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2015年第15届控制，自动化与系统国际会议（lCCAS 2015）

2015年10月13日至16日，韩国釜山BEXCO

基于ZigBee的养虾场无线温度监测系统

Apinai Rerkratn^{1 *}与Anucha Kaewpoonsuk ²

1泰国曼谷Ladkrabang King Mongkut技术学院工程学院

（电话： 66-81-3459-3161;电子邮件：apinai@gmail.com）*通讯作者

2 Naresuan大学理学院物理系，泰国Phitsanulok 65000

（电话： 66-2-326-4778;电子邮件：anuchak @ nu.ac.th）

摘要：提出了一种基于ZigBee技术的养虾场无线温度监测系统的设计与实现方案。该系统由三线电阻温度装置（RTD）型PT-I00，电流源电路，XBee Pro模块，增益为5dBi的2.4GHz天线，Arduino Uno R3微控制器板和用于监控系统的LabVIEW程序组成。标准温度浴的实验结果表明，该系统能够以满意的数据监测温度。温度的最大误差约为0.25％。系统的最大范围约为500米。

关键词：ZigBee，温度监测，无线监测。

一、简介

因为无线，低成本和低功耗的特点，ZigBee设备被普遍在家庭和工业中应用。 ZigBee的传输距离约为10-1500米，但具体取决于功率输出，天线和环境特性。 ZigBee可以作为协调器模式，路由器模式或终端设备模式与用户配置一起运行。 ZigBee的最大数据传输速率约为每秒250000比特。 Manny ZigBee模块由微控制器，模数转换器（A/D转换器），数字输入，数字输出和闪存^[1]组成。

ZigBee广泛用于工业监控和家庭自动化，如家庭娱乐和控制，家庭智能照明，家庭安全和安保，无线传感器网络，工业控制和监控，嵌入式传感，医疗数据收集，烟雾和入侵警告以及楼宇自动化等方面。许多研究人员提出将ZigBee应用于工业监测和家庭自动化^[2-5]。 Farihah Shariff等领域。介绍了基于Zigbee的数据采集系统，用于在线监测并网光伏系统^[2]。王鑫等人提出了基于ZigBee和GPRS的在线水监测系统^[3]。 N. C. Batista等人建议ZigBee对城市风力发电机进行无线监控^[4]。 Woong Hee Kim等人提出了基于ZigBee的实时能量监测与控制系统^[5]。

本文提出了基于ZigBee技术的低成本无线温度监测系统，用于养虾场。温度是养虾场中最重要的因素，因为温度变化会改变虾的生长，存活和饲料转化。持续监测水中的温度，为管理养虾场的必要性提供信息^[6-7]。

二、系统设计

所提出的系统如图1和图2所示，其包括传感器测量系统和监测系统。

图1传感器测量系统框图。

从图1中可以看出，传感器测量系统包括三线电阻温度装置（RTD）型PT-100，电流源和信号调理电路，Arduino Uno R3微控制器，XBee Pro模块和增益为5dBi的2.4 GHz天线。建议电流源和信号调试电路的电路图如图2所示。我们使用lm334 3端可调电流源为PT-100传感器产生1 rnA恒定电流。输出电压与PT-100的电阻值成比例。 PT-100的输出电压以增益20发送到放大器电路。电流源和信号调理电路的输出电压可以用公式（1）和（2）表示。

V_PT100 = R_PT100 * 1 mA（1）

V_OUT = 20 * V_PT1OO （2）

放大器电路的输出电压发送到Arduino Uno R3微控制器，转换为10位分辨率的数字数据，然后通过XBee Pro模块发送到监控系统。

图2电流源和信号调理电路。

所提出的传感器测量系统如图3和图4所示。

图3提出的RTD PT-100传感器测量系统。

图5用于实验的三线电阻温度装置（RTD）型PT-100。

图6监控系统框图。

从图6可以看出，监控系统由XBee Pro模块、增益5dBi的2.4 GHz天线、接口电路和用于控制和监控的计算机组成。来自XBee Pro模块的数字数据通过通用串行总线（USB）发送到计算机。计算机用于通过LabVTEW程序将数字数据转换为温度值。LabVTEW程序的框图和前端显示面板如图7和图8所示。

图7 LabVIEW程序框图。

图8 LabVIEW程序的前端面板。

系统显示了在120分钟之内的室温。从图10中可以看出室温在120分钟内的温度图。 绿线，红线和蓝线分别显示温度图，高温报警和低温报警。 高温报警和低温报警可由用户定义。 表1显示了传感器测量系统和监测系统之间的变化距离的实验结果。

表1 改变距离的实验结果

三、实验结果

从图9中可以看出所提出的无线温度监测系统实验结果分为两部分。 图10显示了室温下的实验结果。

图9设计的无线温度监测系统

图10无线温度监测系统面板

1. 结论

本文提出了一种基于ZigBee技术的养虾场无线温度监测系统的设计与实现。 标准温度浴的实验结果表明，该系统能够以满意的数据监测温度。 温度的最大误差约为0.25％。 系统的最大范围约为500米。

1. 感谢

这项工作得到了高等教育研究促进会（HERP）的支持。

参考文献

[1] https://en. wikipedia. org/wiki/ZigBee

[2] Farihah Shariff, Nasrudin Abd Rahi and Hew Wooi Ping, 'Zigbee-based data acquisition system for online monitoring of grid-connected photovoltaic system,' Expert Systems with Applications, Vol. 42 pp. 1730-1742, 2015.

[3]Xin Wang, Longquan Ma and Huizhong Yang, 'Online Water Monitoring System Based on ZigBee and GPRS,' Procedia Engineering, Vol. 15, pp. 2680 - 2684, 2011.

[4] N.C. Batistaa, R. Melicioa, Y.M.F. Mendesa and J. Figueiredo, 'Wireless Monitoring of Urban Wind Turbines by ZigBee Protocol: Support Application Software [4]and Sensor Modules,' Procedia Engineering, Vol. 17, pp. 461 - 470, 2014.

[5]Woong Hee Kim, Sunyoung Lee and Jongwoon Hwang, Real-time Energy Monitoring and Controlling System based on ZigBee Sensor Networks,' Procedia Computer Science, Vol. 5, pp. 794-797, 2011.

[6]James Wyban, William A. Walsh, David M.G odin, 'Temperature effects on growth, feeding rate and feed conversion of the Pacific white shrimp (Penaeus vannamei) ', Aquaculture, 138,pp. 267-279, 1995.

[7]Jesus Ponce-Palafox, Carlos A. Martinez-Palacios,Lindsay G. Ross, 'The effects of salinity and, temperature on the growth and survival rates of juvenile white shrimp, Penaeus vannamei, Boone,1931 ' Aquaculture, 157, pp. 107-115,1997.

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