基于無線通信平臺(tái)的養(yǎng)殖水質(zhì)監(jiān)測系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

摘要：為改善目前國內(nèi)養(yǎng)殖水質(zhì)監(jiān)測的現(xiàn)狀，利用GSM在無線通信領(lǐng)域的技術(shù)優(yōu)勢，設(shè)計(jì)了一種養(yǎng)殖水質(zhì)監(jiān)測系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)養(yǎng)殖水質(zhì)pH和溫度的無線動(dòng)態(tài)監(jiān)測。系統(tǒng)以STC89C52單片機(jī)為主控器，利用溶液pH傳感器和溫度傳感器模塊收集養(yǎng)殖水質(zhì)pH和水溫?cái)?shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)采集與處理，并提供了數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)顯示、存儲(chǔ)、分析以及預(yù)警功能；采用SIM900A短信收發(fā)模塊，實(shí)現(xiàn)水質(zhì)監(jiān)測無線監(jiān)管。結(jié)果表明，該系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定，數(shù)據(jù)傳輸正常，能夠完成水產(chǎn)養(yǎng)殖水質(zhì)參數(shù)的監(jiān)測。

關(guān)鍵詞：STC89C52；pH傳感器；SIM900A；水質(zhì)監(jiān)測

中圖分類號(hào)：TN713 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：0439-8114（2016）14-3749-04

DOI：10.14088/j.cnki.issn0439-8114.2016.14.053

Abstract： In order to improve the situation of domestic aquaculture water quality monitoring，a kind of aquaculture water quality monitoring system was designed by using wireless communication technology GSM，which realized the wireless dynamic monitoring of pH and temperature in aquaculture water. STC89C52 microcontroller was as the main controller，which realized data acquisition and processing of pH and temperature of aquaculture water by the pH value detection sensor and temperature sensor，and the system provided real-time display，storage，analysis and pre-warning function. The SIM900A was adopted to receive and send text messages to gain wireless transmission and dynamic monitoring functions. The experimental results showed that the system is stable，the data transmission is normal，and the monitoring of the water quality parameters can be completed.

Key words： STC89C52； pH sensor； SIM900A； water quality monitoring

中國部分地方養(yǎng)殖水質(zhì)監(jiān)測水平相對(duì)較低， 多數(shù)采取經(jīng)驗(yàn)法或化學(xué)試劑分析法[1]。pH是養(yǎng)殖水體最重要的水質(zhì)指標(biāo)之一[2]，中國漁業(yè)水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)GB11607-89規(guī)定養(yǎng)殖水體魚類生長的pH安全范圍為6.5～8.5，pH過高或過低均對(duì)魚類有直接損害，甚至致魚死亡。因此，在養(yǎng)殖生產(chǎn)過程中要監(jiān)測水體的pH[3]，及時(shí)了解水質(zhì)狀況，采取相應(yīng)的調(diào)節(jié)措施改善水體環(huán)境，保證養(yǎng)殖魚類的正常生長。測量pH的常用方法有化學(xué)分析法、試紙分析法和電位分析法。化學(xué)分析法、試紙分析法不能實(shí)現(xiàn)pH實(shí)時(shí)在線測量，而電位檢測法一般采用玻璃電極傳感器，檢測儀器體積小巧，便于攜帶和使用，其測量的數(shù)據(jù)準(zhǔn)確、可靠，但需要人工記錄數(shù)據(jù)，費(fèi)力耗時(shí)，不能實(shí)現(xiàn)pH動(dòng)態(tài)變化的實(shí)時(shí)監(jiān)測。近年來，不少工程人員已開始設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)無線網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)對(duì)水質(zhì)進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)控[4，5]。本系統(tǒng)設(shè)計(jì)了水產(chǎn)養(yǎng)殖水體pH和水溫?zé)o線實(shí)時(shí)監(jiān)測系統(tǒng)，以便養(yǎng)殖人員實(shí)時(shí)了解水體pH和水溫狀況，從而及時(shí)采取有效的措施調(diào)控水質(zhì)。該系統(tǒng)對(duì)保證水產(chǎn)養(yǎng)殖的安全生產(chǎn)、減輕工人的勞動(dòng)強(qiáng)度、提高養(yǎng)殖業(yè)生產(chǎn)效率具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

整個(gè)系統(tǒng)由傳感器模塊、數(shù)據(jù)處理器模塊、無線通信模塊、電源模塊和顯示模塊組成。其中，pH傳感器模塊包括pH傳感器和信號(hào)調(diào)理電路，信號(hào)調(diào)理電路對(duì)傳感器輸出的微弱信號(hào)進(jìn)行調(diào)理放大，以滿足處理器A/D轉(zhuǎn)換要求；無線模塊采用SIM900A作為主芯片，主要負(fù)責(zé)收發(fā)短信，以便數(shù)據(jù)遠(yuǎn)程交互；顯示模塊主要顯示采集到的pH、養(yǎng)殖水溫度和補(bǔ)償后標(biāo)定溫度[6，7]；電源模塊負(fù)責(zé)給系統(tǒng)提供所需要的電壓，保證系統(tǒng)正常運(yùn)行。

2 硬件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)工作時(shí)，由溶液pH檢測傳感器和溫度檢測傳感器對(duì)養(yǎng)殖水質(zhì)的指標(biāo)進(jìn)行監(jiān)測，由信號(hào)調(diào)理電路放大調(diào)整后傳送到處理器模塊進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，最后由無線通信模塊發(fā)送至監(jiān)控人員，以便工作人員及時(shí)了解水質(zhì)狀況。

2.1 pH信號(hào)調(diào)理電路設(shè)計(jì)

系統(tǒng)采用的是Arduino pH傳感器和溫度傳感器補(bǔ)償模塊C5B1，模塊自帶信號(hào)調(diào)理電路。傳感器探頭檢測到微弱的電壓信號(hào)傳給信號(hào)調(diào)理電路，然后將放大處理后的信號(hào)傳送出來。其中傳感器模塊的加熱電壓為5.0±0.2 V、工作電流為5～10 mA，pH傳感器檢測范圍為0.00～14.00，分辨率為0.01、檢測溫度為0～100 ℃、響應(yīng)時(shí)間小于5 s，以模擬電壓信號(hào)輸出和數(shù)字信號(hào)輸出，pH信號(hào)調(diào)理電路如圖2所示。

pH傳感器電極輸出的信號(hào)為信號(hào)電極pH+和參比電極的相對(duì)電壓pH-。選用的傳感器參比電極為氯化鉀溶液。pH+經(jīng)同相比例放大電路放大后輸出。另外，通過穩(wěn)壓電路和電壓跟隨器在pH-上施加一個(gè)恒定的電壓。選用氯化鉀溶液做參比溶液，pH-電壓值為350 mV，可以保證信號(hào)電極為正值。pH+電極輸出為mV級(jí)電壓信號(hào)，具體范圍在120～450 mV之間，且內(nèi)阻很高。在調(diào)理電路的設(shè)計(jì)中，采用自動(dòng)校準(zhǔn)運(yùn)算放大器TLC4502構(gòu)成信號(hào)調(diào)理電路。TLC4502是一種新型的高精密運(yùn)算放大器，具有低輸入失調(diào)電壓漂移和高輸出驅(qū)動(dòng)能力，并可在上電后失調(diào)電壓自動(dòng)校準(zhǔn)為零。經(jīng)過調(diào)理放大11倍后，信號(hào)調(diào)整為2.5～5.0 V以滿足單片機(jī)A/D轉(zhuǎn)換器輸入范圍。

2.2 A/D轉(zhuǎn)換電路

系統(tǒng)采用的A/D轉(zhuǎn)換器為PCF8591芯片。通道CH2連接調(diào)理后的pH信號(hào)，CH3連接溫度傳感器信號(hào)輸入，該系統(tǒng)中只用到單個(gè)芯片，因此將A0、A1和A2都選擇接地。A/D轉(zhuǎn)換器PCF8591利用數(shù)據(jù)線SDL和時(shí)鐘線SCL與CPU聯(lián)系。由軟件決定水溫及水質(zhì)pH和溫度數(shù)據(jù)的采集時(shí)間和數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)以及顯示。PCF8591芯片引腳連線如圖3所示。

2.3 顯示電路設(shè)計(jì)

溫度傳感器補(bǔ)償模塊采用DS18B20溫度傳感器進(jìn)行水質(zhì)溫度檢測。溫度數(shù)據(jù)和水質(zhì)pH由傳感器采集信號(hào)，經(jīng)過單片機(jī)處理存儲(chǔ)，通過LCD12864顯示，以便人們可以現(xiàn)場實(shí)時(shí)了解水質(zhì)情況。

2.4 GSM短信模塊設(shè)計(jì)

GSM短信模塊采用SIM900A，它主要用于語音或數(shù)據(jù)通訊，SIM900A擴(kuò)展的TCP/IP—AT命令使用戶在做數(shù)據(jù)傳輸方面應(yīng)用時(shí)非常有用[8，9]。SIM卡的接口電源由短信模塊內(nèi)部的電壓穩(wěn)壓器提供，正常電壓值為2.8 V或1.8 V。為了保護(hù)SIM卡，本設(shè)計(jì)使用SMF05C來做靜電保護(hù)，SIM900A電路具體連接如圖4所示。

系統(tǒng)采用單片機(jī)STC89C52控制SIM900A電路，將單片機(jī)的TXD連接到SIM900A的TXD_0上，將RXD連接到SIM900A的RXD_1上，通過單片機(jī)發(fā)送和接受控制命令來完成與SIM900A的通信。NETLED信號(hào)用來驅(qū)動(dòng)網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)燈，通過網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)燈的閃爍可以判斷當(dāng)前的網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)（熄滅，關(guān)機(jī)；64 ms亮/800 ms熄滅，未注冊(cè)到網(wǎng)絡(luò)；64 ms亮/3 000 ms熄滅，注冊(cè)到網(wǎng)絡(luò)；64 ms亮/300 ms熄滅，GPRS通訊）。當(dāng)短信模塊開機(jī)時(shí)，用戶可以拉低PWRKEY引腳1 s以上后釋放此引腳來開機(jī)，此引腳在模塊內(nèi)部已被拉至3 V。當(dāng)收到短消息時(shí)，RI腳將變?yōu)榈碗娖剑３值碗娖?20 ms，然后再變成高電平。當(dāng)模塊作主叫方時(shí)，RI保持高電平。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

3.1 系統(tǒng)程序的總體設(shè)計(jì)

系統(tǒng)具體工作流程圖如圖5所示。系統(tǒng)工作時(shí)，首先對(duì)各個(gè)設(shè)備進(jìn)行初始化，以保證各模塊正常運(yùn)行。當(dāng)主控制器判斷各個(gè)模塊完成初始工作且與無線通信入網(wǎng)成功后，傳感器開始采集電壓信號(hào)，并將采集到的微弱信號(hào)放大處理后送入處理器進(jìn)行處理，并且通過液晶顯示屏顯示處理后的信號(hào)數(shù)據(jù)。與此同時(shí)，處理器還定時(shí)將數(shù)據(jù)通過無線模塊SIM900A發(fā)送到工作人員的設(shè)備上，以便工作人員及時(shí)了解現(xiàn)場情況。最后，由工作人員對(duì)采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析對(duì)比，如果顯示正常，則系統(tǒng)保持連續(xù)動(dòng)態(tài)監(jiān)測狀態(tài)；如果水質(zhì)超標(biāo)或者不符合養(yǎng)殖要求時(shí)，能一鍵撥號(hào)通知工作人員及時(shí)做出調(diào)整。

3.2 無線通信相關(guān)程序設(shè)計(jì)

在程序中定義了大量的變量來控制短信程序執(zhí)行的走向（flag_rec_message，接收到短信標(biāo)志位；Buffer_Uart0_Rec[]，Uart0中斷接收數(shù)組；rec_data_len_uart，標(biāo)記Buffer_Uart0_Rec接收數(shù)組的長度；flag_rec_message_data=0，開始接收短信數(shù)據(jù)；flag_start_rec_message，開始處理短信數(shù)據(jù)標(biāo)志位；temp_rec_data_uart0，定義暫時(shí)存取接收數(shù)據(jù)的變量），接短信與打電話流程（A是接收短信的總流程，B是A中接收短消息極其相關(guān)數(shù)據(jù)的詳細(xì)過程，C是撥打電話的過程）具體流程如圖6所示。

4 數(shù)據(jù)處理

4.1 溫度測量部分試驗(yàn)數(shù)據(jù)

溫度測量部分選用pH探頭和DS18B20溫度傳感器，溫度變化引起阻值的變化，呈線性關(guān)系。采用平衡電橋電路將阻值的變化轉(zhuǎn)換為電壓的變化[10]。測得溫度與電壓的數(shù)據(jù)關(guān)系如表1所示。

對(duì)溫度模擬電壓與溫度關(guān)系進(jìn)行線性擬合，并給出溫度標(biāo)定公式：

T=231.86U-187.77 （1）

其中，U代表電壓，T代表溫度。將此公式寫入FLASH，即可得到傳感器模塊溫度標(biāo)定值。

4.2 pH測量部分試驗(yàn)數(shù)據(jù)

在不同溫度下，用pH已知的標(biāo)準(zhǔn)溶液對(duì)參數(shù)進(jìn)行標(biāo)定，常用的標(biāo)準(zhǔn)溶液為鄰苯二甲酸氫鉀（pH=4.00）、混合磷酸鹽（pH=6.86）、四硼酸鈉（pH=9.18）。根據(jù)被測溶液pH的變化范圍，選擇其中兩種標(biāo)準(zhǔn)溶液，通過試驗(yàn)得出以下數(shù)據(jù)，測得pH與電壓值的數(shù)據(jù)關(guān)系如表2所示。

由數(shù)據(jù)分析可得，溫度小范圍的波動(dòng)對(duì)電壓值的影響不大，原因是傳感器模塊中加入了溫度補(bǔ)償以便得到更準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)。對(duì)pH與溫度關(guān)系進(jìn)行線性擬合，并給出pH標(biāo)定公式：

pH=-5.23U+25.06 （2）

其中，U代表電壓，將關(guān)系式存入FLASH，即可在液晶屏上顯示pH。

5 結(jié)論

系統(tǒng)以STC89C52單片機(jī)為核心，采用溶液pH檢測傳感器和溫度檢測傳感器模塊采集pH和水溫?cái)?shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)了現(xiàn)場數(shù)據(jù)的采集、處理和顯示；除此之外，以SIM900A為無線通信模塊，定時(shí)通過無線模塊將水質(zhì)信息發(fā)送給工作人員，當(dāng)水質(zhì)超標(biāo)或者不符合養(yǎng)殖要求時(shí)，通過一鍵撥號(hào)進(jìn)行提醒。結(jié)果表明，該系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定，數(shù)據(jù)傳輸正常，能夠完成水產(chǎn)養(yǎng)殖水質(zhì)參數(shù)的監(jiān)測。對(duì)于保證水產(chǎn)養(yǎng)殖的安全生產(chǎn)、減輕工人的勞動(dòng)強(qiáng)度、提高養(yǎng)殖業(yè)生產(chǎn)效率具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。如果系統(tǒng)增加無線監(jiān)測節(jié)點(diǎn)和中轉(zhuǎn)節(jié)點(diǎn)，還可構(gòu)成一個(gè)規(guī)模較大的、距離較遠(yuǎn)的無線監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)。

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