基于單片機和短消息的淡水養殖溶氧濃度監控系統

李 珍

LI Zhen

（天津職業大學 機電學院，天津 300402）

0 引言

在淡水養殖中，飼料的投放、疾病防治、水溫、水中溶解氧濃度的檢測與控制對提高養殖產量與質量都非常重要。由于水中的溶解氧濃度受水溫的影響,加氧不及時而造成養殖損失的現象時有發生[1]。因此，溶解氧濃度的數據采集和處理成為提高養殖密度和產量的關鍵。但由于監測范圍廣，采樣點分散，難于實現有線網絡的遠程監控。本文根據實際情況開發了基于單片機和全球移動通信系統GSM（Global System for Mobile Communication）的無線遙控淡水養殖溶氧濃度監控系統。利用單片機進行智能監測與控制，利用GSM網絡的良好覆蓋功能和穩定可靠的數據通道，實時檢測多個單片機自動檢測點確保溶氧濃度監控參數準確及時的進行傳送。

1 系統整體設計

首先，溶解氧濃度傳感器將水中溶解的氧氣濃度值轉換成電流信號，經過轉換放大成電壓信號后，送至C8051F020單片機處理。單片機還將同時采集環境溫度和大氣壓力，對當時溶氧值的溫度和壓力進行補償[2]，獲得準確的溶氧值。 當水中溶氧值不滿足設定要求時，單片機以短消息的形式通知管理者并同時開啟氣泵,向水中輸入氧氣，直到溶氧值滿足要求為止。管理者還可現場設定溶氧值的大小，單片機可把溶氧值、溫度和壓力等參數通過GSM短消息模塊T35發送到控制中心PC機。控制中心也可將管理人員的控制命令、參數設定等按照短消息格式傳送到下位機的GSM短消息模塊T35，C8051F020單片機獲得相應的控制命令和設定參數后，進行相應的程序處理。控制系統原理如圖1所示。

2 水中溶解氧濃度檢測及補償

水中溶解氧的濃度測量使用原電池型氧傳感器。該傳感器使用覆膜酸性膠體電解質原電池式氧傳感器實現水中溶氧(DO) 濃度的測量。傳感器的兩個金屬電極密封在充有電解質的容器內，用選擇滲透性薄膜將小室封閉住，只有水中的氧氣可滲透該薄膜。因原電池作用或在電極上外加電壓使電極間產生電位差，該電位差使電池中產生電化學反應，形成電流。傳感器輸出電流大小與水中的溶解氧濃度成正比，因此可通過測量傳感器的輸出電流來測量水中的溶氧濃度。覆膜式氧傳感器的輸出電流與水中溶氧濃度關系[3]：

圖1 溶氧監控系統原理圖

式中：n 為反應電子數；F 為法拉第常數；A 為陰極表面積；D為氧擴散系數；L 為透氣膜外表至陰極表面的距離；c 為溶氧濃度。

當電池的材料和結構確定時，在一定溫度下,(1) 式可簡化為：

即電流與溶氧濃度成正比，為線性元件。式中，c為溶氧濃度；k為傳感器系數。

由于滲透膜的滲透性明顯地隨水溫變化,所以必須進行溫度補償。測溫電路采用半導體集成溫度傳感器LM35，溫度傳感器輸出信號經后級放大與變換,轉換為電壓信號后送入單片機,單片機根據溫度值變化對溶氧值進行補償。

3 硬件電路設計

3.1 C8051F020單片機

溶解氧濃度監控系統信號處理使用C8051F020單片機。Cygnal C8051F020單片機與8051指令完全兼容，它在片內集成了構成一個單片機數據采集或控制系統所要的幾乎所有模擬和數字外設和其他功能部件，它們包括：12 位多通道ADC、可編程增益放大器、12 位DAC、電壓比較器、電壓基準、溫度傳感器、SMBus/I2C 、2個全雙工UART、多級中斷源、可編程計數器/ 定時陣列(PCA) 、內部振蕩器、看門狗定時器以及電源監視器等，256字節+4KB 內部RAM、128字節特殊功能寄存器、64KB FlashROM，執行速度可達25MIPS[4]。單片機多路12位A/D轉換器可以直接與監控系統傳感器模擬信號相連，它自帶的存儲容量64KB的FlashROM和4KB RAM，完全能夠滿足本系統的需要，不必再擴展外部存儲器。

3.2 TC35模塊及其接口電路

TC35模塊是德國西門子公司推出的40個引腳無線通信GSM調制解調器。TC35模塊的引腳可以劃分為5類，即電源、數據輸入/輸出、SIM卡、語音接口和控制[5]。

SIM卡包含了所有的用戶數據（用戶識別信息，輔助業務信息、短信息、移動信息和無線電資源信息等）只有插入SIM卡，移動終端才能接入網絡。TC35使用外接式SIM卡，ZIF連接器上有6個引腳作為SIM卡的接口。

TC35模塊提供的是RS232 數據口,因此單片機對TC35 模塊的控制和通信信號要進行電平轉換。單片機與TC35及電平轉換接口電路如圖2所示。

圖2 單片機與TC35及電平轉換接口電路

3.3 按鍵及顯示器

通過單片機P 1口連接了“測量”“設定”“校正”“清洗”等功能鍵和數字鍵，使溶氧濃度監控系統能測量和設定溶氧值外，還具有大氣壓力校準和定時清洗溶氧傳感器探頭功能。由于氧的溶解度和大氣壓力有關，管理者需通過鍵盤輸入當地的大氣壓力，由軟件完成大氣壓力的校準。系統通過控制氣泵開關，用氣流吹掉溶氧傳感器探頭上的附著物,實現探頭的定時自動清洗[6]，管理者可以對沖洗間隔和沖洗時間進行設定。

通過單片機P3口連接液晶顯示器，用來顯示測量值和設定值。

4 軟件設計

系統軟件主要包括單片機程序和PC機程序。

4.1 單片機控制程序

單片機需完成與PC機定時通訊、按鍵功能處理、定時采集與數據傳輸、數據顯示與現場處理、短信提醒、接收和處理控制中心的命令等功能，單片機軟件設計流程圖如圖3所示。

當按鍵處于測量檔時，單片機間隔一定的時間，采集水中溶解氧濃度、溫度和大氣壓力，補償后獲得準確的溶氧值，并與設定水中溶氧值比較，不滿足要求時以短消息通知相關管理者和控制中心PC機，同時打開氣泵，向水中輸入氧氣，直到溶氧值滿足要求或接到控制命令為止。單片機還將定時與中心PC機通信，傳送溫度、壓力、溶氧值等消息。

圖3 單片機軟件設計流程圖

4.2 短消息處理

當水中溶解氧濃度與設定值不符時，單片機以短消息通知相關管理者和控制中心PC機。單片機通過向TC35寫入不同的AT指令完成多種功能，如網絡登錄、讀取SIM卡號碼、接收和發送SMS消息等。初始化包括設置串口波特率、短消息的控制、采用PDU模式等。常用的AT指令包括[7]：

AT +CSCA 設置消息中心地址

AT +CMGS 發送短消息

AT +CMGR 讀取短消息

AT +CMGD 刪除短消息

AT +CMGL 短消息列表

AT +CNMI 顯示新收到的短消息

發送傳輸數據是以十六進制形式表示，傳送時將其轉換成ASCII碼。

4.3 控制中心

控制中心隨時獲得從站的溶氧值、溫度等參數，VB 編寫的管理程序完成顯示、報警及分析處理等。也可將管理者的控制命令包括從站的選擇、采集時間間隔、探頭清洗時間、補償參數設定等信息參數按照短消息格式傳送到下位機的GSM短消息模塊T35，C8051F020單片機獲得相應的控制命令和設定參數，進行相應的處理程序，還可進行儲存數據、打印報表等操作。

5 結束語

基于單片機和短消息的淡水養殖溶氧濃度監控系統實現了現場控制和遠程無線遙控數據采集、處理、傳輸等功能，由于GSM網絡的良好覆蓋功能和穩定可靠的性能，使這個系統安全、方便，價格低廉，具有廣闊的應用前景。

參考資料：

[1] 鄭勁松.淺水池塘高產養殖技術研究[J].安徽農業科學,2002,30.

[2] 秦文正,吳亞英.高精度數字式溶氧儀[J].分析儀器,1998,1.

[3] 侯加林,王會明,聶宜茂. 智能型溶解氧分析儀的研制[J].電子與自動化,1998,4.

[4] 潘琢金.C8051F高速SOC單片機原理及應用[M].北京：北京航空航天大學出版社,2002.

[5] 郭紅霞,潘斌,王章瑞.CygnalF020控制TC35的無線終端的設計[J].儀器儀表用戶,2004,4.

[6] 王玉田,劉蕊,侯培國.一種新型溶解氧濃度測量儀的設計[J].儀表技術與傳感器,2003,9.

[7] 譚寶成,王鵬.基于SMS控制系統設計[J].單片機與嵌入式系統應用,2002,10.