基于LabVIEW的水環(huán)境因子無線監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計

袁 琦，儲春華，李中品，李潔菁

（海南大學 機電工程學院，海南 儋州 571737）

水產(chǎn)養(yǎng)殖環(huán)境因子的狀況直接影響水產(chǎn)品的產(chǎn)量、品質(zhì)及安全生產(chǎn)。因此，在現(xiàn)代工廠化養(yǎng)殖中，對養(yǎng)殖水體的溫度、酸堿度（pH）、溶解氧、氨氮值、電導率等環(huán)境因子進行自動監(jiān)測，正受到越來越多的關(guān)注[1]。

根據(jù)傳輸介質(zhì)的不同，通常數(shù)據(jù)信息傳送可分為有線數(shù)據(jù)傳輸和無線數(shù)據(jù)傳輸。有線數(shù)據(jù)傳輸存在布線麻煩、維護成本高、數(shù)據(jù)精度差、可靠性較低等缺點[2-3]。而無線數(shù)據(jù)傳輸由于其靈活性和便利性，已廣泛應(yīng)用到社會各個領(lǐng)域，如國防軍事、環(huán)境監(jiān)測和預報、大型車間和倉庫管理、機場和大型工業(yè)園區(qū)的安全監(jiān)測等[4-5]，并且顯著地提高了工作效率。為此，筆者應(yīng)用NRF24L01無線通信模塊，結(jié)合虛擬儀器技術(shù)，系統(tǒng)上位機以LabVIEW為開發(fā)工具設(shè)計了一種水產(chǎn)養(yǎng)殖環(huán)境因子無線監(jiān)測系統(tǒng)。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計

如圖1所示，監(jiān)測系統(tǒng)由單片機監(jiān)測終端和監(jiān)測中心PC機組成。其中單片機監(jiān)測終端由傳感器數(shù)據(jù)采集模塊、A/D轉(zhuǎn)換模塊、LCD顯示模塊、無線通信模塊等構(gòu)成。單片機監(jiān)測終端既可以獨立完成各種信息的采集、預處理及顯示任務(wù)，又能向監(jiān)測中心PC機傳送所采集到的數(shù)據(jù)信息。監(jiān)測中心PC機主要完成數(shù)據(jù)存儲、數(shù)據(jù)顯示、數(shù)據(jù)管理、數(shù)據(jù)查詢和歷史資料統(tǒng)計分析等功能。

本系統(tǒng)的具體工作過程如下：首先，各傳感器把采集到的非電量轉(zhuǎn)換成微弱的電壓信號，通過調(diào)理電路變換為4～20 mA的標準電流信號，然后，通過電流/電壓轉(zhuǎn)換器，將電流信號轉(zhuǎn)換為電壓信號傳送給單片機，單片機對水質(zhì)數(shù)據(jù)進行分析處理后，通過無線通信模塊發(fā)送出去，監(jiān)測中心PC機收到數(shù)據(jù)信息進行統(tǒng)計分析、存儲、以曲線圖和表格形式實時顯示水質(zhì)數(shù)據(jù)，從而實現(xiàn)對水產(chǎn)養(yǎng)殖環(huán)境因子的自動監(jiān)測。

圖1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)框圖Fig.1 Structure diagram of system

2 監(jiān)測系統(tǒng)硬件設(shè)計

2.1 傳感器選擇

傳感器處于水產(chǎn)養(yǎng)殖環(huán)境因子在線監(jiān)測系統(tǒng)的最前端，選擇時無論在精度、重復性，還是響應(yīng)時間、穩(wěn)定性等方面都應(yīng)符合水產(chǎn)養(yǎng)殖環(huán)境監(jiān)測儀器的有關(guān)技術(shù)要求，而且輸出信號應(yīng)具有良好的線性性。

pH測試采用PHG-96FS型 pH傳感器，該傳感器是專用于測試溶液pH的精密儀表，具備自動溫度補償、三點校正等功能。其性能穩(wěn)定，操作簡便，測量范圍從0.00～14.00 pH，精度±0.02 pH，輸出電流 4～20 mA。

2.2 微處理器

本系統(tǒng)選用STC公司的STC12C5A60S2/AD/PWM系列單片機。它是宏晶科技生產(chǎn)的單時鐘/機器周期（1T）的單片機，是高速/低消耗/超強干擾的新一代8051單片機，指令代碼完全兼容傳統(tǒng)8051，但速度快8～12倍。該單片機具有62K FLASH程序存儲器，1280字節(jié)片內(nèi)RAM數(shù)據(jù)存儲器，片內(nèi)集成8路10位精度高速A/D轉(zhuǎn)換器，轉(zhuǎn)換速度可達250 k/s、2路PWM。另外，內(nèi)部還集成MAX810專用復位電路、看門狗電路等，可以用來提高程序運行的可靠性。微處理器主要完成管理傳感器、數(shù)據(jù)處理和數(shù)據(jù)傳送等功能。

2.3 無線收發(fā)系統(tǒng)

無線收發(fā)系統(tǒng)是水產(chǎn)養(yǎng)殖環(huán)境因子監(jiān)測無線傳感器系統(tǒng)中重要的組成部分，本系統(tǒng)選用NORDIC公司生產(chǎn)的無線通信芯片NRF24L01。NRF24L01工作于2.4～2.5 GHz ISM頻段，其工作電壓為1.9～3.6 V，特點是功耗低，內(nèi)置頻率合成器、功率放大器、晶體振蕩器、調(diào)制器等功能模塊，并融合了增強型ShockBurST技術(shù)，其中輸出功率和通信頻道可通過程序進行配置。該芯片采用FSK調(diào)制方式，可以實現(xiàn)點對點或1對6的無線通信，通信速率可以達到2 Mbps。

2.4 NRF24L01與單片機的接口電路

無線收發(fā)模塊NRF24L01與單片機STC12C5A60S2/AD/PWM的接口連接如圖2所示。NRF24L01的MISO腳連接單片機的P1.3腳，其功能是NRF24L01將接收到的數(shù)據(jù)解調(diào)后輸出到單片機中。NRF24L01的MOSI腳連接單片機的P1.4腳，其功能是單片機將準備發(fā)送的數(shù)據(jù)傳輸?shù)絅RF24L01，經(jīng)過調(diào)制后發(fā)送到上位PC機。NRF24L01的CE腳連接單片機的P1.1腳，CE為使能發(fā)射或接收引腳。在CSN為低的情況下，CE協(xié)同NRF24L01的CONFIG寄存器共同決定NRF24L01的狀態(tài)。

圖2 NRF24L01與STC12C5A60S2接口電路Fig.2 Interface between NRF24L01 and STC12C5A60S2

2.5 串口通信接口電路

上位PC機與單片機之間的通信通過電平轉(zhuǎn)換芯片MAX232來完成。

串行通信接口電路如圖3所示，當單片機與PC機通信時，其數(shù)據(jù)傳輸過程如下：MAX232的11腳T1in接單片機TXD端P3.1，TTL電平從單片機的TXD端發(fā)出，經(jīng)過MAX232轉(zhuǎn)換為RS-232C電平后從MAX232的14腳T1out發(fā)出，再連接到串口座的第3腳，再經(jīng)過交叉串口線后，連接至PC機的串口座的第二腳RXD端，至此計算機接收到數(shù)據(jù)。PC機發(fā)送數(shù)據(jù)時從PC機串口座第3腳TXD端發(fā)出數(shù)據(jù)，再逆向流向單片機的RXD端P3.0接收數(shù)據(jù)。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計

3.1 數(shù)據(jù)采集

數(shù)據(jù)采集工作流程圖如圖4所示。單片機P1口初始為AD模式，設(shè)置一個定時器，使系統(tǒng)周期性地采集數(shù)據(jù)，采集時間到，系統(tǒng)進行數(shù)據(jù)采集，采集完畢后對數(shù)據(jù)進行分析處理并打包，通過無線通信模塊發(fā)送，發(fā)送完后，進入下一輪采集工作。

pH的采集選用上海力瓊電子有限公司生產(chǎn)的PHG-96FS型測試儀，其輸出電流為 I=pH×（8/7）+4.00 mA。通過電流/電壓轉(zhuǎn)換器將pH測試儀輸出的電流轉(zhuǎn)化為對應(yīng)的電壓接到單片機的P1口，將P1口設(shè)置為AD模式，可得模擬輸入電壓 Vin=pH×[（8/7+4）]×R×1 000。 然后，根據(jù) A/D 模擬輸入量Vin與數(shù)字量輸出 D的關(guān)系 D=Vin×1 024/Vref，Vref為單片機A/D模塊的參考電壓，其值為Vref=5 V，最后得到pH的計算式為 pH=35×D/（1 024×R×36 000）。 其部分程序如下：

圖3 串口通信接口電路Fig.3 Circuit interface of serial communication

圖4 數(shù)據(jù)采集工作流程圖Fig.4 Flow chart of software for data acquisition

3.2 pH顯示程序

PHG-96FS測試儀的分辨率為0.01 pH，則本系統(tǒng)也將計算得到的pH保留小數(shù)點后兩位小數(shù)，具體的做法為將temp=35*gedata/（1 024*R*36 000）的分子乘以 100，即 temp=35*gedata/（1 024*R*360），其部分程序如下：

3.3 下位機串口通信程序設(shè)計

定義串行通信的波特率和通信模式是下位機串口通信的一個重要工作，本系統(tǒng)設(shè)計的波特率為57 600位/秒，即上下位機傳送數(shù)據(jù)的速度是每秒發(fā)送57 600位。另外，使用的是串行方式1，因此波特率的選擇取決于定時器/計數(shù)器1的溢出速率和電源控制寄存器PCON。本系統(tǒng)的晶振頻率為11.059 2 MHz，可得重裝數(shù)值N=0xFF。當接收到無線模塊傳來的采集信號時，下位機便將采集到的數(shù)據(jù)解包，通過串口傳送給上位機，LabVIEW將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為pH并通過前面板顯示。其程序流程圖如圖5所示。

圖5 下位機串口通信程序流程圖Fig.5 Flow chart of software for serial communication

3.4 基于LabVIEW的PC機軟件設(shè)計

LabVIEW 是美國國家儀器（National Instruments，NI）公司開發(fā)的一種圖形化編程開發(fā)工具，采用數(shù)據(jù)流的方法來描述程序的執(zhí)行。LabVIEW除具有靈活而強大的數(shù)據(jù)采集和信號處理能力外，搭建測試平臺時還具有開發(fā)時間短、調(diào)試輕松、程序擴展方便等特點，因此，廣泛應(yīng)用于各領(lǐng)域的數(shù)據(jù)采集、儀器控制、測量分析、數(shù)據(jù)顯示與存儲等方面[6]。

本系統(tǒng)LabVIEW程序設(shè)計包括前面板和程序流程框圖兩部分。前面板是圖形用戶界面，由輸入控件和顯示控件組成，界面上有用戶輸入和顯示輸出兩類對象，具體表現(xiàn)有開關(guān)、旋鈕、圖形，以及其他控制（control）和顯示對象（indicator）。 本文以pH監(jiān)測為例，虛擬儀器的前面板設(shè)計如圖6所示。面板中包括串口選擇、數(shù)據(jù)采集、pH校正值、歷史數(shù)據(jù)查詢、系統(tǒng)退出等輸入控制件，以及pH的實時顯示等。

程序流程框圖提供虛擬儀器的圖形化源程序，由端口、節(jié)點、圖框和連線構(gòu)成。其中端口用于與前面板的控制和顯示傳遞數(shù)據(jù)，節(jié)點用于實現(xiàn)函數(shù)和功能調(diào)用，圖框用于實現(xiàn)結(jié)構(gòu)化程序控制命令，連線代表程序執(zhí)行過程中的數(shù)據(jù)流，用于定義框圖內(nèi)的數(shù)據(jù)流動方向[7]。本系統(tǒng)的程序流程框設(shè)計如圖7所示，程序流程中除了常規(guī)的程序流程控制之外，還采用了數(shù)據(jù)包的解壓、數(shù)據(jù)的搜索匹配和數(shù)據(jù)的濾波處理等。

圖6 pH監(jiān)測前面板圖Fig.6 Front panel of monitoring for pH

圖7 pH監(jiān)測程序流程圖Fig.7 Flow chart of monitoring software for pH

4 結(jié)束語

本系統(tǒng)以LabVIEW為開發(fā)平臺，采用無線收發(fā)模塊NRF24L01，實現(xiàn)了對水產(chǎn)養(yǎng)殖環(huán)境因子pH的實時采集、顯示和存儲，以及歷史數(shù)據(jù)查詢等，克服了傳統(tǒng)有線監(jiān)控系統(tǒng)帶來的布線復雜、監(jiān)測不便等不利影響。經(jīng)測試表明，該系統(tǒng)運行穩(wěn)定、數(shù)據(jù)顯示準確，所測數(shù)據(jù)能為pH的控制和水產(chǎn)養(yǎng)殖決策提供依據(jù)。另外，該系統(tǒng)界面友好、操作簡便、易擴展、性價比高，具有較好的應(yīng)用前景。

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