应用系统也存在多种多样的要求。不同的应用环境对传感器网络的要求都不同，其硬件支持、软件环境和网络协议必然有很大差别，在开发传感器网络应用中，应更关心不同传感器网络的差异。针对每个具体应用来研究传感器网络技术，这是传感器网络设计不同于传统网络的显著特征。[4]
2.3 无线传感器网络的发展趋势
现代信息技术的三大支柱是传感器技术、通信技术、计算机技术。它们的任务分别是数据的采集、传输和处理。传感器网络将这三种技术很好地结合在一起，以实现信息的采集、传输和处理的统一。也正因为这样，传感器网络被认为是 21 世纪最重要的技术之一。
就目前现状，国内有许多关于传感器网络方面的重要的研究成果，但总体上来讲还只是处于起步阶段。传感器网络技术的发展对整个国家的社会、经济都具有重大的战略意义。
现在来说，无线传感器网络还是一个新兴的无线通信网络，可应用到我们生活的每个领域。因此将来的无线传感器网络将是一个十分庞大产业，需要各种周边技术的支撑，目前我们所用到的各种成熟的通信技术通过一定的改进都可以用到传感器无线通信网络之中，更好地推动无线网络的发展，带动巨大的产业。[5]
3 ZigBee技术简介
3.1 ZigBee的技术特点
ZigBee 技术是一种具有低速率、 近距离、 低功耗、低成本、 通信可靠、 网络容量大等特点的无线网络通信技术。是一种主要针对小型设备的无线联网和控制而制定的协议。ZigBee 拥有一套非常完整的协议层次结构。它工作于免付费和免申请的 2.4 GHz ISM 频段，具有电池寿命长、应用简单、可靠性高及组网能力强等特点。2.4GHz 是波段为全球统一的ISM 波段，目前阶段处于免费开放阶段，这有助于ZigBee 技术的推广以及生产成本的降低。
868MHZ 是欧洲附加的ISM 频段，915MHZ 是美国附加的ISM 频段。这两个频段的
ZigBee 设备可以有效的避开来自2.4GHz 频段中其他无线通讯设备以及家用无线电的干扰，且这两个频段上的无线信号的传播损耗比较小，可以降低接收设备对灵敏度的要求，从而获得更远的有效通讯距离，可以达到用更少的设备来覆盖更多的区域的要求，在需要快速组网的领域，ZigBee 具有不可替代的优势。表3.1.1列出了几种短距离的通讯协议。
表3.1.1 几种常用短距离通信协议
图3.1.2 ZigBee 无线网络的组成结构图
基于ZigBee 的无线传感器网络通常由下面几种节点设备组成：协调器、路由器和终端设备。网络中只有一个节点作为协调器，负责网络的组织和维护，其他节点可作为路由器
和终端设备。路由器负责网内信息的路由，终端设备是实现传感功能的节点，其中协调器和路由器还具有允许设备加入或离开网络的功能，图3.2为ZigBee 无线网络的组成结构图。
3.2 ZigBee网络拓扑结构
ZigBee 网络由ZigBee 协调器，ZigBee 路由器，ZigBee 终端设备组成。ZigBee 协调器是必须的，它负责管理和维护网络，主要包括网络的路由，安全性，节点的加入和离开。ZigBee 协议中定义了三种拓扑结构：星形结构，簇形结构，网形结构。图3.2为三种基本的ZigBee 网络拓扑结构。
在簇形和网形网络中，ZigBee 协调器负责启动网络并设置一些关键的参数，其网络可以通过ZigBee 路由器进行扩展。
在星形网络中，网络由ZigBee 协调器控制。ZigBee 协调器负责初始化并维护网络中其他设备，这些设备均作为终端设备与ZigBee 协调器直接通信。
[6]
图3.2 三种基本的ZigBee 网络拓扑结构
3.3 ZigBee协议栈
ZigBee 协议栈结构是基于标准OSI 七层模型的，包括高层应用规范、应用汇聚层、网络层、媒体接入层和物理层，其结构如下图所示。
图3.3 ZigBee 协议栈
IEEE802.15.4定义了两个物理层标准，分别是2.4GHz 物理层和868/915MHz物理层。两者均基于直接序列扩频（Direct Sequence Spread Spectrum，DSSS ）技术。868MHz 只有一个信道，传输速率为20kb/s；902MHz ～928MHZ 频段有10个信道，信道间隔为2MHz ，传输速率为40kb/s。以上这两个频段都采用BPSK 调制。2.4GHz ～2.4835 GHz 频段有16个信道，信道间隔为5MHz ，能够提供250kb/s的传输速率，采用O-QPSK 调制。为了提高传输数据的可靠性，IEEE 802.15.4定义的媒体接入控制（MAC ）层采用了CSMA-CA 和时隙CSMA-CA 信道接入方式和完全握手协议。应用汇聚层主要负责把不同的应用映射到ZigBee 网络上，主要包括安全与鉴权、多个业务数据流的会聚、设备发现和业务发现。 4 系统总体方案设计
4.1 系统总体框架
图4.1 水产养殖系统框架图
在实际水产养殖中，可能出现的水塘数目很多，我们在每个水塘中都放置大量的传感器，传感器负责接收水塘之中所有数据。所有传感器数据通过ZigBee 无线传感器网络汇聚到一个节点，再由这个汇聚节点通过RS485总线送到现场监控中心，由现场监控人员对其接收到数据分析，再发出调整命令，以达到智能监测的目的。
4.2 无线传感网络节点设计
如图4.2所示，传感器节点一般由数据采集单元，数据处理单元，通讯单元即射频模块和电源单元分组成。本系统数据采集单元由若干个参数传感器组成，数据处理单元和通讯单元我们采用CC2430芯片来完成。
在数据采集单元中的传感器将采集到的水温、PH 值、溶氧量等参数进行初步处理之后，这些参数将经过CC2430芯片中的模数转换器转换为数字信号，所得到的信号通过单片机处理后再经过射频模块发射出去。
图4.2 无线传感器网络节点图
4.3 CC2430芯片
在该系统中，我们选用CHIPCON 公司推出的符合IEEE802.15.4标准的片上系统芯片CC2430，它支持2.4GHz IEEE 802.15.4的ZigBee 协议。CC2430内含有模数转换器ADC ，一片8位 8051微控制器， ZigBee 射频收发模块，它是一个完整的系统级芯片。只要外接简单的外围器件和天线便可以在2.4GHz 上很好的工作，性能稳定而且功耗很低，可以实现多点对多点的快速组网。CC2430内部结构如图4.3.1。
图4.3.1 CC2430内部结构
CC2430芯片的主要特点如下：
●高性能、低功耗的8051微控制器内核；
●适应2.4GHzIEEE 802.15.4的RF 收发器；
●极高的接收灵敏度和抗干扰性能；
●32/64/128 KB闪存；
●8 KB SRAM,具备在各种供电方式下的数据保持能力；
●强大的DMA 功能；
●只需极少的外接元件；
●只需一个晶体，即可满足组网需要；电流消耗小；
●掉电方式下，电流消耗只有0.9ｕA ，外部中断或者实时钟(RTC)能唤醒系统；
●挂起方式下，电流消耗小于0.6ｕA ，外部中断能唤醒系统；
●硬件支持避免冲突的载波侦听多路存取(CSMA/CA) ；
●电源电压范围宽(2.0 ～3.6V) ；
●支持数字化的接收信号强度指示器/ 链路质量指示(RSSI/LQI) ；
●电池监视器和温度传感器；
●具有8 路输入8～14位ADC ；
●高级加密标准(AES)协处理器；
●2 个支持多种串行通信协议的USART ；
●看门狗；
●1个IEEE802.15.4 媒体存取控制(MAC)定时器；1个通用的16位和2个8位定时器； ●支持硬件调试；
●21个通用 I/0 引脚，其中2个具有20mA 的电流吸收或电流供给能力；
●提供强大、灵活的开发工具；
●小尺寸QLP48封装，7mm ×7mm 。
CC2430芯片采用7 mm×7mm QLP封装，共有48 个引脚。全部引脚可分为I/O端口线引脚、电源线引脚和控制线引脚三类。CC2430引脚如图4.3.2所示。
图4.3.2 CC2430引脚图
1) I/O 口有下面的关键特性：
(1)可设置为通常的I/O口，也可设置为外围I/O口使用。
(2)在输入时有上拉和下拉能力。
(3)全部21 个数字I/O口引脚都具有响应外部的中断能力。如果需要外部设备，可对I/O 口引脚产生中断，同时外部的中断事件也能被用来唤醒休眠模式。
1～6 脚（P1_2～ P1_7）：具有4mA 输出驱动能力。
8～9 脚（P1_0～P1_1）：具有20mA 的驱动能力。
11～18 脚（P0_0 ～P0_7）：具有4mA 输出驱动能力。
43，44，45，46，48 脚（P2_4，P2_3，P2_2，P2_1，P2_0）：具有4mA 输出驱动能力。
2) 电源线引脚功能
7 脚（DVDD ）：为I/O 提供2.0～3.6V 工作电压。
20 脚（A VDD_SOC）：为模拟电路连接2.0～3.6V 的电压。
23 脚（A VDD_RREG）：为模拟电路连接2.0～3.6V 的电压。
24 脚（RREG_OUT）：为25，27～31，35～40引脚端口提供1.8 V的稳定电压。
25 脚 (AVDD_IF1 )：为接收器波段滤波器、模拟测试模块和VGA 的第一部分电路提供
1.8V 电压。
27 脚（A VDD_CHP）：为环状滤波器的第一部分电路和充电泵提供1.8 V电压。
28 脚（VCO_GUARD）：VCO 屏蔽电路的报警连接端口。
29 脚（A VDD_VCO）：为VCO 和PLL 环滤波器最后部分电路提供1.8V 电压。
30 脚（A VDD_PRE）：为预定标器、Div2和LO 缓冲器提供1.8V 的电压。
31 脚（A VDD_RF1）：为LNA 、前置偏置电路和PA 提供1.8V 的电压。
33 脚（TXRX_SWITCH）：为PA 提供调整电压。
35 脚（A VDD_SW）：为LNA/PA 交换电路提供1.8V 电压。
36 脚（A VDD_RF2）：为接收和发射混频器提供1.8V 电压。
37 脚（A VDD_IF2）：为低通滤波器和VGA 的最后部分电路提供1.8V 电压。
38 脚（A VDD_ADC）：为ADC 和DAC 的模拟电路部分提供1.8V 电压。
39 脚（DVDD_ADC）：为ADC 的数字电路部分提供1.8V 电压。
40 脚（A VDD_DGUARD）：为隔离数字噪声电路连接电压。
41 脚（A VDD_DREG）：向电压调节器核心提供2.0～3.6V 电压。
42 脚（DCOUPL ）：提供1.8V 的去耦电压，此电压不为外电路所使用。
47 脚（DVDD ）：为I/O 端口提供2.0～3.6V 的电压。
3) 控制线引脚功能
10 脚（RESET_N）：复位引脚，低电平有效。
19 脚（XOSC_Q2）：32MHz 的晶振引脚2。
21 脚（XOSC_Q1）：32MHz 的晶振引脚1，或外部时钟输入引脚。
22 脚（RBIAS1）：为参考电流提供精确的偏置电阻。
26 脚（RBIAS2）：提供精确电阻，43 kΩ，±1%。
32 脚（RF_P）：在RX 期间向LNA 输入正向射频信号；在TX 期间接收来自PA 的输入正向射频信号。
34 脚（RF_N）：在RX 期间向LNA 输入负向射频信号；在TX 期间接收来自PA 的输入负向射频信号。
43 脚(P2_4/XOSC_Q2)：32.768kHz XOSC的2.3端口。
44 脚(P2_4/XOSC_Q1)：32.768kHz XOSC的2.4端口。[8]
4.4 RS-485总线
4.4.1 RS485 总线简介
RS-485 标准是由EIA —电子工业协会和TIA —通讯工业协会共同制订和开发的。EIA 协会曾经在它所有标准前面加上RS 前缀（Recommended Standard 的缩写）。这种名称被许多工程师一直延用。
4.4.2 RS485 总线应用场合
RS-485总线作为一种多点差分数据传输的电气规范，已成为行业内应用最为广泛的标准通信接口之一。这种通信接口允许在一对双绞线上进行多点双向通信，它所具有的噪声抑制能力、数据传输速率、电缆长度及可靠性是其他标准无法比拟的。也正因为此，许多领域都采用RS-485总线进行数据传输。例如：汽车电子、局域网、无线传感器网络等都可以见到具有RS-485接口电路的设备。这项标准得到广泛应用的另外一个原因是RS-485 标准只对接口的电气特性做出规定，而不涉及接插件、电缆或协议。
4.4.3 RS485总线电气性能
RS485 总线电气性能见下表：
表4.4.3 RS485 总线电气性能 4.4.4 RS485 总线特点
（1）RS-485的电气特性：两线间的电压差为+(2~6)V时用来表示逻辑“1”； 两线间的电压差为-(2~6)V时用来表示逻辑“0”。
与串行接口RS-232相比，RS-485接口信号电平有所降低，不易对接口电路的芯片造成损坏。而且RS-485接口信号电平与TTL 电平兼容，与TTL 电路连接时十分方便。
（2）RS-485接口采用的是差分接收器和平衡驱动器的组合。这种组合对于提高RS-485的抗共模干扰能力很有帮助，即可提高抗噪声、抗干扰性能，系统的可靠性得到增强，通信距离也得到了延长。
（3）RS-485最高传输速率达到10Mbps ，最大的通信距离达到1219m 。RS-485的传输速率是传输距离的倒数，成反比关系。只有在RS-485的传输速率小于100Kbps 时，才能达到其理论上的最大通信距离。增加RS-485中继器可以延长其传输距离。
RS-485总线在正常情况下，最多可以支持32个节点。但是要扩大其支持的节点数的话，可使用485芯片。通过这种方法，可以将节点数增加到128或者256，最多可以达到400多个节点。
（4）采用RS-485总线，系统的设计、安装及调试都比较简便；转换接口便宜而且种类繁多；系统维护、设备更换以及系统扩充也比较方便；且系统的安全性和可靠性好。[9] 5 系统硬件设计
5.1 数据采集单元
数据采集单元是通过传感器来监测水体中的参数，由于环境的不确定性，我们要求传感器具有高精度和低功耗。本系统选取美国Global Water 公司所生产的WQ 系列WQ101水温传感器、WQ201PH 值传感器、WQ401溶解氧传感器和WQ730浊度传感器和德国WTW 公司生产的 AmmoLyt plus 700 IQ 在线氨氮检测传感器。其技术参数如下表所示。
表5.1 传感器技术参数
美国Global Water 公司的WQ101温度传感器是一个坚固、值得信赖的、可潜入水中进行高精度水温测量的仪器。其传感器连接到7.6m 的海洋级电缆，电缆长度可根据需要
多达152m 。温度传感器输出是4-20毫安，二线配置，电子元件完全封装在不锈钢外壳中。
WQ201PH 值传感器是一个坚固耐用、可靠的PH 值测量装置。其传感器连接到7.6m 的海洋级电缆，电缆长度可根据需要多达152m 。PH 值传感器输出是4-20毫安，三线配置，其电子产品是完全封装在环氧树脂海洋级不锈钢外壳中。PH 值传感器还使用了可拆卸的防护罩，易于维护。
WQ401溶解氧传感器是一个坚固耐用、可靠的溶解氧测量装置。其传感器连接到7.6m 的海洋级电缆，电缆长度可根据需要多达152m 。输出是4-20毫安，三线配置，其电子产品是完全封装在环氧树脂海洋级不锈钢外壳中。溶解氧传感器采用可拆卸的外壳，使得溶解氧元件易于维护。
WQ730浊度传感器是一种为环境和工程服务的可进入水中的高精度测试仪表。应用范围包括：水质监测和管理、河监控、溪测量，水库水质监测，地下水测量，废水处理渗透和工业管理。
德国WTW AmmoLyt plus 700 IQ 在线氨氮检测传感器是一种坚固可靠的氨氮检测装置。其传感器可以在线检测氨氮，以补偿钾离子干扰，配置非常经济实用，无需校正，长期稳定性好，而且响应快速。
5.2 数据处理及通讯模块
图5.2 数据处理及通讯模块电路图
CC2430需要有32MHz 的晶振用于250Kbps 数据接受发送。这个参考频率可以使用外接时钟，也可以使用内部晶体振荡器。如果使用外部时钟，直接从Q1引脚引入，Q2保持悬空；如果使用内部晶体振荡器，晶体接在Q1和Q2引脚之间。
图5.2中有两个石英晶振，其中与电容C1、C2相连的晶振为32 MHz，是节点正常工作时使用的；与电容C3、C4相连的晶振为32.768 kHz，在系统休眠时工作，有降低功耗的作用。C1、C2都为22pF ，C3、C4都为15pF 。C5是一个滤波电容，作用是防止单片机复位错误，C5为0.1μF 。C6、C7、C8都是滤波电容，C6为100nF ，C7为220nF ，C8为220nF 。电容C9和电感L1、L2、L3以及一个PCB 微波传输线组成了电路中的非平衡变压器，整个结构满足RF 输入/输出匹配电阻(50Ω) 的要求，C9为5.6pF ，L1为8.2nH ，L2为22nH ，L3为1.8nH 。C10—C14为去耦合电容，作用是电源滤波，能够提高芯片工作的稳定性。R1，R2为偏置电阻器，R1为43k Ω，R2为56k Ω，R1的作用是为32 MHz
晶体振
荡器提供精密偏置电流。
5.3 电源模块
由于水产养殖参数监测系统有无人看守，数据量低的特点。但同时也存在电源铺线复杂，故障不易排除等特点，因此本系统采取效率高的开关电路。可以用4 节1.2 V 电池供电，开关电路将输入电压转化为系统需要的3.3 V 电压。电源模块如图八所示[10]。
图5.3 电源模块电路
6 系统软件设计
本系统的开发环境为IAR 7.20H，通信网络协议栈为Z-STACK 。[11]
协调器主要负责传感器网络的联网，接受来自传感器的数据并将之传送给总控制器。协调器节点有一个网络地址表，当有新的节点想加入网络时，向协调器发出联网申请，协调器收到该消息后转交给总控制器。由总控制器来决定是否接受新节点。
协调器还根据总控制器命令定时地向网络发出数据采集命令，传感器将采集到的数据传回到协调器节点，协调器节点对多个传感器数据进行进一步整合，再由RS485送到总控制器。协调器节点流程图如图6.1所示。
网络节点板在不采集数据时处于休眠状态，即当节点不被查询时；节点一旦被查询，开始采集数据，并把数据传送到cc2530模块，经过cc2530 的处理发送数据到上位机，上位机流程图如图6.2所示，网络节点流程图如图6.3所示。
图6.1 协调器节点流程图
图6.2 上位机流程图
N
N
图6.3 网络节点流程图
7 实验测试结果及分析
利用以下器材来构建实验平台来测试传感节点。网络协调器，传感器节点，计算机和相关的软件（如上位机软件、串口调试助手等）。实验平台的实物如图7所示。
图7 实验平台的实物照
7.1 系统测试结果
试验鱼池是10 m×10 m的水池，深度1.5 m，鱼池实际水位1.2 m。标准大气压、环境温度22～28℃，鱼池中养殖大闸蟹。
试验分两部分内容：
1）验证无线传感网络水质数据的检测和传输的正确性。 2）验证各环境因子的变化范围是否满足需要。
7.1.1 组网测试结果
图7.1表明，网络协调器成功组建了一个星型网络，传感节点到汇聚节点是单跳的方式，汇聚节点转发数据包给网关。
图7.1.1网络结构及相关信息
7.1.2 数据传输测试结果
收集系统不间断测得一天内各参数值的日变化如下表7.1所示：
表7.1 参数值的日变化
由数据可见，各个参数变化非常的稳定，温度变化在+0.5℃范围内，溶解氧变化量稳定在+0.4mg/L，PH 变化很小，浊度及氨氮含量均在要求范围内。系统在现场环境下运行稳定，实现了对溶解氧、PH 和温度等水产养殖环境参数的准确检测控制和无线传感器网络通信功能。另外, 控制精度达到了设计目标，满足实际运行的需要。
结 论
通过测试，采集的数据表明本文所研究的基于CC2530的水产养殖监控系统的设计方案是可行的，所设计的传感节点的功能也顺利实现。
在本次设计研究和撰写论文的过程中，我查阅了许多文献资料，从中学到了很多有关系统开发和程序调试方面等的知识。在软件开发过程中掌握了一些技术难题的解决方法和技巧，巩固和加深了所学知识的理解，能够把所学的知识与实践相结合，培养了认真严谨的学习态度，为以后开发软件积累了大量的经验，提高了分析问题和解决问题的能力。
基于ZigBee 无线传感器网络的水产养殖监控系统大规模的运用，可以减少人力管理带来的各种问题，具有低成本、运行可靠、适用面积广等特点，可以实现大规模水产养殖中监控的信息化，提高水产品的产量和质量、降低生产成本、减轻劳动强度，是一个值得在多种行业里大力推广的好技术。
参考文献
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致 谢
在此论文撰写过程中我遇到了很多的困难和障碍，都在同学和老师的帮助下一一解决了，我要感谢我的论文指导老师——俞阿龙教授。在整个论文写作过程中，他对我进行了耐心的指导和帮助，提出严格要求，引导我不断开阔思路，为我答疑解惑，鼓励我大胆创新，这使我在大学最后生活的时光中，既增长了知识、开阔了视野、锻炼了心态，又培养了良好的钻研精神。他那严谨的治学作风，一丝不苟的工作态度将会指导我以后的工作学习，在此，我向俞阿龙教授表示最诚挚的谢意！
同时还要感谢我的同学和朋友，他们在我论文的写作过程中提出了很多有用的意见与建议，还在论文排版过程中提供热情的帮助。
最后还要感谢这篇论文引用所有文献的学者们，如果没有各位学者的研究成果的帮助和启发，我将很难完成本篇论文的写作。