【導讀】魚塘水質(zhì)在線監(jiān)測系統(tǒng)。歡迎來電索取詳細方案或來電洽談業(yè)務(wù)，免費提供設(shè)計方案，價格實惠

　　

【正文】 魚類賴以生存和生長發(fā)育必備條件之一。水中溶氧量主要與溫度、濕度和魚的密度等因素有關(guān)。魚類只有在水中溶氧量達到一定數(shù)值后，才能維持其生命活動，且在一定的范圍內(nèi)，其生長速度及對飼料的利用率都將隨著水中溶氧量的升高而增加，低氧對魚類的生活及生長是十分不利的。目前，大多數(shù)漁業(yè)養(yǎng)殖戶對水中溶解氧含量的判斷主要來自經(jīng)驗，即通過觀察陽光、氣溫、氣壓以及魚有無浮頭等現(xiàn)象，判斷水中溶解氧含量的高低，并控制增氧機是否開機增氧。為了防止發(fā)生泛塘現(xiàn)象，漁民需要花費大量的時間、精力觀察魚塘的情況。這種方式存在事后 控制、增氧不及時或過度增氧、費時、勞動強度大等缺點，在一定程度上影響了魚類的生長，增加了養(yǎng)殖的成本。為了提高魚類產(chǎn)品飼養(yǎng)的質(zhì)量和數(shù)量，提升水產(chǎn)養(yǎng)殖技術(shù)的自動化水平，減輕漁民的勞動強度，降低水產(chǎn)養(yǎng)殖的成本，研制了魚塘含氧量自動控制系統(tǒng)，實時監(jiān)測水中的溶氧量和溫度，自動啟動魚塘中增氧機運行，使魚塘中水的溶氧量和溫度的上下限保持在設(shè)定的范圍內(nèi)，有效地提高了魚類養(yǎng)殖的安全性，降低了養(yǎng)殖成本，對提高養(yǎng)殖產(chǎn)量，達到高產(chǎn)高效的目的，具有重要的意義。 2．魚塘氧氣控制選取方案簡述： 系統(tǒng)總體設(shè)計： 池塘水產(chǎn)養(yǎng)殖 [過程中需要自動監(jiān)測水中溶氧量及水溫，并在超過水溫上限及溶氧量上、下限時進行自動報警和控制增氧機開 /關(guān)的裝置。池塘水產(chǎn)養(yǎng)殖增氧機控制系統(tǒng)主要由傳感器節(jié)點、增氧機和終端控制模塊三部分組成。整個系統(tǒng)完成的功能是利用溫度和溶解氧傳感器將采集到的數(shù)據(jù)傳輸?shù)絺鞲衅鞴?jié)點，并進行數(shù)據(jù)處理，然后通過無線通信協(xié)議發(fā)送到終端控制模塊，終端控制模塊進行判斷，在超出設(shè)定的界限時發(fā)出報警信號，同時開啟或關(guān)閉增氧機。整個系統(tǒng)框圖如圖 1 所示。 系統(tǒng)硬件設(shè)計： 由于傳感器節(jié)點放在池塘 中，考慮到供電的方便和安全，所以采用電池供電。傳感器節(jié)點的無線通信協(xié)議采用滿足 [10]的 Zigbee協(xié)議。同時在電路設(shè)計過程中，芯片的選擇均從低功耗、體積小、應(yīng)用方便等角度進行考慮。 傳感器節(jié)點主控芯片及電路介紹此設(shè)計中傳感器節(jié)點主要由溶氧量和溫度傳感器、運算放大電路、處理器、無線收發(fā)模塊和電源等構(gòu)成。傳感器節(jié)點電路連接圖如圖 2所示。其中主處理器 芯 片 選 用 TI 公 司 的 超 低 功 耗 單 片 機 MSP430F149。 MSP430F149 具有很低 32 的供電電壓，供 電范圍是 V。 MSP430F149 具有超低的功耗，在休眠條件下工作電流只有 uA。 MSP430F149具有喚醒時間短，從休眠方式中喚醒只需要 6 us。并且其具有豐富的外設(shè)， 12位的 A/D轉(zhuǎn)換器，串口通信模塊可設(shè)置成 UART或 SPI方式，有 6個數(shù)據(jù)端口及 60KB 的 Flash 等。此外， MSP430F149 具有 JTAG 仿真調(diào)試接口，便于軟件的調(diào)試。 在應(yīng)用過程中 MSP430F149 接兩個外部晶體振蕩器，分別為低速晶體振蕩器和高速晶體振蕩器，低速晶體振蕩器支持超低功耗，它在低頻模式 下使用一個 KHz 的晶體，該晶體直接連接在 XIN 和 XOUT 管腳上。高速晶體振動器作為它的第二晶體振蕩器。與低速晶體振蕩器不同點是功耗較大且必須外接電容。系統(tǒng)可以根據(jù)不同的需要選擇不同的晶體振蕩器作為主時鐘。此設(shè)計中設(shè)定在一般情況下微處理器工作在低頻，從而降低功耗，等需要進行溫度和溶氧量檢測時，立即切換到高頻時鐘上，馬上進行溫度和溶氧量的采集、處理和數(shù)據(jù)的收發(fā)等操作。由于兩個晶體振蕩器的存在，在保證系統(tǒng)低功耗的同時也可以保證系統(tǒng)的快速響應(yīng)。 Zigbee 是一種新興的短距離、低速率無線網(wǎng)絡(luò) 技術(shù)， Zigbee 的基礎(chǔ)是 IEEE ，它具有傳輸速率低、功耗低、成本低、網(wǎng)絡(luò)容量大、安全性好等特點，是自動控制系統(tǒng)和工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中短距離無線通信的首選網(wǎng)絡(luò)。具體芯片選擇 DIGI 公司的 XBee 模塊， XBee 模塊是一個外型小巧，功能完善的 Zigbee收發(fā)器，支持半雙工操作，射頻部分芯片全部內(nèi)部集成，可以外接多種類型的天線。 XBee模塊通過 UART 與 MSP430 相連進行通信。 XBee 模塊的 SLEEP 引腳與 MSP430 的 相連，通過對 編程來控制 XBee 進入休眠狀態(tài)。為了有效的觀 察 XBee 的通信狀態(tài)，將 MSP430的 和 與發(fā)光二極管相連。通過發(fā)光二極管的閃爍情況來判斷 XBee的通信狀態(tài)。由傳感器采集的模擬信號，經(jīng)運算放大器進行放大以后送至單片機的 ， 引腳進行模擬 /數(shù)字轉(zhuǎn)換。其他數(shù)字傳感器接口只是用于擴展接口，當系統(tǒng)需要增加采集因子時，在此接口連接相應(yīng)的傳感器即可。單片機將處理后的數(shù)據(jù)通過串口傳輸給無線通信模塊，無線通信模塊將數(shù)據(jù)發(fā)送到終端控制系統(tǒng)，這樣終端控制系統(tǒng)就可以通過閾值來控制報警系統(tǒng)和增氧機的工作狀態(tài)。 終端控制的設(shè)計 終端控制系統(tǒng)主要 由溶氧量和水溫報警電路、控制電路和無線收發(fā)模塊等組成。該系統(tǒng)的工作過程是：單片機和無線收發(fā)模塊都采用上文中的芯片。無線通信模塊接收來自于傳感器節(jié)點采集的溶氧量和水溫的數(shù)值信息。單片機通過串口接收來自于無線模塊的數(shù)值，在其內(nèi)部進行計算和比較，判斷采集到的數(shù)值是否超過了設(shè)定的數(shù)值限制。單片機根據(jù)判斷結(jié)果控制是否發(fā)出報警信號并控制增氧機開啟或關(guān)閉。其中增氧機控制電路圖如圖 4 所示。增氧機控制電路主要由光電耦合器和繼電器組成。其工作原理為：當MSP430 單片機的 I/O 引腳輸出低電平時，光耦 U1 截止，繼電器線圈兩端無 電位差，繼電器處于常開狀態(tài)，相當于開關(guān)斷開；當單片機的 I/O 引腳輸出高電平時，光耦 U1 飽 33 和導通， VDD 電源加到繼電器線圈兩端，繼電器吸合，其常開觸點閉合，相當于開關(guān)閉合。在光耦截止瞬間，線圈中的電流不能突變?yōu)榱?，繼電器線圈兩端會產(chǎn)生一個較高電壓的感應(yīng)電動勢，所以在線圈兩端并聯(lián)上一個二極管 D1，使線圈產(chǎn)生的感應(yīng)電動勢通過D1放電，保護三極管不被擊穿，并消除感應(yīng)電動勢對其他電路產(chǎn)生的干擾。此系統(tǒng)中使用光電耦合器有效地降低了外部干擾對系統(tǒng)的影響，增強了系統(tǒng)的穩(wěn)定性。 系統(tǒng)軟件設(shè)計 : 監(jiān)控系統(tǒng)的軟件主程序流程圖如圖 5 所示。它的工作過程是：系統(tǒng)上電后，單片機完成各部分的初始化工作，系統(tǒng)自動讀入來自被監(jiān)控點的溫度、溶氧量值，將其與設(shè)定的溫度、氧濃度值進行比較，判定測得的值是否超出了設(shè)定的界限值，并決定是否啟動報警器和增氧機。 34 /*主程序初始化 */ open_watch_dog ()。 //打開看門狗 MclkInit_32K()。 //系統(tǒng)時鐘初始化 32K low_power_init()。 //省電初始化 timeA_init()。 //時基初始化 timeB_init()。sys_init()。 //系統(tǒng)初始化 clear_watch_dog()。 ?? ?? /*ZB 初始化 */ u_char zb_init(void) { lzs_strcpy((char*)us_tx_buf,(char*)AT_RQ)。 us_tx_num=lzs_strlen((char*)AT_RQ)。 us_tx(us_tx_buf,us_tx_num)。 us_rx_num=(u_int)us_rx_p(u_int)us_rx_buf。 us_rx_buf[us_rx_num]=39。\039。 n=lzs_strcmp((char*)us_rx_buf,(char*)AT_OK)。 if(n!=0) return 0。 /*錯 */ ?? ?? } 系統(tǒng)中傳感器節(jié)點的程序流程如圖 6所示。它的工作過程是：系統(tǒng)上電后，單片機完成各部分模塊的初始化工作，無線通信模塊獲得通信信道，單片機啟動內(nèi)部的 A/D轉(zhuǎn)換模塊將傳感 35 器采集的數(shù)據(jù)進行模數(shù)轉(zhuǎn)換，然后單片機進行數(shù)據(jù)處理和計算，同時將數(shù)據(jù)存儲在無線模塊的發(fā)送緩存器里發(fā)送出去，如果采集的時間到了，單片機進入睡眠模式，一但單片機的睡眠模式的定時時間到，單片機再返回工作模式 ，繼續(xù)進行采集工作。 RF 技術(shù)的魚塘溶解氧無線監(jiān)控系統(tǒng) 系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖和主從機方案如圖 1和圖 2所示。系統(tǒng)主要組成部分包括：溶解氧傳感器、信號調(diào)理單元、 AVR單片機、無線射頻模塊 (RF模塊 )、 GSM(global system for mobile munications)模塊以及液晶屏等。系統(tǒng)的硬件部分主要完成信號調(diào)理和信號采集。整個硬件電路以 ATmega128 AVR單片機為控制核心。 通信方式采用主從結(jié)構(gòu)，整個系統(tǒng)有一個主站，多個從站。主站與 從站之間采用無線射頻方式進行通信，這樣，相對于每個魚塘都設(shè)置一個 GSM模塊來說可以節(jié)省大量資金。而主站和業(yè)主之間采用 GSM網(wǎng)進行通信，只要是 GSM網(wǎng)覆蓋的范圍都能進行通信，這樣既擴大了通信范圍和空間，又保證了通信質(zhì)量。只要業(yè)主的手機帶在身邊則隨時都可以知道自己魚塘中的氧含量。 從站的硬件設(shè)計 36 本系統(tǒng)使用瑞士 Hamilton公司的溶解氧電極檢測魚塘中水的含氧量，它廣泛應(yīng)用于水、廢水、游泳池和魚塘，該電極有一個內(nèi)置的 22 kΩ的溫度補償電阻，極化和反應(yīng)時間極短，可以精確地檢測到水中的含氧量。傳感器輸出的溶解氧和 溫度送人德國 PISCO變送器，變送器可以輸出4～ 20 mA的標準信號。把這個標準信號接入一定的電阻和電容后，轉(zhuǎn)化為 0～ 5 V電壓信號，這樣就可以送入單片機進行 A／ D轉(zhuǎn)換了。 ATmega128 AVR單片機是由美國 ATMEL公司研制開發(fā)的，具有增強型 Flash的 RISC精簡指令集高速 8位單片機。 AVR單片機可以廣泛應(yīng)用于計算機外部設(shè)備、工業(yè)實時控制、儀器儀表、通信設(shè)備、家用電器等各個領(lǐng)域。 AVR單片機廢除了機器周期，拋棄復雜指令計算機 (CISC)追求指令完備的做法；采用精簡指令集，以字作為指令長度單 位，將內(nèi)容豐富的操作數(shù)與操作碼安排在一字之中 (指令集中占大多數(shù)的單周期指令都是如此 )，取指令周期短，又可預取指令，實現(xiàn)流水作業(yè)，故可高速執(zhí)行。在從站中的 AVR單片機接收標準的 0～ 5 V信號，利用片內(nèi)的12位 A／ D轉(zhuǎn)換器做 A／ D轉(zhuǎn)換，并把轉(zhuǎn)換的結(jié)果與設(shè)定值進行比較，啟停增氧機；通過射頻模塊把檢測到的信號傳給主站。 射頻傳輸使用 STR30。它具有微功率發(fā)射，最大發(fā)射功率 10 mW；載頻頻率 433～ 915 MHz；高抗干擾能力和低誤碼率；在視距情況下，天線高度 2 m，可靠傳輸距離可達 300～ 4 000 m(BER=1 200 b／ s)；透明的數(shù)據(jù)傳輸；多信道；雙串口， 3種接口方式；智能數(shù)據(jù)控制，用戶無需編制多余的程序等特點。 RF射頻模塊與單片機連接，進入單片機的采集的數(shù)據(jù)通過 RF 射頻模塊就可以實現(xiàn)主、從機多點雙向數(shù)據(jù)傳輸了。從站的主體電路圖如圖 3所示。 主站的硬件設(shè)計 主站的 STR－ 30射頻模塊循環(huán)接受從站發(fā)送來的數(shù)據(jù)，把各個從站的溶解氧循環(huán)顯示在主站的前面板上。前面板由 4179。 4的按鍵和液晶屏組成。由于季節(jié)的不同，魚塘中溶解氧含量的設(shè)定值也有所變化，用戶可以在前面板上修改設(shè)定值，而無需修改程序，大大地 方便了用戶的使用。當魚塘中的溶解氧超出沒定值時，為了及時地反映系統(tǒng)的狀況，本系統(tǒng)使用 ME40+的GSM模塊。 ME40+是一款 TTL／ CMOS電平的嵌入式 Modem，可直接與用戶的單片機連接，作為一 37 個無線通訊應(yīng)用單元，此產(chǎn)品是在核心模塊的基礎(chǔ)上，增加了供電、 SIM／ UIM卡、物理電平轉(zhuǎn)換、語音電路、接口等電路；并且外形緊湊、尺寸小，方便集成到各種應(yīng)用。在 GSM模塊的插槽內(nèi)插入手機 SIM卡，在前面板上設(shè)定用戶的手機號，用單片機來控制 GSM模塊，那么 GSM模塊就可以像手機一樣進行收發(fā)短信息。這樣，在溶解氧超過限值 ，發(fā)出報警信號后主站就可以通過 GSM模塊向業(yè)主發(fā)出短信息，以便通知業(yè)主。最后，主站把從站傳遞來的溶解氧信號通過RS232以數(shù)據(jù)幀的方式發(fā)送給 PC， PC實時采集數(shù)據(jù)進行監(jiān)控。電平轉(zhuǎn)換部分由 MAX232芯片完成。 增氧機的控制技術(shù) 本系統(tǒng)通過對水體溶解氧含量的實時檢測，將當前溶氧量與設(shè)定參數(shù)進行比較，再經(jīng)過 AVR單片機的處理，通過單片機發(fā)出控制信號經(jīng)驅(qū)動器后控制光電耦合器的工作狀態(tài)。當光電耦合器工作后，使得繼電器的常開觸電閉合，進而控制增氧機工作。使用光電耦合器有效地降低了外部干擾對系統(tǒng)的影響，增強了系統(tǒng)的穩(wěn)定 性。這樣就可以實時控制增氧機的工作，使增氧機有目的、有效率地運行，減少了噪聲污染，降低了能源消耗。 系統(tǒng)的軟件設(shè)計 系統(tǒng)軟件的單片機程序采用 C語言編寫而成，包括鍵盤、顯示、數(shù)據(jù)采集與數(shù)據(jù)處理等模塊化程序。鍵盤處理程序主要根據(jù)不同的季節(jié)完成溶解氧上下限的設(shè)定，按鍵動作的識別采用軟件去抖動的方法。整個系統(tǒng)結(jié)構(gòu)分明緊湊，程序運行可靠。 從站的軟件設(shè)計 從站主要完成數(shù)據(jù)的采集， A／ D轉(zhuǎn)換啟停增氧機和向主站發(fā)送采集到的數(shù)據(jù)等工作，系統(tǒng)的從站流程圖如圖 4所示 。 38 主站的軟件設(shè)計 主站主要完成循環(huán)顯示各個從站 的溶解氧含量、向業(yè)主發(fā)送手機短信以及和 PC 通信等，系統(tǒng)的主站流程圖如圖 5所示。 魚塘溶氧技術(shù)發(fā)展方向： 溶