王建喜，朱培逸，李 鑫

（常熟理工學院 電氣與自動化工程學院，江蘇 常熟 215500）

傳統(tǒng)漁業(yè)的特點是周期長、勞動強度大、生產(chǎn)效率低，因此減輕漁業(yè)勞動強度、提高生產(chǎn)效率是漁民多年來的夢想也是新時期對漁業(yè)快速發(fā)展的必然要求，自動化是減輕勞動強度、提高生產(chǎn)效率、實現(xiàn)傳統(tǒng)漁業(yè)向現(xiàn)代漁業(yè)轉(zhuǎn)變的關(guān)鍵措施之一[1-3].在眾多的水體參數(shù)中，溶氧量濃度（DO）是養(yǎng)殖水體的一項重要參數(shù)，也是可以對其進行自動控制的水體參數(shù)之一.水體溶氧是魚、蝦、蟹類賴以生存和微生物進行硝化過程所必須的物質(zhì)[4].因此本文以溶氧量濃度這一水體參數(shù)為例，根據(jù)無線傳感器實時監(jiān)測水體中溶氧量的濃度變化，自動控制增氧機的開關(guān)，從而達到既維持水體溶氧量的濃度，又能節(jié)約用電，延長增氧機使用壽命，降低養(yǎng)殖成本的效果，完全符合國家對工業(yè)提出的節(jié)能降耗的要求.

1 系統(tǒng)的總體設(shè)計

不同的養(yǎng)殖種類有不同的溶解氧需求，要根據(jù)養(yǎng)殖的具體情況確定.冷水性魚類生長快、攝食量大、代謝旺盛、溶解氧消耗比較多.本研究利用鱒魚類作為設(shè)計的標準，主要原因在于鱒魚喜棲于高溶解氧水域.一般情況下，鱒魚溶解氧安全臨界值為3.15mg.L-1，長期在低氧環(huán)境下飼育的魚，其安全臨界值降為2.45mg.L-1，溶解氧低于5mg.L-1時，鱒魚呼吸頻率加快，低于4mg.L-1時游動遲緩，當魚群集在入水口呈現(xiàn)浮頭狀時，水中溶解氧大約已降到了3毫克/升以下，這時魚的生命已經(jīng)受到了威脅.安靜環(huán)境下，魚耗氧量會降低.溫度、光照、震動等對魚體的刺激因素，都會使耗氧量增加而降低溶解氧環(huán)境的安全性[5].因此工廠化水產(chǎn)養(yǎng)殖鱒魚要求水體溶解氧一般應高于5mg.L-1或是水體飽和溶解氧的60%以上[6]，如果使用增氧機不斷向水體中充入空氣來滿足溶解氧的要求，對增氧機控制要求低，比較容易實現(xiàn)；如果使用某個功率的增氧機連續(xù)滿載運轉(zhuǎn)時，水體的溶解氧遠高于要求，此時就可以對增氧機進行相應的控制，在保證水體溶解氧要求的基礎(chǔ)上能減少電能消耗，節(jié)約成本.本文采用的整個硬件系統(tǒng)主要由兩部分組成，上位機監(jiān)控中心包括一臺安裝有監(jiān)控軟件的PC機，此電腦包含無線數(shù)據(jù)收發(fā)器模塊，并能通過多種方式連接到Internet網(wǎng)，以備用戶遠程訪問和控制.下位機由多個增氧節(jié)點組成，每個增氧節(jié)點相對獨立，可單獨進行訪問和數(shù)據(jù)上傳.節(jié)點與監(jiān)控中心端采用無線數(shù)據(jù)傳輸方式，各傳感器可以直接連接在節(jié)點上，大大減少無線傳輸模塊的數(shù)量，降低整個系統(tǒng)成本.系統(tǒng)的整體框架如圖1所示.

圖1 系統(tǒng)框圖

2 硬件設(shè)計

每個增氧節(jié)點擬采用單片機為主控制器，結(jié)合最新的外圍器件，可實現(xiàn)同時監(jiān)測多路溶解氧的變化，并可同時顯示在液晶顯示器上，也可通過RS-232串口與遠程計算機通信，完成數(shù)據(jù)傳輸、遠程控制、遠程校正等功能，還可以通過控制接口連接開關(guān)繼電器，進而實現(xiàn)增氧機、循環(huán)泵等設(shè)備的啟停，完成自動控制功能.單個節(jié)點硬件框圖如圖2所示.

系統(tǒng)主控制芯片選用ATMEL公司的AT89S52，主要組成部分有：電化學溶氧量傳感器、信號調(diào)理部分、單片機、模/數(shù)轉(zhuǎn)換模塊、液晶顯示器以及標準的RS-232通信接口，可方便與其他設(shè)備的連接.如利用此標準接口，連接無線數(shù)據(jù)收發(fā)模塊，則可組成無線傳感器網(wǎng)絡的一個節(jié)點，便于在無法布線的區(qū)域進行監(jiān)控.

首先，各個位置的溶氧量傳感器將各處的溶氧量濃度轉(zhuǎn)換為相應的微弱電流或電壓信號，經(jīng)精密放大器調(diào)理成標準的0～5V電壓后，送到模/數(shù)轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換成相應的數(shù)字電壓值，再送入單片機中進行處理.單片機依據(jù)不同位置的傳感器數(shù)據(jù)進行多傳感器數(shù)據(jù)融合運算，判斷這片水體的溶氧量是否低于設(shè)定閾值，同時根據(jù)程序設(shè)定，啟停增氧機.這些數(shù)據(jù)也可以通過RS-232接口直接傳送給計算機或其他數(shù)據(jù)傳輸模塊.

2.1 信號調(diào)理電路

微弱信號極易受到環(huán)境因素的干擾，甚至被淹沒在背景噪聲中.電化學傳感器的輸出電流一般都比較小，而傳感器本身的阻抗又比較大，因此選用合適的高阻抗放大電路成了電路測量部分成功的關(guān)鍵.圖3給出的電流-電壓變換器（也稱零阻電流計），作為電流檢測單元，被普遍用于高阻抗傳感器測量中，優(yōu)點是電流檢測靈敏度高.

在微電流測量電路中，電路的響應時間通常受限于由電阻和電路中輸入寄生電容構(gòu)成的時間常數(shù).當該時間常數(shù)不小于電化學反應所對應的時間常數(shù)時，測量結(jié)果往往會發(fā)生畸變而變得不可靠，用寄生電容消除電路可以使這種影響減到最小.圖3中Cf為寄生電容，R1和C1為外加的RC網(wǎng)絡，通過調(diào)整電阻R1和電容C1的大小，可使RfCf=R1C1，就可消除寄生電容的影響.

圖2 單個節(jié)點硬件框

圖3 電流-電壓變換器

2.2 A/D轉(zhuǎn)換電路

A/D轉(zhuǎn)換芯片可選用美國TI公司的TLC2543.片內(nèi)含有一個14通道多路器，可從11個外部模擬輸入或三個內(nèi)部自測電壓中選擇一路進行轉(zhuǎn)換輸出，片內(nèi)設(shè)有采樣保持電路，主處理器只需發(fā)出讀某一通道命令即可，A/D轉(zhuǎn)換電路如圖4所示.

圖4中AIN0-AIN10為模擬信號輸入端，/CS為片選端，DATA INPUT為串行數(shù)據(jù)輸入端，DATA OUTPUT為A/D轉(zhuǎn)換結(jié)果的三態(tài)串行輸出端，EOC為轉(zhuǎn)換結(jié)束端，I/O CLOCK為I/O時鐘，REF+為正基準電壓端，REF-為負基準電壓端，VCC為電源引腳，GND接地.

2.3 開關(guān)繼電器控制電路

在各種自動控制設(shè)備中，都存在一個低壓的自動控制電路與高壓電氣電路的互相連接問題，一方面要使低壓的電子電路的控制信號能夠控制高壓電氣電路的執(zhí)行元件，另一方面又要為電子線路的電氣電路提供良好的電隔離，以保護電子電路和人身的安全，電磁式開關(guān)繼電器就能很好地實現(xiàn)這些要求.本文選用HK4100F電磁繼電器控制一個小型的增氧機設(shè)備.

2.4 串口電平轉(zhuǎn)換電路

ELA RS-232C是目前最常用的串行接口標準，用于計算機與計算機之間，計算機與外設(shè)之間的數(shù)據(jù)通信.但RS-232C規(guī)定的邏輯電平與單片機的邏輯電平是不一致的.因此在應用中，必須把微處理器的信號電平(TTL電平)轉(zhuǎn)換為RS-232C電平，或者對二者進行逆轉(zhuǎn)換.在這里選用專用電平轉(zhuǎn)換芯片MAX232來實現(xiàn).

2.5 無線數(shù)據(jù)收發(fā)模塊

由于無線網(wǎng)絡的通信質(zhì)量與無線收發(fā)模塊的性能息息相關(guān)，因此該模塊的硬件部分的設(shè)計十分重要.考慮到通信距離和障礙繞行能力，系統(tǒng)采用頻率為433MHz的射頻信號進行無線通信.權(quán)衡功耗、靈敏度、數(shù)據(jù)傳輸速率和封裝尺寸等，選用nRF905作為節(jié)點的無線收發(fā)模塊，nRF905單片無線收發(fā)器由一個完全集成的頻率調(diào)制器，一個帶解調(diào)器的接收器，一個功率放大器，一個晶體震蕩器和一個調(diào)節(jié)器組成.可以自動處理字頭和CRC(循環(huán)冗余碼校驗)，使用SPI接口與微控制器通信，配置非常方便.此外，其功耗非常低，以-10dBm的輸出功率發(fā)射時電流只有11mA，工作于接收模式時的電流為12.5mA，內(nèi)建空閑模式與關(guān)機模式，易于實現(xiàn)節(jié)能.

3 軟件設(shè)計

整個系統(tǒng)的軟件包括主程序、自檢程序、通信程序、數(shù)據(jù)采集程序、報警控制程序、數(shù)據(jù)處理程序、比較判斷子程序及無線數(shù)據(jù)收發(fā)程序等若干個子程序.軟件采用匯編語言編寫，并采用模塊化設(shè)計，使程序結(jié)構(gòu)清晰，便于今后進一步擴展系統(tǒng)的功能.軟件結(jié)構(gòu)如圖5.

主程序初始化以后置位AT89S52的中斷EA，使CPU開放中斷，并啟動TLC2543對IN1-INn通道的模擬輸入量進行A/D轉(zhuǎn)換.在電路設(shè)計中，TLC2543與AT89S52是采用中斷方式連接的，所以系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集處理功能是在中斷服務程序中完成的.當AT89S52響應中斷請求后，調(diào)用中斷服務程序，中斷服務程序進行壓棧，保護現(xiàn)場，讀取來自TLC2543數(shù)據(jù)輸出口的8位數(shù)字量，并將數(shù)字量儲存到單片機RAM中，然后啟動TLC2543的下一次轉(zhuǎn)換.在檢測過程中，將A/D轉(zhuǎn)換器采集到的電信號經(jīng)數(shù)據(jù)處理后存入內(nèi)部RAM以70H為首址的數(shù)據(jù)存儲器中，然后將此數(shù)據(jù)Ux分別和基準電壓U0、U1進行比較.而后再通過判據(jù)算法，以確定是否控制增氧機的工作及報警.

圖5 軟件結(jié)構(gòu)

4 結(jié)論

本文介紹了基于無線傳感器網(wǎng)絡的水產(chǎn)增氧機的實時控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)克服了傳統(tǒng)系統(tǒng)存在的不足，安裝和拆卸方便靈活，功能擴展性強.可以實現(xiàn)監(jiān)控的網(wǎng)絡化、可視化，并且能及時全面地了解水的酸堿度、水位、水流速度等，從而對水質(zhì)進行更有效的監(jiān)控，也可定時控制其他漁業(yè)機械.系統(tǒng)節(jié)能效果明顯，具有重要的實用價值.

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