一種基于GPRS的溶解氧遠(yuǎn)程采集控制系統(tǒng)

胡樹(shù)冉，封文杰，穆元杰，李喬宇

（山東省農(nóng)業(yè)科學(xué)院科技信息研究所，山東 濟(jì)南 250100）

0 引 言

近年來(lái)，物聯(lián)網(wǎng)的快速發(fā)展提高了諸多工業(yè)應(yīng)用的效率。但在農(nóng)業(yè)方面，物聯(lián)網(wǎng)的應(yīng)該相對(duì)較少，基于此，有必要對(duì)物聯(lián)網(wǎng)在農(nóng)業(yè)池塘養(yǎng)殖中的應(yīng)用進(jìn)行探究。

本研究團(tuán)隊(duì)自主研發(fā)了基于GPRS的溶解氧遠(yuǎn)程采集控制系統(tǒng)，可精準(zhǔn)實(shí)時(shí)地實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)池塘水中溶解氧的采集、顯示、分析等功能。

1 總體架構(gòu)

控制系統(tǒng)的工作過(guò)程：?jiǎn)纹瑱C(jī)作為主控制CPU，首先通過(guò)485電路采集溶解氧傳感器的數(shù)據(jù)，溶解氧數(shù)據(jù)由單片機(jī)處理后，經(jīng)過(guò)協(xié)議打包上傳給GPRS電路。GPRS模塊將數(shù)據(jù)穩(wěn)定傳輸至平臺(tái)，由平臺(tái)進(jìn)一步提取數(shù)據(jù)，并傳輸給手持設(shè)備。手持設(shè)備可以讀取和設(shè)置參數(shù)。如果采集的溶解氧含量超過(guò)一定的預(yù)警值，那么平臺(tái)檢測(cè)到后可以通過(guò)GPRS模塊向單片機(jī)發(fā)送指令，單片機(jī)接收后，控制繼電器模塊動(dòng)作，從而控制增氧機(jī)的啟停，使池塘里溶解氧的含量維持到一定的范圍[1-2]。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 溶解氧采集控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

2 硬件設(shè)計(jì)

2.1 主控CPU模塊

主控CPU模塊選用高性能、易開(kāi)發(fā)的STM32F103單片機(jī)。STM32F系列屬于中低端32位ARM微控制器，該系列芯片由意法半導(dǎo)體（ST）公司出品，其內(nèi)核是Cortex-M3，運(yùn)行穩(wěn)定，便于開(kāi)發(fā)[3]。主控模塊電路如圖2所示。

圖2 主控模塊電路

2.2 RS 485數(shù)據(jù)采集模塊設(shè)計(jì)

RS 485總線以良好的抗干擾能力、穩(wěn)定的傳輸速率、傳輸距離遠(yuǎn)等優(yōu)勢(shì)得到了廣泛的應(yīng)用，多參數(shù)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中各傳感器通過(guò)RS 485總線與主控CPU模塊相連，通過(guò)MODBUS協(xié)議獲得采集數(shù)據(jù)。STM32F103單片機(jī)串口轉(zhuǎn)RS 485電路如圖3所示，可實(shí)現(xiàn)RS 485通信功能[4]。

2.3 GPRS通信模塊設(shè)計(jì)

GPRS通信模塊采用TTL轉(zhuǎn)GPRS透?jìng)餍酒M(jìn)行設(shè)計(jì)。GPRS通信模塊電路如圖4所示。

圖4 GPRS通信模塊電路

2.4 電源模塊設(shè)計(jì)

系統(tǒng)內(nèi)部使用3.3 V供電電壓，該電壓為芯片常用電壓。GPRS模塊的供電電壓為3.8 V，因?yàn)閿?shù)據(jù)發(fā)射時(shí)的功率較大，所以需要采用大功率電源芯片供電。電源是系統(tǒng)的核心，芯片需采用輸出紋波較小的電源進(jìn)行供電[5]。電源模塊電路如圖5所示。

圖5 電源模塊電路

3 軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)軟件包括主控、串口通信，數(shù)據(jù)采集讀取、設(shè)備控制等程序塊。每個(gè)程序塊都各自實(shí)現(xiàn)自己的程序功能，模塊化編程更有利于發(fā)揮程序的可讀性、可移植性等優(yōu)勢(shì)[6]。

系統(tǒng)通電后，程序初始化相應(yīng)參數(shù)，包括中斷函數(shù)初始化、串口初始化、優(yōu)先級(jí)初始化、標(biāo)志初始化、GPIO口初始化等。初始化完畢后進(jìn)入主函數(shù)，循環(huán)運(yùn)行。以輪詢(xún)方式采集溶解氧傳感器的數(shù)據(jù)，采集完畢后，將采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，按照平臺(tái)協(xié)議打包，之后通過(guò)串口將數(shù)據(jù)發(fā)送到平臺(tái)服務(wù)器進(jìn)行處理。如果接收到平臺(tái)的控制指令，則進(jìn)入控制指令程序處理函數(shù)并解析，根據(jù)解析結(jié)果，通過(guò)RS 485總線向設(shè)備發(fā)送控制指令，操作對(duì)應(yīng)的控制設(shè)備[7]。系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)流程如圖6所示。

圖6 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)流程

4 實(shí)驗(yàn)情況

為確保基于GPRS溶解氧遠(yuǎn)程采集控制系統(tǒng)（如圖7所示）的工作穩(wěn)定性，將設(shè)備安裝至魚(yú)塘后進(jìn)行測(cè)試。通過(guò)微信小程序可以實(shí)時(shí)查看魚(yú)塘里的溶解氧含量，并可通過(guò)小程序發(fā)送控制指令實(shí)現(xiàn)增氧機(jī)的啟停，完成采集控制的閉環(huán)操作流程，穩(wěn)定控制魚(yú)塘中溶解氧的含量[8]。

圖7 GPRS溶解氧遠(yuǎn)程采集控制產(chǎn)品

設(shè)備部署完成后，通電系統(tǒng)運(yùn)行，在微信小程序中查看采集數(shù)據(jù)（如圖8所示），溶解氧傳感器數(shù)據(jù)等可正常采集與上傳。為測(cè)試采集系統(tǒng)的工作穩(wěn)定性，待其長(zhǎng)時(shí)間工作后在平臺(tái)中查看其采集數(shù)據(jù)的連續(xù)性，并查看有無(wú)異常數(shù)據(jù)，也可查看監(jiān)測(cè)系統(tǒng)運(yùn)行一段時(shí)間采集數(shù)據(jù)的走勢(shì)[9]。

圖8 平臺(tái)數(shù)據(jù)分析

試驗(yàn)表明，本文設(shè)計(jì)的基于GPRS的遠(yuǎn)程采集控制系統(tǒng)可實(shí)時(shí)采集魚(yú)塘中溶解氧的含量、魚(yú)塘水溫等參數(shù)并上傳至微信小程序平臺(tái)，系統(tǒng)銜接順暢，顯示直觀，設(shè)備長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行性能穩(wěn)定，數(shù)據(jù)準(zhǔn)確，有效展示了當(dāng)前魚(yú)塘中溶解氧的含量[10]。

5 結(jié) 語(yǔ)

為精準(zhǔn)檢測(cè)水中溶解氧的含量，利用物聯(lián)網(wǎng)傳感器對(duì)水中溶解氧的含量進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測(cè)調(diào)控對(duì)魚(yú)塘養(yǎng)殖而言意義重大。同時(shí)，我們團(tuán)隊(duì)自主開(kāi)發(fā)的微信小程序?qū)臃€(wěn)定，效果顯著，能有效監(jiān)測(cè)水中溶解氧的含量。