基于射頻RF技術的魚塘溶解氧無線監控系統的研究

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，氧量繼續下降到臨界狀態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。水場要為在其中生長的魚類提供一個良好的環境，使用的主要手段是給定水場自動控制系統一個最佳的設定值，設計一個良好的智能控制算法。這是水產養殖環境控制的兩大核心問題。它又不同于工業過程控制，工業上的控制系統的設定值是已知的；控制器的輸出一般是連續量。而水場調控系統的設定值是魚類等生長的時間模型(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量(控制熱泵、增氧泵、水閥門、水泵等)。通過研究該類系統的控制算法，能夠協調各個執行機構按照一種優化的方法動作，使水場內的環境盡可能地滿足魚類生長的需要與生態需求。因此對水體這兩大主題進行研究是必要的，同時對促進工廠化漁業發展也有著深遠的意義。目前，國外的發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，離應用還有一定的距離。而且國外并沒有把無線監控和無線通訊報警等技術應用到魚塘監控系統中，所以本系統采用無線射頻模塊構建一個支持控制系統正常運作的，充分考慮水體生產效益的智能決策支持系統(設定點)是很有意義的。
??? 通過對魚塘中影響魚類生長的多環境因子的綜合分析與評價，認為水中的溶解氧是影響魚類生長最為關鍵的因素，而溶解氧又與水的溫度有著密切的關系，所以本文研究基于魚塘溶解氧的無線監控系統。本文采取上位機軟件監控和下位機采集、控制的研究方法，電路設計采取工程上長期采用的電路確保系統的安全性，在軟件方面結合現有的控制方案進行優化。利用AVR單片機和RF射頻技術，構建一個基于RF射頻技術的魚塘溶解氧無線檢測與控制系統，有效地提高了魚類的安全性。

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

??? 通信方式采用主從結構，整個系統有一個主站，多個從站。主站與從站之間采用無線射頻方式進行通信，這樣，相對于每個魚塘都設置一個GSM模塊來說可以節省大量資金。而主站和業主之間采用GSM網進行通信，只要是GSM網覆蓋的范圍都能進行通信，這樣既擴大了通信范圍和空間，又保證了通信質量。只要業主的手機帶在身邊則隨時都可以知道自己魚塘中的氧含量。

1．1 從站的硬件設計
??? 本系統使用瑞士Hamilton公司的溶解氧電極檢測魚塘中水的含氧量，它廣泛應用于水、廢水、游泳池和魚塘，該電極有一個內置的22 kΩ的溫度補償電阻，極化和反應時間極短，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的標準信號。把這個標準信號接入一定的電阻和電容后，轉化為0～5 V電壓信號，這樣就可以送入單片機進行A／D轉換了。
??? ATmega128 AVR單片機是由美國ATMEL公司研制開發的，具有增強型Flash的RISC精簡指令集高速8位單片機。AVR單片機可以廣泛應用于計算機外部設備、工業實時控制、儀器儀表、通信設備、家用電器等各個領域。AVR單片機廢除了機器周期，拋棄復雜指令計算機(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，將內容豐富的操作數與操作碼安排在一字之中(指令集中占大多數的單周期指令都是如此)，取指令周期短，又可預取指令，實現流水作業，故可高速執行。在從站中的AVR單片機接收標準的0～5 V信號，利用片內的12位A／D轉換器做A／D轉換，并把轉換的結果與設定值進行比較，啟停增氧機；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。它具有微功率發射，最大發射功率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300～4 000 m(BER=1 200 b／s)；透明的數據傳輸；多信道；雙串口，3種接口方式；智能數據控制，用戶無需編制多余的程序等特點。RF射頻模塊與單片機連接，進入單片機的采集的數據通過RF射頻模塊就可以實現主、從機多點雙向數據傳輸了。從站的主體電路圖如圖3所示。

1．2 主站的硬件設計
??? 主站的STR－30射頻模塊循環接受從站發送來的數據，把各個從站的溶解氧循環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。由于季節的不同，魚塘中溶解氧含量的設定值也有所變化，用戶可以在前面板上修改設定值，而無需修改程序，大大地方便了用戶的使用。當魚塘中的溶解氧超出沒定值時，為了及時地反映系統的狀況，本系統使用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連接，作為一個無線通訊應用單元，此產品是在核心模塊的基礎上，增加了供電、SIM／UIM卡、物理電平轉換、語音電路、接口等電路；并且外形緊湊、尺寸小，方便集成到各種應用。在GSM模塊的插槽內插入手機SIM卡，在前面板上設定用戶的手機號，用單片機來控制GSM模塊，那么GSM模塊就可以像手機一樣進行收發短信息。這樣，在溶解氧超過限值，發出報警信號后主站就可以通過GSM模塊向業主發出短信息，以便通知業主。最后，主站把從站傳遞來的溶解氧信號通過RS232以數據幀的方式發送給PC，PC實時采集數據進行監控。電平轉換部分由MAX232芯片完成。
1．3 增氧機的控制技術
??? 本系統通過對水體溶解氧含量的實時檢測，將當前溶氧量與設定參數進行比較，再經過AVR單片機的處理，通過單片機發出控制信號經驅動器后控制光電耦合器的工作狀態。當光電耦合器工作后，使得繼電器的常開觸電閉合，進而控制增氧機工作。使用光電耦合器有效地降低了外部干擾對系統的影響，增強了系統的穩定性。這樣就可以實時控制增氧機的工作，使增氧機有目的、有效率地運行，減少了噪聲污染，降低了能源消耗。

2 系統的軟件設計
??? 系統軟件的單片機程序采用C語言編寫而成，包括鍵盤、顯示、數據采集與數據處理等模塊化程序。鍵盤處理程序主要根據不同的季節完成溶解氧上下限的設定，按鍵動作的識別采用軟件去抖動的方法。整個系統結構分明緊湊，程序運行可靠。
2．1 從站的軟件設計
??? 從站主要完成數據的采集，A／D轉換啟停增氧機和向主站發送采集到的數據等工作，系統的從站流程圖如圖4所示。

2．2 主站的軟件設計
??? 主站主要完成循環顯示各個從站的溶解氧含量、向業主發送手機短信以及和PC通信等，系統的主站流程圖如圖5所示。

3 系統運行與調試結果
??? 系統實物圖如圖6所示。

4 結束語
??? 本文使用RF射頻技術，并配以GSM的無線檢測與控制技術，設計了數據采集的硬件控制電路和軟件系統。測試結果證明，系統可以實時地24小時監控魚塘水溫、溶解氧和其他影響魚類生長的環境因素；業主可以實時地了解系統的狀況而不受地域范圍的影響；減輕了漁民的勞動強度，產生巨大的經濟和社會效益。