基于射頻RF技術(shù)的魚塘溶解氧無線監(jiān)控系統(tǒng)的研究

0 引 言
??? 溶解氧是魚類賴以生存和生長的必備條件之一。如果水中溶氧量降到一定限度，就會給魚類生長帶來不良的影響，氧量繼續(xù)下降到臨界狀態(tài)就可造成魚類大批死亡。水中含氧量主要與自然溫度、濕度和魚的密度等因素有關(guān)。水場要為在其中生長的魚類提供一個(gè)良好的環(huán)境，使用的主要手段是給定水場自動控制系統(tǒng)一個(gè)最佳的設(shè)定值，設(shè)計(jì)一個(gè)良好的智能控制算法。這是水產(chǎn)養(yǎng)殖環(huán)境控制的兩大核心問題。它又不同于工業(yè)過程控制，工業(yè)上的控制系統(tǒng)的設(shè)定值是已知的；控制器的輸出一般是連續(xù)量。而水場調(diào)控系統(tǒng)的設(shè)定值是魚類等生長的時(shí)間模型(溫度、pH值、溶氧量，氨氮量、渾濁度、水位等)，控制器的輸出大多是開關(guān)量(控制熱泵、增氧泵、水閥門、水泵等)。通過研究該類系統(tǒng)的控制算法，能夠協(xié)調(diào)各個(gè)執(zhí)行機(jī)構(gòu)按照一種優(yōu)化的方法動作，使水場內(nèi)的環(huán)境盡可能地滿足魚類生長的需要與生態(tài)需求。因此對水體這兩大主題進(jìn)行研究是必要的，同時(shí)對促進(jìn)工廠化漁業(yè)發(fā)展也有著深遠(yuǎn)的意義。目前，國外的發(fā)展趨勢主要是研究魚類生長的外界影響因素，主要是水體的溶氧、溫度可視化建模，離應(yīng)用還有一定的距離。而且國外并沒有把無線監(jiān)控和無線通訊報(bào)警等技術(shù)應(yīng)用到魚塘監(jiān)控系統(tǒng)中，所以本系統(tǒng)采用無線射頻模塊構(gòu)建一個(gè)支持控制系統(tǒng)正常運(yùn)作的，充分考慮水體生產(chǎn)效益的智能決策支持系統(tǒng)(設(shè)定點(diǎn))是很有意義的。
??? 通過對魚塘中影響魚類生長的多環(huán)境因子的綜合分析與評價(jià)，認(rèn)為水中的溶解氧是影響魚類生長最為關(guān)鍵的因素，而溶解氧又與水的溫度有著密切的關(guān)系，所以本文研究基于魚塘溶解氧的無線監(jiān)控系統(tǒng)。本文采取上位機(jī)軟件監(jiān)控和下位機(jī)采集、控制的研究方法，電路設(shè)計(jì)采取工程上長期采用的電路確保系統(tǒng)的安全性，在軟件方面結(jié)合現(xiàn)有的控制方案進(jìn)行優(yōu)化。利用AVR單片機(jī)和RF射頻技術(shù)，構(gòu)建一個(gè)基于RF射頻技術(shù)的魚塘溶解氧無線檢測與控制系統(tǒng)，有效地提高了魚類的安全性。

1 系統(tǒng)的硬件構(gòu)成
??? 系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖和主從機(jī)方案如圖1和圖2所示。系統(tǒng)主要組成部分包括：溶解氧傳感器、信號調(diào)理單元、AVR單片機(jī)、無線射頻模塊(RF模塊)、GSM(global system for mobile communications)模塊以及液晶屏等。系統(tǒng)的硬件部分主要完成信號調(diào)理和信號采集。整個(gè)硬件電路以ATmega128 AVR單片機(jī)為控制核心。

??? 通信方式采用主從結(jié)構(gòu)，整個(gè)系統(tǒng)有一個(gè)主站，多個(gè)從站。主站與從站之間采用無線射頻方式進(jìn)行通信，這樣，相對于每個(gè)魚塘都設(shè)置一個(gè)GSM模塊來說可以節(jié)省大量資金。而主站和業(yè)主之間采用GSM網(wǎng)進(jìn)行通信，只要是GSM網(wǎng)覆蓋的范圍都能進(jìn)行通信，這樣既擴(kuò)大了通信范圍和空間，又保證了通信質(zhì)量。只要業(yè)主的手機(jī)帶在身邊則隨時(shí)都可以知道自己魚塘中的氧含量。

1．1 從站的硬件設(shè)計(jì)
??? 本系統(tǒng)使用瑞士Hamilton公司的溶解氧電極檢測魚塘中水的含氧量，它廣泛應(yīng)用于水、廢水、游泳池和魚塘，該電極有一個(gè)內(nèi)置的22 kΩ的溫度補(bǔ)償電阻，極化和反應(yīng)時(shí)間極短，可以精確地檢測到水中的含氧量。傳感器輸出的溶解氧和溫度送人德國PISCO變送器，變送器可以輸出4～20 mA的標(biāo)準(zhǔn)信號。把這個(gè)標(biāo)準(zhǔn)信號接入一定的電阻和電容后，轉(zhuǎn)化為0～5 V電壓信號，這樣就可以送入單片機(jī)進(jìn)行A／D轉(zhuǎn)換了。
??? ATmega128 AVR單片機(jī)是由美國ATMEL公司研制開發(fā)的，具有增強(qiáng)型Flash的RISC精簡指令集高速8位單片機(jī)。AVR單片機(jī)可以廣泛應(yīng)用于計(jì)算機(jī)外部設(shè)備、工業(yè)實(shí)時(shí)控制、儀器儀表、通信設(shè)備、家用電器等各個(gè)領(lǐng)域。AVR單片機(jī)廢除了機(jī)器周期，拋棄復(fù)雜指令計(jì)算機(jī)(CISC)追求指令完備的做法；采用精簡指令集，以字作為指令長度單位，將內(nèi)容豐富的操作數(shù)與操作碼安排在一字之中(指令集中占大多數(shù)的單周期指令都是如此)，取指令周期短，又可預(yù)取指令，實(shí)現(xiàn)流水作業(yè)，故可高速執(zhí)行。在從站中的AVR單片機(jī)接收標(biāo)準(zhǔn)的0～5 V信號，利用片內(nèi)的12位A／D轉(zhuǎn)換器做A／D轉(zhuǎn)換，并把轉(zhuǎn)換的結(jié)果與設(shè)定值進(jìn)行比較，啟停增氧機(jī)；通過射頻模塊把檢測到的信號傳給主站。
??? 射頻傳輸使用STR-30。它具有微功率發(fā)射，最大發(fā)射功率10 mW；載頻頻率433～915 MHz；高抗干擾能力和低誤碼率；在視距情況下，天線高度>2 m，可靠傳輸距離可達(dá)300～4 000 m(BER=1 200 b／s)；透明的數(shù)據(jù)傳輸；多信道；雙串口，3種接口方式；智能數(shù)據(jù)控制，用戶無需編制多余的程序等特點(diǎn)。RF射頻模塊與單片機(jī)連接，進(jìn)入單片機(jī)的采集的數(shù)據(jù)通過RF射頻模塊就可以實(shí)現(xiàn)主、從機(jī)多點(diǎn)雙向數(shù)據(jù)傳輸了。從站的主體電路圖如圖3所示。

1．2 主站的硬件設(shè)計(jì)
??? 主站的STR－30射頻模塊循環(huán)接受從站發(fā)送來的數(shù)據(jù)，把各個(gè)從站的溶解氧循環(huán)顯示在主站的前面板上。前面板由4×4的按鍵和液晶屏組成。由于季節(jié)的不同，魚塘中溶解氧含量的設(shè)定值也有所變化，用戶可以在前面板上修改設(shè)定值，而無需修改程序，大大地方便了用戶的使用。當(dāng)魚塘中的溶解氧超出沒定值時(shí)，為了及時(shí)地反映系統(tǒng)的狀況，本系統(tǒng)使用ME40+的GSM模塊。ME40+是一款TTL／CMOS電平的嵌入式Modem，可直接與用戶的單片機(jī)連接，作為一個(gè)無線通訊應(yīng)用單元，此產(chǎn)品是在核心模塊的基礎(chǔ)上，增加了供電、SIM／UIM卡、物理電平轉(zhuǎn)換、語音電路、接口等電路；并且外形緊湊、尺寸小，方便集成到各種應(yīng)用。在GSM模塊的插槽內(nèi)插入手機(jī)SIM卡，在前面板上設(shè)定用戶的手機(jī)號，用單片機(jī)來控制GSM模塊，那么GSM模塊就可以像手機(jī)一樣進(jìn)行收發(fā)短信息。這樣，在溶解氧超過限值，發(fā)出報(bào)警信號后主站就可以通過GSM模塊向業(yè)主發(fā)出短信息，以便通知業(yè)主。最后，主站把從站傳遞來的溶解氧信號通過RS232以數(shù)據(jù)幀的方式發(fā)送給PC，PC實(shí)時(shí)采集數(shù)據(jù)進(jìn)行監(jiān)控。電平轉(zhuǎn)換部分由MAX232芯片完成。
1．3 增氧機(jī)的控制技術(shù)
??? 本系統(tǒng)通過對水體溶解氧含量的實(shí)時(shí)檢測，將當(dāng)前溶氧量與設(shè)定參數(shù)進(jìn)行比較，再經(jīng)過AVR單片機(jī)的處理，通過單片機(jī)發(fā)出控制信號經(jīng)驅(qū)動器后控制光電耦合器的工作狀態(tài)。當(dāng)光電耦合器工作后，使得繼電器的常開觸電閉合，進(jìn)而控制增氧機(jī)工作。使用光電耦合器有效地降低了外部干擾對系統(tǒng)的影響，增強(qiáng)了系統(tǒng)的穩(wěn)定性。這樣就可以實(shí)時(shí)控制增氧機(jī)的工作，使增氧機(jī)有目的、有效率地運(yùn)行，減少了噪聲污染，降低了能源消耗。

2 系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)
??? 系統(tǒng)軟件的單片機(jī)程序采用C語言編寫而成，包括鍵盤、顯示、數(shù)據(jù)采集與數(shù)據(jù)處理等模塊化程序。鍵盤處理程序主要根據(jù)不同的季節(jié)完成溶解氧上下限的設(shè)定，按鍵動作的識別采用軟件去抖動的方法。整個(gè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)分明緊湊，程序運(yùn)行可靠。
2．1 從站的軟件設(shè)計(jì)
??? 從站主要完成數(shù)據(jù)的采集，A／D轉(zhuǎn)換啟停增氧機(jī)和向主站發(fā)送采集到的數(shù)據(jù)等工作，系統(tǒng)的從站流程圖如圖4所示。

2．2 主站的軟件設(shè)計(jì)
??? 主站主要完成循環(huán)顯示各個(gè)從站的溶解氧含量、向業(yè)主發(fā)送手機(jī)短信以及和PC通信等，系統(tǒng)的主站流程圖如圖5所示。

3 系統(tǒng)運(yùn)行與調(diào)試結(jié)果
??? 系統(tǒng)實(shí)物圖如圖6所示。

4 結(jié)束語
??? 本文使用RF射頻技術(shù)，并配以GSM的無線檢測與控制技術(shù)，設(shè)計(jì)了數(shù)據(jù)采集的硬件控制電路和軟件系統(tǒng)。測試結(jié)果證明，系統(tǒng)可以實(shí)時(shí)地24小時(shí)監(jiān)控魚塘水溫、溶解氧和其他影響魚類生長的環(huán)境因素；業(yè)主可以實(shí)時(shí)地了解系統(tǒng)的狀況而不受地域范圍的影響；減輕了漁民的勞動強(qiáng)度，產(chǎn)生巨大的經(jīng)濟(jì)和社會效益。