基于LabVIEW的水質監測系統設計與開發

王詩源，袁 琦

(海南大學 機電工程學院，海南 海口 570228)

水產養殖環境因子對水生動植物有決定性作用，直接影響其產量與品質。養殖水體的溫度、酸堿度(pH)、鹽度、氨氮值、溶氧(DO)、電導率等環境因子對水產養殖魚類的生長起主導作用[1-3]。目前國內水質自動監測技術及監測手段與國外先進水平相對落后，自動化水平較低，智能化水平也不高[4]。水質監測系統上位機監控端軟件多為編程語言，操作復雜且不易控制，不能實現電腦(PC)端信息瞬時互傳等聯機功能。研究適合中國國情現狀的無線水產養殖參數監測系統的上位機操作系統具有重要的實際意義[5]。

本文應用信號傳輸距離遠的nRF905為無線通信模塊，以MSP430微控制器為系統下位機，系統上位機以 LabVIEW 設計監控軟件，構建一種無線水質參數監測系統。該系統操作界面簡單，能夠實現上位機之間數據共享，聯機交互功能。本系統的主要檢測數據為pH和電導率。

1 系統總體設計

水質監測系統(圖1)包括下位機(單片機監測終端)和上位機PC機(監測中心)。下位機由兩種傳感器數據采集模塊(pH和電導率)、A/D轉換模塊、MSP430單片機、無線通信模塊nRF905等構成。單個采集節點定時采集水質的pH與電導率，并將采集到的數據通過無線通信模塊nRF905發送到匯聚節點，該節點將數據通過無線傳輸至監測中心的上位機進行處理分析。系統工作過程：第一步，兩種傳感器采集信號數據，其中pH傳感器采集到的信號比較微弱，需要通過調理電路處理后變換為輸出電壓為0～3.3V之間的正常信號，電導率傳感器可以直接連接使用，輸出信號為數字信號，無需調理。第二步，將采集到的信號傳送給MSP430，單片機對數據參數進行初步分析、處理后，通過nRF905發送出去[6-8]。第三步，監測中心收到數據信息后，對數據進行誤差處理，處理后將對應數據代入顯示圖標中，以曲線圖的形式實時顯示水質數據并進行數據儲存。

2 系統硬件設計

2.1 傳感器選擇

pH傳感器采用E-201-C型pH復合電極，該電極是玻璃電極和參比電極組合在一起的塑殼可充式復合電極，響應時間<2 min，是pH測量元件[9]。該電極測量范圍為0～14，測量溫度必須保證在0℃～60℃。電導率傳感器型號為ZA-CDT-A101-485，工作電壓(5±0.2) VDC。該傳感器工作溫度范圍幅度廣(-10℃～105℃)，可在多種環境條件下工作。其量程范圍為0.1～10 000 μS/cm，可用于多種水質的電導率數據采集。

2.2 微處理器

本系統微處理器選用MSP430系列微控制器。該單片機具有62 K的FLASH程序存儲器，64 K字節尋址空間，包含ROM、RAM、閃存 RAM 和外圍模塊，A/D 轉換器(10位或更高精度)有8個輸入端，可作為恒流源工作[10-11]。其振蕩器是專門為通用的時鐘低功耗32 768 Hz 晶振設計的。除了晶體外接外，所有的模擬元件都集成在片內。另外，內部還具有復位電路、看門狗電路等，可以用來提高程序運行的可靠性[12]。

2.3 無線收發模塊

無線收發模塊nRF905是無線傳感器系統中的重要組成部分。該模塊有433 MHz開放ISM頻段免許可證[13]，低功耗，高效調制，抗干擾能力強，特別適合做本系統的收發模塊[14]。

2.4 nRF905與單片機的接口點電路

單片機MSP430與nRF905的接口連接如圖2所示。

圖1 系統結構框圖

圖2 單片機與無線收發模塊連接電路

電導率傳感器與單片機的P3.0和P3.1連接，采集到的電導率信號數據這兩個引腳進行交互輸入輸出。pH傳感器采集的信號需要經過信號調理電路進行處理，然后連接P3.2引腳進行模擬/數字轉換。數據信號轉換完成后，再通過串口發送給nRF905，隨后nRF905 將數據傳輸到上位機進行下一步的處理、顯示與儲存為防止 nRF905在無效的通信狀態導致整個系統不工作，對其做一些信號通斷處理。如圖，先將單片機的 P3.4與 P3.5引腳和發光二極管連接，再與nRF905相連接，這樣nRF905的通信狀態就可以通過發光二極管的閃爍情況來判斷，能在第一時間確定系統的穩定性。

3 系統軟件設計

整個系統軟件包括下位機單片機嵌入式程序和監測中心PC機系統程序。下位機程序選用C語言編寫，監測中心PC機系統程序使用LabVIEW進行開發[15-17]。

3.1 下位機主程序

下位機流程如圖3所示。

圖3 下位機流程圖

下位機主程序利用C語言開發工具，通過嵌入式系統MDK開發環境對MSP430微處理器程序進行設計開發[18]。下位機核心程序包括各參數的數據采集、數據的處理與轉換、串口通信、數據的無線傳輸等[19]。3種數據采集傳感器在通電后先要進行系統初始化，初始化前打開定時器等待定時器溢出中斷。數據采集：由已知中斷函數利用A/D模數轉換采集pH傳感器輸出數，由DS18B20單總線協議采集溫度傳感器數據，由 Modbus RTU 協議獲取ZA-CDT-A101采集電導率輸出數據。將以上采集數據按照既定通信協議存入發送緩沖區，然后發送給nRF905，再發送給上位機。

上位機未接到數據前處于待機狀態，在開機時首先打開定時器，設置采集時間間隔[20-22]。由nRF905接收數據信號后傳給單片機，經過數據處理后傳送至PC機。PC機對溫度、pH和電導率等數據進行處理、顯示與儲存。定時器溢出中斷時采集停止。上位機流程圖如圖4所示。

圖4 上位機流程圖

3.2 監測中心軟件

系統監測中心軟件采用LabVIEW進行開發。PC機控制軟件主要由實時監測、動態顯示、數據儲存、超限報警等模塊組成[23]。實時監測：下位機傳送來的2種數據信息分離處理，然后各自和波形圖表連接，用動態曲線的方法表達出來。超限報警：對每種數據都配備對應的報警器，如果采集到的數據信息高于或低于所設置的限制區間時，指示燈就會閃亮。數據儲存：把對應數據以圖標的方式表示以后，對數據進行儲存，方便以后隨時調取。該部分程序設置有數據采集的當前日期和時間，通過這個程序框圖界面就可以實時了解2種水質參數的變化。

3.3 遠程通信

LabVIEW是以特殊方式進行傳輸數據的過程[24]。其中常見的實現計算機之間跨越地域的方法有3大類，它們可以很便捷地在極遠地域和兩臺甚至多臺計算機之間進行數據共享，實現聯機交互。方法如下：(1)利用TCP協議實現PC間的數據共享。常見的通信協議包括TCP/IP協議、串行通信協議、無線網絡協議等[25]。(2)使用DataSocket技術實現網絡通信。虛擬儀器提供強大的個人PC間數據共享的功能，其中基于TCP協議的通信方式是最基本的網絡通信協議。本文所設計的水質監測參數實時遠程監測系統軟件的遠程通信就是基于TCP協議[26-27]的通信方式。TCP使用比特流(作為非結構化字節流的數據)在通信段中傳輸數據，并且當數據交換時，主機必須創建通信。雙機通信流程圖如圖5所示。

圖5 雙機通信流程圖

雙機通信過程中，需在不同的主機上分別創建一個TCP服務器和一個TCP客戶端，使用TCP函數節點進行通信[28]。具體如下：創建服務器VI，指定服務器端口，使用“TCP創建偵聽器”節點創建偵聽器，“TCP等待偵聽器”節點等待客戶端連接，在循環結構，產生2個正弦周期波形，第一個節點發送長度的波形數據，第二個節點發送波形數據。循環結構外，用“TCP Close Connection”節點結束連接[29]。創建客戶端VI。指定服務器地址和網絡端口，用“TCP打開連接”節點打開TCP連接。第一個節點接收波形長度并作為第二個節點的輸入，第二個節點接收波形數據[30]。循環結構外，用“TCP Close Connection”節點結束連接。數據的聯機交互工程設計完成，并可自主控制進行關閉連接。

4 實驗數據測量與分析

在海南大學東坡湖進行了現場測試， 表1為2017年9月25日該湖泊的pH和電導率的部分測量數據。每天測量時間為8 h，數據間隔為2 h，共選取5次數據。同時采用標準儀器對水源進行pH和電導率測量，與實驗儀器測量的數據進行對比。其中，選取的pH標準儀器為pH-580，電導率標準儀器為BCNSCAN10。由表1可以看出，系統的測量值與標準儀器的數值變化趨勢基本相同，測量數據與標定數據誤差在2%以內。系統在測量過程中丟包率在0.1%以內。說明系統能夠穩定運行，并可以精確可靠地檢測pH和電導率，且實時數據能在上位機主程序以波形圖的形式顯示。

表1 設計系統監測與標準儀器監測結果

5 結論

利用LabVIEW設計了一套水產養殖水質監測系統。無線通信模塊nRF905拉長了信息傳輸距離，延長了傳感器與監測中心距離。上位機以LabVIEW設計監控軟件，其設計界面簡單、功能齊全，實現了對水產養殖環境參數 pH和電導率的實時采集、圖像顯示等，通過數據管理模塊可以方便地查詢和輸出歷史數據。并對功能進行了拓展，在極遠地域和2臺甚至多臺計算機之間進行數據共享，實現聯機交互，使系統可以多上位機控制。研究表明，該系統運行穩定，且系統操作簡便、易擴展，有利于促進水產養殖的科學化、規模化、智能化。隨著移動終端的進步，下一步希望開發出以移動終端為控制中心的水質監測系統。

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