2.4.1 系统需求分析

在淡水的养殖过程中，适宜的水环境对水产养殖生物十分重要。水温会对生物自身代谢产生影响，对于暖水性鱼来说，24-32℃较适宜，但冷水性鱼类应控制在 9-18℃。养殖水中 p H 范围一般为 6.5-9.0，p H 小于 6.5 时呈酸性，易引起水产生物酸中毒；p H 过高时呈强碱性，会使水产生物呼吸困难。在水中溶解氧的含量不得比 5.00mg/L 低，尤其一旦小于 3.00mg/L，则会使水产生物因严重的缺少氧气而导致死亡。养殖水中悬浊物过多会增加水中的含氮物，故对浊度的检测也非常重要。养殖水中，几乎所有的可溶解盐都是以离子状态存在在，且可导电，因此判断水的电导率可间接地反映水中溶解固体的含量[28]。综上分析，若想要给水产生物一个适宜的成长环境，必须准确且实时地掌握握水质的变化。根据调查与研究，对系统基本的功能需求的设计如下：

1. 监测参数及技术指标

检测范围：p H 值为 0-14，温度为 0℃-50℃，浊度为 0-10NTU，溶解氧为0-20mg/L，电导率为 0-200μs/cm。检测精度：p H 值为±0.01，温度为±0.5℃，浊度为±0.5NTU，溶解氧为

±0.1mg/L，电导率为±1μs/cm。传输距离：每个节点之间设置的传输距离应控制在 20 米左右。

2. 监测时效性

能实现各水质参数的 24 小时实时在线监测，并可按实际需求自由设置监测测试得采样周期，本文设置的采样周期是 30 分钟。

3. 监测数据分析

在上位机实时显示与自动存储，并可按实际养殖品种及天气变化等因素自有的设定各水质参数的检测标准，当某水质参数超标时，系统能及时报警，并结合历史数据去预测未来 48 小时内的各种水质参数，达到提前预防的效果。

2.4.2 系统总体设计方案

养殖水中对水质的监测其困难之处主要表现在：首先，水环境中的布线问题题较难且不易进行维护；其次，必须在同一监测点的同一采集节点能够采集多少个水质参数，并在该监测点区域布置多个采集节点，同时应使各采集节点的处理能力更高；再次，监测点及其各采集节点的位置布置必须合理；最后，系统具有预测未来某时刻水质状态的功能。综合上述问题后，本文提出了基于Zig Bee的水产养殖水质在线监测系统。系统由终端节点、路由节点、汇聚节点组成和远程监控中心构成。

终端节点与路由节点是采用分布式结构，通过多路传感器检测各水质参数后将其转换成数字信号，通过Zig Bee无线模块将数据上传；连接网络后，终端节点只与其相连的路由节点交换数据，路由节点间通过其他路由节点经多跳方式向监测区域的汇聚节点发送数据。汇聚节点将从路由节点收到的各水质数据，经过GPRS将其上传给监控中心，同时还接收来自监控中心下发的指令。监控中心则是通过上位机界面对数据进行处理和储存，并对水质状态进行预测等，为养殖户更好的对养殖区的水环境进行实时远程监测提供了支持。同时系统通过预测功能达到了提取预防的目的，进而降低养殖户的经济损失。各监测点内的各节点之间是利用网状拓扑结构对网络进行组建的，如果出现某节点其请求是加入网络时，则网络会自动的进行组建。如果系统没有出现问题，网络中的各节点不会一直运行，它们会在每次数据传输成功后，让它们进入休眠的状态，在下次采集时刻到来是，再对其进行唤醒。各节点均有对其电源进行管理的功能，可以对电池的电量进行检测，当其比阈值低时，系统发出报警的信号，用来提示用户更换其电池。

2.4.3 系统无线通信方式选择

1. 近距离无线通信方式选择

近距离无线通信方式有多种，每种都有其优势与不足。WiFi 网络中其节点的数目比较少且其功耗比较高；IrDA 只可以在两点间传输数据，同时不可以越过障碍物；蓝牙抗干扰的能力较弱且其传输的距离比较短；相对而言，Zig Bee 其拥有较强抗干扰的能力，成本比较低且能够进行组织网络的节点的数量较大。系统的主要特点是：监测点的数目多；每次传输的数据量不大；设备不能太大、能量消耗较低，成本较小等。综上所述，Zig Bee 的特点符合系统的设计要求，采用的是 CC2530 型号来进行近距离的数据通信。

2. 远距离无线通信方式选择

GSM 使用 2G 标准，能够提供很多种的业务，通讯的质量较高。但其容量相对来说较小、抗干扰的性能差，数据的延时等。3G 能够通过现存的网络完成系统的远程数据采集，其特点是数据进行交换的速度较快，网络覆盖的区域较广。数传电台其优点是可以进行大容量的数据传输，传输的距离可以很长，缺点是如果传输端数量很多时，其进行采集的时间就会变长。GPRS 其成本比较低，建设的周期比较短，能快速查找出故障的原因，费用在后期花费较低，维护起来比较简单。比较上述四种方案，考虑到成本以及其覆盖的范围，GSM 不太合适；如果选择 3G 网络，就会浪费很多资源；数传电台在网络中有盲点存在且费用比较高；GPRS 网络的覆盖范围比较广，安全性比较高，网络的速度快，建设周期短且成本低，线路永远在线。系统选的是 SIM900A 型号的 GPRS 模块进行远距离无线通信。